WO2008012133A1 - Servoventilgesteuerter injektor zur einspritzung von kraftstoff in zylinderbrennräume von brennkraftmaschinen; insbesondere common-rail-injektor - Google Patents

Servoventilgesteuerter injektor zur einspritzung von kraftstoff in zylinderbrennräume von brennkraftmaschinen; insbesondere common-rail-injektor Download PDF

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Arnad Beganovic
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    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid

Definitions

  • the invention relates to an injector according to the preamble of patent claim 1.
  • the outlet throttle is on control room side in a so-called diffuser, which is a coaxial bore to the outlet throttle with respect to the outlet throttle expanded diameter.
  • the cross-sectional transition from the outlet throttle to the diffuser is usually done in a single stage.
  • Cavitation erosion has the consequence. This leads during operation to material removal and thus to undesirable wear on the valve seat of the servo valve. As a result of the cavitation erosion, the surface of the valve piece forming the valve seat is destroyed in the seating area of the valve body. The result is leaks that can lead to injector malfunctions.
  • the object of the invention is to take appropriate measures in the region of the valve seat of the servo valve that further steam generation is ensured at the outlet throttle, however, a condensation of the vapor (cavitation) and consequential damage (cavitation erosion) are avoided.
  • the object is achieved in an injector of the type described by the characterizing features of claim 1.
  • the inventive solution outlet throttle without diffuser, the speed level is increased in the seating area of the servo valve, which also leads to a corresponding pressure reduction.
  • it is advantageously possible to avoid condensation of the vapor and thus possibly associated cavitation damage. Undesired material removal and thus leaks and malfunctions in the injector control (injection quantity, emissions etc) are omitted.
  • FIG. 2 shows the pressure distribution in the seating area of a servo valve for the injector according to FIG. 1 on the basis of a representation of the detail "A" of FIG. 1 which is greatly enlarged compared with FIG.
  • FIG. 3 - in illustration corresponding to FIG. 2 - the areas with
  • the common rail injector (partially shown in FIG. 1) is a servo-hydraulically actuated fuel injector. It designates a 10 - multi-part - injector with each molded drain pipe 11 and connector housing 12 with power connector for a - quantified with 13 - electromagnet. A - also connected to the injector body 10 of the common rail injector - high pressure port is designated 14. This one is at a (not shown)
  • High-pressure fuel storage (so-called common rail) connected.
  • a multi-stepped axial recess 15 is incorporated, in which a valve piston 16 is centered and arranged axially movable.
  • a nozzle body connects, which is arranged coaxially with the valve piston 16
  • Nozzle needle receives (not shown).
  • a portion 17 forming the upper end of the injector body 10 accommodates not only the electromagnet 13 but also a solenoid control valve generally designated 18 having a spherical valve body 19.
  • valve body 19 is guided and actuated by a ball guide 20 and acts with a conical valve seat 21, which is incorporated in a sealingly arranged in the injector 10 valve member 22.
  • valve piston 16 is fitted with its upper portion in an axial bore 23 of the valve piece 22, so that at the upper end of the valve piston 16, a relatively small-volume control chamber 24 results.
  • the control chamber 24 is connected via an annular space 25 and an inlet throttle bore 26 (so-called Z-throttle) with the
  • High pressure connection 14 hydraulically connected.
  • valve seat 21 of the servo valve (solenoid control valve 18) through a throttle bore 27, so-called.
  • Drain throttle with the control chamber 24 is hydraulically connected.
  • the outlet throttle 27 has a total of constant diameter, so without the interposition of a (possessing an enlarged cross-section) diffuser opens into the control chamber 24.
  • FIGS. 2 to 4 The exact configuration of the transition of the valve seat 21 in the outlet throttle 27 and its effect on the velocity and pressure distribution of the fuel flow is shown in detail in FIGS. 2 to 4.
  • the spherical valve body 19 assumes a position immediately above the tapered servo valve seat 21.
  • FIG. 2 illustrates 4 shows the results of three-dimensional measurements (see coordinate xyz) of the pressure level ( Figure 2), the liquid evaporation rate ( Figure 3) and the liquid velocity distribution ( Figure 4) in the valve area in question.
  • Fig. 2 makes - by correspondingly dark coloration of the liquid flow - clear that in the transition region 29 is a comparatively low
  • the diameter and length of the outlet throttle 27 should be matched to one another, which can be done by appropriate test series.
  • the diameter of the outlet throttle 27 may correspond to the diameter of conventional outlet throttles (with diffuser).
  • Drainage diameters of 0.19 to 0.225 mm have proved to be advantageous.
  • particular importance should be attached to the fact that the fluid flow rests against the walls of outlet throttle 27, helical chamfer 28 and servo valve seat 21 (see FIG. 4). Furthermore erosion times and cycle time should be considered. It follows from all this that the length of the outlet throttle 27 should be between 0.35 mm and 0.7 mm.

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Abstract

Ein servoventilgesteuerter Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in Zylinder-Brennräume von Brennkraftmaschinen, insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem Injektorkörper (10) der einen flüssigkeitsdruckbeaufschlagten Ventilkolben (16) aufnimmt, mit einem sich am oberen Ende des Injektorkörpers (10) anschließenden Servoventil (18) und mit einem im Injektorkörper (10) am servoventilseitigen (oberen) Ende des Ventilkörpers (16) ausgebildeten Steuerraum (24) ist über eine Ablaufdrossel (27) einerseits mit einem der Kraftstoffzuführung in den Injektorkörper (10) dienenden Hochdruckanschluss (14), andererseits mit einem Ventilsitz (21) des Servoventils (18) hydraulisch verbunden. Das Servoventil (18) besitzt einen Ventilkörper (19), der mit dem Ventilsitz (21) zusammenwirkt. Eine wesentliche Besonderheit besteht darin, dass der Steuerraum (24) mit dem Ventilsitz (21) des Servoventils (18) unmittelbar durch die Ablaufdrossel (27), d. h. ohne Zwischenschaltung eines Diffusors, hydraulisch verbunden ist.

Description

SERVOVENTILGESTEUERTER INJEKTOR ZUR EINSPRITZUNG VON KRAFTSTOFF IN ZYLINDERBRENNRÄUME VON BRENNKRAFTMASCHINEN; INSBESONDERE COMMON-RAIL-INJEKTOR
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei bekannten Injektoren der vorbezeichneten Art geht die Ablaufdrossel steuerraumseitig in einen so genannten Diffusor über, bei dem es sich um eine zur Ablaufdrossel koaxiale Bohrung mit gegenüber der Ablaufdrossel erweitertem Durchmesser handelt. Der Querschnittsübergang von der Ablaufdrossel zum Diffusor erfolgt üblicherweise in einer einzigen Stufe.
Des Weiteren ist es bei den in Rede stehenden Injektoren bekannt, den Diffusor unmittelbar an den Ventilsitz des Servoventils anschließen zu lassen und die Ablaufdrossel zwischen Diffusor und Steuerraum anzuordnen.
Bei beiden im Vorstehenden geschilderten konstruktiven Varianten wird - durchaus gewollt - in der Ablaufdrossel Dampf erzeugt. Die Dampferzeugung an der Ablaufdrossel ist notwendig, um den Durchfluss unabhängig vom Gegendruck bzw. von den im Anschluss an die Ablaufdrossel herrschenden geometrischen Verhältnissen zu machen. Allerdings bedeutet die Dampferzeugung gleichzeitig die Entstehung von Kavitation, die - durch schlagartig zusammenbrechende Dampfblasen -
Kavitationserosion zur Folge hat. Diese führt während des Betriebes zu Materialabtrag und damit zu unerwünschtem Verschleiß am Ventilsitz des Servoventils. Durch die Kavitationserosion wird also die Oberfläche des den Ventilsitz bildenden Ventilstücks im Sitzbereich des Ventilkörpers zerstört. Die Folge sind Undichtigkeiten, die zu Injektorfehlfunktionen führen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, im Bereich des Ventilsitzes des Servoventils geeignete Maßnahmen dafür zu treffen, dass weiterhin Dampferzeugung an der Ablaufdrossel gewährleistet ist, jedoch eine Kondensation des Dampfes (Kavitation) und damit verbundene Folgeschäden (Kavitationserosion) vermieden werden.
Vorteile der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Injektor der eingangs bezeichneten Gattung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Grundgedankens der Erfindung können den
Patentansprüchen 2 bis 4 entnommen werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung, Ablaufdrossel ohne Diffusor, wird das Geschwindigkeitsniveau im Sitzbereich des Servoventils erhöht, was gleichzeitig zu einer entsprechenden Druckabsenkung führt. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise eine Kondensation des Dampfes und damit eventuell verbundene Kavitationsschäden vermeiden. Unerwünschter Materialabtrag und somit Undichtigkeiten und Fehlfunktionen bei der Injektorsteuerung (Einspritzmenge, Emissionen etc) unterbleiben.
Ein weiterer, nicht unerheblicher Vorteil besteht darin, dass ein bisher erforderlicher Arbeitsgang, nämlich das Einarbeiten einer Diffusorbohrung, entfallen kann. Das bedeutet geringere Herstellkosten und damit eine verbesserte Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Injektors.
Zeichnung
Die Erfindung ist - anhand von Ausführungsbeispielen und Schaubildern - in der Zeichnung veranschaulich und in der nachstehenden Beschreibung detailliert erläutert. Im Einzelnen zeigt:
Fig. 1 - im vertikalen Längsschnitt - eine Ausführungsform eines Common-Rail-Injektors (Düsenkörper und -nadel weggelassen),
Fig. 2 - anhand einer gegenüber Fig. 1 stark vergrößerten Darstellung der Einzelheit „A" aus Fig. 1 - die Druckverteilung im Sitzbereich eines Servoventils für den Injektor gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 - in Darstellung entsprechend Fig. 2 - die Gebiete mit
Kraftstoffkondensation im Sitzbereich des Servoventils nach Fig. 2,
Fig. 4 - anhand einer gegenüber Fig. 2 nochmals vergrößerten
(hälftigen) Darstellung der Einzelheit „A" aus Fig. 1 - die - A -
Verteilung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Sitzbereich des Servoventils nach Fig. 2 bzw. 3, und
Fig. 5 - in Diagrammdarstellung - den Kraftstoff-Massenstrom eines Injektors, z. B. desjenigen nach Fig. 1 , in Abhängigkeit vom Ankerhub des Servoventils.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei dem in Fig. 1 (teilweise) gezeigten Common-Rail-Injektor handelt es sich um ein servohydraulisch betätigtes Kraftstoff-Einspritzventil. Es bezeichnet 10 einen - mehrteilig ausgebildeten - Injektorkörper mit jeweils angeformtem Ablaufstutzen 11 und Steckergehäuse 12 mit Stromanschluss für einen - insgesamt mit 13 bezifferten - Elektromagneten. Ein - ebenfalls mit dem Injektorkörper 10 des Common-Rail-Injektors verbundener - Hochdruckanschluss ist mit 14 bezeichnet. Dieser ist an einem (nicht gezeigten)
Hochdruck-Kraftstoffspeicher (sog. Common-Rail) angeschlossen. Innerhalb des Injektorkörpers 10 ist eine mehrfach abgestufte Axialausnehmung 15 eingearbeitet, in der ein Ventilkolben 16 zentriert und axial beweglich angeordnet ist. Am unteren Ende des Injektorkörpers 10 schließt sich ein Düsenkörper an, der eine koaxial zum Ventilkolben 16 angeordnete
Düsennadel aufnimmt (nicht gezeigt).
Ein den oberen Abschluss des Injektorkörpers 10 bildender Teilabschnitt 17 nimmt nicht nur den Elektromagneten 13, sondern auch ein insgesamt mit 18 bezeichnetes Magnet-Steuerventil mit einem kugelförmigen Ventilkörper 19 auf.
Der Ventilkörper 19 wird durch eine Kugelführung 20 geführt und betätigt und wirkt mit einem konischen Ventilsitz 21 zusammen, der in ein dichtend im Injektorkörper 10 angeordnetes Ventilstück 22 eingearbeitet ist.
Wie Fig. 1 des Weiteren erkennen lässt, ist der Ventilkolben 16 mit seinem oberen Abschnitt in eine Axialbohrung 23 des Ventilstücks 22 eingepasst, so dass sich am oberen Ende des Ventilkolbens 16 ein vergleichsweise kleinvolumiger Steuerraum 24 ergibt. Der Steuerraum 24 ist über einen Ringraum 25 und eine Zulauf-Drosselbohrung 26 (sog. Z-Drossel) mit dem
Hochdruckanschluss 14 hydraulisch verbunden.
Wie weiterhin aus Fig. 1 hervorgeht (s. auch Fig. 2 und 3), ist der Ventilsitz 21 des Servoventils (Magnet-Steuerventil 18) durch eine Drosselbohrung 27, sog. Ablauf-Drossel, mit dem Steuerraum 24 hydraulisch verbunden. Eine wesentliche Besonderheit besteht hierbei darin, dass die Ablaufdrossel 27 insgesamt einen konstanten Durchmesser besitzt, also ohne Zwischenschaltung eines (einen erweiterten Querschnitt besitzenden) Diffusors in den Steuerraum 24 einmündet.
Die exakte Ausgestaltung des Übergangs des Ventilsitzes 21 in die Ablaufdrossel 27 und deren Auswirkung auf Geschwindigkeits- und Druckverteilung des Kraftstoffflusses ist im Einzelnen aus Fig. 2 bis 4 ersichtlich. In dieser Darstellung nimmt der kugelförmige Ventilkörper 19 eine Position unmittelbar oberhalb des kegelförmigen Servoventil-Sitzes 21 ein. Fig.
2 und 3 sowie - insbesondere - Fig. 4 lassen weiterhin erkennen, dass die Ablaufdrossel 27 nicht unmittelbar in den kegelförmigen Servoventil-Sitz 21 übergeht, sondern - mittelbar - über ein kegelförmiges Zwischenstück 28 (sog. Helget-Fase), das einen kleineren Konusdurchmesser aufweist als der Servoventil-Sitz 21. Bei diesem - in Fig. 2 und 3 durch Einkreisungen 29, 30, 31 markierten - Strömungsübergangsabschnitt handelt es sich um den bezüglich Kavitation schadensrelevanten Bereich. Im Einzelnen veranschaulichen Fig. 2 bis 4 die Ergebnisse jeweils dreidimensionaler Messungen (s. Koordinatenkreuz x-y-z) des Druckniveaus (Fig. 2), der Flüssigkeits-Verdampfungsrate (Fig. 3) und der Flüssigkeitsgeschwindigkeits-Verteilung (Fig. 4) in dem in Rede stehenden Ventilbereich.
Fig. 2 macht - durch entsprechend dunkle Einfärbung der Flüssigkeitsströmung - deutlich, dass in dem Übergangsbereich 29 ein vergleichsweise niedriges
Druckniveau herrscht, das keine Dampfkondensation und damit keine Kavitation mehr zulässt. Ebenso geht aus Fig. 3 hervor, dass in dem entsprechenden Übergangsbereich, zumindest in Wandnähe des Servoventil- Sitzes 21 , keine Kondensation mehr stattfindet, eher sogar wieder Dampferzeugung erfolgt, was durch helle Einfärbung kenntlich gemacht ist.
Auch hieraus ergibt sich, dass in dem schadensrelevanten Ventilsitzbereich (30, 31 ) keine Kavitation und somit auch keine Kavitations-Erosionsschäden mehr zu befürchten sind.
Fig. 4 lässt erkennen, dass am (oberen) Austritt der Ablaufdrossel 27 ein vergleichsweise hohes Geschwindigkeitsniveau der Flüssigkeitsströmung herrscht. Die Strömung schießt mit hoher Geschwindigkeit über eine obere, mit 32 bezifferte (Abschluss-)Kante der Helget-Fase 28 hinweg. (Eine den unteren Abschluss der Helget-Fase 28 bildende, zweite Kante ist mit 33 bezeichnet.) Direkt an der Wand - bei 34 - im Helget-Fasen-Bereich 28 erkennt man ein
Totflüssigkeitsgebiet mit Rückströmung. Somit liegt im schadensrelevanten Bereich (Helget-Fase 28) ein deutlich niedrigeres Druckniveau vor als dies bei bisher bekannten Injektoren der in Rede stehenden Art der Fall war. Die Kondensationsgebiete an den Wandungen im schadensrelevanten Bereich 28, 34, 21 verschwinden, und die Schadensgefahr durch zusammenfallende
Dampfblasen (Kavitation) verringert sich entsprechend. Wie die in Fig. 5 dargestellte Grafik zeigt, bleibt auch der Massenstrom durch die Ablaufdrossel (27) ab einem Ankerhub von 20 μm konstant (s. Kurve 35).
Um die im Vorstehenden beschriebenen und aus Fig. 2 bis 4 ersichtlichen Vorteile zu optimieren, sollten Durchmesser und Länge der Ablaufdrossel 27 aufeinander abgestimmt sein, was durch entsprechende Versuchsreihen geschehen kann. Grundsätzlich kann der Durchmesser der Ablaufdrossel 27 dem Durchmesser herkömmlicher Ablaufdrosseln (mit Diffusor) entsprechen.
Als vorteilhaft haben sich Ablaufdrosseldurchmesser von 0,19 bis 0,225 mm erwiesen. Bei der Ermittlung der Länge der Ablaufdrossel 27 sollte besonderer Wert darauf gelegt werden, dass die Flüssigkeitsströmung an den Wandungen von Ablaufdrossel 27, Helget-Fase 28 und Servoventil-Sitz 21 anliegt (s. Fig. 4). Weiterhin sollten Erodierzeiten und Taktzeit beachtet werden. Aus alledem ergibt sich, dass die Länge der Ablaufdrossel 27 zwischen 0,35 mm und 0,7 mm liegen sollte.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Servoventilgesteuerter Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in Zylinder-
Brennräume von Brennkraftmaschinen, insbesondere Common-Rail- Injektor, mit einem Injektorkörper (10) der einen flüssigkeitsdruckbeaufschlagten Ventilkolben (16) aufnimmt, mit einem sich am oberen Ende des Injektorkörpers (10) anschließenden Servoventil (18) und mit einem im Injektorkörper (10) am servoventilseitigen (oberen)
Ende des Ventilkolbens (16) ausgebildeten Steuerraum (24), der über eine Ablauf-Drossel (27) einerseits mit einem der Kraftstoffzuführung in den Injektorkörper (10) dienenden Hochdruck-Anschluss (14), andererseits mit einem Ventilsitz (21) des Servoventils (18) hydraulisch verbunden ist, wobei das Servoventil (18) einen Ventilkörper (19) besitzt, der mit dem
Ventilsitz (21 ) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (24) mit dem Ventilsitz (21 ) des Servoventils (18) unmittelbar durch die Ablaufdrossel (27), d. h. ohne Zwischenschaltung eines Diffusors, hydraulisch verbunden ist.
2. Injektor nach Anspruch 1 , mit einem kegelförmigen Servoventil-Sitz (21 ), an den sich in Richtung der Ablaufdrossel (27) ein kegelförmiger Übergangsbereich (28, sog. Helget-Fase) anschließt, der einen kleineren Konuswinkel als der Servoventil-Sitz (21 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Durchmesser und Länge der Ablaufdrossel (27) so gewählt und aufeinander abgestimmt sind, dass im schadensrelevanten Bereich, d. h. am (oberen) Austritt (33) der Ablaufdrossel (27) und im Bereich der Helget-Fase (28), bezüglich der
Flüssigkeitsströmung ein so hohes Geschwindigkeitsniveau und ein so niedriges Druckniveau gegeben ist, dass in dem schadensrelevanten Bereich keine Kavitation auftritt (Fig. 2-4).
3. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Ablaufdrossel (27) so gewählt ist, dass die Flüssigkeitsströmung an den Wandungen der Ablaufdrossel (27) der Helget-Fase (28) und des Servoventilsitzes (21 ) anliegt (Fig. 4).
4. Injektor nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Ablaufdrossel (27) 0,19 mm bis 0,225 mm beträgt und die Länge der Ablaufdrossel (27) zwischen 0,35 mm und 0,7 mm liegt.
PCT/EP2007/055446 2006-07-24 2007-06-04 Servoventilgesteuerter injektor zur einspritzung von kraftstoff in zylinderbrennräume von brennkraftmaschinen; insbesondere common-rail-injektor WO2008012133A1 (de)

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