WO2009033964A1

WO2009033964A1 - Leckagefreier kraftstoffinjektor mit langer düsennadel

Info

Publication number: WO2009033964A1
Application number: PCT/EP2008/061450
Authority: WO
Inventors: Hans Brekle
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2009-03-19
Also published as: DE102007043540A1

Abstract

Ein Kraftstoffinjektor (1) für Brennkraftmaschinen umfasst eine längsverschiebbare Düsennadel (7, 13), die durch ihre Längsbewegung die Öffnung mindestens einer Einspritzöffnung (5) steuert, eine längsverlaufende Hochdruckleitung, die in einen die Düsennadel (7, 13) ringförmig umgebenden Düsenraum (9) mündet, einen an eine Kraftstoff-Hochdruckseite (16) angeschlossenen Steuerraum (8), in dem die Düsennadel (7, 13) eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (20) aufweist, und ein Steuerventil (22), das die Verbindung des Steuerraums (8) zu einer Niederdruckseite (25) entweder sperrt oder öffnet. Erfindungsgemäß ist die Hochdruckleitung durch einen die Düsennadel (7, 13) ringförmig umgebenden Hochdruckraum (9b) gebildet.

Description

Beschreibung

Titel

Leckagefreier Kraftstoff in iektor mit langer Düsennadel

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 101 46 743 A1 ist ein derartiger Kraftstoffinjektor mit einem als Magnetventil ausgebildeten Steuerventil bekannt.

Bei solchen Magnetventil-Injektoren (MVI) wird zur Abdichtung zwischen

Niederdruckraum und Hochdruckraum ein Dichtring in Kombination mit einem Stützring eingesetzt. Diese Kombination bereitet allerdings erhebliche Probleme, die gar soweit gehen können, dass der MVI seine Funktionsfähigkeit vollständig verliert, weil der Dichtring fort vom Stützring wandert und dann die funktionsnotwendige Abdichtung von Hoch- und Niederdruckraum nicht mehr vorhanden ist. Die Ursache des wandernden Dichtrings ist bis heute noch nicht mit letzter Sicherheit geklärt und wird auch noch an MVI-Weiterentwicklungen festgestellt. Der auf die Düsennadel wirkende Steuerkolben ist in einem Ventilstück geführt, das hohen Verform u ngskräften ausgesetzt ist, da es sowohl in den Niederdruckraum als auch in den Hochdruckraum ragt. Dies kann zu unerwünschten Reibungskräften zwischen Ventilstück und Steuerkolben führen, mit der Folge ungleichmäßiger Einspritzmengen, da diese Reibungskräfte zum einen die Hub- und Schließgeschwindigkeit und zum anderen den Hub der Düsennadel selbst beeinflussen können. Die Verformungskräfte können auch zu Schiefstellungen des Steuerkolbens relativ zur Düsennadel führen und daher gleiche negative Reibungsverhältnisse an der Düsennadel hervorrufen, d.h. zu einem schwierig beherrschbaren zusätzlichen Einfluss auf die Einspritzmenge führen. Um die Gefahr zu mildern, kommen bisher speziell ausgebildete Führungen zum Einsatz und sind sowohl ausgewählte hochstabile Werkstoffe für das Ventilstück als auch enge

Toleranzen zwischen Steuerkolben und Ventilstück und zwischen Düsennadel und ihrer Führung erforderlich. Aus Montage- und Dichtheitsgründen muss die Außenkontur des Ventilstücks im Bereich des Dichtrings und des Stützrings konstruktiv eng toleriert werden, relativ lang sein und in Richtung Düse eine die reine zylindrische Form verlassende Verjüngung haben. Im Bereich des Dichtrings unterliegt natürlich auch der Haltekörper den engen Toleranzen. Der Hochdruck muss über eine fast über die gesamte Länge des Haltekörpers herzustellende schräge Hochdruck-Bohrung zugeführt werden. Die Hochdruck-Bohrung wird über eine zusätzliche schräge Bohrung im Haltekörper versorgt. Die engen Bauraumverhältnisse führen zu schwierigen Kompromissen, um

Bohrungsverscheidungen mit genügender Sicherheit vermeiden zu können. Der Steuerkolben ist in einer Niederdruckbohrung angeordnet, die auch aus Gründen der benötigten Wandstärken gestuft ausgeführt wird. Zur Ableitung der Leckagemengen wird eine schräge Bohrung (ebenfalls mit dem Problem "Bohrungsverschneidung" behaftet) benötigt, die letztlich zum Abfluss der Leckagemenge in den

Niederdruckraum führt, aus dem auch die Steuermenge zum Rücklaufsystem geführt wird.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor hat im Vergleich zu dem bekannten Kraftstoffinjektor insbesondere folgende Vorteile: - keine Leckagennenge, da Düsen- und Steuerkolbenführungen keinem Druckgefälle ausgesetzt sind, und daher hoher hydraulischer Wirkungsgrad;

- Reduzierung der Bauteilanzahl, da keine Dicht- und Stützringe erforderlich sind, und damit Kostenreduzierung;

- einfachere Ausgestaltung des Steuerkolbens und damit Kostenreduzierung;

- Reduzierung der Anzahl schräger und zum Teil langer Bohrungen (Leckagebohrungen und Hochdruckbohrung) im Haltekörper;

- der für den Steuerkolben verwendete Raum kann durch eine einfache Durchgangsbohrung ohne Absätze gebildet werden und ist gleichzeitig

Hochdruckbohrung, was Kosten reduziert;

- problemloses Ersetzen (Nachrüstbarkeit) von bisherigen Injektoren durch den erfindungsgemäßen Injektor;

- das Ventilstück ist praktisch druckausgeglichen, wodurch kritische Verformung verhindert werden;

- extrem einfache und damit kostengünstige Ausbildung der Dichtkontur zwischen Haltekörper und Düsenkörper als reine Ringflächen;

- Ventilstück kann mit Spiel eingebaut werden und dennoch den Steuerkolben korrekt führen, ohne dass schwer beherrschbare Reibungskräfte auftreten; - Anbindung des Hochdruckraumes an den Niederdruckraum erfolgt nur noch über die Ablaufdrossel.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen.

Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor. Ausführungsform der Erfindung

Der in der Figur gezeigte Kraftstoffinjektor (Kraftstoffeinspritzventil) 1 wird üblicherweise bei einer Brenn kraftmasch ine mit mehreren Zylindern verwendet, wobei jedem dieser Zylinder ein solcher Injektor zugeordnet ist.

Der Injektor 1 umfasst in an sich bekannter Weise einen Haltekörper 2 und einen in einen Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine ragenden Düsenkörper 3, die durch eine Spannmutter 4 gegeneinander gepresst werden. An seinem in den Zylinderbrennraum ragenden Ende weist der Düsenkörper 3 mehrere Einspritzöffnungen 5 auf, die durch eine in einer Führungsbohrung 6 des

Düsenkörpers 3 längsverschiebbar geführte Düsennadel (Ventilnadel) 7 abhängig vom Druck in einem Steuerraum 8 geöffnet oder geschlossen werden. Der Kraftstoff wird den Einspritzöffnungen 5 innerhalb des Düsenkörpers 3 über einen Düsenraum 9 zugeführt, der die Düsennadel 7 umgibt und mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Bewegt sich die Düsennadel 7 von den Einspritzöffnungen 5 hinweg und fährt so in ihre Öffnungsposition, wird Kraftstoff aus dem Düsenraum 9 über die Einspritzöffnungen 5 in den Zylinderbrennraum eingespritzt. Befindet sich die Düsennadel 7 hingegen in ihrer Schließposition, d.h. mit einer Dichtfläche 10 in Anlage an einem in der Führungsbohrung 6 vorgesehenen Ventilsitz 11 , so werden die Einspritzöffnungen 5 durch die Düsennadel 7 verschlossen.

Im Haltekörper 2 ist eine Längsbohrung 12 ausgebildet, die koaxial zur Düsennadel 7 verläuft und in der ein Steuerkolben (Druckstange) 13 unter Ausbildung eines Ringraums (Hochdruckraum) 14 längsverschiebbar angeordnet ist. Dieser Hochdruckraum 14 mündet in den ringförmigen Düsenraum 9 und bildet im

Haltekörper 2 eine Hochdruckleitung aus, die über einen Hochdruckanschluss 15 an einen Hochdruckspeicher (Common Rail) 16 angeschlossen ist. Der Steuerraum 8 ist über den Hochdruckraum 14 an die Hochdruckseite 16 angeschlossen. Die Düsennadel 7 und der Steuerkolben 13 sind miteinander mittels eines Bolzens 17 starr zu einer „langen Düsennadel" verbunden. Der Bolzen 17 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel am Steuerkolben 13 vorgesehen und in die Düsennadel 7 z.B. eingepresst oder eingeschraubt. Der Bolzen 17 kann aber auch an der Düsennadel 7 vorgesehen und im Steuerkolben 13 eingepresst oder eingeschraubt sein oder kann auch ein separates Teil sein, das in beide Teile 7, 13 eingepresst oder eingeschraubt ist. Durch die Düsennadel 7 ist der Steuerkolben 13 in der Längsbohrung 12 koaxial zur Düsennadel 7 zentriert geführt.

An seinem anderen Ende ist der Steuerkolben 13 in einer Führungsbohrung 18 eines Ventilstücks 19 axial geführt, welches in die Längsbohrung 12 eingesetzt ist. Der Steuerkolben 13 begrenzt in der Führungsbohrung 18 mit einer in Schließrichtung der Düsennadel 7 wirkenden Steuerfläche 20 den Steuerraum 8, der über eine Zulaufdrossel (Z-Drossel) 21 dauerhaft an die Hochdruckseite 16 angeschlossen ist. Zum Steuern des Einspritzvorgangs ist ein Steuerventil 22 in Form eines 2/2- Wegeventils vorgesehen, dessen verschiebbares Steuerventilglied (Ventilkugel) 23 die Verbindung des Steuerraums 8 über eine Ablaufdrossel (A-Drossel) 24 mit einer Niederdruckseite 25 öffnet oder sperrt. Das Steuerventil 22 kann als Stellantrieb für das Steuerventilglied 23 einen Piezoaktor oder, wie in der Figur gezeigt, einen Magnetantrieb aufweisen. Der Steuerkolben 13 ist von einer Schließfeder 26 umgeben, die sich einerseits an einem Bund 27 des Steuerkolbens 13 und andererseits am Ventilstück 19 abstützt, so dass durch die Kraft der Schließfeder 26 der Steuerkolben 13 in Richtung Düsenkörper 3 und damit die Düsennadel 7 in ihre Schließposition gedrückt wird. Über eine Ausgleichscheibe 28 zwischen Schließfeder 26 und Ventilstück 19 kann die Vorspannung der Schließfeder 26 eingestellt werden.

Die Funktionsweise des Injektors 1 ist wie folgt.

Die Einspritzöffnungen 5 sind geschlossen, wenn im Steuerraum 8 Hochdruck (Raildruck) herrscht, d.h. wenn die A-Drossel 24 mittels des Steuerventils 22 verschlossen ist und der Steuerraum 8 über die Zulaufdrossel 21 mit der Hochdruckseite 16 in Verbindung steht. Für eine Einspritzung wird das Steuerventil 22 geöffnet und dadurch der Steuerraum 8 über die A-Drossel 24 mit der Niederdruckseite 25 verbunden und somit druckentlastet, wobei die Z-Drossel 21 den vollständigen Druckausgleich verhindert. Das A/Z-Verhältnis bestimmt die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 7. Die Düsennadel 7, an deren Dichtfläche 10 der im Düsenraum 9 herrschende Kraftstoffdruck in Öffnungsrichtung wirkt, hebt vom Ventilsitz 11 ab und gibt die Einspritzöffnungen 5 frei. Der Steuerkolben 13 kann seinen oberen Anschlag erreichen und dort auf einem Kraftstoffpolster (hydraulischer Anschlag) verharren. Die Düsennadel 7 ist dann vollständig geöffnet, da der Druck im Steuerraum 8 kleiner ist als der Druck unter der Düsenadel 7. Der Düsenraum 9 steht immer unter Raildruck.

Zur Beendigung der Einspritzung wird das Steuerventil 22 geschlossen, und der Druck im Steuerraum 8 steigt mittels der Zulaufdrossel 21 erneut an, deren Durchfluss die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel 7 bestimmt. Wenn die aufgrund des Drucks im Steuerraum 8 auf die Düsennadel 7 wirkende hydraulische Schließkraft und die Kraft der Schließfeder 26 größer sind als die auf die Düsennadel 7 in Öffnungsrichtung wirkende Kraft, schließt die Düsennadel 7.

Solange die Ablaufdrossel 24 geöffnet ist, fließt eine Kraftstoff-"Steuermenge" zum Niederdruckraum 25, d.h. in den Kraftstoffrücklauf ab. Der Niederdruckraum 25 und der Hochdruckraum 14 sind über die bedarfsgerecht öffnenbare und schließbare Ablaufdrossel 24 verbunden und somit prinzipiell leckagefrei. Das Ventilstück 19 ist keinen besonderen Verformungskräften ausgesetzt, da es umfassend nur mit Raildruck beaufschlagt ist, wenn man den etwas niedrigeren Druck im Steuerraum 8 während des Einspritzvorgangs wegen der geringen Flächen zunächst unberücksichtigt lässt. Für das Ventilstück 19 bestehen daher wegen der Druckausgeglichenheit keine hohen Werkstoffanforderungen. Die geringen Reibungskräfte sind beherrschbar und somit auch die Einspritzmengenqualität. Der den Steuerkolben 13 führende Führungsteil des Ventilstücks 19 kann auch außen einfach zylindrisch ausgeführt sein und mit großen Toleranzen bzgl. Geometrie und Oberfläche versehen werden. Auch muss der Führungsteil nicht mehr so lang sein. Der Hochdruckraum 14, in dem der Steuerkolben 13 läuft, bildet gleichzeitig die Hochdruckleitung zum Düsenraum 9, so dass keine separaten Hochdruckbohrungen im Düsenkörper 3 und im Haltekörper 2 erforderlich sind. Da der Injektor 1 leckagefrei ist, sind im Haltekörper 2 keine Leckölbohrungen erforderlich. Folglich sind im Haltekörper 2 und im Düsenkörper 3 auch keine Bohrungsverschneidungen vorhanden, was zusätzlich zu einer kostengünstigen Werkstoffauswahl für den Haltekörper 2 beiträgt.

Claims

Patentansprüche

1 . Kraftstoffinjektor (1 ) für Brennkraftmaschinen, mit einer längsverschiebbaren Düsennadel (7, 13), die durch ihre Längsbewegung die Öffnung mindestens einer Einspritzöffnung (5) steuert, mit einer längsverlaufenden Hochdruckleitung, die in einen die Düsennadel (7,

13) ringförmig umgebenden Düsenraum (9) mündet, mit einem an eine Kraftstoff-Hochdruckseite (16) angeschlossenen

Steuerraum (8), in dem die Düsennadel (7, 13) eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (20) aufweist, und mit einem Steuerventil (22), das die Verbindung des Steuerraums (8) zu einer

Niederdruckseite (25) entweder sperrt oder öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckleitung durch einen die Düsennadel (7, 13) ringförmig umgebenden Hochdruckraum (14) gebildet ist.

2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Hochdruckraum (14) durch eine Längsbohrung (12) gebildet ist, in der die Düsennadel (7, 13) angeordnet ist.

3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenraum (9) in einem Düsenkörper (3) und der Hochdruckraum (14) in einem Haltekörper (2) des Düsenkörper (3) vorgesehen sind.

4. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel zweiteilig ausgebildet ist, wobei der eine Teil (7) in einem Düsenkörper (3) und der andere Teil (13) in einem Haltekörper (2) des Düsenkörper (3) angeordnet und miteinander starr verbunden sind.

5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (8) über den Hochdruckraum (14) an die Hochdruckseite (16) angeschlossen ist.

6. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (8) über eine Ablaufdrossel (24) mit der Niederdruckseite (25) verbindbar ist.

7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckraum (14) ausschließlich über den Steuerraum (8) und die Ablaufdrossel (24) mit dem Niederdruckraum (25) verbunden bzw. verbindbar ist.

8. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (7, 13) an ihrem der mindestens einen Einspritzöffnung (5) abgewandten Ende in einem Ventilstück (19) des Steuerventils (22) unter Ausbildung des Steuerraums (8) geführt ist.

9. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (7, 13) durch eine am Ventilstück (19) abgestützte Schließfeder (26) in ihre Schließposition gespannt ist.