Titel

Kraftstoffeinspritzvorrichtunq mit hydraulischem Koppler Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine auch als Kraftstoffinjektor bezeichnete Kraftstoff- Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem mehrteilig aufgebauten, in einem Gehäuse und einem Düsenkörper integrierten, verschiebbar geführten Ventilelement, das einen Steuerkolben und eine Düsennadel umfasst. Diese Bauteile, der Steuerkolben und die Düsennadel, sind innerhalb eines Hochdruckraums über einen hydraulischen Koppler verbunden. Der Steuerkolben steht mit einem Steuerraum in Verbindung, welcher von einem Steuerventil gesteuert, mit einem Niederdruck- oder Rücklaufsystem verbunden werden kann. Abhängig von einer Schaltposition des Schaltventils erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung über eine Austrittsöffnung, indem die Düsennadel von einem Ventilsitz abhebt oder ein Verschließen der Düsennadel bewirkt.

Stand der Technik

Es sind Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen allgemein bekannt, mit denen ein Diesel- oder Ottokraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Hierzu ist in einem Gehäuse ein Ventilelement angeordnet, welches im Bereich einer Kraftstoff-Austrittsöffnung eine insgesamt in Öffnungsrichtung des Ventilelementes wirkende Druckfläche aufweist. Am entgegengesetzten Ende des Ventilelementes ist eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche vorhanden, welche einen Steuerraum begrenzt. Bei diesen Vorrichtungen können hydraulische Schwingungen zwischen dem als Hochdruckspeicher ausgebildeten Common-Rail und der Einspritzvorrichtung auftreten. Derartige Schwingungen haben einen nachteiligen Einfluss auf den Einspritzverlauf, insbesondere bei Mehrfacheinspritzung, und auf den Verschleiß der Düsennadel bzw. des Injektors. Um diesen Druckschwingungen entgegenzuwirken, ist aus der DE 10 2006 026 877 A1 bekannt, innerhalb des Gehäuses ein zusätzliches, die Schwingungen dämpfendes Speichervolumen vorzusehen.

Eine gattungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist aus der WO 2007/098975 A1 bekannt. Bei dieser hubgesteuerten Einspritzvorrichtung wird ein Steuerraum, der über eine Steuerfläche mit einem Steuer- oder Kopplerkolben zusammenwirkt, von einem Steuerventil angesteuert. Der Steuerkolben ist an dem vom Steuerraum abgewandten Ende in einem Führungselement geführt und unmittelbar an der in einem Düsenkörper eingesetzten Düsennadel innerhalb eines Kopplerraums des Führungselements abgestützt. Bei geschlossener Kraftstoff-Einspritzvorrichtung liegt in einem Bereich der in Öffnungsrichtung wirkenden Druckfläche und an der in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche ein hoher Kraftstoffdruck an, der von einer Kraftstoff-Sammelleitung (Common-Rail) bereitgestellt wird. Zum Öffnen des Ventilelements bzw. der Düsennadel wird der an der Steuerfläche anliegende Druck abgesenkt, bis die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraftresultierende an der Druckfläche in Schließrichtung wirkende Kraft übersteigt, um ein Öffnen der Düsennadel zu bewirken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gegenüber bekannten Vorrichtungen verbesserte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bereitzustellen, die möglichst bauteiloptimiert aufgebaut und einfach montierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß ist für eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ein hydraulischer Koppler mit einem Führungskörper vorgesehen, der eine zwischen dem Gehäuse und dem Düsenkörper hydraulisch dicht verspannte Basisscheibe umfasst. In der Basisscheibe ist zur Führung der Düsennadel und des Steuerkolbens bzw. des Kopplerkolbens eine zentrale Öffnung integriert, in die jeweils ein Führungsbund der Düsennadel und des Steuerkolbens formschlüssig eingreifen. Der konstruktive Aufbau sieht weiterhin vor, dass der hydraulische Koppler einen ersten Ringraum umfasst, der von der Basis- scheibe, dem Führungsbund, einer Steuerfläche und einer separaten Schiebehülse des Steuerkolbens begrenzt ist. Ein zweiter Ringraum des hydraulischen Kopplers, der über zumindest einen Leckspalt mit dem ersten Ringraum verbunden ist, wird von der Basisscheibe, einschließlich unmittelbar zugehöriger Führungsbuchse sowie einer Steuerfläche und dem Führungsbund der Düsennadel begrenzt. Die einstückig mit der Basisscheibe verbundene Führungsbuchse umfasst einen gegenüber der zentralen Öffnung für den Führungsbund vergrößerten Innendurchmesser und umschließt die Düsennadel außenseitig längenbegrenzt.

Durch die in der Basisscheibe integrierte Öffnung zur Führung des Steuerkolbens und der Düsennadel entfallen gegenüber bisher bekannten Lösungen verschiedene Bauteile, wie beispielsweise eine zusätzliche Scheibe oder Feder, wodurch sich vorteilhaft ein bauteiloptimierter Aufbau des hydraulischen Kopplers einstellt. Darüber hinaus bewirkt die Erfindung eine vereinfachte bauteil- und bauraumoptimierte Bauweise, die zu einer kostengünstigen Herstellung des Ventilelements führt. Zur Realisierung der vorliegenden Erfindung können darüber hinaus vorteilhaft Komponenten bisheriger Vorrichtungen verwendet werden. Aufgrund des verringerten Bauteilumfangs sowie der unmittelbar zwischen dem Gehäuse und dem Düsenkörper verspannten Basisscheibe vereinfacht sich außerdem die Montage. Somit kann durch die erfindungsgemäße Kraftstoff- Einspritzvorrichtung ein deutlicher Kostenvorteil realisiert werden.

Der hydraulische Koppler, zur Realisierung einer Weg Übersetzung und einer Umkehr der Bewegungsrichtung, gemäß der Erfindung schließt außerdem die Vorteile bisheriger Lösungen ein, wie ein zentrisches, leckageloses, die Funktion verbesserndes Hochdruckvolumen. Dadurch ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Fertigung, wie beispielsweise die einfache Einbringung der zentralen Öffnung in die Basisscheibe. Weiterhin verbessert sich die Festigkeit des hydraulischen Ventilelements aufgrund eines Wegfalls kritischer Verschneidungen von Hochdruckbohrungen, was sich vorteilhaft auf die Funktion und die Lebensdauer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auswirkt. Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zeichnet sich weiter aus durch einen hohen Wirkungsgrad, da gegenüber früheren Vorrichtungen zwischen dem Ventilelement und dem Gehäuse Leckagen nicht mehr auftreten. Der erfindungsgemäße Aufbau, insbesondere der Führungskörper des hydraulischen Kopplers, ermöglicht eine vereinfachte Anpassung bzw. einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen, die vorteilhaft die Injektorfunktion verbessern. Der zwei Ringräume umfassende Koppler gemäß der Erfindung bildet ein vergrößertes internes Speichervolumen, das ein Auftreten von nachteiligen hydraulischen Schwingungen zwischen der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung und dem Hochdruckanschluss, einem Common-Rail, unterbindet. Diese Schwingungen oder Druckwellen nehmen einen negativen Einfluss auf den Einspritzverlauf, insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen und den Verschleiß der Düsennadel an dem Ventilsitz. Zusätzlich steigt die Genauigkeit der Einspritzmenge bei Mehrfacheinspritzungen. Der hydraulische Koppler zweier separater Bauteile des Ventilelementes erhöht den Freiheitsgrad bei der Auslegung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung. Bevorzugt wird das Ventilelement mit nahezu überein- stimmender Druckfläche und Steuerfläche ausgelegt, um einen Druckausgleich mit entsprechend hoher Dynamik realisieren zu können.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Bildung des zweiten Ringraums des hydraulischen Kopplers eine separate, linear verschiebbare, den Steuerkolben um- schließende Schiebehülse bzw. Steuerhülse vorgesehen. Die den Steuerkolben umschließende Schiebehülse wird dabei von einem Federmittel, insbesondere einer Druckfeder beaufschlagt und ist über einen Dichtsitz kraftschlüssig und abgedichtet an der Basisscheibe des Führungskörpers abgestützt. Zur Optimierung der Funktion der Schiebehülse ist vorgesehen, dass die Vorspannkraft des beaufschlagenden Federmittels auf ein definiertes Druckniveau im Ringraum abgestimmt ist. Dadurch kann die Schiebehülse zusätzlich eine Schaltfunktion ausüben, indem die Schiebehülse bei einem auftretenden Überdruck im ersten Ringraum des hydraulischen Kopplers gegenüber dem Druck im Hochdruckraum vom Dichtsitz ab- hebt. Dazu umfasst die Schiebehülse innenseitig einen gegenüber dem Steuerkolben aufgeweiteten, radial gestuften Abschnitt, der eine ringförmige hydraulisch

beaufschlagbare Steuerfläche bildet.

Als Maßnahme zur Vermeidung einer Schiefstellung im Einbauzustand ist die Schiebe- hülse weitestgehend mittig über einen jeweils von den Stirnseiten der Schiebehülse axial beabstandeten Führungsabschnitt an dem Steuerkolben geführt. Die Schiebehülse weist versetzt zudem Führungsabschnitt einen vergrößerten Innendurchmesser auf. Diese Maßnahme gewährleistet einen fertigungsbedingten Toleranzausgleich und stellt eine geschlossene ringförmige Anlage der Schiebehülse an dem Dichtsitz der Basis- platte sicher, zur Erzielung einer wirksamen Abdichtung. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die hydraulisch wirksamen Druck- und / oder Steuerflächen des Ventilelementes unterschiedlich dimensioniert sind. Damit kann beispielsweise das Ansprechverhalten des hydraulischen Kopplers bzw. die Funktionsweise des Ventilelementes unmittelbar beeinflusst werden, um z.B. eine unterschiedliche Stellgeschwindigkeit zwischen dem Steuerkolben und der Düsennadel zu realisieren. Dazu bietet es sich an, die hydraulisch wirksamen Steuerflächen von den Ringräumen des hydraulischen Kopplers abweichend voneinander auszulegen. Die Größe dieser Ringräume wird dabei unmittelbar von dem Durchmesser des Steuerkolbens und der Düsennadel bestimmt. Weiterhin wird die Vo- lumengröße der Ringräume des hydraulischen Kopplers von der Länge und dem

Durchmesser der Führungsbunde des Steuerkolbens und der Düsennadel bestimmt.

Eine bevorzugte Auslegung sieht vor, einen Steuerkolben einzusetzen, dessen Durchmesser den Durchmesser der Düsennadel übertrifft. Diese Maßnahme bewirkt zu Be- ginn der Kraftstoffeinspritzung ein schnelleres Ansprechverhalten des Steuerkolbens gegenüber der Düsennadel.

Bei einer Auslegung des hydraulischen Kopplers, bei dem die hydraulisch beaufschlagte Fläche der Düsennadel kleiner ist als die vergleichbare Fläche des Steuerkolbens wirkt der hydraulische Koppler bei geöffneter Düsennadel als eine in Schließrichtung wirkende hydraulische Feder, die ein sicheres Schließen der Düsennadel unterstützt.

Ein weiteres Auslegungskriterium des hydraulischen Kopplers betrifft die in der Basisscheibe geführten Führungsbunde, die unter anderem auf die Bauteilstärke der Basis- scheibe abgestimmt sind. Die Führungsbundlänge übertrifft den jeweiligen Stellweg von dem zugehörigen Bauteil um einen Betrag, der eine sichere Führung des Steuerkolbens und der Düsennadel in der Öffnung der Basisscheibe sicherstellt. Bei unterschiedlich auftretenden Stellwegen bietet es sich beispielsweise an, dass eine Führungsbundlänge des Steuerkolbens eine Führungsbundlänge der Düsennadel übertrifft.

Zur Optimierung der Funktion des hydraulischen Kopplers ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zentrale Öffnung der Basisscheibe des Führungskörpers zumindest eine Längsnut aufweist. Mit dieser Maßnahme stellt sich eine beschleunigter Druck- und Strömungsausgleich des Hydraulikfluids der beabstandeten Ringkanäle des hydraulischen Kopplers ein. Ergänzend oder alternativ zu einer Längsnut bietet sich gemäß eines weiteren konstruktiven Konzepts der Erfindung an, dass die Düsennadel mit einem als Mehrkantprofil ausgebildeten Führungsbund in die zentrale Öffnung der Basisscheibe eingreift. Vorteilhaft ist zusätzlich, den Führungsbund des Steuerkolbens mit einem korrespon- dierenden Mehrkantprofil zu versehen.

Bedingt durch die Einbaulage der Basisscheibe bilden sich zwei getrennte Bereiche des Hochdruckraums. Zur Erreichung einer ungehinderten Fluidbeaufschlagung des Düsennadel-Druckraums ist in der Basisscheibe zumindest ein Fluiddurchtritt oder ein Fluidkanal vorgesehen. Als Maßnahme um die Fluidströmung zu beeinflussen bietet es sich an, in jedem Fluiddurchtritt der Basisscheibe eine Strömungsdrossel einzubringen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept ist die Basisscheibe des Führungskörpers hydraulisch dicht zwischen dem Gehäuse und dem Düsenkörper verspannt. Zur Errei- chung einer definierten exakten Einbaulage des Führungskörpers ist die Basisscheibe außenseitig unmittelbar von einer das Gehäuse und die Düse zusammenfügenden Spannmutter umschlossen, wodurch sich keine nachteilige Schiefstellung des Ventilelementes einstellt. Zur Schaffung einer wirksamen Hubbegrenzung der Düsennadel bildet die Basisscheibe innerhalb des zweiten Ringraums einen Hubanschlag, der vorteilhaft die Randzone der zentralen Öffnung umschließt. Zur gezielten Einflussnahme auf die Einspritzmenge bietet es sich an, zusätzlich ein den Stellweg der Düsennadel begrenzendes Hubeinstellstück einzubringen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen her beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit hydraulischem Koppler, entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform, Figur 2 einen Ausschnitt„X" der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, gemäß Figur 1 in einer vergrößerten Darstellung.

Ausführungsform der Erfindung

Die Einspritzvorrichtung 1 gemäß Figur 1 , die auch als Kraftstoff! njektor bezeichnet werden kann, umfasst ein Ventilelement 2, das in einem Gehäuse 3 sowie in einem Düsenkörper 4 verschiebbar angeordnet ist. Eine in Figur 1 nicht abgebildete Hochdruckpumpe fördert den Diesel- oder Ottokraftstoff aus einem Vorratsbehälter in einen auch als Common-Rail bezeichneten Hochdruckanschluss 5, an dem mehrere Einspritzvorrichtungen 1 angeschlossen sind, über die der Kraftstoff direkt in zugeordnete Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Weiterhin ist die Einspritzvorrichtung 1 über ein Schaltventil 6 mit einem Niederdruckanschluss 7 und einem nachfolgenden Kraftstoff-Vorratsbehälter verbunden. Das Ventilelement 2 umfasst einen im Gehäuse 3 geführten, auch als Kopplerkolben bezeichneten Steuerkolben 8 sowie eine Düsennadel 9, die über einen hydraulischen Koppler 10 verbunden sind. Der Aufbau des Kopplers 10 schließt einen Führungskörper 12 ein, bestehend aus einer zwischen dem Gehäuse 3 und dem Düsenkörper 4 eingesetzten Basisscheibe 1 1 , die mittels einer Spannmutter 43 hydraulisch dicht verspannt ist. In einer zentrischen Öffnung 13 der Basisscheibe 1 1 sind der Steuerkolben 8 und die Düsennadel 9 jeweils über einen Führungsbund 14,15 geführt. Die Düsennadel 9 ist weiterhin in einer einstückig mit der Basisscheibe 1 1 verbundenen Führungsbuchse 16 geführt. Eine separate, den Steuerkolben 8 umschließende, von einem Federmittel 18 beaufschlagte Schiebehülse 17 ist kraftschlüssig über einen Dichtsitz 19 an der Basisscheibe 1 1 abgestützt.

Der hydraulische Koppler 10 bildet zwei zumindest über einen Leckspalt 32 verbundene Ringräume 20,21. Ein erster Ringraum 20 wird von der Basisscheibe 1 1 , dem Führungsbund 14, einer Steuerfläche 22 sowie der separaten Schiebehülse 17 des Steu- erkolbens 8 begrenzt. Der zweite Ringraum 21 wird eingegrenzt von der Basisscheibe

1 1 , der unmittelbar der Basisscheibe 1 1 zugehörigen Führungsbuchse 16, die im Vergleich zur zentralen Öffnung 13 der Basisscheibe 1 1 einen größeren, die Düsennadel 9 begrenzt umschließenden Innendurchmesser aufweist. Eine weitere Begrenzung des zweiten Ringraums 21 erfolgt durch eine Steuerfläche 23 und den Führungsbund 15 der Düsennadel 9. Am freien Ende ist der Steuerkolben 8 mit einem vergrößerten Kolbendurchmesser in einer einem Endkörper 24 zugeordneten Hülse 25 geführt, die ge- meinsam einen Steuerraum 26 begrenzen. Bei stromlosem Schaltventil 6 und geschlossener Düsennadel 9 gemäß Figur 1 ist der Hochdruckanschluss 5 über den Kanal 28 mit einem Ringkanal 29 und dem Schaltventil 6 verbunden. Von dem Ringkanal 29 wird der System- oder Raildruck in einen Hochdruckraum 33 sowie über eine Zu- laufdrossel 30 in den Steuerraum 26 übertragen. Weiterhin stellt sich der Systemdruck über einen Fluiddurchtritt 34 der Basisscheibe 1 1 in einem düsennadelseitigen Abschnitt des Hochdruckraums 33 sowie über einen Kanal 35 im Druckraum 36 ein. Aufgrund nicht vermeidbarer Leckagen durch die Führung der Düsennadel 9 in der Schiebehülse 16 und des Steuerkolbens 8 in der Führungsbuchse 17 herrscht auch in den Ringräumen 20,21 des Kopplers 10 der Systemdruck. Bei geschlossener Düsennadel

9 wird nur ein Teil der Druckfläche 36 im Bereich der Austrittsöffnungen 37a, 37b von dem Raildruck beaufschlagt, dadurch stellt sich in einer Summierung mit der Druckfläche 38 an der Düsennadel 9 eine in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft ein, die geringer ist als die in Schließrichtung an einer Steuerfläche 39 im Steuerraum 26 des Steuerkolbens 8 wirkende Kraft, die durch die Kraft eines Federmittels 40 unterstützt wird.

Nach einer Bestromung des als 2/2 -Wegeventil ausgeführten Schaltventils 6 wird die Verbindung zu dem Hochdruckanschluss 5 unterbrochen und eine Verbindung zu dem Niederdruckanschluss 7 hergestellt, verbunden mit einem Druckabfall im Steuerraum

26. Die sich dabei einstellende Druck- und Kraftdifferenz zwischen der Steuerfläche 22 im Ringraum 20 und der Steuerfläche 39 des Stellkolbens 8 bewirkt eine Stellbewegung des Stellkolbens 8 in Pfeilrichtung, entgegen der Federkraft des Federmittels 40. Die Stellbewegung des Stellkolbens 8 unterbricht außerdem die Verbindung des Steu- erraums 26 zu dem Kanal 28 und bewirkt eine Volumenvergrößerung des Ringraums

20, die den hydraulischen Druck in beiden Ringräumen 20, 21 des hydraulischen Kopplers 10 reduziert, die über einen Leckspalt 32 verbunden sind. Der reduzierte Druck ermöglicht eine Verstellung, ein Abheben der Düsennadel 9 von einem Dichtsitz 41 , wodurch sich die vom Hydraulikfluid beaufschlagte Druckfläche 46 der Düsennadel 9 vergrößert, und damit den Öffnungsprozess der Düsennadel 9 unterstützt und eine

Kraftstoffeinspritzung durch die Austrittsöffnungen 37a, 37b in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zu beginnen. Zur Beendigung der Einspritzung wird das Schaltventil 6 in die Ausgangsstellung gebracht, wodurch der Steuerraum 26 und der Hochdruckraum 33 mit dem Hochdruckanschluss 5 verbunden sind. Durch den Anstieg des Drucks im Steuerraum 26 auf den Raildruck wird der Steuerkolben 8 in Schließrichtung bewegt. Die Figur 2 zeigt das Detail„X" der Einspritzvorrichtung 1 , gemäß Fig.1 in einem vergrößerten Maßstab und verdeutlicht insbesondere den Aufbau des hydraulischen Kopplers 10. Zur Erzielung eines schnelleren Druck- und Volumenausgleichs zwischen den Ringräumen 20,21 schließt die in der Basisscheibe 1 1 integrierte Öffnung 13 zur Aufnahme der Führungsbunde 14, 15 zumindest eine Längsnut 42 ein. Alternativ oder ergänzend zu der Längsnut 42 ist der Führungsbund 15 der Düsennadel 9 als Mehrkantprofil, z.B. als Vierkant ausgebildet. Der Durchmesser D-ι des Steuerkolbens 8 übertrifft den Durchmesser D ₂ der Düsennadel 9, wodurch sich entsprechend die hydraulisch beaufschlagten Steuerflächen 22,23 der Ringräume 20,21 unterscheiden. Diese Auslegung beschleunigt das Ansprechverhalten, die Stellbewegung des Steuerkolbens 8 nach einer Bestromung des Schaltventils 6. Ein zum Dichtsitz 19 zeigender gestufter Abschnitt 31 , eine radiale Stufe der Schiebehülse 17 mit dem Durchmesser D ₃ bildet eine hydraulisch beaufschlagbare Kreisringfläche, die bei auftretenden Druckspitzen innerhalb des Ringraums 20, einem Überdruck gegenüber dem Hochdruckdraum 33 ein Abheben der Schiebehülse 17 von der Basischeibe 1 1 ermöglicht. Zur Einflussnahme auf die Kraftstoffströmung innerhalb des Hochdruckraums 33 ist in dem Fluiddurchtritt 34 der Basisscheibe 1 1 eine Strömungdrossel 45 integriert. Der Durchmesser D ₄ des Ringraums 21 übertrifft den Durchmesser D ₂ der Düsennadel 9, und gewährleistet damit eine ungehinderte Stellbewegung der Düsennadel 9 innerhalb des Ringraums 21 . Weiterhin ist innerhalb des Ringraums 21 an der Basisscheibe 1 1 ein Hubanschlag 44 für die Düsennadel 9 vorgesehen. Die Längen Si und S ₂ der Führungsbunde 14, 15 sind abweichend, wobei diese in Abstimmung mit der Basisscheibenstärke so gewählt sind, dass in allen Positionen des Ventilelementes 2 sowohl der Steuerkolben 8 als auch die Düsennadel 9 in der Basisscheibe 1 1 ausreichend geführt ist.