Beschreibung

Titel Kraftstoffϊnj ektor

Stand der Technik

Ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Einspritzventilglied über ein magnetbetriebenes Steuerventil angesteuert wird, ist aus EP-A 1 612 403 bekannt. Mit Hilfe des Steuerventils ist eine Ablauf- drossel aus einem Steuerraum in den Kraftstoffrücklauf verschließbar oder freigebbar. Der Steuerraum wird an einer Seite durch einen Steuerkolben begrenzt, mit welchem ein Einspritzventilglied angesteuert wird, das mindestens eine Einspritzöffnung in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine freigibt oder diese verschließt. Die Ablaufdrossel ist in einem Körper aufgenommen, welcher auf der dem Steuerraum abgewandten Seite mit einem sich verjüngenden Ventilsitz versehen ist. In diesen Ventilsitz ist ein Schließelement stellbar, das mit dem Anker des Magnetventils verbunden ist. Hierzu ist am Schließelement eine Kante ausgebildet, welche gegen einen konisch ausgeformten Sitz gestellt wird. Das Schließelement bewegt sich auf einer axialen Stange, welche mit dem Körper, in dem die Ablaufdrossel ausgebildet ist, einstückig verbunden ist. Damit das Ventil dicht schließt, ist es notwendig, hochpräzise Oberflächen herzustellen sowie eine hochgenaue Passung des Schließelementes vorzusehen, um zu vermeiden, dass das Schließelement verkantet, wodurch der Sitz nicht vollständig geschlossen wird und ein Druckverlust sowie eine Leckage entsteht.

Zum Einbringen von Kraftstoff in direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen, werden zur Zeit vermehrt hubgesteuerte Common-Rail-Einspritzsysteme eingesetzt. Der Vorteil dieser Systeme ist der Umstand, dass der Einspritzdruck an Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ange- passt werden kann. Bekannt sind hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren, die über ein Magnet- ventil betätigt werden. Das Einspritzventilglied wird über einen Servosteuerraum gesteuert. Der Druck im Steuerraum des Kraftstoffinjektors wiederum wird über ein Magnetventil gesteuert. Für eine verbesserte Injektorabstimmung ist ein Magnetventil notwendig, welches möglichst kurze Schaltzeiten, demnach hohe Schaltgeschwindigkeiten aufweist. Der Einsatz

eines druckausgeglichen ausgebildeten Ventilkolbens ermöglicht kleine Federkräfte, kleinere Magnetkräfte, die durch den Elektromagneten zu erzeugen sind, sowie kleinere Ventilhübe und somit kürzere Schaltzeiten. Durch die kürzeren Ventilschaltzeiten kann die Einspritzperformance, insbesondere die Mehrfacheinspritzfähigkeit des Kraftstoffinjektors, entschei- dend verbessert werden. Bei Magnetventilen mit Servosteuerung erzeugen die Steuermenge des Servokreislaufes und eventuell an den Führungen auftretende Leckagen recht hohe Temperaturen. Diese Kraftstoffmengen werden vom hohen Systemdruck entspannt. Dies führt zu einer Temperaturbelastung des Materials des Kraftstoffinjektors und damit zu Materialproblemen. Kritisch ist dabei insbesondere die Magnetspule, da durch den Eintrag der elektrischen Energie die Spulentemperatur gegenüber derjenigen des Kraftstoffes erhöht wird. Bei Magnetventilen sind die derzeit verwendeten Kunststoffe für Spulenträger und Umspritzungen nicht für höhere Temperaturen geeignet, und der Spulenwiderstand nimmt mit der Temperatur zu, so dass sich die Spulenauslegung erschwert. Insbesondere bei Injektorbauformen, bei denen das Magnetventil und der Aktor im Kopf angeordnet sind, wird dadurch der zulässige Temperaturbereich, dem die Aktoren ausgesetzt werden können, ü- berschritten. Im Kopfbereich ist die Wärmeabgabe über das Injektorgehäuse durch Wärmeleitung relativ gering, eine Wärmeabführung kann im Kopfbereich des Kraftstoffinjektors allenfalls durch Konvektion erfolgen.

Bei derzeit eingesetzten Magnetventilen zur Steuerung von Kraftstoffinjektoren für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen ist die Magnetspule in der Regel von einem Magnetkern umgeben, um eine genügend hohe Magnetkraft zu erzeugen. Dadurch ist die Magnetspule jedoch thermisch schlecht angebunden und kann nur wenig Wärmeenergie abgeben. Durch die eingebrachte elektrische Ansteuerenergie hingegen entstehen hohe Spulen- temperaturen, die über der Temperatur des Kraftstoffes liegen.

Offenbarung der Erfindung

Zur Reduzierung der Temperatur der Magnetspule, die in der Regel in den Magnetkern ei- ner Magnetbaugruppe eingebettet ist, wird vorgeschlagen, die Rücklaufmenge eines Servo- ventils zumindest teilweise direkt an der Magnetspule vorbeizuführen. Dabei nimmt diese

Rücklaufmenge Wärme von der Magnetspule auf, so dass die Temperatur der Magnetspule sinkt. Um dieses zu erreichen, wird zwischen dem Magnetkern und der Magnetspule ein dementsprechender Strömungsquerschnitt geschaffen, der zum Beispiel als Ringquerschnitt ausgebildet sein kann. Dieser Ringquerschnitt wird durch die Rücklaufmenge zumindest teilweise direkt durchströmt.

Im Gegensatz zu bisher eingesetzten Magnetventilkonzepten ist bei der erfϊndungsgemäß vorgeschlagenen Magnetventilbaugruppe die Magnetspule nicht abgedichtet in eine ringförmige Ausnehmung des Magnetkerns eingelassen, sondern zwischen dem Außenumfang der ringförmig konfigurierten Magnetspule und der diese umschließenden Ausnehmung im Inneren des Magnetkerns wird ein ringförmig verlaufender Strömungsquerschnitt belassen. Der ringförmig verlaufende Strömungsquerschnitt erlaubt eine allseitige Umspülung der ring- oder torusförmig ausgebildeten Magnetspule. Damit können nicht nur deren Innen- und Außenumfangsflächen, sondern auch deren obere und untere Stirnseite vom abgesteuerten Kraftstoff durchströmt werden. Um diese Umströmung der Magnetspule zu verbessern, können in der an einem Ankerbolzen geführten Ankerplatte Bohrungen vorgesehen sein, die ein Zuströmen des abgesteuerten Kraftstoffes in Richtung des niederdruckseitigen Rücklaufes begünstigen. In vorteilhafter Weise sind im Magnetkern eine Sammelleitung bildende Strömungsquerschnitte oberhalb der Ausnehmung im Magnetkern angeordnet, über welche der abgesteuerte, durch die Magnetspule erwärmte Kraftstoff in den niederdruckseitigen Rücklauf abströmt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist ein konvektiver Wärmetransport von der allseitig umströmten Magnetspule an den diese umströmenden abgesteuerten Kraftstoff, der in den niederdruckseitigen Rücklauf des Kraftstoffeinspritzsystems abströmt, gegeben.

In vorteilhafter Weise kann die Magnetspule innerhalb eines Ringraumes des Magnetkerns von einem Spulenträger umschlossen sein, der seinerseits von der abgesteuerten Menge oder von Leckagemenge umströmt ist. Des Weiteren kann in einer vorteilhaften Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens in der Ausnehmung des Magnetkerns, in dem die Magnetspule gegebenenfalls mit Spulenträger angeordnet ist, ein Abstandhalter angeordnet werden, so dass eine allseitige Umströmung der Magnetspule bzw. des Spulenträgers an den Stirnseiten und den Innenumfangs- bzw. Außenumfangsflächen gewährleistet ist. Der Abstandhalter bewirkt in vorteilhafter Weise, dass im Magnetkern in Richtung des Rücklaufes zum Niederdruckbereich angeordnete öffnungen durch die Magnetspule nicht verschlossen werden, sondern ein erster ringförmig ausgebildeter Strö- mungspfad und ein zweiter ringförmig ausgebildeter Strömungspfad oberhalb einer Stirnseite der Magnetspule zusammengeführt und über im Magnetkern ausgebildete, mit Absteuerkanälen in einem Deckel fluchtende öffnungen in den niederdruckseitigen Rücklauf abgesteuert werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eingehender beschrieben.

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Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch den erfϊndungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor, dessen Schaltventil als Magnetventil ausgebildet ist, welches eine Magnetgruppe umfasst, die eine vom abgesteuerten Kraftstoff umspülte Magnetspule umfasst.

Ausführungsformen

Wie der Darstellung gemäß der Zeichnung entnommen werden kann, ist ein Kraftstoffinjek- tor 10 über eine Hochdruckleitung 12 mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff beauf- schlagt. Die Hochdruckleitung 12 ihrerseits wird über einen Hochdruckspeicherkörper (Common-Rail) mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Der Hochdruckspeicherkörper (Common-Rail) ist seinerseits über eine Hochdruckpumpe oder ein anderes Hochdruckförderaggregat beaufschlagt, so dass der in diesem bevorratete Kraftstoff unter einem Systemdruck von 2000 bar und mehr steht. Auf diesem Druckniveau, d.h. dem Sys- temdruckniveau, wird einem Injektorkörper 14 des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der Zeichnung Kraftstoff zugeführt. Der über die Hochdruckzuleitung 12 in den Injektorkörper 14 geförderte Kraftstoff wird in einem Speichervolumen 16 bevorratet.

Unterhalb des Injektorkörpers 14 des Kraftstoffinjektors 10 befindet sich ein Düsenkörper 18. Im oberen Bereich des Kraftstoffinjektors 10 umfasst dieser ein Aktorgehäuse 20, in dem ein Schaltventil aufgenommen ist. Bei dem Schaltventil handelt es sich bevorzugt um ein Magnetventil 22. Des Weiteren umfasst der Injektorkörper 14 des Kraftstoffinjektors 10 ein Ventilstück 24. Innerhalb des Ventilstücks 24 ist ein Steuerraum 28 ausgebildet. Der Steuerraum 28 innerhalb des Ventilstücks 24 umfasst eine Zulaufdrossel 30 sowie mindes- tens eine in einem Ablaufkanal 34 ausgebildete Ablaufdrossel 32. über die Zulaufdrossel 30 ist gewährleistet, dass der im Ventilstück 24 ausgebildete Steuerraum 28 stets mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt ist. Bei Betätigung des Schaltventils, insbesondere des Magnetventils 22, wird aus dem Steuerraum 28 eine Steuermenge in Richtung eines niederdruckseitigen Rücklaufes 84 abgesteuert. Der im Steuerraum 28 über die min- destens eine Zulauf drossel 30 anstehende, unter Systemdruck stehende Kraftstoff beaufschlagt eine Stirnfläche eines bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26. Dieses insbesondere nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied 26 erstreckt sich durch das Speichervolumen 16.

Das Ventilstück 24 umfasst an seiner oberen Planseite einen Ventilsitz 36, der als Plansitz, als Kegelsitz oder als Sitz für ein kugelförmig ausgebildetes Schließelement ausgebildet sein kann. Das Ventilstück 24 ist über eine Ventilspannmutter 40 im Injektorkörper 24 befestigt.

Wie aus der Zeichnung weiter hervorgeht, liegt an der unteren Stirnseite des Ventilstückes 24 eine Schließfeder 54 an. Diese stützt sich auf einem Bund 52 am Umfang des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26 ab. Der Ventilkörper 14 ist mit dem Düsenkörper 18 verbunden. Der Düsenkörper 18 seinerseits ist über das im Speichervolu- men 16 des Injektorkörpers 14 anstehende, unter Systemdruck stehende Kraftstoffvolumen beaufschlagt. Der unter Systemdruck stehende Kraftstoff strömt über am Umfang des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26 ausgebildete Anschliffe 56, wobei es sich um einen oder mehrere Anschliffe 56 handeln kann, einem Ringraum 58 im Düsenkörper 18 zu. Aus der Zeichnung geht hervor, dass in der dargestellten Position des Einspritzventilgliedes 26 ein Sitz 60 des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26 am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 verschlossen ist. In der in der Zeichnung dargestellten Position des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26 kann kein Kraftstoff über mindestens eine Einspritzöffnung 62 in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, bevorzugt einer selbstzündenden Verbren- nungskraftmaschine, eingespritzt werden.

Die Zeichnung zeigt ferner, dass auf der Planseite des Ventilstücks 24 ein Führungskörper 48 ausgebildet ist. Der Führungskörper 48 führt ein hülsenförmig ausgebildetes Ventilglied 38. Das Ventilglied 38 weist an seiner unteren Stirnseite eine Beißkante auf, welche mit dem Ventilsitz 36 an der oberen Stirnseite des Ventilstücks 24 zusammenwirkt. Die Führung 48 begrenzt einen Ringraum 46, der über mindestens eine öffnung mit einem im Aktorgehäuse 20 ausgeführten hydraulischen Raum in Verbindung steht. Des Weiteren handelt es sich bei dem in der Zeichnung dargestellten Schaltventil bzw. dem Magnetventil 22 um ein druckausgeglichenes Schaltventil, da das hülsenförmig ausgebildete Ventilglied 38 mit daran ausgebildeter Ankerplatte 90 an einem Druckstift 50 geführt ist. Aus der Zeichnung geht hervor, dass der die Druckausgeglichenheit des Schaltventils, insbesondere des Magnetventils 22, ermöglichende Druckstift 50 an einer unteren Stirnseite eines Deckels 86, über den das Aktorgehäuse 20 verschlossen ist, befestigt ist.

Die Zeichnung zeigt des Weiteren, dass das Schaltventil, insbesondere ausgebildet als Magnetventil 22, eine Magnetgruppe 70 umfasst. Die Magnetgruppe 70 ihrerseits umfasst einen Magnetkern 72, in dem eine Magnetspule 74 angeordnet ist. Die Magnetspule 74 kann unter Ausbildung eines ersten Strömungspfades 80 und/oder eines zweiten Strömungspfades 82 im Magnetkern 72 angeordnet sein. Die Ausbildung der bevorzugt als Ringkanäle ausgebil- deten Strömungspfade 80 bzw. 82 ermöglicht es in vorteilhafter Weise, beim öffnen des Ventilgliedes 38 aus dem Steuerraum 28 abgesteuertes Kraftstoffvolumen zur Kühlung der Magnetspule 74 einzusetzen. Dabei ist unerheblich, ob die Magnetspule 74 ohne einen Spulenträger 76 oder von einem Spulenträger 76 umschlossen, in eine dementsprechend konfi-

gurierte, d.h. mit übermaß ausgebildete Ausnehmung des Magnetkerns 72 der Magnetgruppe 70 eingelassen ist. Die Ausfuhrung eines übermaßes ermöglicht die Ausbildung einen Ringquerschnitt aufweisender Strömungspfade, wie des ersten Strömungspfades 80 und/oder des zweiten Strömungspfades 82, wie in der Zeichnung dargestellt. Die Magnet- spule 74 bzw. die Kombination aus Magnetspule 74 und Spulenträger 76 kann zum Beispiel durch mindestens einen Abstandhalter 78 innerhalb der Ausnehmung des Magnetkerns 72 befestigt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass der die Magnetspule 74 bzw. deren Spulenträger 76 umströmende, deren Temperatur senkende abgesteuerte Kraftstoff über öffnungen 98 im Magnetkern 72 abströmt. In vorteilhafter Weise befindet sich am oberen Be- reich des Magnetkerns 72 eine Anzahl von öffnungen 78, die mit Rücklaufkanälen 76 fluchten. Die Rücklaufkanäle 76 sind in vorteilhafter Weise im Deckel 86 ausgebildet, der das Aktorgehäuse 20 des Kraftstoffinjektors 10 verschließt. Der den Spulenträger 76 bzw. die Magnetspule 74 unmittelbar umströmende Kraftstoff, bei dem es sich um aus dem Steuerraum 28 abgesteuerte Menge oder um Führungsleckage oder dergleichen handelt, wird im Deckel 86 in einem Sammelraum 94 gesammelt, von dem aus der niederdruckseitige Rücklauf 84 in den niederdruckseitigen Bereich des Kraftstoffeinspritzsystems abströmt.

Aus der Darstellung der Zeichnung geht hervor, dass die Rücklaufkanäle 76, die in den Sammelraum 94 des Deckels 86 münden, in vorteilhafter Weise mit den öffnungen 98 an der Oberseite des Magnetkerns 82 fluchten.

Um die Kühlung der Magnetspule 74 bzw. der Kombination aus Magnetspule 74 und des Spulenträgers 76 weiter zu verbessern, ist in der Zeichnung dargestellt, dass eine Ankerplatte 90 der Magnetgruppe 70 mindestens eine als Bohrung ausgebildete öffnung 88 umfasst. Dies bedeutet eine verbesserte Anströmung der unteren Stirnseite des Spulenträgers 76 bzw. der Magnetspule 74 unmittelbar, für den Fall, dass diese ohne Spulenträger 76 ausgebildet ist. über die in der Ankerplatte 90 ausgebildete mindestens eine öffnung 88 wird die untere Stirnseite der Magnetspule 74 bzw. des Spulenträgers 76 unmittelbar von der abgesteuerten Menge abgeströmt und somit gekühlt. Von der unteren Stirnseite des Spulenträ- gers 76 bzw. der Magnetspule 74 strömt die abgesteuerte, den Spulenträger 76 bzw. die Magnetspule 74 kühlende Absteuermenge entsprechend des ersten Strömungspfades 80 bzw. des zweiten Strömungspfades 82 an der Innenumfangsfläche bzw. Außenumfangsfiä- che des Spulenträgers 76 bzw. der Magnetspule 74 entlang. Die Kraftstoffströmungen kühlen somit den Spulenträger 76 bzw. die Magnetspule 74 sowohl an deren Innenumfangsfiä- che als auch an deren Außenumfangsfiäche. Beide Strömungspfade 80 bzw. 82 vereinigen sich an der oberen Stirnseite des Spulenträgers 76 bzw. der Magnetspule 74. Durch den mindestens einen Abstandhalter 78 ist gewährleistet, dass die obere Stirnseite des Spulenträgers 76 bzw. der Magnetspule 74 die mindestens eine im Magnetkern 72 ausgebildete

öffhung 78 nicht verschließt, so dass die den ersten Strömungspfad 80 bzw. den zweiten Strömungspfad 82 passiert habende Kraftstoffmenge in Richtung der im Deckel 86 ausgebildeten Rücklaufkanäle 96 abströmt. Die öffnungen in der Ankerplatte 90 der Magnetgruppe 70 können als Bohrungen oder als Schlitze oder dergleichen in beliebiger, ferti- gungstechnisch jedoch möglichst einfach herzustellender Geometrie ausgebildet sein. Der Deckel 86, welcher das Aktorgehäuse 20 verschließt, umfasst einen Sammelraum 94, von dem aus der niederdruckseitige Rücklauf 84 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems verläuft.

Die im Magnetkern 72 der Magnetgruppe 70 ausgebildeten, oberhalb des Spulenträgers 76 bzw. der Magnetspule 74 im Magnetkern 72 ausgebildeten öffnungen 98 können neben einer Abfuhr von abgesteuerter, die Magnetspule 74 bzw. die Spulenträger- Magnetspulenkombination 74, 76 kühlender Menge auch zur Durchführung der elektrischen Kontaktierungen der Magnetspule 74 genutzt werden, für eine entsprechende Abdichtung, um den Austritt von Kraftstoff zu vermeiden, ist Sorge zu tragen.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante sind im Injektorkörper 14 des Kraftstoffinjektors 10 Kühlbohrungen 92 eingebracht. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, erstreckt sich die mindestens eine Kühlbohrung 92 durch den Injektorkörper 14 unterhalb des Ventilstücks 24 bis an den Düsenkörper 18. In vorteilhafter Weise ist die mindestens eine Kühlbohrung 92 derart ausgebildet, dass diese einen ersten Ast aufweist, der sich durch den Injektorkörper 14 erstreckt, beginnend unterhalb des Ventilstückes 24 und oberhalb des Düsenkörpers 18, jedoch noch im Injektorkörper 14 in einen rücklaufenden Ast übergeht. Der rücklaufende Ast der mindestens einen Kühlbohrung 92 kann entweder unterhalb des Ventilstücks 24 enden oder sich - wie in der Darstellung gemäß Figur 1 dargestellt - auch noch durch das Ventilstück 24 erstrecken, das mit der Ventilspannmutter 40 im Injektorkörper 14 fixiert ist. Wie der Darstellung gemäß Figur 1 zu entnehmen ist, mündet der rücklaufende Ast der mindestens einen Kühlbohrung 92 an der Planseite des Ventilstücks 24 in den Niederdruckraum, in den Menge aus dem Ringraum 46 oberhalb des Ventilsitzes 36 abgesteuert wird.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise ohne großen Aufwand die Spulentemperatur der Magnetspule 74 konvektiv gesenkt werden. Je mehr abgesteuerte Menge bzw. Führungsleckage durch den ersten Strömungspfad 80 und/oder den zweiten Strömungspfad 82 an der Innenumfangsfläche bzw. der Außenumfangsfläche des Spulenträgers 76 bzw. einer Kombination aus Magnetspule 74 und Spulenträger 76 vorbeigeleitet werden kann, eine desto effektivere Kühlung der Magnetspule 74 kann erreicht werden.