SEBASTIAN, Thomas (Auf Der Lache 48, Erdmannhausen, 71729, DE)
| Patentansprüche
1. Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, ein Einspritzventilglied (1) umfassend, welches mindestens eine Einspritzöff- nung freigibt oder verschließt, wobei das Einspritzventilglied (1) durch ein magnetbetätigtes Steuerventil (3) angesteuert wird und das magnetbetätigte Steuerventil (3) einen Anker (37) umfasst, der eine zentrale Bohrung (41) aufweist, in der ein Ankerbolzen (19) beweglich aufgenommen ist, wobei sich der Anker (37) zwischen einem oberen (49) und einem unteren (47) Anschlag auf dem Ankerbolzen (19) bewegen kann, da- durch gekennzeichnet, dass der Anker (37) bei geschlossenem Steuerventil (3) durch die Federkraft eines Federelementes (61) gegen seinen unteren Anschlag (47) gehalten wird.
2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (37) mit einer An- kerhülse (57) verbunden ist, an der ein Bund (59) ausgebildet ist, gegen den das Federelement (61) gestellt ist.
3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerhülse (57) mit dem Anker (37) kraft- oder formschlüssig verbunden ist oder einstückig mit dem Anker (37) ausgebildet ist.
4. Injektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerbolzen (19) in einer Hülse (42) geführt, die eine Schulter (63) umfasst und das Federelement (61) mit einer Seite gegen die Schulter (63) und mit der anderen Seite gegen den Bund (59) an der Ankerhülse (19) gestellt ist.
5. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Anker (37) ein hülsenförmiger Fortsatz (39) ausgebildet ist, in dem der Ankerbolzen (19) geführt ist.
6. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am hülsenförmigen Fortsatz (39) des Ankers (37) eine in Umfangsrichtung verlaufende Rippe (55) ausgebildet ist, mit der die Ankerhülse (57) verbunden ist.
7. Injektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Anschlag (47) an der Hülse (42) ausgebildet ist, in der der Ankerbolzen (19) geführt ist.
8. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (37) bei geöffnetem Steuerventil (3) gegen seinen oberen Anschlag (49) am Ankerbolzen (19) gestellt ist.
9. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Anschlag (49) durch ein Ringelement (51) gebildet wird, das in einer Nut (53) im Ankerbolzen (19) aufgenommen ist. |
Beschreibung
Titel
Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zum Einbringen von Kraftstoff in Brennräume von Verbrennungskraftmaschinen werden häufig Einspritzsysteme eingesetzt. Diese umfassen im Allgemeinen für jeden Brennraum einen Injektor, über den Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt wird. Hierzu umfasst der Injektor im Allgemeinen ein Einspritzventilglied, welches mindestens eine Einspritzöffnung freigibt oder verschließt. Das Einspritzventilglied wird im Allgemeinen über ein Steuerventil angesteuert. Das Steuerventil kann dabei magnetbetätigt sein oder mit einem Piezoaktor angesteuert werden. Magnetbetätigte Steuerventile umfassen im Allgemeinen eine Magnetspule, die in einem Magnetkern aufgenommen ist und einen Anker, der auf einem Ankerbolzen beweglich gelagert ist, um den Einfiuss der Ankerschwingungen zu minimieren. üblicherweise wird der Anker mithilfe eines Federelementes in Richtung der Spule gegen einen Anschlag gestellt.
Der Ankerbolzen ist mit einem Schließelement verbunden, welches zum Schließen des Steuerventils in einen Sitz gestellt wird. Die hierfür erforderliche Kraft wird über ein Federelement auf den Ankerbolzen aufgebracht. Um das Steuerventil zu öffnen, wird die Spule bestromt, so dass sich ein Magnetfeld ausbildet und den Anker anzieht. über den Anschlag des Ankers hebt dieser den Ankerbolzen mit dem Schließelement aus seinem Sitz. Hierbei muss der Anker die Rückstellkraft des Federelementes, mit dem der Ankerbolzen mit dem Schließelement in seinen Sitz gestellt wird, überwinden. Zudem ist der Anker üblicherweise als Flachanker ausgeführt, wodurch der Magnetkreis mit größer werdendem Restluftspalt und Hub an Kraft verliert. Die Dynamik des Magnetaktors, den die Magnetspule und der Anker umfassen, ist begrenzt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Injektor zum Einspitzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Einspritzventilglied, welches mindestens eine öffnung freigibt oder verschließt. Das Einspritzventilglied wird durch ein magnetbetätigtes Steuerventil angesteuert. Das magnetbetätigte Steuerventil umfasst einen Anker, der eine zentrale Bohrung aufweist, in der ein Ankerbolzen beweglich aufgenommen ist, wobei sich der Anker zwischen einem oberen und einem unteren Anschlag auf dem Ankerbolzen bewegen kann. Erfindungsgemäß wird der Anker bei geschlossenem Steuerventil durch die Federkraft eines Federelementes gegen seinen unteren Anschlag gehalten.
Vorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Steuerventilen, bei denen der Anker gegen den oberen Anschlag gehalten wird, ist, dass bereits eine geringe Magnetkraft ausreicht, um den Anker in Bewegung zu versetzen. Der sich bereits bewegende Anker schlägt gegen den oberen Anschlag und öffnet damit mit hohem Impuls das Steuerventil. Zudem hat sich zu dieser Zeit das Magnetfeld aufgebaut und liefert einen weiteren Beitrag neben dem Impuls zur Beschleunigung des Ankerbolzens. Aus diesem Grund erreichen der Anker und der Ankerbolzen wesentlich schneller als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Injektoren den oberen Anschlag. Die durch den Impuls zusätzlich auf den Ankerbolzen wirkende Kraft erlaubt es, die Federkraft des Federelementes mit der der Ankerbolzen das Schließelement in seinen Sitz stellt, zu erhöhen. Hieraus resultiert eine kürzere Schließzeit. Die Flugzeit, d.h. die Zeit, in der der Anker in Richtung des Magneten bewegt wird, wird dabei jedoch nicht verlängert.
In einer Ausführungsform ist der Anker mit einer Ankerhülse verbunden, an der ein Bund ausgebildet ist, gegen den das Federelement, mit dem der Anker an seinem unteren Anschlag gehalten wird, gestellt ist. Ein Vorteil der Ankerhülse ist es, dass das erfindungsge- maß ausgebildete Steuerventil ohne großen Aufwand in einem aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektor eingesetzt werden kann, bei dem der Anker bei geschlossenem Steuerventil an seinen oberen Anschlag gestellt ist. Die Ankerhülse ist mit dem Anker z.B. kraft- oder formschlüssig verbunden oder kann auch einstückig mit dem Anker ausgebildet sein. Durch die kraft- oder formschlüssige Verbindung der Ankerhülse mit dem Anker oder die einstückige Ausbildung der Ankerhülse mit dem Anker wird vermieden, dass sich die Ankerhülse unabhängig vom Anker bewegen kann. Eine Fixierung auf dem Anker wird so gewährleistet.
Um den Anker an den unteren Anschlag zu stellen, umfasst der Ankerbolzen vorzugsweise eine Schulter, wobei das Federelement, mit dem der Anker gegen seinen unteren Anschlag gehalten wird, mit einer Seite gegen die Schulter und mit der anderen Seite gegen den Bund an der Ankerhülse gestellt ist. Das Federelement ist vorzugsweise eine als Druckfeder aus- gebildete Spiralfeder.
Um ein Verkanten des Ankers auf dem Ankerbolzen zu vermeiden, ist am Anker vorzugsweise ein hülsenförmiger Fortsatz ausgebildet, in dem der Ankerbolzen geführt ist. In einer Ausführungsform ist am hülsenförmigen Fortsatz eine in Umfangsrichtung verlaufende Rip- pe ausgebildet, mit der die Ankerhülse verbunden ist.
Der Ankerbolzen ist in einer Hülse geführt, die mit einer fianschförmigen Erweiterung im Injektorgehäuse fixiert ist. Hierzu ist die fianschförmige Erweiterung gegen einen Einstellring gestellt und mit einer Gewindehülse fixiert. Der Einstellring liegt dabei auf einem Ven- tilstück auf, das im Injektorgehäuse aufgenommen ist und an einer Schulter im Injektorgehäuse anliegt. Weiterhin ist es jedoch auch möglich, dass die fianschförmige Erweiterung z.B. direkt auf einer Schulter am Injektorgehäuse aufliegt oder dass die Einstellscheibe, gegen die die fianschförmige Erweiterung gestellt ist, auf der Schulter am Injektorgehäuse aufliegt. Auch jede weitere, dem Fachmann bekannte Möglichkeit, die Hülse am Injektorge- häuse zu fixieren, ist möglich.
Vorzugsweise ist der untere Anschlag, gegen den der Anker gehalten wird, an der Hülse ausgebildet, in der der Ankerbolzen geführt ist.
Bei geöffnetem Steuerventil ist der Anker gegen seinen oberen Anschlag am Ankerbolzen gestellt. Der obere Anschlag wird z.B. durch einen Ring gebildet, der in einer Nut im Ankerbolzen aufgenommen ist. Das Material des Ringes wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass sich der Ring durch den daran anschlagenden Anker nicht verformt. Geeignetes Material für den Ring ist z.B. rostfreier Stahl, vorzugsweise der Stahl 1.4305. Der Anker ist vor- zugsweise aus Stahl lOOCrό gefertigt. Der Ankerbolzen ist vorzugsweise aus einem der Stähle 1.4305 oder lOOCrό gefertigt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors ist, dass die Dynamik des Magnetaktors bei reduzierter Endstufenleistung konstant gehalten werden kann. üblicherweise werden bei Kraftstoffinjektoren, wie sie z.B. in Hochdruckspeicher- Einspritzsystemen verwendet werden, stromgeregelte Endstufen verwendet. Die Ansteuerung erfolgt dabei in einer Boost-Phase und einer Halte-Phase. Die Boost-Phase sorgt für ein schnelles öffnen des Ankerbolzens und benötigt viel Energie. Der erfindungsgemäße
Kraftstoffinjektor erlaubt gleiche öffnungsflugzeiten mit geringerer Boost-Spannung und führt damit zu Kosteneinsparungen an der Endstufe.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Steuerventil eines Kraftstoffin- jektors.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
In der einzigen Figur ist ein Ausschnitt aus einem Kraftstoffinjektor mit einem erfindungs- gemäß ausgebildeten Steuerventil dargestellt.
Bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine wird ein Einspritzventilglied 1, welches mindestens eine hier nicht dargestellte Einspritzöffnung freigibt oder verschließt, über ein Steu- erventil 3 angesteuert. Hierzu gibt das Steuerventil 3 eine Verbindung aus einem Steuerraum 5, der von einer Stirnfläche 7 des Einspritzventilgliedes 1 begrenzt wird, in einen Ventilraum 9, der mit einem Kraftstoffrücklauf 10 verbunden ist, frei oder verschließt diese. Hierzu wird ein Schließelement 11 in einen Sitz 13 gestellt oder aus diesem gehoben, um einen Kanal 15, über den der Steuerraum 5 mit dem Ventilraum 9 verbunden ist, zu ver- schließen. Im Kanal 15 ist ein Drosselelement 17 aufgenommen.
Neben der Ausführungsform, bei der die Stirnfläche 7 des Einspritzventilgliedes 1 den Steuerraum 5 begrenzt, ist es auch möglich, dass eine Stirnfläche eines Steuerkolbens den Steuerraum 5 begrenzt. In diesem Fall ist der Steuerkolben entweder direkt mit dem Einspritz- ventilglied verbunden oder der Steuerkolben dient als übersetzerkolben, wobei der Steuer- kolben und das Einspritzventilglied jeweils mit einer Stirnfläche einen übersetzerraum begrenzen und durch eine Bewegung des Steuerkolbens in den übersetzerraum der Druck im übersetzerraum erhöht wird, wodurch ein erhöhter Druck auf das Einspritzventilglied wirkt und das Einspritzventilglied in seinen Sitz gestellt wird, um die mindestens eine Einspritz- öffnung zu verschließen. Wenn der Steuerkolben aus dem Steuerraum gehoben wird, vergrößert sich das Volumen im übersetzerraum, so dass der Druck darin sinkt und ein geringerer Druck auf das Einspritzventilglied wirkt. Das Einspritzventilglied wird aus seinem Sitz
gehoben und gibt die mindestens eine Einspritzöffnung zum Einspitzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine frei.
Das Schließelement 11 wird mittels eines Ankerbolzens 19 in seinen Sitz 13 gestellt. Die hierfür notwendige Kraft wird durch ein Federelement 21 auf den Ankerbolzen 19 aufgebracht. Das Federelement 21 ist vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder. Mit einer Seite wirkt das Federelement 21 auf eine Schulter 23 am Ankerbolzen 19. Mit der anderen Seite wirkt das Federelement 21 gegen einen Gehäusedeckel 25. Um die erforderliche Federkraft des Federelementes 21 einzustellen, ist zwischen dem Gehäusedeckel 25 und dem Federelement 21 eine Einstellscheibe 27 aufgenommen. Durch die Dicke der Einstellscheibe 27 wird die Vorspannung des Federelementes 21 eingestellt. Damit das Federelement 21 nicht auf dem Ankerbolzen 19 verrutscht, ist am Ankerbolzen 19 ein Zapfen 29 ausgebildet, der vom Federelement 21 umschlossen wird.
Das Federelement 21 ist von einem Magnetkern 31 umschlossen, in dem eine Spule 33 zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufgenommen ist. Durch das Magnetfeld, welches von der Spule 33 erzeugt wird, wird eine Ankerplatte 35 eines Ankers 37 angezogen. Der Anker 37 umfasst weiterhin einen hülsenförmigen Fortsatz 39, der mit der Ankerplatte 35 verbunden ist. Den hülsenförmigen Fortsatz 39 und die Ankerplatte 35 durchzieht eine zentrale Boh- rung 41, in der der Ankerbolzen 19 geführt ist. Der Durchmesser der zentralen Bohrung 41 im Anker 37 ist dabei so gewählt, dass der Anker 37 auf dem Ankerbolzen 19 ohne großen Kraftaufwand bewegbar ist. Gleichzeitig darf der Durchmesser der zentralen Bohrung 41 nicht so groß sein, dass der Anker 37 auf dem Ankerbolzen 19 verkanten kann.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Ankerbolzen 19 in einer Hülse 42 geführt, die mit einer flanschförmigen Erweiterung 43 am Injektorgehäuse 44 fixiert ist. Hierzu ist die flanschförmige Erweiterung gegen einen Einstellring 45 gestellt, der auf einem Ventilstück 46 am Injektorgehäuse 44 aufliegt. Das Ventilstück liegt dabei auf einer Schulter 48 am Injektorgehäuse 44 auf. Das Ventilstück 46, die Einstellscheibe 45 und die flanschförmi- ge Erweiterung 43, die an der Hülse 42 ausgebildet ist, sind mit einer Gewindehülse 50 im Injektorgehäuse fixiert. Neben der hier dargestellten Ausführungsform kann die Hülse 42 aber auch auf jede andere, dem Fachmann bekannte Art im Injektorgehäuse 44 fixiert werden. So ist es z.B. möglich, dass die flanschförmige Erweiterung 43 oder der Einstellring 45 auf einer Schulter am Injektorgehäuse 44 aufliegen, oder dass an der flanschförmigen Er- Weiterung 43 ein Außengewinde vorgesehen ist und die Hülse 42 mit der flanschförmigen Erweiterung in das Injektorgehäuse 44 eingeschraubt ist.
Eine obere Stirnfläche der Hülse 42, die dem hülsenförmigen Fortsatz 39 des Ankers 37 zugewandt ist, dient als unterer Anschlag 47. Durch den unteren Anschlag 47 wird die Bewegung des Ankers 37 auf dem Ankerbolzen 19 gestoppt. Auf der der Ankerplatte 35 zuweisenden Seite des Ankerbolzens 19 ist ein oberer Anschlag 49 ausgebildet. Der obere Anschlag 49 ist eine der Ankerplatte 35 zuweisende Stirnfläche eines Ringelementes 51, welches in einer Nut 53 im Ankerbolzen 19 aufgenommen ist. Der Anker 37 ist zwischen dem oberen Anschlag 49 und dem unteren Anschlag 47 bewegbar.
Am hülsenförmigen Fortsatz 39 des Ankers 37 ist eine in Umfangsrichtung verlaufende Rippe 55 ausgebildet. Mit der in Umfangsrichtung verlaufenden Rippe 55 ist eine Ankerhülse 57 verbunden. Die Verbindung der Rippe 55 mit der Ankerhülse 57 kann dabei kraft- oder formschlüssig erfolgen. Auch ist es möglich, dass der Anker 37 und die Ankerhülse 57 einstückig ausgebildet sind. Die Befestigung der Ankerhülse 57 an der Rippe 55 kann z.B. durch Schweißen, Löten oder Kleben erfolgen. Weiterhin ist es auch möglich, dass die An- kerhülse 57 auf die Rippe 55 aufgeschraubt ist. Auch jede weitere, dem Fachmann bekannte Befestigungsart ist möglich. So kann z.B. auch eine Befestigung mit Schrauben oder Nieten möglich sein.
An der Ankerhülse 57 ist ein Bund 59 ausgebildet. Der Bund 59 weist dabei nach innen. Am Bund 59 stützt sich ein Federelement 61 ab, welches die Hülse 42 umschließt und sich andererseits an einer Schulter 63 abstützt, die an der Hülse 42 ausgebildet ist. Die Schulter 63 ist dabei auf der dem Anker 37 zuweisenden Seite der Hülse 42 ausgebildet. Das Federelement 61 ist somit zwischen der Hülse 42 und der Ankerhülse 57 positioniert. Das Federelement 61 ist vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder. Durch die Federkraft des Federelementes 61 wird der Anker 37 gegen die Hülse 42 gezogen und so an den unteren Anschlag 47 gestellt. Die Federkraft des Federelementes 61 wird dabei so gewählt, dass bei nicht bestromter Spule 33 der Anker 37 gerade am unteren Anschlag 47 gehalten wird.
Neben der hier dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, dass z.B. ein als Druck- feder ausgebildetes Federelement auf die Ankerplatte 35 wirkt. Hierbei umschließt das Federelement den Ankerbolzen 19 und das Federelement 21, welches auf den Ankerbolzen 19 wirkt. Das auf die Ankerplatte 35 wirkende Federelement ist dann mit einer Seite gegen die Ankerplatte 35 und mit der anderen Seite z.B. gegen den Gehäusedeckel 25 gestellt.
Bei geschlossenem Steuerventil 3 steht das Schließelement 11, welches hier kugelförmig ausgebildet ist, in seinem Sitz 13. Hierdurch wird der Kanal 15 verschlossen. Da der Steuerraum 5 über ein Drosselelement 65 mit einem Kraftstoffzulauf verbunden ist, befindet sich im Steuerraum 5 unter Systemdruck stehender Kraftstoff. Die Druckkraft des unter Sys-
temdruck stehenden Kraftstoffes wirkt auf die Stirnfläche 7 des Einspritzventilgliedes 1 und stellt dieses in seinen Sitz. Die mindestens eine Einspritzöffnung ist verschlossen. Damit durch die Druckkraft des unter Systemdruck stehenden Kraftstoffes das Schließelement 11 nicht aus seinem Sitz 13 gehoben wird, ist es erforderlich, dass das Schließelement 11 mit einer ausreichend großen Kraft in seinen Sitz 13 gestellt wird. Diese Kraft wird durch das Federelement 21 auf den Ankerbolzen 19 aufgebracht, mit welchem das Schließelement 11 in seinen Sitz 13 gestellt wird. Da bei geschlossenem Steuerventil 3 die Spule 33 nicht bestromt ist und somit kein Magnetfeld ausgebildet ist, wird der Anker 27 durch das Federelement 61 an seinen unteren Anschlag 47 gestellt. Zum Starten des Einspritzvorganges wird die Spule 33 bestromt. Es bildet sich ein Magnetfeld aus. Mit beginnendem Magnetfeld wird er Anker 37 zunächst entlang des Ankerbolzens 19 in Richtung des oberen Anschlages 49 beschleunigt. Der Anker 37 schlägt am oberen Anschlag 49 an, wodurch ein Impuls auf den oberen Anschlag 49 und damit den Ankerbolzen 19 wirkt. Der Ankerbolzen 19 wird entgegen der Federkraft des Federelementes 21 beschleunigt. Gleichzeitig wirkt auf die An- kerplatte 35 das nun voll ausgebildete Magnetfeld der Spule 33. Der Anker 37 wird weiter in Richtung der Spule 33 bewegt. Da der Anker gegen den oberen Anschlag 49 gestellt ist, wird auch der Ankerbolzen weiter in die gleiche Richtung bewegt. Das Schließelement 11 hebt sich aus seinem Sitz 13. Der unter Systemdruck stehende Kraftstoff aus dem Steuerraum 5 strömt über den Kanal 15 in den Ventilraum 9 und von dort in den Kraftstoffrück- lauf. Der Druck im Steuerraum 5 nimmt ab. Aus diesem Grund wirkt eine geringere Druckkraft auf die Stirnfläche 7 des Einspitzventilgliedes 1 und das Einspritzventilglied 1 hebt sich aus seinem Sitz. Der Einspritzvorgang beginnt.
Um den Einspritzvorgang zu beenden, wird die Bestromung der Spule 33 beendet. Das Magnetfeld wird aufgehoben. Durch die Federkraft des Federelementes 21 wird der Ankerbolzen 19 in Richtung des Steuerraumes 5 bewegt. Hierdurch wird das Schließelement 11 in seinen Sitz 13 gestellt und verschließt so den Kanal 15. Durch den über das Drosselelement 65 nachströmenden unter Systemdruck stehenden Kraftstoff baut sich im Steuerraum 5 erneut System auf. Dieser wirkt auf die Stirnfläche 7 des Einspritzventilgliedes 1 und drückt dieses in seinen Sitz. Die mindestens eine Einspritzöffnung wird verschlossen. Nachdem das Schließelement 11 in seinen Sitz 13 gestellt ist und so die Bewegung des Ankerbolzens 19 beendet ist, wirkt das Federelement 61 auf den Bund 59 an der Ankerhülse 57 und zieht so den Anker 37 gegen seinen unteren Anschlag 47. Der Anker befindet sich wieder in seiner Ausgangsposition.