Beschreibung

Titel

Injektor mit axial-druckausgeglichenem Steuerventil

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Injektor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die EP 1 612 403 Al beschreibt einen Common-Rail-Injektor mit einem in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventil zum Sperren und öffnen eines Kraftstoffablaufweges aus einer Steuerkammer. Mittels des Steuerventils kann der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer beeinflusst werden. Die Steuerkammer wird dabei über einen Druckkanal mit Kraftstoff aus einem Kraftstoffhochdruckspeicher versorgt. Durch Variation des Kraftstoffdruckes innerhalb der Steuerkammer wird eine Düsennadel zwischen einer öffnungsstellung und einer Schließstellung verstellt, wobei die Düsennadel in ihrer öffnungsstellung den Kraftstofffluss in den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigibt.

In Fig. 2 der EP 1 612 403 Al ist ein Injektor gezeigt, dessen Steuerventil eine in axialer Richtung mittels eines Elektromagnetantriebs verstellbare Ventilhülse aufweist, die mit einer ortsfesten konischen Ventilsitzfläche dichtend zusammenwirkt. Bei ihrer Schließbewegung wird die Ventilhülse in axialer Richtung von dem Steuerventil weg auf das ortsfeste Sitzelement zu bewegt. Innerhalb der Ventilhülse ist ein Bolzen angeordnet, an dessen freiem, der Steuerkammer abgewandten Ende das Sitzelement ausgebildet ist. Durch den Bolzen hindurch führt ein Verbindungskanal,

der Teil des Kraftstoffabflussweges ist und der die Steuerkammer mit einem Ringraum innerhalb der Ventilhülse verbindet. Von dem Kraftstoff innerhalb des Ringraumes wird auf die Ventilhülse (Ventilelement) lediglich in radialer Richtung ein Kraftstoffdruck ausgeübt, so dass die Ventilhülse in axialer Richtung druckausgeglichen ist. Die Konstruktion des bekannten Injektors ist aufgrund der vorgesehenen axial verschieblichen Hülse vergleichsweise aufwendig.

Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Injektor mit einem Steuerventil vorzuschlagen, welches einerseits in axialer Richtung druckausgeglichen ist und welches andererseits ohne eine in axialer Richtung verschiebliche Ventilhülse auskommt.

Offenbarung der Erfindung Technisch Aufgabe

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, unmittelbar in den axial verschieblichen Ventilelement einen Kraftstoffka- nal einzubringen, der Teil des Kraftstoffablaufweges aus der Steuerkammer hin zu einem Niederdruckraum ist. Durch diesen, vorzugsweise zentrisch innerhalb des Ventilelements angeordneten Kraftstoffkanal kann der Kraftstoff aus der Steuerkammer zu einem Ausgleichsraum an der der Steuerkam-

mer abgewandten Seite des Ventilelements fließen. Dieser Ausgleichsraum wird zum einen von dem Ventilelement und zum anderen, bei geschlossenem Steuerventil, von dem Sitzelement begrenzt. Innerhalb des Ausgleichsraumes ist gemäß der Erfindung an dem Ventilelement eine Ausgleichsfläche vorgesehen, die mit Kraftstoffdruck in axialer Richtung, d.h. in öffnungsrichtung bzw. in Richtung der Nadelspitze der Düsennadel beaufschlagbar ist. Dabei ist die Ausgleichsfläche so bemessen, dass eine auf das Ventilelement in öffnungsrichtung wirkende hydraulische Druckkraft entsteht, die eine in entgegengesetzter Richtung, also in Schließrichtung und damit in Richtung des Sitzelementes auf das Ventilelement wirkende Druckkraft ausgleicht bzw. aufhebt. Dabei wird die in Schließrichtung wirkende Druckkraft durch den axialen Kraftstoffdruck auf das Ventilelement in Schließrichtung verursacht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erhält man einen Injektor mit einem Steuerventil, welches die Vorteile eines in axialer Richtung druckausgeglichenen Ventils mit dem einfachen Aufbau eines herkömmlichen Kugel-/Kegelventils kombiniert.

Bevorzugt wird das Ventilelement von einem elektromagnetischen Aktuator in öffnungsrichtung entgegen der Kraft einer auf das Ventilelement wirkenden Vorspannfeder bewegt. Dabei kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen werden, den Aktuator axial zwischen der Steuerkammer und dem Sitzelement anzuordnen. Die Anordnung des elektromagnetischen Aktuators axial zwischen der Steuerkammer und dem Sitzelement hat den Vorteil, dass die Steuermenge (Kraftstoff) aus dem das Sitzelement umgebenden Niederdruckraum auf einfache Weise abgeführt werden kann, da eine entsprechende Rücklaufbohrung direkt von oben in den Niederdruckraum gebohrt werden kann. Die Plazierung dieser

Rücklaufbohrung ist durch die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung nicht durch die Anordnung des Aktuators behindert. Anstelle eines elektromagnetischen Aktuators kann auch ein piezoelektrischer Aktuator Anwendung finden. Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, den Aktuator derart anzuordnen, dass er das Ventilelement in Schließrichtung bei Bestromung kraftbeaufschlagt.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Sitzelement eine Kugel oder ein Kegel ist. Vorzugsweise handelt es sich um ein separates Bauteil, das sich an einem Bauteil des Injektors, vorzugsweise am Injektorkörper, abstützend angeordnet ist. Die Ausbildung des Sitzelements als Kugel hat den Vorteil, dass diese als Massenprodukt erhältlich ist und somit lediglich die - insbesondere konische - Gegenfläche am Ventilelement geschliffen werden muss .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kraftstoffkanal innerhalb des Ventilelements als drosselfreie Durchgangsbohrung ausgebildet ist. Hierdurch wird erreicht, dass der Kraftstoffdruck im Ausgleichsraum und unmittelbar benachbart zu einer der Ausgleichsfläche gegenüberliegenden Stirnseite des Ventilelements zumindest näherungsweise gleich ist, wodurch es möglich ist, durch eine gleich große Ausbildung der axialen Projektionsfläche der Ausgleichsfläche sowie einer axialen Projektionsfläche der der Ausgleichsfläche gegenüberliegenden Stirnseite des Ventilelements einem Druckkraftausgleich in axialer Richtung zu schaffen.

Eine einfache Möglichkeit, die axialen Projektionsflächen der Ausgleichsfläche und der gegenüberliegenden Stirnfläche

gleich groß auszubilden, besteht in Weiterbildung der Erfindung darin, den Durchmesser der Anlagefläche des Ventilelementes auf der Ventilsitzfläche dem Durchmesser des Ventilelementes im Bereich der Stirnfläche innerhalb der Ventilelementführung anzugleichen. Auf diese Weise sind die mit Druck in axialer Richtung beaufschlagbaren Flächen zu beiden Seiten des Ventilelementes gleich groß, was bei zumindest näherungsweise gleichem Druck auf beiden Seiten des Ventilelementes zu einem Druckkraftausgleich in axialer Richtung führt.

Bei einer rein konischen Ausgestaltung der dem Sitzelement gegenüberliegenden Gegenfläche (Anlagefläche) des Ventilelementes kann es durch oft wiederholte Schließvorgänge im Langzeitbetrieb dazu kommen, dass sich das Sitzelement, insbesondere die Kugel, in die Gegenfläche am Ventilelement einarbeitet, was zu einer Veränderung des Ventilsitzdurchmessers und damit zu einer Veränderung der Ausgleichsfläche führen kann. Um dies zu vermeiden, ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Ventilelement in seinem dem Sitzelement zugewandten Endbereich eine zylinderförmige Vertiefung aufweist, wobei das Sitzelement an der Innenkante, d.h. am Innendurchmesser dieser zylindrischen öffnung anliegt. Selbst wenn sich das Sitzelement beim Langzeitbetrieb in das Ventilelement einarbeitet, bleibt die in axialer Richtung wirksame Ausgleichsfläche gleich groß. Bevorzugt ist der Boden der zylindrischen öffnung innerhalb des Ventilelements konisch in Richtung der Mündungsöffnung des Kraftstoffkanals innerhalb des Ventilelements geneigt.

Zweckmäßigerweise ist auf der dem Ausgleichsraum gegenüberliegenden Stirnseite des Ventilelements eine Kraftstoffkam- mer vorgesehen, die über den Verbindungskanal mit dem Aus-

gleichsraum verbunden ist. Diese Kammer ist über einen Kraftstoffkanal mit Ablaufdrossel mit der Steuerkammer verbunden. Dabei ist die Ablaufdrossel so auf die innerhalb des die Steuerkammer mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgenden Druckkanals angeordnete Zulaufdrossel abgestimmt, dass bei geöffnetem Steuerventil ein Netto- Kraftstoffabfluss in den Niederdruckraum resultiert.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass das Ventilelement (Ventilkolben) in einer Bohrung innerhalb eines im Injektorkörper aufgenommenen Bauteils geführt ist. Je länger die Bohrung ausgeführt wird, desto besser sind der Anker und der Elektromagnet eines Elektromagnetantriebes konzentrisch zueinander ausgerichtet, woraus eine symmetrische Magnetkraft und damit kleinere Querkräfte auf die Ventilnadel resultieren, wodurch wiederum die Reibung zwischen Ventilelement und Führungsbohrung reduziert wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Führungsbohrung für das Ventilelement als Durchgangsbohrung ausgebildet ist, was bedeutet, dass die Ablaufdrossel nicht Teil dieser Bohrung ist. Die Ablaufdrossel und gegebenenfalls auch die Kammer an der Stirnseite des Ventilelements sind hierzu in einem benachbart zu dem Bauteil mit Durchgangsbohrung angeordneten Drosselplatte eingebracht. Diese Weiterbildung der Erfindung vereinfacht die Herstellung der Ablaufdrossel, da diese nun senkrecht zu einer Oberfläche hergestellt werden kann. Zusätzlich wird die Herstellung der Führungsbohrung für das Ventilelement vereinfacht, da eine Durchgangsbohrung einfacher zu schleifen ist, als eine Bohrung mit veränderlichem Bohrungsquerschnitt .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

Fig. 1: eine teilgeschnittene Ansicht eines Injektors mit in axialer Richtung druckausgeglichenem Ventilelement;

Fig. 2: eine Darstellung einer möglichen Ausführungsform des Ventilelementes und des zugehörigen Sitzelementes und

Fig. 3: eine Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Injektors.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In den Fig. 1 und 3 sind die wesentlichen Komponenten eines Common-Rail-Injektors 1 dargestellt. Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 2, einen Düsenkörper 3 sowie eine Dü- senspannmutter 4 auf, die mit dem Injektorkörper 2 verschraubt ist und so den Düsenkörper 3 gegen den Injektorkörper 2 verspannt.

Wie schematisch in Fig. 3 angedeutet, durchsetzt der Düsenkörper 3 eine Durchgangsöffnung 5 der Düsenspannmutter 4 in axialer Richtung.

Innerhalb des Düsenkörpers 3 ist eine Führungsbohrung 6 ausgebildet, in der eine längliche Düsennadel 7 geführt ist. An einer Nadelspitze 8 weist die Düsennadel 7 eine Schließfläche 9 auf, mit welcher sie in dichte Anlage an einen innerhalb des Düsenkörpers 3 ausgebildeten Nadelsitz 10 bringbar ist.

Wenn die Düsennadel am Nadelsitz 10 anliegt, d.h. sich in einer Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer Düsenlochanordnung 11 gesperrt. Ist sie dagegen vom Nadelsitz 10 angehoben, kann Kraftstoff aus einem zwischen der Düsennadel 7 und dem Umfangsmantel der Führungsbohrung 6 ausgebildeten Ringraum 12 an der Nadelspitze 8 vorbei zur Düsenlochanordnung 11 strömen und dort im Wesentlichen unter dem Hochdruck (Rail-Druck) stehend in einen Brennraum gespritzt werden.

Die Düsennadel 7 ist durch eine nur teilweise in Fig. 3 angedeutete Vorspannfeder 13 in Richtung auf ihre Schließstellung vorgespannt. Die Vorspannfeder 13 ist innerhalb eines Druckraumes 14 angeordnet und stützt sich mit ihrem einen Ende an einer unteren Stirnfläche eines hülsenförmi- gen Bauteils 15 und mit ihrem anderen Ende an der Düsennadel 7 ab (nicht dargestellt) .

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird das hülsen- förmige Bauteil mit der in Fig. 1 nicht dargestellten Vorspannfeder gegen eine Drosselplatte 16 in axialer Richtung verspannt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist

keine separate Drosselplatte vorgesehen. Hier wird das hül- senförmige Bauteil 15 von der Vorspannfeder 13 gegen ein (Ventil-) Bauteil 17 verspannt.

Das hülsenförmige Bauteil 15 begrenzt zusammen mit der Düsennadel 7 und der Drosselplatte 16 bzw. dem Bauteil 17 eine Steuerkammer 18. Die Steuerkammer 18 wird über einen Druckkanal 19 mit Zulaufdrossel 20 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 verbindet der Druckkanal 19 die Steuerkammer 18 über eine Tasche 54 mit einer Versorgungsleitung 21, die den die Steuerkammer 18 umgebenden Druckraum 14 mit einem nicht gezeigten Kraftstoffhochdruckspeicher verbindet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der Druckkanal 19 über eine Tasche 22 mit der Versorgungsleitung 21 verbunden. über die Versorgungsleitung 21 wird auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 der Druckraum 14 (Ringraum) mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus einem Kraftstoffhochdruckspeicher versorgt. Der Kraftstoff kann aus dem Druckraum in axialer Richtung bis zur Düsenlochanord- nung 11 strömen.

über einen mit einer Ablaufdrossel 23 ausgestatteten Ablaufkanal 24, der Teil eines Kraftstoffablaufweges 25 ist, kann Kraftstoff aus der Steuerkammer 18 zu einem Niederdruckraum 26 fließen und von dort aus über eine nicht gezeigte Rücklaufleitung abfließen.

Mittels eines elektromagnetischen Aktuators 27 kann ein in axialer Richtung druckausgeglichenes Steuerventil 28 den Kraftstofffluss zu dem Niederdruckraum 26 sperren.

Durch die Vorspannfeder 13 und die Einwirkung des in der Steuerkammer 18 herrschenden Druckes auf eine die Steuerkammer 18 begrenzende Stirnfläche 29 der Düsennadel 7 wird eine axial zum Brennraum hin gerichtete Schließkraft auf die Düsennadel 7 ausgeübt. Diese Schließkraft wirkt einer öffnungskraft entgegen, die infolge der Einwirkung des Kraftstoffdruckes auf eine an der Düsennadel 7, nicht dargestellte Stufenfläche ausgeübt wird. Befindet sich das Steuerventil 28 in einer geschlossenen Stellung und ist der Kraftstofffluss durch den Kraftstoffablaufweg 25 gesperrt, ist im stationären Zustand die Schließkraft größer als die öffnungskraft, weshalb die Düsennadel 7 dann ihre Schließstellung einnimmt. Wird das Steuerventil 28 daraufhin geöffnet, fließt der Kraftstoff aus der Steuerkammer 18 ab.

Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 20 und der Ablaufdrossel 23 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Zufluss durch den Druckkanal 19 kleiner als der Abfluss durch den Ablaufkanal 24 ist und demnach bei geöffnetem Steuerventil 28 ein Nettoabfluss von Kraftstoff resultiert. Der daraus folgende Druckabfall in der Steuerkammer 18 bewirkt, dass der Betrag der Schließkraft unter den Betrag der öffnungskraft sinkt und die Düsennadel 7 vom Nadelsitz 10 abhebt.

Im Folgenden wird das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 näher erläutert. Das Steuerventil 28 weist ein axial verschiebliches Ventilelement 30 auf, welches in einer als Durchgangsbohrung ausgebildeten Führungsbohrung 31 innerhalb eines Bauteils 32 geführt ist. Das Spiel zwischen dem bolzenförmigen Ventilelement 30 und der Durchgangsbohrung 31 ist dabei so zu wählen, dass Leckageverluste aus einer in der Zeichnungsebene unterhalb des Bauteils 32 (Ventil-

körper) angeordneten Kammer 33 in den Niederdruckraum 26 gering sind. Die Kammer 33 ist über den Ablaufkanal 24 mit der Steuerkammer 18 hydraulisch verbunden. Die der Steuerkammer 18 zugewandte Stirnseite 34 mit ihrer Stirnfläche 35 des Ventilelementes 30 begrenzt die Kammer 33 in der Zeichnungsebene nach oben. Auf die Stirnfläche 35 wirkt eine Druckkraft in Schließrichtung auf das Ventilelement 30. Zusätzlich wirkt in Schließrichtung eine Federkraft von einer Schraubenfeder 36, die radial innerhalb einer Durchgangsöffnung 37 des Aktuators 27 angeordnet ist und sich eine- nends an einer Schulterfläche 38 des Ventilelements 30 und andernends an einem Einstellring 39 abstützt, welcher wiederum auf dem Bauteil 32 aufliegt. über den Einstellring 39 kann die Vorspannung der Schraubenfeder 36 und damit die Schließkraft des Steuerventils 28 eingestellt werden.

Der elektromagnetische Aktuator 27 ist in der Zeichnungsebene unterhalb des oberen Endes des Ventilelementes 30 angeordnet und wird über eine Feder 40, die sich an dem Bauteil 32 abstützt, gegen eine ringförmige Anlagefläche 41 des Injektorkörpers 2 gedrückt. Mit dem elektromagnetischen Aktuator 27 wirkt eine Ankerplatte 42 zusammen, die formschlüssig mit dem Ventilelement 30 verbunden ist. Es ist auch denkbar, die Ankerplatte 42 einstückig mit dem Ventilelement 32 auszubilden. Die elektrische Verbindung der Spule des Aktuators 27 wird über ein Gehäuseteil 43 von der in der Zeichnungsebene unteren Seite her an das obere Ende des Injektors 1 zur elektrischen Kontaktierung geführt (nicht dargestellt) .

In der gezeigten Schließstellung des Steuerventils 28 liegt das Ventilelement 30 federkraftunterstützt an einem als Kugel ausgebildeten Sitzelement 44 an, welches sich in axia-

ler Richtung von der Steuerkammer 18 weg direkt an dem Injektorkörper 2 abstützt. Zur dichtenden Anlage an dem Sitzelement 44 ist am in der Zeichnungsebene oberen Ende des Ventilelementes 30 ein Innenkonus 45 vorgesehen. Der Durchmesser Dl der wirksamen Ventilsitzfläche 46 des Sitzelementes 44 entspricht dabei dem Außendurchmesser Dl des Ventilelementes 30 in der Führungsbohrung 31. Somit wird eine Ausgleichsfläche 47 innerhalb eines Ausgleichsraumes 48 geschaffen, auf die ein Kraftstoffdruck in axialer Richtung auf das Ventilelement 30 in öffnungsrichtung wirkt. Die hierdurch entstehende Druckkraft wirkt einer Druckkraft in Schließrichtung entgegen, die aus der Druckbeaufschlagung der Stirnfläche 35 des Ventilelements 30 aus der Kammer 33 resultiert. Aufgrund des gleichen Durchmessers Dl des Ventilelementes innerhalb der Ventilsitzfläche 46 und des Ventilelementes 30 in seinem stirnseitigen, der Kammer 33 zugewandten Endbereich, sind die axialen Projektionsflächen der Stirnfläche 35 und der Ausgleichsfläche 47 identisch, was bei gleichem Druck innerhalb des Ausgleichsraumes 48 und der Kammer 33 zu einem hydraulischen Kräfteausgleich in axialer Richtung führt. Da der Ausgleichsraum 48 und die Kammer 33 über einen zentrisch durch das Ventilelement 30 geführten Kraftstoffkanal 51 verbunden sind, ist ein zumindest näherungsweiser Druckausgleich zwischen Ausgleichsraum 48 und Kammer 33 sichergestellt.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass der Ablaufkanal 24 mit Ablaufdrossel 23 in einer separaten Drosselplatte eingebracht sind, die an dem separaten Bauteil 32 anliegt, das im Wesentlichen der Führung des Ventilelementes 30 dient. Auf diese Weise kann die Führungsbohrung 31 als durchgehende, leicht zu schleifende Durchgangsbohrung ausgeführt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die Drosselplatte 16 und das Bauteil 32 in dem Bauteil 17 vereinigt, wobei der Druckkanal 19 mit Zulaufdrossel 20 zur Anbindung der Steuerkammer in einer anderen Ebene als der Schnittebene über eine Tasche 22 mit der Versorgungsleitung 21 verbunden ist. Ansonsten entspricht die Ausführungsform gemäß Fig. 3 im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Um zu vermeiden, dass sich die Ausgleichsfläche 47 während des Langzeitbetriebes des Injektors 1 durch Einarbeiten des kugelförmigen Sitzelementes 44 in das Ventilelement 30 verändert, insbesondere vergrößert, weist das Ventilelement 30 an seinem dem Sitzelement 44 zugewandten Ende eine Zylinderbohrung 49 auf (vgl. Fig. 4) . Das Ventilelement 44 liegt an der oberen Umfangskante 50 dieser Zylinderbohrung 49 an. Selbst wenn sich das Sitzelement 44 in das Ventilelement 30 einarbeitet, bleibt auf diese Weise die Ausgleichsfläche 47 und vor allem deren in axialer Richtung wirksame axiale Projektionsfläche 53 unverändert. Die Ausgleichsfläche 47 (Bodenfläche der Zylinderbohrung 49) verläuft konisch auf den zentral in das Ventilelement 30 eingebrachten Kraftstoffkanal 51 zu. Im Bereich des dem Sitzelement 44 zugewandten Endes der Zylinderbohrung 49 ist das Ventilelement konisch angefast. Zu erkennen ist, dass der Durchmesser Dl der Umlaufkante 50, also der Durchmesser der wirksamen Ventilsitzfläche 46, dem Außendurchmesser Dl des Ventilelements 30 im Führungsabschnitt bzw. dem näherungsweise identischen Innendurchmesser der Führungsbohrung 31 entspricht.