Titel

Kraftstoffinjektor mit Magnetventil

Stand der Technik

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

Bei zum Beispiel an Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail) eingesetzten Kraftstoffinjektoren können hubgesteuerte Injektoren eingesetzt werden, die mittels eines Magnetventils zur Steuerung des Druckes in einem Steuerraum betrieben werden. Das bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied wird zum Beispiel über einen Ser- vosteuerraum gesteuert. Der Druck im Steuerraum wird über das Magnetventil, welches ein kugelförmiges Schließelement aufweist, gesteuert. Das Magnetventil ist in der Regel nicht druckausgeglichen und benötigt daher hohe Federkräfte, hohe Magnetschaltkräfte und einen aufgrund der Dimensionierung von Feder und Magneten großen Bauraum. Von Nachteil bei Magnetventilen, die eine Kugel als Schließelement aufweisen, ist der Umstand, dass starke

Einschränkungen hinsichtlich der Abfolgen von Mehrfacheinspritzungen bestehen, so dass sehr kurz aufeinander folgende Einspritzabstände nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden können.

Druckausgeglichene Ventile erfordern in der Regel wesentlich kleinere Federkräfte, demzufolge kleinere Magnetkräfte, um ein öffnen zu bewirken, sowie kleinere Ventilhübe und erlauben somit schnellere Schaltzeiten. Mittels dieser Bauart von Magnetventilen lässt sich eine Mehrfacheinspritzfähigkeit von Kraftstoffinjektoren verbessern. Allerdings benötigen diese druckausgeglichen ausgestalteten Ventile eine hochdruckdichte Führung sowie eine linienförmig verlaufende Dichtkante, die dem Führungsdurchmesser des Ventilgliedes entsprechen, was die Druckausgeglichenheit des Magnetventils erst ermöglicht.

Kritisch ist bei den druckausgeglichen ausgebildeten Magnetventilen jedoch der Umstand, dass sich im Laufe von deren Betriebszeit ein Verschleiß an einer Dichtkante einstellt, da die mechanische Belastung einer linienförmig verlaufenden Sitzkante beim Schließen des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes sehr groß ist. Des Weiteren wird der Verschleiß dadurch gefördert, dass Verunreinigungen in verstärktem Maße direkt an die Sitzkante gelangen können. Dies führt über die Betriebszeit des Magnetventils gesehen zu Verschleißerscheinungen, die die Funktion eines derartig ausgebildeten Magnetventils nicht unerheblich beeinträchtigen.

Neueste Generationen von Kraftstoffinjektoren für höchste Einspritzdrücke werden mit leckagefrei bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedern ausgeführt, indem auf eine Niederdruckstufe verzichtet wird. Durch das Fehlen dieser Niederdruckstufe stehen nur geringe Schließkräfte zum Schließen des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes zur Verfügung. Dies führt zu steil verlaufenden Kennfeldern und einer hohen Einspritztoleranz. üblicherweise wird daher mit einer definierten Drosselstelle eine hydraulische Schließkraft für das nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied erzeugt, was jedoch zu einem Verlust an Einspritzdruck führt.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der ein integriertes Speichervolumen aufweist, da dadurch die Einspritztoleranzen, die sich bei Mehrfacheinspritzungen einstellen, erheblich reduziert werden. Dies ist für zukünftig zu erwarten stehende Einspritzstrategien von Kraftstoff zur Reduzierung der Schadstoffemissionen sehr bedeutsam. Durch diese Einspritzstrategien verringern sich die Druckschwingungen im Kraftstoffinjektor und gleichzeitig der bisher zu beobachtende Druckeinbruch zu Beginn einer jeden Einspritzung,

somit auch zu Beginn einer jeden Einspritzung im Rahmen von Mehrfacheinspritzungen. Es lässt sich eine erheblich schnellere öffnungsbewegung des nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes erreichen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird in vorteilhafter Weise ein Kraftstoffinjektor mit einem leckagelos ausgebildeten Einspritzven- tilglied und integriertem Speichervolumen bereitgestellt, der die Anforderung an Kennfeldsteilheit, Kleinstmengenfähigkeit und Toleranzempfindlichkeit in vollem Maße erfüllt. Um eine optimale Auslegung eines solchen Kraftstoffinjektors zu ermöglichen, ist ein sehr schnelle Schaltvorgänge durchführendes Schaltventil erforderlich. Andererseits sind große Drosseldurchflüsse zur Servosteuerung notwendig, um ein einfach aufgebautes und damit preiswertes 2/2- Wege-Magnetventil verwenden zu können. Magnetventile haben sich zur Steuerung von Kraftstoffinjektoren aufgrund ihrer robusten Technik und der geringen Herstellkosten sehr bewährt. Um die schnellen Schaltzeiten für Kraft-stoffinjektoren zu realisieren, ist es notwendig, ein druckausgeglichenes Ventil zu verwenden, welches den erforderlichen Querschnitt zur Realisierung großer Durchflüsse bei kleinen öffnungshüben freigibt.

Es hat sich herausgestellt, dass eine Kombination aus einem bei Hochdruckspeicherein- spritzsystemen eingesetzten Kraftstoffinjektor mit leckagelos, bevorzugt nadeiförmig ausgebildetem Einspritzventil und integriertem Speicher zusammen mit einem druckausgeglichenen Ventil mit einem lose in dieses eingelassenen Druckausgleichsstift sehr vorteilhafte Wir- kungen nach sich zieht. Ein derartig ausgebildetes druckausgeglichenes Ventil erlaubt durch eine vollständig konzentrisch ausgebildete Anordnung von Steuerraum, Ablaufkanal mit Ablaufdrossel und Zuströmung zum Ventilsitz eine radial optimale Verteilung der Ablaufmenge am Ventilsitz und damit einen sehr kleinen Ventilhub.

Idealerweise wird in der oben angesprochenen Kombination ein Kraftstoffinjektor verwendet, der ein im Injektorkörper integriertes Speichervolumen und ein im Kopfbereich angeordnetes Magnetventil zur Betätigung aufweist. Das bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied erstreckt sich durch das integrierte Speichervolumen, d. h. einen integrierten Speicherraum hindurch, und kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Bei mehrtei- liger Ausbildung werden die einzelnen Komponenten mechanisch oder hydraulisch miteinander gekoppelt. Aufgrund des Umstandes, dass auch das integrierte Speichervolumen eines in den Injektorkörper integrierten Speicherraumes axialsymmetrisch im Kraftstoffinjektor angeordnet ist, treten keine asymmetrischen Verformungen durch die Druckbelastung der Injektorräume bei Hochdruck, d. h. dem applizierten Systemdruck, auf. Insbesondere wird der Ventilsitz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltventils nicht asymmetrisch verformt, wodurch sich Dichtigkeitsprobleme ergeben würden. Damit kann eine vorteilhafte und insbesondere kostengünstige Bauweise des Kraftstoffinjektors erzielt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Die einzige Figur zeigt den Querschnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor mit radialsymmetrisch und konzentrisch zueinander aufgebautem Steuerraum, Ablaufkanal mit Ablaufdrossel, Ventilsitz und Zuströmraum.

Ausführungsformen

Figur 1 zeigt den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor im Längsschnitt.

Ein Kraftstoffinjektor 10 wird über einen Druckspeicher 12 mit unter Systemdruck p _sys stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Die Beaufschlagung des Druckspeichers 12 (Common- Rail) kann durch ein Hochdruckförderaggregat, wie zum Beispiel einer Hochdruckpumpe eines Hochdruckeinspritzsystems, erfolgen, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Die vom Druckspeicher 12 zum Kraftstoffinjektor 10 verlaufende Hochdruckleitung 14 mündet in einen Injektorkörper 16, in dem sich ein Speichervolumen 18 befindet.

Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst neben dem Injektorkörper 16 einen Düsenkörper 20 sowie ein Aktorgehäuse 22. Im Aktorgehäuse 22 ist ein schnell schaltendes Schaltventil 24 untergebracht, welches in der Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der Zeichnung als Magnetventil ausgebildet ist. Das als Magnetventil ausgebildete Schaltventil 24 umfasst einen Magnetkern 26, in den eine Magnetspule 28 eingebettet ist. Des Weiteren befindet sich im Magnetkern 26 eine Durchgangsbohrung, in welcher eine Ventilfeder aufgenommen ist sowie ein Druckausgleichsstift 50.

Das im Injektorkörper 16 ausgebildete Speichervolumen 18 dient der Dämpfung hydraulischer Schwingung zwischen dem Druckspeicher 12 und dem Kraftstoffinjektor 10.

Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst des Weiteren ein Ventilstück 30, welches einen ersten Teil 34 eines in Figur 1 mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 umschließt. Das in Figur 1 dargestellte, bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied 32 umfasst neben dem ersten Teil 34, welcher als Druckstange dient, einen zweiten, in verringertem Durchmesser ausgebildeten nadeiförmigen Teil 36. Der zweite, nadeiförmig ausgebildete Teil 36 des hier mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 ist in einen Käfig 38 geführt, der an der unteren Stirnseite des ersten druckstangenförmig ausgebildeten Teils 34 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 aufgenommen ist. Die Kopplung des

ersten Teils 34 und des zweiten Teils 36 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 kann mechanisch oder hydraulisch erfolgen. Die obere Stirnseite des ersten Teils 34 begrenzt einen Steuerraum 40, der im Ventilstück 30 ausgebildet ist. Vom Steuerraum 40 aus verläuft ein Ablaufkanal 56, in dem eine Ablaufdrossel 42 ausgebildet ist. Andererseits steht der Steuerraum 40 des Ventilstücks 30 über eine Zulaufdrossel 44 mit dem Speichervolumen 18 im Injektorkörper 16 des Kraftstoffinjektors 10 hydraulisch in Verbindung und ist dadurch stets mit Systemdruck p _sys beaufschlagt. Der Ablaufkanal 56, welcher einen Zuströmraum 58 und den im Ventilstück 30 ausgebildeten Steuerraum 40 hydraulisch miteinander verbindet, wird durch ein hülsenförmig ausgebildetes Ventilglied 48 freigegeben oder verschlossen. In der Darstellung gemäß Figur 1 ist das hülsenförmig ausgebildete Ventilglied 48 in einen Ventilsitz 46 oberhalb der Mündung des Ablaufkanals 56 im Ventilstück 30 gestellt. Der Ablaufkanal 56 ist in der Darstellung gemäß Figur 1 durch das hülsenförmi- ge Ventilglied 48 verschlossen. Das hülsenförmig ausgebildete Ventilglied 48 des druckausgeglichen ausgebildeten Schaltventils 24 ist einerseits am Druckausgleichsstift 50 geführt, der sich durch den Magnetkern 26 des schnell schaltenden als Magnetventil ausgebildeten Schaltventils 24 erstreckt und sich an der Decke des Aktorgehäuses 22 abstützt und andererseits in einer außen liegenden Führung 52, die im oberen Teil des Ventilstücks 30 ausgebildet ist, geführt. In der außen liegenden Führung 52 im Ventilstück 30 ist eine Bohrung 54 ausgeführt, über welche abgesteuerte Menge einem niederdruckseitig verlaufenden Rücklauf 74 zugeführt werden kann.

Aus der Zeichnung geht darüber hinaus hervor, dass am ersten druckstangenförmigen Teil 34 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 eine Stützscheibe 62 aufgenommen ist, an der sich eine Schließfeder 64 abstützt. Die Schließfeder 64 stützt sich anderer- seits auch an einer brennraumseitigen Stirnseite des Ventilstücks 30 ab.

Das mit dem ersten, druckstangenförmig ausgebildeten Teil 34 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 mechanisch oder hydraulisch gekoppelte zweite, bevorzugt nadel- förmig ausgebildete Teil 36 des Einspritzventilgliedes 32, ist vom Käfig 38 umschlossen und weist an seiner Umfangsfläche mindestens einen Anschliff 66 auf, unter welchem unter Systemdruck p _sys stehender Kraftstoff aus dem Speichervolumen 18 dem Sitz 68 des Einspritzventilgliedes 32, insbesondere dessen zweiten Teil 36, zuströmt. Aus der Darstellung gemäß der Figur geht hervor, dass das zweite, bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Teil 36 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32, in seinen Sitz 68 gestellt ist und daher in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mündende Einspritzöffnungen 70 verschließt.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass am hülsenförmigen Ventilglied 48 unterhalb des Magnetkernes 26, in dem die Magnetspule 28 eingebettet ist, eine Ankerplatte 72 ausgebildet ist, die durch die Ventilfeder beaufschlagt ist, die das hülsenförmig ausgebildete Ventilglied 48 in den Ventilsitz 46 stellt. Bei geschlossenem Ventilsitz 46 ist der Ablaufka- nal 56 samt Ablaufdrossel 42 verschlossen.

Durch Bezugszeichen 76 bzw. 78 sind die konzentrische Anordnung des Steuerraums 40, des Ablaufkanals 56 mit Ablaufdrossel 42, des Ventilsitzes 46 und des Zuströmraumes 58 bezeichnet. Durch die durch Bezugszeichen 76 bzw. 78 angedeutete konzentrische Anord- nung bzw. radialsymmetrische Anordnung der aufgezählten Komponenten wird in vorteilhafter Weise ein maximaler öffnungsquerschnitt bei minimalem Ventilhub des hülsenförmig ausgebildeten Ventilgliedes 48 erreicht, so dass schnelle Schaltzeiten ermöglicht werden, die besonders günstig für Mehrfacheinspritzungen sind. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausführungsform kann eine sehr gute Injektorabstimmung erreicht werden. Als schnell schaltendes Schaltventil 24 wird bevorzugt ein Magnetventil eingesetzt, mit welchem der Druck im Steuerraum 40 gesteuert werden kann. Als Magnetventile ausgebildete Schaltventile 24 sind technisch ausgereift und erlauben schnell hintereinander folgende Schaltvorgänge, zudem sind diese sehr kostengünstig.

Bei Ansteuerung des schnell schaltenden Schaltventils 24, welches bevorzugt als Magnetventil ausgebildet ist, wird der Ventilsitz 46 geöffnet, da die Ankerplatte 72 des hülsenförmig ausgebildeten Ventilgliedes 48 durch die in diesem Falle bestromte Magnetspule 28 angezogen wird und den Ventilsitz 46 öffnet. Aufgrund dessen wird der Druck im Steuerraum 40 abgesenkt, so dass eine in öffnungsrichtung auf das mehrteilig ausgebildete Ein- spritzventilglied 32 wirkende öffnungskraft erzeugt wird. Dadurch wird das Einspritzventilglied 32 aufgezogen. Zum Beenden der Einspritzung wird das schnell schaltende Schaltventil 24 geschlossen, wodurch der Druck im Steuerraum 40 auf Systemdruck p _sys ansteigt. Dadurch schließt das Einspritzventilglied 42, d. h. die am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildeten Einspritzöffnungen 70 werden wieder geschlossen. Zur Optimierung der Schließgeschwindigkeit des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 ist im Zulauf des Einspritzventilgliedes 32 unterhalb der Mündungsstelle der Zulaufdrossel 44 im Ventilstück 30 eine geringfügige Drosselung vorteilhaft. Diese geringfügige Drosselung kann beispielsweise auf einfache und kostengünstige Weise über eine Androsselstelle 60 im Bereich der Führung des ersten, druckstangenförmig ausgebilde- ten Teils 34 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 realisiert werden.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung stellt einen Kraftstoffinjektor 10 mit integriertem Speichervolumen 18 dar, wodurch die Einspritztoleranzen bei Mehrfacheinspritzungen

erheblich reduziert werden können. Dies ist vorteilhaft für zukünftige Einspritzstrategien zur weiteren Reduzierung der Schadstoffemissionen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen. Durch das Speichervolumen 18 lassen sich Druckschwingungen im Kraftstoffinjektor 10 im Idealfall eliminieren und zumindest erheblich reduzieren. Durch das Speichervolumen 18 kann zudem ein Druckeinbruch zu Beginn einer jeden Einspritzung vorgebeugt werden, so dass sich eine schnellere öffnungsbewegung des bevorzugt nadeiförmig ausgebildeten ein- oder mehrteilig gestalteten Einspritzventilgliedes 32 erreichen lässt.

Das dargestellte schnell schaltende Ventil 24 erlaubt große Drosseldurchflüsse für eine Ser- vosteuerung bei schnellen Schaltzeiten. Das im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor 10 eingesetzte schnell schaltende Schaltventil 24 stellt einen relativ großen öffnungsquerschnitt bei sehr geringen öffnungshüben dar.

Aufgrund der Druckausgeglichenheit des Schaltventils 24 durch die Führung des hülsenför- mig ausgebildeten Ventilgliedes 48 am Druckausgleichsstift 50 können geringe Ventilkräfte erreicht werden, die einem schnellen Schalten förderlich sind. Die Kombination des Kraftstoffinjektors 10, bei dem ein leckagefreies Einspritzventilglied 32 realisiert ist sowie ein Speichervolumen 18 in Zusammenwirken mit einem druckausgeglichenen Schaltventil 24 mit lose aufgenommenem Druckausgleichsstift 50 verwirklicht ist, gewährleistet geringe öffnungshübe bei ausreichend großen Drosseldurchfiüssen. Des Weiteren ist beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor eine vollständig konzentrische bzw. radialsymmetrische Anordnung von Steuerraum 40, Ablaufkanal 56 mit Ablaufdrossel 42 sowie Zuströmraum 58 zum Ventilsitz 46 gewährleistet. Durch diese Ausführung erfolgt eine in radiale Richtung optimale Verteilung der Ablaufmenge am Ventilglied 46, was einen sehr kleinen Ventilhub ermöglicht.

Bevorzugt ist das schnell schaltende Schaltventil 24 als Magnetventil ausgebildet und im oberen Bereich des Kraftstoffinjektors 10, d. h. an dessen brennraumfernen Ende, untergebracht.

Aufgrund des Umstandes, dass auch das Speichervolumen 18 axialsymmetrisch im Injektorkörper 16 des Kraftstoffinjektors 10 angeordnet ist, werden asymmetrische Verformungen durch die Druckbelastung der Injektorräume mit Systemdruck p _sys vermieden. Insbesondere wird der Ventilsitz 46 des schnell schaltenden Schaltventils 24 nicht asymmetrisch verformt, wodurch sich Dichtigkeitsprobleme ergeben würden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 wird eine vorteilhafte und kostengünstige Injektorbauweise erzielt.