Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Injektor für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einer Düsennadel und einem Steuerventil, wie es beispielsweise aus der DE 10 2004 058 184.3 bekannt ist.

Offenbarung der Erfindung

Um die Emissionswerte von Brennkraftmaschinen weiter zu verbessern, ist eine Erhöhung des Einspritzdruckes notwendig. Um dabei die Leckagemenge gering zu halten, werden Injektoren eingesetzt, deren Düsennadel keine Druckstufe aufweist, so dass die gesamte Düsennadel mit unter Raildruck stehendem Kraftstoff umgeben ist. Dadurch stehen nur geringe Schließkräfte zur Verfügung, wodurch sich Probleme bei der Zumessung kleiner Einspritzmengen ergeben, da die Kennfelder solcher Injektoren sehr steil sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor bereitzustellen, der, obwohl die Düsennadel ohne Druckstufe ausgebildet ist, eine ausreichend große Schließkraft zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Injektor für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einer Düsennadel und mit einem Steuerventil, wobei die Düsennadel in einem Injektorgehäuse geführt ist und mit einem Düsennadelsitz des Injektorgehäuses zusammenwirkt, und wobei zwischen dem Steuerventil und der Düsennadelführung ein Hochdruckraum vorhanden ist, dadurch gelöst, dass an der Düsennadel oder einem Steuerkolben

des Steuerventils ein Schließkolben vorgesehen ist, dass der Schließkolben den Hochdruckraum in einem ersten Bereich und einen zweiten Bereich unterteilt, und dass die zwei Bereiche des Hochdruckraums durch eine Schließdrossel hydraulisch in Verbindung stehen.

Durch den erfindungsgemäßen Schließkolben und die Schließdrossel wird die während der

Schließbewegung an die Düsennadel beziehungsweise den Steuerkolben angreifende Schließkraft dadurch erhöht, dass die wirksame Druckfläche vergrößert wird.

Wegen der vergrößerten Druckfläche kann die zur Bereitstellung einer ausreichend großen Schließkraft erforderliche Druckdifferenz reduziert werden. Infolgedessen ist es bei geeigneter Auslegung des erfindungsgemäßen Injektors, bzw. des Schließkolbens und/oder der Schließdrossel, auch möglich, die Nadelschließgeschwindigkeit zu erhöhen und die Steilheit des Kennfeldes zu reduzieren.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Schließkolben in radialer Richtung im Injektorgehäuse geführt und ist zwischen dem Schließkolben und der Düsennadel in radialer Richtung Spiel vorhanden. Dadurch können eine aufwändige Doppelführung der Düsennadel beziehungsweise des Steuerkolbens und die daraus resultierenden Herstellungskosten vermieden werden. Außerdem wird sichergestellt, dass es nicht zu einem Klemmen der Düsennadel aufgrund eines Axialversatzes zwischen der Führung der Düsennadel und der Führung des Schließkolbens im Injektorgehäuse kommt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Schließkolben einen Schlitz aufweist, wobei dieser Schlitz gleichzeitig als Schließdrossel ausgebildet ist.

Bei dieser Ausführungsform kann der Schließkolben, ähnlich einem Kolbenring einer Brennkraftmaschine, mit einer gewissen Vorspannung in dem Injektorgehäuse geführt sein, so dass auch mit zunehmendem Verschleiß des Injektors beziehungsweise des Schließkolbens stets eine spielfreie Führung des Schließkolbens im Injektorgehäuse gewährleistet ist. Gleichtzeitig wirkt der Schlitz, wenn er geeignet dimensioniert wird, als Schließdrossel. Dadurch kann die Schließdrossel ohne zusätzlichen Herstellungsaufwand bereitgestellt werden.

Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, in dem Schließkolben eine Drosselbohrung anzubringen oder über das Spiel zwischen Schließkolben und Injektorgehäuse die gewünschte Drosselwirkung einzustellen.

Um die erfindungsgemäßen Vorteile realisieren zu können, ist der Außendurchmesser des

Schließkolbens größer als der Durchmesser der Düsennadel im Bereich der Düsennadelführung.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Injektors unterbricht das Steuerventil in einer ersten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen einem Steuerraum und Kraftstoffrücklauf, während es in einer zweiten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Kraftstoffrücklauf herstellt.

Dabei begrenzt der Steuerkolben einen Steuerraum und ist mit der Düsennadel gekoppelt.

Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn der Steuerkolben eine Durchbohrung aufweist, und an einem dem Steuerraum zugewandten Ende eine die Durchgangsbohrung umschließende Dichtkante aufweist, wobei an dem Steuerraumkörper ein mit der Dichtkante zusammenwirkender Flachsitz ausgebildet ist.

Es ist konstruktiv ohne Weiteres möglich, dass der Ventilkörper und der Steuerraumkörper einstückig ausgeführt sind. Ebenso ist es möglich, den Steuerkolben und die Düsennadel einstückig auszuführen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 die schematische Darstellung eines Common-Rail-Einspritzsystems;

Figur 2 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors;

Figur 3 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors und Figur 4 eine Draufsicht auf ein Ausfuhrungsbeispiel eines Schließkolbens.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist ein Common-Rail-Einspritzsystem schematisch dargestellt. Aus einem Kraftstofftank 1 wird Kraftstoff mit Hilfe einer Pumpeinheit 2 in einen Kraftstoffhochdruckspeicher 3 gefördert und mit Hochdruck beaufschlagt. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird dann bedarfsabhängig den einzelnen Zylindern der zu versorgenden Brennkraftmaschine zugeteilt. Die Einspritzung des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffs erfolgt durch Injektoren 4, 5, 6 und 7. In Figur 1 ist aus Gründen der übersichtlichkeit nur der Injektor 7 dargestellt.

Der Injektor 7 ist über einen Hochdruckanschluss 11 mit dem Common-Rail 3 verbunden. Des Weiteren ist der Injektor 7 über einen Kraftstoffrücklauf 13, der nahezu drucklos ist, mit dem Tank 1 hydraulisch verbunden. Der Injektor 7 wird nachfolgend anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert.

Der Injektor 7 umfasst ein Gehäuse 15, in dem eine Düsennadel 17 geführt ist. An dem brennraumfernen Ende des Injektors 7 sind ein erfindungsgemäßes Steuerventil 19 und ein elektromagnetischer Aktuator 21 angeordnet.

Unterhalb des Steuerventils 19 ist ein Steuerraum 23 in einem Steuerraumkörper 25 ausgebildet. Der Steuerraum 23 wird von einem Steuerkolben 27 begrenzt.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Steuerkolben 27 mit der Düsennadel 17 durch eine Schweißnaht 29 verbunden. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, Steuerkolben 27 und Düsennadel 17 einstückig auszubilden.

Um Fluchtungsfehler zwischen dem Steuerraum 23 und der Düsennadel 17 auszugleichen, ist der

Querschnitt des Steuerkolbens 27 bereichsweise verringert. Diese Verringerung des Querschnitts erfolgt bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei Nuten 31 und 33, wobei die Nuten 31 und 33 um einen Winkel von 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Nuten 31 und 33 bewirken eine Reduktion der Biegesteifigkeit des Steuerkolben 27 und wirken ähnlich wie ein Kardangelenk.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Paar von Nuten 31 und 33 unterhalb des Steuerraumkörpers 25 vorgesehen, während ein zweites Paar von Nuten 31 und 33 oberhalb der Düsennadel 17 vorgesehen ist. Durch das Zusammenwirken der beiden durch die Nuten 31 und 33 gebildeten "Kardangelenke" können Fluchtungsfehler zwischen Steuerraum 23 und Düsennadel 17 besonders gut ausgeglichen werden.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Steuerraumkörper 25 und ein Ventilkörper 35 des Steuerventils 19 als separate Bauteile ausgebildet. Alternativ ist es auch möglich, Ventilkörper 35 und Steuerraumkörper 45 einstückig auszubilden.

Sowohl der Steuerraumkörper 25 als auch ein Teil des Ventilkörpers 35 befinden sich in einem Hochdruckraum 37 des Injektors 7. In den Hochdruckraum 37 mündet der Hochdruckanschluss 11 , welcher direkt mit dem Common-Rail 3 hydraulisch in Verbindung steht. Dies bedeutet nichts anderes, als dass in dem Hochdruckraum 37 der Raildruck herrscht. Der Hochdruckraum 37 kann auch die Funktion eines Druckspeichers übernehmen.

Der Steuerraumkörper 25 wird über eine Schließfeder 39 gegen den Ventilkörper 35 gepresst. Die Schließfeder 39 dient weiter dazu, die Düsennadel 17 gegen einen Düsennadelsitz 69 zu pressen, wenn der Injektor drucklos ist. Zu diesem Zweck ist eine Hülse 41 vorhanden, welche auf einem Schließkolben 43 aufliegt.

In dem Ventilkörper 35 ist ein Ringraum 45 ausgebildet. Dieser Ringraum 45 steht über eine Bohrung 47, die auch als Drossel ausgebildet werden kann, hydraulisch mit dem Hochdruckraum 37 in Verbindung.

Der Steuerraum 23 und der Hochdruckraum 37 sind über eine Zulaufdrossel 49 hydraulisch miteinander verbunden. Der Steuerraum 23 und der Ringraum 45 sind über eine Ablaufdrossel 51 hydraulisch miteinander verbunden.

Ein Steuerkolben 53 weist eine Durchgangsbohrung 55 auf, die mit dem Kraftstoffrücklauf 13 (siehe Figur 2) hydraulisch in Verbindung steht.

Eine Stirnseite des Steuerraumkörpers 25 ist als Flachsitz ausgebildet. Dieser Flachsitz wirkt mit einer an dem dem Ventilkörper 25 zugewandten Ende des Steuerkolbens 53 angeordneten Dichtkante 59 zusammen.

Der Schließkolben 43 stützt sich in Schließrichtung der Düsennadel 17 gegen einen Absatz 61 der Düsennadel 17 ab. Gleichzeitig bildet der Absatz 61 einen mit dem Schließkolben 43 zusammenwirkenden Dichtsitz aus. Der Dichtsitz ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 als Flachsitz ausgebildet. Ein Flachsitz ist im vorliegenden Fall besonders vorteilhaft, da der Schließkolben in radialer Richtung nicht von dem Dichtsitz, sondern ausschließlich im Injektorgehäuse 15 geführt wird.

Unterhalb dieses Absatzes 61 wird die Düsennadel 17 in einer Düsennadelführung 63 axial verschiebbar geführt. Damit Kraftstoff aus dem oberen Teil des Hochdruckraums 37 zu den Spritzlöchern 65 des Injektors 7 gelangen kann, sind an der Düsennadel 17 im Bereich der Düsennadelführung 63 mehrere Abflachungen 67 vorgesehen.

Die Spritzlöcher 65 sind in einem Düsennadelsitz 69 so angeordnet, dass sie verschlossen sind, wenn die Düsennadel 17 auf dem Düsennadelsitz 69 aufliegt.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Schließkolben 43 eine Schließdrossel 71 in Form einer Längsbohrung vorhanden.

Geführt wird der Schließkolben 43 im Injektorgehäuse 15. Der Durchmesser des Injektorgehäuses in dem Bereich, in dem der Schließkolben 43 geführt wird, ist in Figur 2 mit Di angegeben. Der Durchmesser der Düsennadelführung 63 ist in Figur 2 mit D ₂ bezeichnet. Durch den Vergleich der Durchmesser Di und D ₂ wird deutlich, dass der Durchmesser Di des Schließkolbens 43 größer ist als der Durchmesser D ₂ der Düsennadelführung 63 (Di > D ₂ ).

Der erfmdungsgemäße Injektor 7 arbeitet wie folgt:

In der in Figur 2 dargestellten ersten Schaltstellung ist der Aktuator 21 nicht bestromt, so dass eine Druckfeder 73, welche auf eine Ankerplatte 75 und damit auch auf den Steuerkolben 53

wirkt, den Steuerkolben 53 gegen den Steuerraumkörper 25 presst. Dadurch wird eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum 23 und dem Kraftstoffrücklauf 13 geschlossen. Infolgedessen herrscht im Steuerraum 23 Raildruck und die Düsennadel 17 ist geschlossen.

Sobald ein Elektromagnet 77 des elektrischen Aktuators bestromt wird, wird die Ankerplatte 75 in Figur 2 nach oben gezogen, so dass die Dichtkante 59 des Ventilkörpers 43 von dem Steuerraumkörper 25 abhebt und somit eine hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum 23 und dem Kraftstoffrücklauf 13 über die Ablaufdrossel 55 und die Durchgangsbohrung 57 des Ventilkörpers 43 hergestellt wird.

Da die Ablaufdrossel 55 einen geringeren Strömungswiderstand als die Zulaufdrossel 53 hat, sinkt in dieser zweiten Schaltstellung des Steuerventils 8 der Druck im Steuerraum ab. In Folge dessen hebt die Düsennadel 17 von ihrem Düsennadelsitz 69 ab und es wird Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Da sich der Schließkolben 43 mit der

Düsennadel 17 in Figur 2 nach oben bewegt, sobald die Düsennadel 17 öffnet, strömt Kraftstoff von einem ersten Bereich 79 des Hochdruckraums 37 durch die Schließdrossel 71 hindurch in einen zweiten Bereich 81 des Hochdruckraums 37. Wegen des Strömungswiderstands der Schließdrossel 71 wird die öffnungsbewegung der Düsennadel etwas verlangsamt. Durch eine geeignete Abstimmung von Zulaufdrossel 49, Ablaufdrossel 51 und, falls vorhanden, der Bohrung 47 kann dieser Effekt jedoch ganz oder teilweise kompensiert werden.

Solange die Düsennadel 17 geöffnet ist, fließt Kraftstoff aus dem ersten Bereich 79 des Hochdruckraums 37 über die Schließdrossel 71 und den zweiten Bereich 81 des Hochdruckraums 37 durch die Spritzlöcher 65 in den Brennraum der Brennkraftmaschine. In Folge dessen findet in der Schließdrossel 71 ein gewisser Druckabbau statt. Deshalb sind die von dem Kraftstoff, der sich im ersten Bereich 79 des Hochdruckraums 37 befindet, auf den Schließkolben 43 ausgeübten Druckkräfte größer als die von dem im zweiten Bereich 81 des Hochdruckraums 37 befindlichen Kraftstoff auf den Schließkolben 43 ausgeübten Druckkräfte. Die resultierende Kraft ist in Figur 2 nach unten, d. h. in Schließrichtung der Düsennadel 17, gerichtet. Diese Kraft wirkt auch während des Schließens der Düsennadel 17. Da die wirksame Fläche des Schließkolbens 43 relativ groß ist, genügt ein geringer Druckabfall an der Schließdrossel 71, um eine ausreichend große Schließkraft bereitzustellen. Dieser geringe Druckabfall wirkt sich nicht oder nur in sehr geringem Umfang auf die Zerstäubung des Kraftstoffs in den Spritzlöchern 65 aus.

Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird der Elektromagnet 77 stromlos geschaltet. Infolgedessen bewegt sich der Steuerkolben 43 in Figur 2 nach unten bis die Dichtkante 59 auf der Stirnseite des Steuerraumkörpers 25 aufliegt. Dadurch wird die hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum 23 und Kraftstoffrücklauf 13 wieder unterbrochen und es kann über die Zulaufdrossel 53 unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den Steuerraum 23 einströmen.

Falls die Bohrung 47 vorhanden ist, kann auch über die Ablaufdrossel 55 Kraftstoff in den Steuerraum 23 einströmen. Infolgedessen wird die Düsennadel 17 wieder gegen ihren Düsennadelsitz gepresst.

Dadurch dass der Schließkolben 43 eine große Querschnittsfläche hat, dessen Außendurchmesser dem Durchmesser Di entspricht, genügt ein geringer Druckabfall an der Schließdrossel 71, um eine große Schließkraft zu verursachen. Dadurch kann der Druckverlust an dem Schließkolben 43 reduziert werden und gleichzeitig die Schließgeschwindigkeit erhöht werden.

Der Schließkolben 43 wird im Injektorgehäuse axial geführt. Zwischen dem Schließkolben 43 und der Düsennadel 17 ist in radialer Richtung Spiel vorhanden, so dass es nicht zum Verklemmen der Düsennadel kommen kann, wenn beispielsweise die Düsennadelführung 63 und der Bereich des Injektorgehäuses 15, in dem der Schließkolben 43 angeordnet ist, einen kleinen Fluchtungsfehler aufweisen.

Alternativ zu dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Düsennadel 17 über den Steuerkolben 27 mit dem Steuerventil 19 gekoppelt ist, wäre es auch möglich, den Steuerkolben 27 und die Düsennadel 17 hydraulisch miteinander zu koppeln. Alternativ ist es auch möglich, Düsennadel 17 und Steuerkolben 27 einstückig auszubilden.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schließkolbens 43. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Schließkolben als geschlitzter Ring ausgebildet. Dabei kann in nicht eingebautem Zustand der Außendurchmesser des Schließkolbens 43 etwas größer sein als der Durchmesser Di des Injektorgehäuses 15, so dass der Schließkolben 43 mit einer gewissen

Vorspannung in das Injektorgehäuse eingesetzt wird. Der Schlitz 83 ist dabei so bemessen, dass er die Aufgabe der Schließdrossel übernimmt. Durch die Vorspannung des Schließkolbens 43 in der Bohrung des Injektorgehäuses 15 liegt der Schließkolben 43 immer spielfrei im Injektorgehäuse 15 an, auch wenn im Laufe der Zeit Verschleiß am Schließkolben 43 oder am Injektorgehäuse auftreten sollte.