Robert Bosch GmbH, 70442 Stuttgart

Injektor zur Verwendung in Hochdruck-Einspritzsystemen

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Injektor zur Verwendung in Hochdruck-Einspritzsystemen für Brennkraftmaschinen, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Injektoren finden Verwendung in Common-Rail- Einspritzsystemen . Diese weisen einen Vorratsbehälter für Kraftstoff auf, aus dem der Kraftstoff über Pumpen einzelnen Injektoren und schließlich den Brennräumen einer Brennkraftmaschine zugeführt wird. Hierbei kann eine Hochdruckpumpe zum Einsatz kommen, die den Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagt, bevor dieser dem Injektor zugeführt wird. Bei Betrieb des Einspritzsystems treten Drücke im Bereich von derzeit 150 bis 1600 bar auf. Bei Weiterentwicklungen können sogar Maximaldrücke von weit über 1600 bar auftreten.

Der Injektor umfasst üblicherweise eine Einspritzdüse mit einer Düsennadel, die durch eine geeignete Ansteuerung des Injektors aus ihrem Sitz gehoben wird, so dass der unter Hochdruck stehende Kraftstoff in den dem Injektor zugeordneten Brennraum gespritzt wird.

Bei den bekannten Injektoren besteht das Problem, dass die Räume oder Bereiche des Injektors, die unter Hochdruck stehenden Kraftstoff enthalten, gegenüber angrenzenden Niederdruckräumen oder -bereichen abgedichtet werden müssen. Mit steigenden Maximaldrücken des Kraftstoffs wird es immer schwieriger, diese Abdichtung ohne Leckage zu gewährleisten .

Bei einigen Injektoren ist die Ansteuerung derart gestaltet, dass eine Rücklaufleitung benötigt wird, die den Injektor mit dem Kraftstoff-Vorratsbehälter verbindet. Diese Rücklaufleitung kann auch genutzt werden, um eine Kraftstoff-Leckagemenge abzuführen, die sich in einem Niederdruckraum oder -bereich angesammelt hat.

Für neuere Injektorkonzepte wird eine Rücklaufleitung aber nicht benötigt. Da wegen der nicht vorhandenen Rücklaufleitung ein Abführen einer Kraftstoff-Leckagemenge nicht möglich ist, müssten die Hochdruckräume für solche Injektoren 100%-ig gegenüber Niederdruckräumen abgedichtet werden. Dies ist bei den genannten Maximaldrücken sehr schwierig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Injektor der eingangs genannt Art zu schaffen, bei dem auf eine Rücklaufleitung zum Kraftstoff-Sammelbehälter verzichtet werden kann, dessen zuverlässige Funktion aber auch bei hohen Maximaldrücken gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung beruht darauf, dass es nicht erforderlich ist, einen Hochdruckraum 100 %-ig gegenüber einem

Niederdruckraum abzudichten. Vielmehr wird eine geringe Kraftstoff-Leckagemenge zugelassen und diese in einem Speicherraum gesammelt.

Um eine gesammelte Kraftstoffmenge wieder abzuführen, ist vorgesehen, dass der Speicherraum mit dem Hochdruckraum verbindbar ist. Somit kann der Kraftstoff, der ursprünglich als Leckagemenge von einem Hochdruckraum in einen Niederdruckraum gelangt ist, wieder zurück in den Hochdruckraum geführt werden.

Ein separate Rücklaufleitung zum Kraftstoff-Sammelbehälter ist nicht erforderlich, was die benötigte Anzahl von Teilen des Kraftstoffeinspritzsystems reduziert und Bauraum einspart. Die Toleranzen, mit denen die Dichtstellen zwischen Hochdruck- und Niederdruckbereichen zu fertigen sind, können vergrößert werden, was zu einer Kosteneinsparung führt.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Ausgestaltungen gemäß der Unteransprüche 2 bis 4 betreffen die Anordnung und Lage des Speicherraums . Der Niederdruckraum oder Teile des Niederdruckraums können den Speicherraum bilden, was den Vorteil hat, dass der Speicherraum nicht separat hergestellt werden muss. Dieser kann aber auch separat vorgesehen und mit dem Niederdruckraum verbunden sein, beispielsweise um ein größeres Speichervolumen bereitstellen zu können. Der

Speicherraum muss sich nicht im Injektor selbst befinden; er kann auch außerhalb des Injektors, bspw. zwischen der den Injektor begrenzenden Außenfläche des Injektors und der Wandung eines den Injektor aufnehmenden Einbauraums vorgesehen sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß Unteranspruch 5 zur Verbindung von Speicherraum und Hochdruckraum ein Sperrventil vorgesehen ist, das als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet sein kann. Das Sperrventil ermöglicht es, dass bei im Hochdruckraum anliegendem Hochdruck das Sperrventil geschlossen bleibt, so dass der unter Hochdruck stehende Kraftstoff nicht in den Speicheroder Niederdruckraum strömen kann. Wenn der im Hochdruckraum enthaltene Kraftstoff nicht mit Hochdruck beaufschlagt ist, kann das Sperrventil zur Rückführung der Leckagemenge entsperrt, d.h. geöffnet werden. Das Öffnen des Ventils kann durch den Druck bewirkt werden, mit dem der Kraftstoff der Leckagemenge beaufschlagt ist. Das Sperrventil kann auch fernbetätigt entsperrbar sein.

Besonders vorteilhaft sind Weiterbildungen gemäß Unteransprüchen 6 bis 8, nach denen ein kompressibles Element vorgesehen ist, das zur Aufnahme einer Leckagemenge verkleinerbar ist und das zur Rückführung der Leckagemenge vergrößerbar ist. Durch das kompressible Element kann Druck auf den Kraftstoff der Leckagemenge ausgeübt werden, so dass das Sperrventil entsperrt und die Leckagemenge zurück in den Hochdruckraum geführt werden kann.

Weiterbildungen entsprechend Unteranspruch 9 ermöglichen eine flexible Gestaltung hinsichtlich Geometrie und Anordnung von Hochdruckraum, Niederdruckraum und/oder Speicherraum.

Durch die Maßnahme gemäß Unteranspruch 10 kann auch eine Leckagemenge eines Niederdruckbereichs dem Speicherraum zugeführt werden, die sich in einem Bereich des Injektors angesammelt hat, in dem der Aktor des Injektors angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Injektors oder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

Zeichnungen

Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoff- Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektor;

Figur 2 einen erfindungsgemäßen Injektor gemäß einer ersten Ausführungsform;

Figur 3 eine Detailansicht des Injektors gemäß Figur 2;

Figur 4 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen

Injektors gemäß einer zweiten Ausführungsform; und

Figur 5 eine Detailansicht des Injektors gemäß Figur 4.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 trägt ein Kraftstoff-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem ein Fördersystem 14 den Kraftstoff zu einer Kraftstoff-

Sammelleitung ("Rail") 16 fördert. Das Fördersystem 14 kann eine Vorförderpumpe und eine Hochdruckpumpe umfassen.

An die Kraftstoff-Sammelleitung 16 sind mehrere Injektoren 18 angeschlossen, von denen in Figur 1 nur einer dargestellt ist. Hierzu verfügt der Injektor 18 über einen Hochdruckanschluss 20. Der Injektor 18 ist einem Brennraum 22 zugeordnet, in den er Kraftstoff direkt einspritzt. Der Brennraum 22 befindet sich in der mit gestrichelten Linien angedeuteten Brennkraftmaschine 24.

Der Injektor 18 ist teilweise in der Brennkraftmaschine 24 aufgenommen, wie auch aus Figur 2 hervorgeht. Dort ist ein länglicher Einbauraum 26 dargestellt, in dem der Injektor 18 größtenteils aufgenommen ist. Am freiliegenden, in Figur 2 oberen Ende des Injektors 18 ist der auch in Figur 1 angedeutete Hochdruckanschluss 20 vorgesehen.

Der Injektor 18 weist einen länglichen Düsenhalter 28 auf, an dem über eine Düsenspannmutter 30 ein Düsenkörper 32 befestigt ist. Im Düsenkörper 32 ist eine Düsennadel 34 vorgesehen.

Der Düsenhalter weist einen länglichen Hochdruckraum 36 auf. In Figur 2 oberhalb des Hochdruckraums 36 ist in einem Aktoraufnahmebereich 37 ein Aktor 38 zur Ansteuerung des Injektors 18 vorgesehen ist. Der Aktor 38 weist ein oder mehrere Piezoelemente 40 auf, die im Hochdruckraum 36 angeordnet sind. Den Piezoelementen 40 ist ein Druckstempel 42 nachgeschaltet. Diesem ist eine Druckfeder 44 zugeordnet, die den Druckstempel 42 im nicht angesteuerten Zustand des Injektors 18 in Richtung auf den Aktor 38 drückt .

Der Düsennadel 24 ist eine Druckfeder 46 zugeordnet, die die Düsennadel 24 in Figur 2 nach unten drückt, so dass am unteren Ende des Düsenkörpers 32 vorgesehene Düsenlöcher 48 verschlossen sind, solange der Injektor 18 nicht angesteuert wird.

Der dem Injektor 18 über den Hochdruckanschluss 20 zugeführte Kraftstoff gelangt über einen Verteiler 50 in den Hochdruckraum 36. Dieser ist über eine Bohrung 52 mit einem Raum 54 verbunden, der den oberen Bereich der Düsennadel 34 umgibt. Die Bohrung 52 ist in einem Distanzelement 56 vorgesehen, das zwischen Düsenhalter 28 und Düsenkörper 32 angeordnet ist.

Zwischen Distanzelement 56 und Düsenhalter 28 ist eine Dichtstelle 58 und zwischen Distanzelement 56 und Düsenkörper 32 eine Dichtstelle 60 gebildet. Der Düsenkörper 32 ist gegenüber der Düsenspannmutter 30 mit Hilfe einer Flachdichtung 64 abgedichtet.

Zwischen dem in Figur 2 unteren Ende des Einbauraums 26 und der Düsenspannmutter 30 ist eine Dichtscheibe 66 vorgesehen. Am oberen Ende des Einbauraums 26 ist zwischen Düsenhalter 28 und der Wandung des Einbauraums 26 ein O- Ring 68 vorgesehen.

Die Außenfläche des Injektors 18 und die Wandung des Einbauraums 26 sowie die Dichtscheibe 66 und der O-Ring 68 begrenzen einen Niederdruckraum 70, der einen Speicherraum 72 bildet. In den Speicherraum 72 mündet eine

Verbindungsleitung 74 aus dem Aktoraufnahmebereich 37.

Im Speicherraum 72 ist zwischen der Wandung des Einbauraums 26 und der Außenfläche des Injektors 18 ein ringförmiges, kompressibles Element vorgesehen. Das kompressible Element

76 ist teilweise in einer in der Wand des Düsenhalters 28 ausgebildeten Ringnut 77 aufgenommen.

In Figur 3 ist der in Figur 2 mit III bezeichnete Ausschnitt vergrößert dargestellt. Von dem Speicherraum 72 geht eine Verbindungsleitung 78 zu einem Sperrventil 79 ab, das im Hochdruckraum 36 mündet. Das Sperrventil 79 weist einen Ventilsitz 80 auf, in dem ein Ventilkörper 82 vorgesehen ist. Eine Ventilfeder 84 drückt den Ventilkörper 82 in den Ventilsitz 80, wenn im Hochdruckraum 36 kein Hochdruck anliegt.

Wenn der Injektor 18 in Betrieb genommen wird, liegt am Hochdruckanschluss 20 ein Hochdruck von mindestens 150 bis 1.600 bar oder auch ein höherer Druck an. Der Hochdruckraum 36 sowie die Bohrung 52 und der Raum 54 im Düsenkörper 32 sind dann mit dem mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff gefüllt. Über die Dichtstellen 58 und 60 kann der Kraftstoff bis hin zu den Dichtungen 62 und 64 gelangen. Durch die hohen Maximaldrücke ist es möglich, dass über die Dichtungen 62 und 64 hinaus in den Niederdruckraum 70, der den Speicherraum 72 bildet, eine Kraftstoff-Leckagemenge austritt .

Solange der Injektor 18 in Betrieb ist, liegt im

Hochdruckraum 36 Hochdruck an, so dass das Sperrventil 79 geschlossen bleibt, da der unter Hochdruck stehende Kraftstoff im Hochdruckraum 36 den Ventilkörper 82 in den Ventilsitz 80 drückt. Die Kraftstoff-Leckagemenge, die in dieser Zeit in den Niederdruckraum 70 beziehungsweise Speicherraum 72 gelangt, komprimiert das kompressible Element 76.

Bei Außerbetriebnahme des Injektors, das heißt bei Abschalten der Brennkraftmaschine 24 und des

Kraftstoffeinspritz-Systems 10 baut sich der Druck im Hochdruckraum 36 ab. Das kompressible Element 76, das durch die gesammelte Kraftstoff-Leckagemenge unter Vorspannung steht, kann nun über die Verbindungsleitung 78 und unter Überwindung der Kraft der Ventilfeder 84 die Kraftstoff- Leckagemenge in den Hochdruckraum 36 abführen, indem sich das kompressible Element 76 ausdehnt.

Bei einer erneuten Inbetriebnahme des Injektors 18 kann im Niederdruckraum 70 und dem Speicherraum 72 erneut eine Kraftstoff-Leckagemenge aufgenommen werden, die bei der nächsten Außerbetriebnahme des Injektors 18 mit Hilfe des kompressiblen Elements 76 wiederum dem Hochdruckraum 36 zugeführt werden kann.

Die Kraftstoff-Leckagemenge kann auch Kraftstoff enthalten, der aus dem Aktoraufnahmebereich 37 durch die Verbindungsleitung 74 in den Niederdruckraum 70 beziehungsweise den Speicherraum 72 gelangt ist.

Mit Bezug auf Figur 4 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung anhand eines Injektors 118 beschrieben. Dieser hat einen zum in Figur 2 dargestellten Injektor 18 ähnlichen Aufbau. Daher wird für die Beschreibung des Injektors 118 auf die Beschreibung zu Figur 2 Bezug genommen. Für die Bezeichnung der Teile des Injektors 118 sind die jeweiligen Teile des Injektors 18 übernommen und um den Faktor 100 ergänzt worden.

Der Injektor 118 unterscheidet sich vom Injektor 18 dahingehend, dass der Speicherraum 172 den Dichtstellen 158 und 160 direkt nachgeschaltet ist. Der Speicherraum 172 ist zwischen der Düsenspannmutter 130 und dem oberen Bereich des Düsenkörpers 132 vorgesehen. Der Speicherraum 172 ist nach außen abgedichtet mit Hilfe eines Teflondichtrings

162, der zwischen Düsenhalter 128 und Düsenspannmutter 130 angeordnet ist, und mit Hilfe einer Flachdichtung 164, die zwischen einem Absatz der Düsenspannmutter 130 und einer am Düsenkörper 132 ausgebildeten Schulter angeordnet ist.

Der Kraftstoff, der aus dem Hochdruckraum 136 über die Dichtstellen 158 und 160 austritt, wird im Speicherraum 172 gesammelt, in dem ein kompressibles Element 176 angeordnet ist. Über eine Verbindungsleitung 178 steht der Speicherraum 172 mit einem Sperrventil 179 in Verbindung, das zum Hochdruckraum 136 angrenzend angeordnet ist.

Das kompressible Element 176 und das Sperrventil 179 sind in Figur 5 im Detail dargestellt. Das kompressible Element 176 weist eine Ummantelung 186 auf, die mit Gas gefüllt ist. Das Sperrventil 179 weist einen Ventilsitz 180, einen Ventilkörper 182 und eine Ventilfeder 184 auf.

Bei Inbetriebnahme des Injektors 118 kann unter Hochdruck stehender Kraftstoff 136 über die Dichtstellen 158 und 160 in den Speicherraum 172 gelangen. Eine solche Kraftstoff- Leckagemenge ist in Figur 5 mit Bezugszeichen 188 bezeichnet. Die Leckagemenge 188 verdrängt einen Teil des Volumens des kompressiblen Elements 176, so dass die Ummantelung 186 und das darin enthaltene Gas komprimiert werden. Bei Außerbetriebnahme des Injektors 118 kann das komprimierte Gas in dem kompressiblen Element 176 eine Druckkraft auf die Leckagemenge 188 ausüben, so dass über die Verbindungsleitung 178 die Leckagemenge 188 unter Öffnung des Sperrventils 179 in den Hochdruckbereich 136 abgeführt werden kann.