DE10031582A1

DE10031582A1 - Druckgesteuerter Injektor mit gesteuerter Düsennadel

Info

Publication number: DE10031582A1
Application number: DE10031582A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-17
Also published as: GB2364102B; US20020020765A1; GB0115527D0; FR2811021A1; US6629647B2; JP2002021672A; GB2364102A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor, zum Einspritzen von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine. Im Injektorgehäuse (2) des Injektors (1) sind ein Steuerteil (3) und eine Düsennadel (30) bewegbar aufgenommen, wobei der Einspritzdüsenzulauf (35) durch Ansteuerung eines Ventilraumes (12) und Druckentlastung eines Steuerraumes (36) geöffnet wird. Im Injektorgehäuse (2) des Injektors (1) sind Steuerräume (36, 37) zur Betätigung von Düsennadel (30) und Steuerteil (3) vorgesehen, die über ein gemeinsames Steuerventil druckentlastbar sind.

Description

Technisches Gebiet

Bei Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume von Verbrennungskraftmaschinen treten bei Anwendungen in Einspritzsystemen mit Hochdrucksammelraum (Common Rail) hohe Drücke auf, die hinsichtlich der mechanischen Belastungen des Injektors beherrschbar sein müssen. Ferner ist für ein unmittelbares Ansprechen des Einspritzdüsensystems auf Öffnungs- und Schließbewegungen zu sorgen, um die genaue Zumessung der einzuspritzenden Kraftstoffmengen nicht zu beeinträchtigen und andererseits die Formung des Einspritzverlaufes nicht zu verfälschen.

Stand der Technik

Die DE 37 28 817 C2 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine. Das in der Kraftstoffeinspritzpumpe eingesetzte Steuerventilglied besteht aus einem eine Führungshülse bildenden und in einem Kanal gleitenden Ventilschaft sowie eine mit diesem verbundenem, der Betätigungseinrichtung zugewandten Ventilkopf. Die Dichtfläche des Ventilkopfes wirkt mit der den Ventilsitz bildenden Fläche der Steuerbohrung zusammen. Der Ventilschaft weist an seinem Umfang eine Ausnehmung auf, deren axiale Erstreckung von der Einmündung der Kraftstoffzufuhrleitung bis zum Beginn der mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Dichtfläche am Ventilkopf reicht, wobei in der Ausnehmung eine dem Druck der Kraftstoffzufuhrleitung ausgesetzte Fläche ausgebildet ist. Diese Fläche ist gleich einer im geschlossenen Zustand des Steuerventils dem Druck der Kraftstoffzufuhrleitung ausgesetzten Fläche des Ventilkopfes. Dadurch ist das Ventil im geschlossenen Zustand druckausgeglichen; ferner ist in der Führungshülse des Steuerventils ein das Steuerventil zu seiner Offenstellung hin belastendes Federelement angeordnet.

Bei bekannten Ausführungen von Injektoren zum Einspritzen von unter extrem hohem Druck stehendem Kraftstoff in die Verbrennungsräume einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine steht der im Hochdrucksammelraum (Common Rail) anstehende hohe Druck dauernd am Steuerteil an. Bei dieser Bauart von Injektoren ist das schlechte Schließen der Düse an deren Sitzfläche nachteilig. Ein schlechtes Schließen der Düse an ihrer Sitzfläche ist dadurch bedingt, daß der Druck über die Entfernung zwischen Steuerteil Düsensitz abgebaut sein muß, um ein Schließen der Düsennadel zu bewirken. Je länger die Schließphase andauert, desto größer können sich einstellende Leckageverluste werden, was den Wirkungsgrad von Injektoren extrem negativ beeinflußt.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann ein Injektor zum Einspritzen von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff so ausgelegt werden, daß beim Öffnen der Düsennadel im Düsenraum der Einspritzdüse ein sehr hoher Druck ansteht. Ferner kann mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ein schnelles Nadelschließen gewährleistet werden.

Die zwei im Injektorgehäuse ausgebildeten Steuerräume sind über entsprechende Drosselelemente mit dem zentralen, vom Hochdrucksammelraum aus anstehenden Kraftstoffdruck beaufschlagt. Dadurch steht der im Hochdrucksammelraum herrschende hohe Druck auch an den hochdruckzulaufseitigen Abzweigen zu den im Injektorgehäuse ausgebildeten Steuerräumen an. Diese werden bei Betätigung eines Steuerventils gleichzeitig druckentlastet, wodurch eine Zwangssteuerung der Öffnungsbewegung der Düsennadel durch deren Vertikalhub im Injektorgehäuse erzielbar ist. Die Ausbildung zweier Steuerräume im Injektorgehäuse erlaubt die unabhängige Einstellung vom System Düse und vom System Steuerteil voneinander. Durch Vorschalten zweier Zulaufdrosselememente vor die Steuerräume lassen sich beide Steuerräume nach jeweils optimalen Bedingungen auslegen. Durch direktes Beaufschlagen einer im Düsenraum der Düsennadel ausgebildeten Druckstufenfläche öffnet die Düsennadel an ihrem Sitz, sobald der Düsenraumdruck den Steuerraumdruck überschreitet. Durch gleichzeitiges Druckentlasten beider im Injektorgehäuse vorgesehener Steuerräume kann ein schnelles Öffnen der Düsennadel an ihrer Sitzfläche erzielt werden, wodurch sich ein schnelles Ansprechen der Einspritzdüse erzielen läßt. Eine Verzögerung des berechneten Einspritzbeginns und eine damit einhergehende Verfälschung des Einspritzdruckverlaufs durch zu langsamen Druckaufbau in diesem Zulauf zwischen Einspritzdüsenspitze und Steuerteil kann so wirksam begegnet werden.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Injektor zum Einspritzen von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff in Brennräume von Verbrennungskraftmaschinen mit dem Injektor an Gehäuse angeordneten unabhängigen Steuerräumen, die gemeinsam über ein Steuerelement druckentlastbar sind, wodurch eine Zwangssteuerung an die Düsennadel erzielbar ist.

Ausführungsvariante

Aus der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Injektor 1 in schematischer Ansicht wiedergegeben, bei dem ein in vertikaler Richtung bewegbares Steuerteil 3 im Injektorgehäuse 2 bewegbar ist. Das Steuerteil 3 ist oberhalb eines sich von einer steuerraumseitigen Stirnseite 22 erstreckenden Durchmesserbereichs mit einer Einschnürung 4 versehen. Zwischen dem in vergrößertem Durchmesser ausgeführten zylindrischen Bereich des Steuerteils 3 und der Einschnürung 4 ist ein Ventilsitz 5 ausgebildet. Im Ventilsitz 5 am Injektorgehäuse 2 liegt das Steuerteil 3 in geschlossenem Zustand mit seinem Sitzdurchmesser 6 an und verschließt durch Kontakt des Sitzdurchmessers 6 mit dem Ventilsitz 5 im Injektorgehäuse 2 einen Ventilraum 12 in Richtung auf einen Leckölraum 7.

An die Einschnürung 4 am Steuerteil 3 schließt sich ein am Steuerteil 3 ausgebildeter Leckölschieber 8 an. Der Leckölschieber 8 ist im Injektorgehäuse 2 seitlich von einem Leckölraum 7 umschlossen. Am Leckölschieber 8, der bei Druckentlastung des ersten Steuerraumes 36 mit dem Steuerteil 3 eine vertikal nach unten gerichtete Bewegung ausführt, erfolgt durch Überdeckung der Steuerkanten 10 bzw. 11 eine Abdichtung des Leckölraums 9 durch Überschneidung der Steuerkanten bei Aufsteuerung des Ventilraums 12. Oberhalb des Leckölschiebers 8 ist ein Hohlraum 13 vorgesehen, in dem eine die ablaufseitige Stirnfläche des Leckölschiebers 8 beaufschlagende Druckfeder 14 aufgenommen ist. Vom Hohlraum 13 im Injektorgehäuse 2 zweigt eine Leckölleitung 15 ab, die das im Hohlraum 13 vorhandene Lecköl kontinuierlich in den Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges zurückleitet. Am Leckölschieber 8 sind Flächenelemente ausgebildet, welche ein Abströmen von Lecköl an den Seiten des Leckölschiebers 8 zum Hohlraum 13 ermöglichen. Die Steuerkante 10 ist an der der Einschnürung 4 zugewandten Seite des Leckölschiebers 8 ausgebildet, während die gehäuseseitige Steuerkante 11 am Injektorgehäuse 2 ausgeführt ist.

Vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) aus erstreckt sich ein Zulauf 16 im Injektorgehäuse 2 des Injektors 1 und beaufschlagt parallel über einen Abzweig 17 den Ventilraum 12. In diesem steht der im Hochdrucksammelraum herrschende Höchstdruck an. Ferner sind am Zulauf 16 vom Hochdrucksammelraum aus ein erster Abzweig für einen steuerteilseitig ersten Steuerraum 36 sowie ein zweiter Abzweig 19 für einen düsennadelseitigen Steuerraum 37 vorgesehen.

Im ersten Abzweig 18 vom Zulauf 16 vom Hochdrucksammelraum ist ein erstes Zulaufdrosselelement 20 aufgenommen, über welches kontinuierlich ein Steuervolumen in den ersten Steuerraum 36 einströmt. Im zweiten Abzweig 19, der zur Beaufschlagung des düsennadelseitigen zweiten Steuerraumes 37 dient, ist ein zweites Drosselelement 21 eingebaut, über welches der aus dem Hochdrucksammelraum (Common Rail) anstehende unter hohem Druck stehende Kraftstoff den düsennadelseitigen Steuerraum 37 beaufschlagt. Beide Steuerräume 36 bzw. 37 verfügen ablaufseitig über je ein individuell konfiguriertes Ablaufdrosselement 23 bzw. 24. Die Ablaufdrosselelemente 23, 24 münden in einen abströmseitig vorgesehenen Hohlraum 26, dessen Sitzfläche über ein kugelförmig ausgebildetes Steuerventil 27 verschließbar bzw. freigebbar ist. Das kugelförmig ausgebildete Schließelement 27 wird in Aktorwirkrichtung 28 über einen hier nicht näher dargestellten Aktor in Gestalt eines Piezoaktors, eines Elektromagneten oder eines hydraulisch-/mechanischen Übersetzers beaufschlagt.

Der Aktor ist fremdbetätigt, unabhängig von dem am Injektor 1 jeweils herrschenden Druckniveau. Bei Druckentlastung des kugelförmig ausgebildeteten Schließelementes 27 strömt über die den Steuerräumen 36 bzw. 37 zugeordneten Ablaufdrosseln 23, 24 ein Steuervolumen in den ablaufseitig vorgesehenen Hohlraum 26 ab, wodurch die Steuerräume 36 bzw. 37 druckentlastet werden und eine Ausfahrbewegung des Steuerteiles 3 mit seiner Stirnfläche 22 in den Steuerraum erfolgt und andererseits ein Ausfahren der Düsennadel 30 in vertikal nach oben gerichtetete Richtung erfolgt.

Im düsennadelseitig vorgesehenen zweiten Steuerraum 37 ist ein Federelement enthalten, welches sich am Injektorgehäuse 2 einerseits und andererseits an der Steuerfläche der Düsennadel 30 abstützt. In weiterer Erstreckung der Düsennadel 30 wird diese von einem ringförmig konfigurierten Leckölraum 31 umschlossen, von welchem ein Leckölablauf 32 abzweigt, der ebenfalls in das Kraftstoffreservoir des Kraftfahrzeuges mündend ausgebildet sein kann. In weiterer vertikaler Erstreckung der Düsennadel 30 wird diese im Bereich der Einspritzdüse 34 von einem Düsenraum 33 umschlossen, der über einen Düsenzulauf 35 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt werden kann.

Im Düsenraum 33 ist an der Düsennadel 30 eine ringförmige Druckstufenfläche 30.1 ausgebildet. Der Düsenraum 33 mündet in einen Düsensitz, in welchem die Düsenspitze 34 der Düsennadel 30 hineinragt. Der Düsenzulauf 35, der düsenseitig in den Düsenraum 33 mündet, ist steuerteilseitig so angeordnet, daß er sich oberhalb des Ventilsitzes 5 im Bereich der Einschnürstelle 4 des Steuerteiles 3 befindet. Bei Druckentlastung der Steuerräume 36 bzw. 37 durch Ansteuerung des das Kugelelement 27 beaufschlagenden Aktors entgegen seiner Wirkrichtung 28 werden die steuerteilseitige Steuerung 36 bzw. düsennadelseitige Steuerung 37 druckentlastet. Steuervolumen strömt aus den Steuerräumen 36, 37 über die ablaufseitig vorgesehenen Ablaufdrosseln 23 bzw. 24 in den Hohlraum 26 ein. Dadurch fährt das Steuerteil 3 mit seiner Stirnfläche 22 vertikal nach unten und gibt den geschlossenen Ventilsitz frei. Dadurch strömt vom Ventilraum 12 aus unter hohem Druck stehender, über den Abzweig 17 kontinuierlich einströmender Kraftstoff in den Bereich zwischen der Einschnürung 4 und der Injektorwand des Injektorgehäuses 2 ein und tritt über den Düsenzulauf 35 in den Düsenraum 33 ein. Gleichzeitig wird bei einer vertikal nach unten gerichteten Ausfahrbewegung des Steuerteiles 3 in den Steuerraum 36 eine Überdeckung der Steuerkanten 10 des Leckölschiebers 8 und der gehäuseseitigen Steuerkante 11 erreicht, so daß bei Aufsteuerung des Ventilsitzes 5 ein Überströmen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff von dem Ventilraum 12 aus in den leckölseitigen Hohlraum 7 vermieden werden kann. Damit ist der Düsenraum 33 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Gleichzeitig wird der düsennadelseitige Steuerraum 37 über die ablaufseitig vorgesehene Drossel 24 druckentlastet, wodurch die obere Stirnfläche der Düsennadel 30 in den druckentlasteten Steuerraum 37 entgegen der Federwirkung des dort vorhandenen Federelementes einfährt. Die Öffnungsbewegung der Düsennadel entgegen der in vertikal nach oben gerichteten Richtung wird durch in den Düsenraum 33 an der Druckstufe 30.1 auftretenden hohen Druck unterstützt, so daß bei Überschreiten des im Steuerraum 37 herrschenden Hochdruck ein schnelles Öffnen und damit ein Einspritzen der anstehenden Kraftstoffmenge in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine erfolgen kann. Dadurch ist eine Zwangsöffnung der Düsennadel 30 und damit der Düsenspitze 34 bei Druckentlastung beider Steuerräume 36 bzw. 37 bei Betätigung des Aktors 28 möglich.

Beim Schließen, d. h. dem Beaufschlagen des geöffneten Kugelelementes 27 in Aktorwirkrichtung 28 ist die Funktionsweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Injektors die folgende: Durch Schließen und durch Andrücken des Kugelelementes 27 in seine Sitzfläche 25 baut sich über die in den Abzweigen 18 bzw. 19 des Zulaufes 16 vom Hochdrucksammelraumes vorgesehen Drosselelemente 20 bzw. 21 sehr schnell der hohe Druck in den Steuerräumen 36 bzw. 37 auf. Dadurch fährt das Steuerteil 3 in seine schließende Stellung und verschließt den Ventilraum 12; gleichzeitig wird der Düsenraum 33 durch Öffnen der Steuerkante 10 bzw. 11 am Injektorgehäuse 2 bzw. am Leckölschieber 8 druckentlastet, so daß aus dem Zulauf 35 zum Düsenraum 33 anstehender unter hohem Druck stehender Kraftstoff leckölseitig in den Hohlraum 13 abströmen kann. Dadurch ist der Düsenraum 33 druckentlastet.

Gleichzeitig baut sich im düsennadelseitigen Steuerraum 37 über den Abzweig 19 im Zulauf 16 vom Hochdrucksammelraum aus hoher Druck auf, der unterstützt durch das im düsennadelseitigen Steuerraum 37 aufgenommene Federelement die Düsennadel in ihren Sitz an der Einspritzdüse 34 drückt. Die steuerraumseitige Stirnfläche der Düsennadel 30 ist mit vom Hochdrucksammelraum aus anstehenden Druck beaufschlagt, wodurch das Druckniveau im Steuerraum 37 erheblich höher als das zu diesem Zeitpunkt im Düsenraum 33 herrschende Druckniveau ist. Bedingt durch die Flächenverhältnisse wird die Düsennadel 30 durch den im Steuerraum 37 vom Hochdrucksammelraum aus anstehenden Hochdruck, unterstützt durch die Schließfeder, entgegen der im Steuerraum 33 auf die Druckstufe 30.1 wirkenden Druckkraft in ihrer Schließstellung gedrückt. Dadurch läßt sich ein im Vergleich zur bekannten Injektorausbildung schnelleres Schließen einer geöffneten Einspritzdüsenspitze 34 erreichen, so daß Nacheinspritzer in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine unterbleiben und ein wesentlich exakterer Verlauf des berechneten Einspritzvorganges erfolgen kann. Ferner lassen sich die Zeitpunkte des Öffnens und des Schließens wesentlich exakter einhalten, was der Emissionsentwicklung an einer mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Injektor ausgerüsteten Verbrennungskraftmaschine zugute kommt. Durch die Ausbildung von zwei unabhängig voneinander konfigurierbaren Steuerräumen 36 bzw. 37 im Injektorgehäuse 2 eines Injektors lassen sich die durch geeignete Wahl der mit Druck beaufschlagbaren Flächen 30.1 bzw. Stirnfläche der Düsennadel 30 sowie entsprechende Konfigurierungen der zulaufseitigen Drosselelemente 20 bzw. 21 sowie der ablaufseitig vorgesehenen Drosselelemente 23 bzw. 24 die Steuerräume individuell aufeinander abstimmen.

Bezugszeichenliste

1

Injektor

2

Injektorgehäuse

3

Steuerteil

4

Einschnürung
S Ventilsitz

6

Sitzdurchmesser

7

Leckölraum

8

Leckölschieber

9

Hubweg

10

Steuerkanteschieber

11

Steuerkantegehäuse

12

Ventilraum

13

Hohlraum

14

Federelement

15

Leckölableitung

16

Hochdruckzulauf

17

Abzweig Ventilraum

18

Abzweig erster Steuerraum

19

Abzweig zweiter Steuerraum

20

erste Zulaufdrossel

21

zweite Zulaufdrossel

22

Stirnfläche Steuerteil

23

erste Ablaufdrossel

24

zweite Ablaufdrossel

25

Sitzsteuerteil

26

Hohlraum

27

Kugelelement

28

Aktorwirkrichtung

29

Hohlraum

30

Düsennadel

30.1

Druckstufe

31

Leckölraum

32

Leckölablauf

33

Düsenraum

34

Düsenspitze

35

Düsenzulauf

36

erster Steuerraum

37

zweiter Steuerraum

Claims

1. Injektor zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine und im Injektorgehäuse (2) wobei im Injektorgehäuse (2) ein Steuerteil (3) und eine Düsennadel (30) bewegbar aufgenommen sind und ein Einspritzdüsenzulauf (35) durch Aufsteuerung eines Ventilraumes (12) durch Druckentlastung eines Steuerraumes (36) geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Injektorgehäuse (2) Steuerräume (36), (37) zur Betätigung einer Düsennadel (30) und des Steuerteils (3) vorgesehen sind und über ein gemeinsames Steuerventil druckentlastbar sind.

2. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerräume (36), (37) über je ein im Zulauf (16) vom Hochdrucksammelraum integriertes Drosselelement (20), (21) mit Steuervolumen beaufschlagbar sind.

3. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Steuerräumen (36), (37) jeweils ein separates ablaufseitiges Drosselelement (23), (24) zugeordnet ist.

4. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerräume (36), (37) für die Düsennadel (30) bzw. das Steuerteil (3) unabhängig voneinander sind.

5. Injektor gemäß der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß über die Auslegung der zulaufseitigen bzw. der ablaufseitigen Drosselelemente (20), (21); (23), (24) die Steuerräume (36), (37) unabhängig voneinander abstimmbar sind.

6. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im düsennadelseitigen Steuerraum (37) die Stirnfläche der Düsennadel (30) beaufschlagender Kraftspeicher vorgesehen ist.

7. Injektor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Stirnseite der Düsennadel (30) größer als die Ringfläche einer Druckstufe (30.1) im Bereich des die Düsennadel (30) umgebenden Düsenraums (33) ist.

8. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerräume (36), (37) für die Düsennadel (30) bzw. das Steuerteil (3) und ein Ventilraum (12) im Injektorgehäuse (2) parallel über den Zulauf (16) vom Hochdrucksammelraum beaufschlagt werden.