DE10132249A1

DE10132249A1 - Kraftstoffinjektor mit kraftausgeglichenem Steuerventil

Info

Publication number: DE10132249A1
Application number: DE2001132249
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2003-01-23
Also published as: WO2003004861A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Ein Injektorkörper (1) umfasst einen Steuerraum (2), der über einen hochdruckseitigen Zulauf (6) permanent mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt ist. Der Steuerraum (2) ist mittels eines Steuerventils (14) druckentlastbar, dessen Steuerventilkörper (15) im Injektorkörper (1) geführt ist und durch die Druckentlastung bzw. den Druckaufbau im Steuerraum (2) einer Düsennadel-/Stößel-Anordnung (4) eine Hubbewegung im Injektorkörper (1) aufgeprägt wird. Der Steuerventilkörper (15) umfasst einen Führungsabschnitt (16), dessen Durchmesser d¶1¶ (17) dem Durchmesser d¶2¶ (19) eines 1. Ventilsitzes (18) des Steuerventilkörpers (15) an einem Druckraum (13) entspricht, in welchen ein den Druckraum (13) und den Steuerraum (2) verbindender Strömungskanal (8) mündet.

Description

Technisches Gebiet

Bei direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschinen werden heute Speichereinspritzsysteme eingesetzt, über die Kraftstoffinjektoren mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt werden. Die Betätigung von Steuerkomponenten des Kraftstoffinjektors erfolgt z. B. mittels Piezoaktoren, die die relativ hohen erforderlichen Stellkräfte aufbringen. Werden zur Betätigung von Steuerkomponenten von Kraftstoffinjektoren hingegen Magnetventile eingesetzt, ist dem Umstand Rechnung zu tragen, dass diese erheblich geringere Stellkräfte erzeugen.

Stand der Technik

DE 197 44 518 A1 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen. Dieses Kraftstoffeinspritzventil umfasst ein in einem Ventilkörper angeordnetes verschiebbares Ventilglied, das an seinem dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Ende eine konische Ventildichtfläche aufweist. Mit der konischen Ventildichtfläche wirkt es mit einer konischen Ventilsitzfläche am Ventilkörper zusammen, wobei die konische Ventildichtfläche am Ventilglied eine eine Dichtkante bildende Ringkante aufweist sowie mit wenigstens einer Einspritzöffnung in den Brennraum der Brennkraftmaschine in dem sich bei geschlossenem Einspritzventil stromabwärts an die Dichtkante anschließenden Bereich der Ventilsitzfläche. Das Ventilglied weist eine Führungsbohrung auf, mit der es gleitverschiebbar auf einem Zapfen eines ortsfest im Ventilkörper eingelassenen Einsatzkörpers geführt ist. Im Ventilkörper ist ein an die Ventilsitzfläche mündender Hochdruckraum gebildet, der ständig über eine Hochdruckleitung mit einem mit Kraftstoff hohen Druckes gefüllten Hochdruckspeicherraum verbunden ist.

Mittels dieser Lösung lassen sich sehr schnelle Verstellbewegungen bei kleinen Stellkräften erzeugen. Die schnellen Verstellbewegungen werden durch die kleinen hydraulisch wirksamen Flächen am Ventilglied und das kleine Steuervolumen möglich, wobei gemäß dieser Lösung nur kleine Massen verstellt werden müssen.

Darstellung der Erfindung

Hohe Stellkräfte zur Betätigung einer Düsennadel-/Stößel-Anordnung eines Kraftstoffinjektors können durch Piezoaktoren erzeugt werden. Mit Piezoaktoren lassen sich hohe Stellkräfte bei kleinen Hubbewegungen realisieren. Mit Magnetventilen lassen sich größere Hübe bei geringeren Stellkräften erzeugen. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann ein Magnetventil an einem Kraftstoffinjektor zum Einsatz kommen, da die auftretenden Stellkräfte durch Kraftausgeglichenheit des Steuerventilkörpers des Steuerventils klein gehalten werden können und zudem ein schnelles Nadelschließen gewährleistet ist. Neben einem den Steuerraum direkt beaufschlagenden, permanent wirksamen hochdruckseitigen Zulauf mit darin aufgenommener Zulaufdrossel, kann ein den Druckraum am Steuerventil mit dem Steuerraum verbindender Strömungskanal mit Drosselelement neben der Druckentlastung des Steuerraums auch zu dessen Druckbeaufschlagung genutzt werden, so dass der Druckaufbau im Steuerraum mit einer höheren Druckanstiegsgeschwindigkeit erfolgt. Neben der permanent den Steuerraum beaufschlagenden Zulaufdrossel kann über den Druckraum und den Strömungskanal - entgegengesetzt zur Druckentlastungsrichtung des Steuerraumes gesehen - Kraftstoffvolumen am oberen Ende des Steuerraums in diesen eintreten. Der Druckaufbau im Steuerraum erfolgt mithin über zwei diesen parallel beaufschlagende hochdruckseitige Zuläufe.

Diese Lösung erlaubt ein schnelles Nadelschließen, so dass, insbesondere gegen Ende der Verbrennung, eine Rußbildung im Brennraum unterbleibt, die durch überschüssigen Kraftstoff verursacht wird, der gegen Ende der abgelaufenen Verbrennung eingespritzt und nicht vollständig verbrannt werden kann. Der Einsatz eines kraftausgeglichenen Steuerventils hält die zur Betätigung des Steuerventiles notwendigen Stellkräfte auf einem den Einsatz von Magnetventilen ermöglichenden Niveau. Dies gestattet den Einsatz von preisgünstigeren, größeren Hubbewegungen realisierenden Magnetventilen als Betätigungselemente an Kraftstoffinjektoren, mit beschleunigtem Druckaufbau im Steuerraum und damit einhergehendem schnellerem Schließen einer Düsennadel oder mittelbar mit einem Stößel, der wiederum die Düsennadel betätigt.

Ein schnelles Schließen der Einspritzöffnungen und damit ein genau definiertes Ende des Einspritzvorganges stellt hinsichtlich der sich weltweit ständig verschärfenden Emissionsvorschriften in Bezug auf Rußbildung und Partikelausstoß ein vorrangiges Entwicklungsziel bei der Entwicklung direkteinspritzender Verbrennungskraftmaschinen dar.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine Schnittdarstellung durch das Steuerventil mit Druckraum sowie den den Druckraum und den Steuerraum verbindenden Strömungskanal.

Ausführungsvarianten

Der einzigen Figur ist ein Injektorkörper 1 entnehmbar, in welchem ein Steuerraum 2 ausgebildet ist. Der Steuerraum 2 wird von einer Steuerraumwandung 3 begrenzt. Ein hochdruckseitiger Zulauf 6 mündet über eine zwischengeschaltete permanent wirkende Zulaufdrossel 5 in den Steuerraum 2 und beaufschlagt diesen permanent mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff. In den Steuerraum 2 ragt eine Düsennadel-/Stößel-Anordnung 4 hinein, welche über einen Druckaufbau bzw. eine Druckentlastung des Steuerraumes 2 in eine der Richtungen des eingezeichneten Doppelpfeiles bewegbar ist. An der Oberseite des Steuerraums 2 befindet sich eine steuerraumseitige Mündung 9 eines Strömungskanales 8, welcher den Steuerraum 2 und eine Druckkammer 13 eines Steuerventiles 14 miteinander verbinden. Am dem Steuerraum 2 zuweisenden Ende des Strömungskanales 8 ist in diesen ein Drosselelement 7 integriert. Je nach Strömungsrichtung des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes im Strömungskanal 8 wirkt das in diesen eingelassene weitere Drosselelement 7 in Ablaufrichtung 11 in Bezug auf den Steuerraum als Ablaufdrossel und in Zulaufrichtung 12 in Bezug auf den Steuerraum 2 als weitere Zulaufdrossel, die jedoch nicht permanent wirksam ist.
Im Injektorgehäuse 1 des in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellten Injektors ist ein Steuerventil 14 aufgenommen. Das Steuerventil 14 umfasst einen Steuerventilkörper 15, der in seinem vom Druckraum 13 umschlossenen Bereich etwa pilzförmig konfiguriert ist. Am Steuerventilkörper 15 ist ein Führungsabschnitt 16 ausgebildet, der in einem Durchmesser d₁, Bezugszeichen 17, in einer Führungsbohrung 26 im Injektorkörper 1 geführt ist. Der Steuerventilkörper 15 umfasst darüber hinaus unterhalb des Führungsabschnittes 16 eine Einschnürstelle 24, innerhalb der der Durchmesser d₁ des Führungsabschnittes 16 zunächst stetig abnimmt, um dann wieder stetig zuzunehmen, bis die Einschnürstelle 24 in einen 1. Sitz 18 des Steuerventilkörpers 15 ausläuft. Der Durchmesser d₂, Bezugszeichen 19, der den Sitzdurchmesser des 1. Sitzes 18 am Steuerventilkörper 15 definiert, entspricht dem Führungsdurchmesser d₁, Bezugszeichen 17, des Führungsabschnittes 16 des Steuerventilkörpers 15. Im Bereich der Einschnürstelle 24 des Steuerventilkörpers 15 mündet ein weiterer hochdruckseitiger Zulauf 25, der je nach Vertikalbewegung des Steuerventilkörpers 15 im Injektorkörper 1 verschlossen oder geöffnet werden kann.
Im unteren Bereich des Steuerventilkörpers 15 ist dieser im vom Druckraum 13 umschlossenen Bereich etwa pilzförmig konfiguriert. Der Sitzdurchmesser 19 des 1. Sitzes 18 d₂ nimmt kontinuierlich bis zum 2. Sitz 20 des Steuerventilkörpers 15 im Injektorkörper 1 zu. Am 2. Sitz 20, der gemäß der Darstellung in Fig. 1 als Flachsitz im Injektorkörper 1 ausgebildet ist, weist der Steuerventilkörper 15 im Bereich der unteren Stirnfläche einen Sitzdurchmesser 21 am 2. Sitz 20 d₃, Bezugszeichen 21, auf. Unterhalb des als Flachsitz beschaffenen 2. Sitzes 20 des Steuerventilkörpers 15 im Injektorkörper 1 mündet ein leckölseitiger Ablauf 23, in welchen bei Druckentlastung des Steuerraumes 2 in Ablaufrichtung 11 durch den Strömungskanal 8 gesteuertes Steuervolumen auf die Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors gemäß der Darstellung in Fig. 1 abströmt.
Am oberen Ende, d. h. dem 2. Sitz 20 des Steuerventilkörpers 15 gegenüberliegend, ist am Steuerventilkörper 15 ein tellerförmiges Element 27 ausgebildet, welches seinerseits durch eine Dichtfeder 28 beaufschlagt ist. Die Dichtfeder 28 ist in einer Bohrung 29 eines Betätigungselementes in Gestalt eines Magnetventiles aufgenommen. Die Außenseite der in der Bohrung 29 aufgenommenen vorzugsweise als Spiralfeder konfigurierten Dichtfeder 28, ist von einer Magnetspule 30 des Magnetventiles umschlossen. Die Magnetspule 30 des Magnetventils ist ihrerseits von einer Dichtfederabstützung 31 überdeckt, an welcher sich die Bohrung 29 der Magnetspule 30 durchsetzende Dichtfeder 28 mit ihrem dem tellerförmigen Element 27 gegenüberliegenden Ende abstützt. Der Hubweg zwischen dem tellerförmigen Element 27 am Steuerventilkörper 15 und der oberhalb diesem angeordneten Magnetspule 30 des Magnetventiles entspricht dem Hubweg des pilzförmigen Elementes des Steuerventilkörpers 15 im Druckraum 13 zwischen seinem 1. Sitz 18 bzw. seinem als Flachsitz ausgebildeten 2. Sitz 20.
Das Steuerventil 14 ist gemäß der Darstellung in Fig. 1 als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet, welches kraftausgeglichen ist. Die Kraftausgeglichenheit des Steuerventilkörpers 15 des 3/2-Wege-Ventiles 14 rührt daher, dass der weitere Zulauf 25 vom Hochdrucksammelraum oder einer hier nicht dargestellten weiteren Hochdruckwelle in Gestalt einer Hochdruckpumpe im Bereich der Einschnürstelle 24 in den durch die Bohrung 26 im Injektorkörper 1 und die Durchmesserreduzierung der Einschnürstelle 24 liegenden Bereich mündet. Der durch den weiteren hochdruckseitigen Zulauf 25 anstehende Hochdruck wirkt daher sowohl auf den Führungsabschnitt 16, ausgebildet im Führungsabschnittsdurchmesser 17 d₁, und den Sitzdurchmesser 19 des 1. Sitzes 18 d₂. Da die Durchmesser d₁ und d₂ gleich sind, ist der Steuerventilkörper 15 des vorzugsweise als 3/2-Wege-Ventils ausgebildeten Steuerventilkörpers 15 kraftausgeglichen und lässt sich, da nur geringe Stellkräfte erforderlich sind, mittels eines Magnetventils über eine Magnetspule 30 betätigen.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten die in Steuerraum 2 druckbeaufschlagenden bzw. druckentlastenden kraftausgeglichenen 3/2-Wege-Ventils stellt sich wie folgt dar:
Über die von der Magnetspule 30 umgebene Dichtfeder 28 wird der als tellerförmiges Element 27 des Steuerventilkörpers 15 in seinen 2. Sitz 20, der beispielsweise als Flachsitz ausgebildet sein kann, gestellt. Dadurch erfolgt ein Abströmen des unter hohem Druck vom weiteren hochdruckseitigen Zulauf 25 einschießenden Kraftstoff entlang des geöffneten 1. Sitzes 18 in den Druckraum 13. Von diesem strömt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in den Strömungskanal 8 in Zulaufrichtung 12 über das weitere Drosselelement 7 und die steuerraumseitige Mündung 9 in den Steuerraum 2 ein. In diesem Falle, d. h. bei geschlossenem 2. Sitz 20 des Steuerventilkörpers 15 im Injektorkörper 1 wirkt das weitere Drosselelement 7, welches im Strömungskanal 8 aufgenommen ist, als zuschaltbare Zulaufdrossel in Bezug auf den Steuerraum 2. Dieser wird demnach einerseits durch den permanent wirkenden Zulauf 6 mit integriertem Drosselelement 5 von der hier nicht dargestellten Hochdruckquelle mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt und andererseits durch den das am weiteren Zulauf 25 im Druckraum 13 sowie im Strömungskanal 8 anstehende Kraftstoffvolumen unter hohem Druck. Der Strömungskanal 8 kann in Zulaufrichtung 12 des Kraftstoffs, bezogen auf den Steuerraum 2, dem permanent wirkenden hochdruckseitigen Zulauf 6 parallel geschaltet werden. Damit ist ein schneller Druckanstieg im Steuerraum 2 erzielbar, so dass die Stirnseite einer Düsennadel-/Stößel- Anordnung 4 die Düsennadel unmittelbar bzw. mittelbar bei Einsatz eines Stößels in ihren trennraumseitigen Sitz bewegt, so dass die Einspritzöffnungen in den Brennraum einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine schnell und zuverlässig verschlossen werden können.
Wird das Magnetventil, eine Magnetspule 30 umfassend, hingegen erregt, fährt das tellerförmige Element 27 des Steuerventilkörpers 15 nach oben, zur Magnetspule 30 hinauf. Dadurch wird der Steuerventilkörper 15 von seinem 2. Sitz 20 in seinen 1. Sitz 18, ausgebildet mit Sitzdurchmesser 19 (d₂), bewegt. Dadurch wird der innerhalb der Einschnürstelle 24 zwischen erstem Sitz 18 und Führungsabschnitt 16 liegende weitere hochdruckseitige Zulauf 25 vom Hochdrucksammelraum aus verschlossen und der zweite Sitz 20 des Steuerventilkörpers 15 im Injektorkörper 1 freigegeben. Nunmehr besteht eine Strömungsverbindung zwischen dem Steuerraum 2 und dem in Ablaufrichtung 11 in Bezug auf den Steuerraum 2 durchströmten Strömungskanal 8, den Druckraum 13 und den in diesen mündenden leckölseitigen Ablauf 23. Ist der Steuerventilkörper 15 und des vorzugsweise als 3/2-Wege-Ventil ausgebildeten Steuerventiles 14 in seinen 1. Sitz 18 gefahren, wird der Steuerraum 2 in Ablaufrichtung 11 druckentlastet, so dass das Steuerraumvolumen über den Druckraum 13 in den leckölseitig vorgesehenen Ablauf 23 eintritt und durch diesen abströmt. Durch den auf diese Weise erzielten Druckabbau im Steuerraum 2, das im Strömungskanal 8 aufgenommene weitere Drosselelement 7 als Ablaufdrossel wirkt, fährt die Düsennadel-/Stößel-Anordnung 4 in den Steuerraum 2 ein, so dass die hier nicht dargestellten den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine zugewandten Einspritzöffnungen des Kraftstoffinjektors geöffnet werden.
Durch den Einsatz eines kraftausgeglichenen vorzugsweise als 3/2-Wege-Ventil ausgebildeten Steuerventiles 14, kann der Steuerventilkörper 15 dieses Steuerventiles 14 mittels eines Magnetventils, eine Magnetspule 30 umfassend, ausgebildet werden und über ein am Steuerventilkörper 15 ausgebildetes tellerförmiges Element 27 auf diesen einwirken. Mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist durch das Zuschalten eines weiteren hochdruckseitigen Zulaufs am Druckaufbau im Steuerraum neben der diesen bereits permanent beaufschlagenden Zulaufdrossel 5 eine höhere Druckanstiegsgeschwindigkeit beim Druckaufbau im Steuerraum 2 erzielbar, so dass demzufolge ein schnelleres Schließen der Düsennadel-/Stößel-Anordnung 4 eintritt. Dies ermöglicht ein definiertes Ende der Einspritzung in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Dadurch wird das Einspritzen von überschüssigem Kraftstoff, der im Rahmen der bereits vollständig abgeschlossenen Verbrennung nicht mehr umgesetzt werden kann und zur Bildung von HC-Emissionen, Partikeln und Ruß führt, verhindert. Bezugszeichenliste 1 Injektorkörper
2 Steuerraum
3 Steuerraumwandung
4 Düsennadel-/Stößel-Anordnung
5 permanent wirkende Zulaufdrossel
6 hochdruckseitiger Zulauf
7 weiteres Drosselelement
8 Strömungskanal
9 steuerraumseitige Mündung
10 druckraumseitige Mündung
11 Ablaufrichtung
12 Zulaufrichtung
13 Druckraum
14 Steuerventil (3/2)
15 Steuerventilkörper
16 Führungselement
17 Führungsdurchmesser d₁
18 1. Sitz
19 Sitzdurchmesser 1. Sitz d₂
20 2. Sitz
21 Sitzdurchmesser 2. Sitz d₃
22 Sitzfläche
23 Ablauf
24 Einschnürung
25 Mündung weiterer hochdurckseitiger Zulauf
26 Führungsbohrung
27 tellerförmiges Element
28 Dichtfeder
29 Bohrung
30 Magnetspule
31 Dichtfeder-Abstützung

Claims

1. Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Injektorkörper (1), in welchem ein Steuerraum (2) ausgebildet ist, der über einen hochdruckseitigen Zulauf (6) permanent mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt ist und der Steuerraum (2) mittels eines Steuerventiles (14) druckentlastbar ist, dessen Steuerventilkörper (15) im Injektorkörper (1) geführt ist und durch die Druckentlastung bzw. der Druckaufbau im Steuerraum (2) einer Düsennadel-/Stößel-Anordnung (4) eine Hubbewegung im Injektorkörper (1) aufgeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilkörper (15) einen Führungsabschnitt (16) umfasst, dessen Durchmesser d₁ (17) dem Durchmesser d₂ (19) eines 1. Ventilsitzes (18) des Steuerventilkörpers (15) an einem Druckraum (13) entspricht, in welchen ein den Druckraum (13) und den Steuerraum (2) verbindender Strömungskanal (8) mündet.

2. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer hochdruckseitiger Zulauf (25) am Steuerventilkörper (15) zwischen dem Führungsabschnitt (16) und dem 1. Ventilsitz im Bereich einer Einschnürstelle (24) mündet.

3. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Druckraum (13) auf bzw. zusteuernde Steuerventilkörper (15) im Bereich des Druckraumes (13) pilzförmig ausgebildet ist mit einem vom 1. Ventilsitz (18) zu einem 2. Ventilsitz (20) zunehmenden Durchmesser.

4. Injektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d₃ (21) des 2. Ventilsitzes (20) den Durchmesser d₂ (19) des 1. Ventilsitzes (18) übersteigt.

5. Injektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der 2. Ventilsitz (20) als einen einen im Druckraum (13) mündenden Ablauf (23) auf bzw. zusteuernde Flachsitz ausgebildet ist.

6. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanal (8) am steuerraumseitigen Ende ein weiteres Drosselelement (7) vorgesehen ist.

7. Injektor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Drosselelement (7) bei in seinem 2. Sitz (20) bewegten Steuerventilkörper (15) in Ablaufrichtung (11) als Ablaufdrossel wirkt.

8. Injektor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Drosselelement (7) bei in seinem 1. Sitz (18) bewegten Steuerventilkörper (15) in Zulaufrichtung (12) als weitere Zulaufdrossel zum Steuerraum (2) wirkt.