DE102006027484A1

DE102006027484A1 - Kraftstoffinjektor mit kraftausgeglichenem Steuerventil

Info

Publication number: DE102006027484A1
Application number: DE200610027484
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-20

Abstract

Es wird ein Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen mit einer Düsennadel (16) und mit einem Steuerventil (13) vorgeschlagen. Das Steuerventil (13) wird von einem Magnetsteller (12) mit einem Magnetanker (46) betätigt und weist einen Steuerkolben (30) auf, der auf einen Ventilsitz (50) einwirkt. Über den Ventilsitz (50) ist ein Steuerraum (27) der Düsennadel (16) an eine mit einem Niederdruckrücklaufsystem verbundene Leckölleitung (19) zu- und abschaltbar, wodurch die Düsennadel (16) von einem Düsennadelsitz (22) abhebt und Kraftstoff mit dem in einem Düsennadeldruckraum (23) anliegenden Druck eingespritzt wird. Der Steuerkolben (30) weist zwei gegenüberliegende Druckflächen (41, 42) auf, die im geschlossenen Zustand des Ventilsitzes (50) jeweils dem im Düsennadeldruckraum (23) anliegenden Systemdruck ausgesetzt sind. Der Magnetanker (46) des Magnetstellers (12) ist in einem Ausgleichsraum (40) angeordnet, in dem die stellelementseitige Druckfläche (41) des Steuerkolbens (30) zusammen mit dem Magnetanker (46) dem Systemdruck ausgesetzt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einem kraftausgeglichenen Steuerventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem hubgesteuerten Kraftstoffinjektor mit einem Einspritzventilglied, das zum Öffnen und Schließen von Einspritzöffnungen eine axial verschiebbar geführte Düsennadel aufweist, liegt an einem Bereich der in Öffnungsrichtung wirkenden Druckfläche und an einer in Schließrichtung wirkenden Druckfläche ein hoher Kraftstoffdruck an, wie er beispielsweise von einer Kraftstoff-Sammelleitung eines Common-Rrail-Systems bereitgestellt wird. Zum Öffnen des Einspritzventilgliedes wird der an der rückwärtigen Steuerfläche der Düsenadel anliegende Kraftstoffdruck abgesenkt bis die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Druckkraft, resultierend aus den an der Düsennadel wirkenden Druckflächen, die in Schließrichtung wirkende Kraft übersteigt. Dadurch wird die Düsennadel vom Düsennadelsitz abgehoben und Kraftstoff mit dem Systemdruck der Kraftstoff-Sammelleitung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. An der in Öffnungsrichtung wirkenden Druckschulter der Düsennadel liegt somit ständig der Systemdruck der Kraftstoff-Sammelleitung an. Die Einleitung der Kraftstoffeinspritzung wird durch das Ansteuern eines Steuerventils durch den Hube eines Aktors bzw. Stellers eingeleitet, wodurch diese Art von Kraftstoffinjektoren auch als hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren bezeichnet werden.
Aus DE 100 65 220 A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem kraft- bzw. druckausgeglichene Steuerventil bekannt, bei dem das Steuerventil einen Steuerkolben mit einem Ventilssitz aufweist. Der Steuerkolben ist mit einer ersten, stellelementfernen Druckfläche einem druckentlastbaren Steuerraum der Düsennadel und mit einer zweiten, stellelementseitigen Druckfläche einem Ausgleichsraum ausgesetzt. Zur Druckentlastung wird der Steuerraum durch Öffnen des Ventilsitzes des Steuerventils mit einer Leckölleitung, die an ein Niederdruck-Rücklaufsystem angeschlossen ist, verbunden. Durch den Steuerkolben des Steuerentils führt eine Ausgleichsbohrung, wodurch aufgrund einer Durchmesserauslegung der stellelementfernen und der stellelementseitigen Druckfläche eine Kraftstausgeglichenheit des Steuerkolbens erzielt wird, so dass das als Magnetsteller ausgeführte elektromagnetische Stellelement zum Verstellen des Steuerventils nur geringe Stellkräfte aufbringen muss. Der Magnetsteller ist mit einem Magnetanker in einem mit dem Niederdrucksystem verbundenen Aufnahmeraum angeordnet. Dadurch ist es notwendig, dass der mit Systemdruck beaufschlage Ausgleichsraum von dem mit dem Niederdruckrücklaufsystem verbundenen Aufnahmeraum des Magnetankers hydraulisch getrennt ist. Dazu ist eine Kolbenstange des Magnetankers zum Betätigen des Steuerkolbens in einer im Wesentlichen hydraulisch dichten Führung geführt.
Vorteile der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hubgesteuerten Kraftstoffinjektor mit einem kraftausgeglichenen Steuerventil zu schaffen, das eine geringe Baugröße aufweist und das schnelle Schaltzyklen realisiert.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass der Magnetanker des Magnetstellers zusammen mit der stellelementseitigen Druckfläche des Steuerkolbens gemeinsam einem mit Systemdruck beaufschlagten Ausgleichsraum ausgesetzt ist, wird ein kraftausgeglichenes Steuerventil mit geringer Baugröße und schnellen Schaltzyklen geschaffen, das den Einsatz von kleinen, schnell schaltenden Magnetstellern ermöglicht und darüber hinaus den Einsatz des Kraftstoffinjektors bei Systemdrücken bis 2000 N erlaubt. Der Magnetanker schwimmt mit der Ankerplatte im Systemdruck, wodurch keine hydraulisch dichtende Führung für eine Kolbenstange des Steuerkolbens erforderlich ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich. Da der Magnetanker mit der Ankerplatte und der Steuerkolben mit der Kolbenstange dem Systemdruck ausgesetzt ist, wird die dem Ausgleichsraum ausgesetzte stellelementseitige Druckfläche des Steuerkolbens vom Durchmesser des stellelementseitigen Kolbenabschnitts bestimmt. Dadurch können zur Ausbildung des kraftausgegliche nen Steuerventils die zwei gegenüberliegenden Durchmesser der Kolbenabschnitte des Steuerkolbens gleich groß ausgeführt werden. Dazu ist ein Federraum zur Aufnahme eines als Schließfeder wirkenden Federelements für den Magnetanker vorgesehen, wobei der Federraum mit dem Ausgleichsraum hydraulisch verbundnen ist und wobei die Kolbenstange im Ausgleichsraum und im Federraum dem gleichen Systemdruck ausgesetzt ist.
Zur Ausbildung des kraftausgeglichenen Steuerventils ist es vorteilhaft, wenn der Steuerkolben eine Dichtkante aufweist, die mit dem Durchmesser d1 des stellelementseitigen Kolbenabschnitts auf den Ventilsitz einwirkt, wenn der Ventilsitz einen ersten Ringraum und einen zweiten Ringraum am Steuerkolben im geschlossenen Zustand der Düsennadel trennt, und wenn einer der beiden Ringräume an die Leckölleitung angeschlossen und der jeweils andere Ringraum mit einer mit Systemdruck beaufschlagte Hochdruckleitung verbunden ist. Vorteilhaferweise ist der eine mit Systemdruck beaufschlagte Ringraum über mindestens eine Zulaufdrossel mit dem Systemdruck verbunden.
Um das Steuerventil fertigungstechnisch vorteilhaft herzustellten, ist vorgesehen, dass der Steuerkolben neben dem stellelementseitigen Kolbenabschnitt mit dem Durchmesser d1 einen stellelementfernen Kolbenabschnitt mit einem kleineren Durchmesser d2 aufweist, dass sich am Übergang vom stellelementseitigen Durchmesser d1 zum stellelementfernen Durchmesser d2 die Dichtkante ausbildet, dass auf den kleineren Durchmesser d2 des stellelementfernen Kolbenabschnitts eine Führungshülse aufgesetzt ist, die in einer Führungsbohrung hydraulisch dicht geführt ist, und dass die Führungshülse einen Außendurchmesser d3 aufweist, der zumindest annähernd dem Durchmesser d1 des stellelementseitigen Kolbenabschnitts entspricht.
Gemäße einer ersten Ausführungsform wirkt die stellelementferne Druckfläche des Steuerkolbens unmittelbar auf den Steuerraum ein, dem die Düsennadel mit einer Steuerfläche ausgesetzt ist, wobei der Steuerraum über eine Ablaufdrossel mit dem mit Systemdruck beaufschlagten zweiten Ringraum verbunden ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform ist die stellelementferne Druckfläche des Steuerkolbens einem Kopplerraum ausgesetzt, der mit der Hochdruckleitung in Verbindung steht, wobei der Kopplerraum über eine Zulaufdrossel mit dem Steuerraum in Verbindung steht, dem eine Steuerfläche der Düsennadel ausgesetzt ist, und wobei der Steuerraum über eine Ablaufdrossel mit dem ersten Ringraum und die Leckölleitung mit dem zweiten Ringraum verbunden ist. Zweckmäßigerweise sind der Steuerraum und der Kopplerraum durch eine Drosselplatte getrennt, in der die Zulaufdrossel und die Ablaufdrossel ausgebildet sind.
Eine dritte Ausführungsform besteht darin, dass zwischen Steuerraum und Kopplerraum zumindest das Steuerventil positioniert ist und dass der Steuerkolben des Steuerventils mit der anderen, stellelementfernen Druckfläche an der zum Steuerraum abgewandten Seite auf den Kopplerraum einwirkt. Zum Befüllen des Steuerraumes zweigt eine Verbindungsleitung mit einer Zulaufdrossel von der Hochdruckleitung ab.
Fertigungstechnisch lässt sich der Kraftstoffinjektor günstig herstellen, wenn das Gehäuse aus mehreren Gehäuseteilen aufgebaut ist. Eine Dämpfung von auftretenden Druckschwingungen wird erzielt, wenn im Injektorgehäuse ein Hochdruckraum als Druckspeicher vorgesehen ist, in den die Hochdruckleitung führt.
Ausführungsbeispiele
Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
4 eine Teilschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Die in den 1 bis 4 dargestellten Kraftstoffinjektoren weisen ein Gehäuse mit einem Injektorkörper 10 und einem Düsenkörper 15 auf. Im Injektorkörper 10 ist ein als Magnetsteller 12 bezeichnetes elektromagnetisches Stellelement und ein Steuerventil 13 angeordnet. Im Düsenkörper 15 ist eine Düsennadel 16 axial verschiebbar geführt. Injektorkörper 10 und Düsenkörper 15 werden mittels einer Spannmutter 17 hydraulisch dicht verspannt. Durch den Injektorkörper 10 sind eine Hochdruckleitung 18 und eine Leckölleitung 19 geführt. Die Hochdruckleitung 18 ist an ein nicht dargestelltes Common-Rail-System eine Dieseleinspritzanlage angeschlossen. Die Leckölleitung 19 steht mit einem Niederdrucksystem in Verbindung, das an ein ebenfalls nicht dargestelltes Rücklaufsystem angeschlossen ist.
Im Düsenkörper 15 sind an einer Kuppe Einspritzöffnungen 21 eingebracht. Den Einspritzöffnungen 21 ist am Düsenkörper 15 ein Düsennadelsitz 22 vorgelagert, auf dem die Düsennadel 16 mit einer Dichtfläche aufliegt. Dem Düsennadelsitz 22 ist im Düsenkörper 15 ein Düsennadeldruckraum 23 vorgelagert, dem die Düsennadel 16 mit einer oberen Druckschulter 24 und einer unteren Druckschulter 25 ausgesetzt ist. Die Düsennadel 16 weist ferner einen Düsennadelkolben 26 auf, der mit einer Steuerfläche 20 in einen Steuerraum 27 weist.
Das Steuerventil 13 weist einen Steuerkolben 30 mit einem ersten, stellelementseitigen Kolbenabschnitt 31 mit einem Durchmesser d1 und einem zweiten, stellelementfernen Kolbenabschnitt 32 mit einem Durchmesser d2 auf, wobei der Durchmesser d2 kleiner ist als der Durchmesser d1. Zwischen den beiden Kolbenabschnitten 31, 32 verläuft eine kegelförmige Verjüngung, die am Durchmesser d1 eine Dichtkante 33 ausbildet.
Im Injektorkörper 10 ist eine Stufenbohrung mit einem ersten Führungsabschnitt 34 für den Durchmesser d1 des stellelementseitigen Kolbenabschnitts 31, ein Bohrungsabschnitt 35 sowie eine zweite Führungsbohrung 36 ausgebildet. Die zweite Führungsbohrung 36 weist einen Durchmesser d3 auf, der vorzugsweise gleich ist mit dem Durchmesser d1 der ersten Führungsbohrung 34. In der zweiten Führungsbohrung 36 ist der Steuerkolben 30 mittels einer Führungshülse 37 geführt, die am stellelementfernen Kolbenabschnitt 32 befestigt ist. Zwischen der ersten Führungsbohrung 34 und dem Bohrungsabschnitt 35 ist eine Bohrungserweiterung ausgeführt, die einen den stellelementseitigen Kolbenabschnitt 31 umschließenden ersten Ringraum 38 ausbildet. Der zwischen dem ersten Ringraum 38 und der zweiten Führungsbohrung 36 liegende Bohrungsabschnitt 35 besitzt im Vergleich zum Durchmesser d1 einen kleineren Durchmesser und bildet zwischen dem Injektorkörper 10 und dem zweiten Kolbenabschnitt 32 einen zweiten Ringraum 39 aus. Durch eine konische Verjüngung des ersten Ringraums 38 zum Bohrungsabschnitt 35 hin wird ein Ventilsitz 50 am Ventilkörper 10 ausgebildet, auf den die Dichtkante 33 des Steuerkolbens 30 drückt. Dadurch wird im geschlossenen Zustand des Ventilsitzes 50 der erste Ringraum 38 vom zweiten Ringraum 39 hydraulisch getrennt.
Im Injektorkörper 10 ist weiterhin eine Ausgleichsraum 40 mit einem angrenzenden Federraum 43 ausgebildet, wobei der Ausgleichsraum 40 über einen Ausgleichskanal 44 mit der Hochdruckleitung 18 hydraulisch verbunden ist. Dadurch liegt im Ausgleichsraum 40 und im Federraum 43 der vom Raildruck gebildete Systemdruck an.
Der Magnetsteller 12 weist einen Magentanker mit einer tellerförmigen Ankerplatte 46 auf. Die Ankerplatte 46 ist an einer Kolbenstange 47 befestigt, die fest mit dem Steuerkolben 30 verbunden ist. Dadurch bildet sich am ersten Kolbenabschnitt 31 des Steuerkolbens 30 eine stirnseitige Ringfläche 41.1 aus, die in den Ausgleichsraum 40 weist. Eine weitere Stirnfläche 41.2 der Kolbenstange 47 weist in den Federraum 43, so dass diese weitere Stirnfläche 41.2 ebenfalls dem Systemdruck ausgesetzt ist. Die nicht näher bezeichneten, eventuell weiteren an der Kolbenstange 47 ausgebildeten Ringflächen, die zusammen mit der Stirnfläche 41.1 in die gleiche Kraftrichtung weisen, sind ebenfalls dem Systemdruck im Ausgleichsraum 40 ausgesetzt. Dadurch entsteht eine auf den Steuerkolben 30 wirkende wirksame stellelementseitige Druckfläche 41, die vom Durchmesser d1 des stellelementseitigen Kolbenabschnitts 31 gebildet wird. An einer gegenüberliegenden Stirnseite ist am Steuerkolben 30 eine stellelementferne Druckfläche 42 ausgebildet, die zur stellelementseitigen Druckfläche 41 entgegengesetzt gerichtet wirkt. Die stellelementferne Druckfläche 42 setzt sich zusammen aus der Stirnfläche des zweiten Kolbenabschnitts 32 mit dem Durchmesser d2 und der Stirnfläche der Führungshülse 37 mit dem Durchmesser d3, so dass die wirksame stellelementferne Druckfläche 42 des Steuerkolbens 30 vom Durchmesser d3 gebildet wird.
Auf die Ankerplatte 46 drückt in Schließrichtung des Steuerventils 30 ein im Federraum 43 angeordnetes erstes Federelement 48. Da die Ankerplatte 46 zweckmäßigerweise zum Ausgleichen eines Überhubs verschiebbar an der Kolbenstange 47 angeordnet ist, drückt ein zweites Federelement 49 entgegen der Druckrichtung des ersten Federelements 48 die Ankerplatte 46 gegen einen an der Kolbenstange 47 ausgebildeten Anschlag 51. Damit beide Seiten der Ankerplatten 46 vom gleichen Systemdruck beaufschlagt sind, sind zweckmäßigerweise Bohrungen 52 in die Ankerplatte 46 eingebracht, die bei einer axialen Bewegung der Ankerplatte 46 eine Durchströmung des Kraftstoffs von der einen Seite zur anderen Seite gewährleisten. Dadurch schwimmt die Ankerplatte 46 im mit System- bzw. Raildruck beaufschlagten Kraftstoff innerhalb des Ausgleichsraums 40.
Bedingung für die vorliegende Erfindung ist es, dass die an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Steuerkolbens 30 wirkenden Druckkräfte zumindest annähernd gleich groß sind. Erreicht wird dies dadurch, indem die stellelementseitige Druckfläche 41 und die stellelementferner Druckfläche 42 gleich groß sind. Da die in gleicher Richtung wie die Ringfläche 41.1 am Steuerkolben 30 weisenden Druckflächen 41.2 an der Kolbenstange 47 ebenfalls dem Ausgleichsraum 40 und/oder dem Federraum 43 ausgesetzt sind, wird die stellelementseitige Druckfläche 41 durch den Durchmesser d1 des stellelementseitigen Kolbenabschnitts 31 des Steuerkolbens 30 bestimmt. Dadurch ist es möglich, dass die Führungsbohrungen 34 und 36 für die jeweiligen Kolbenabschnitte 31 und 32 den gleichen Durchmesser (d1 = d3) aufweisen können.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist im Düsenkörper 15 eine weitere Hochdruckleitung 28 eingebracht, die die Hochdruckleitung 18 mit dem Düsennadeldruckraum 23 verbindet. Der Düsenkörper 15 weist dabei eine Führungsbohrung 29 auf, in der die Düsennadel 16 mit dem Düsennadelkolben 26 geführt ist. Der Steuerraum 27 wird beim Ausführungsbeispiel in 1 an seinem Umfang vom Düsenkörper 15 begrenzt. Dem Steuerraum 27 ist bei Ausführungsbeispiel in 1 neben der Steuerfläche 20 auch die stellelementferne Druckfläche 42 des Steuerkolbens 30 ausgesetzt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist der Steuerkolben 30 eine erste hydraulische Verbindung 53 auf, die den Steuerraum 27 mit dem ersten Ringraum 39 verbindet. Die hydraulische Verbindung 53 ist durch eine Axialbohrung 54 und eine Querbohrung 55 realisiert. Zusätzlich weist die hydraulische Verbindung 53 eine hydraulische Ablaufdrossel 56 auf. Das Ausführungsbeispiel in 1 weist weiterhin eine erste hydraulische Verbindungsleitung 58 mit einer ersten Zulaufdrossel 58.1 und eine zweite hydraulische Verbindungsleitung 59 mit einer zweiten Zulaufdrossel 59.1 auf. Die erste Verbindungsleitung 58 mit der ersten Zulaufdrossel 58.1 verbindet die Hochdruckleitung 18 mit dem Steuerraum 27. Die zweite Verbindungsleitung 59 mit der zweiten Zulaufdrossel 59.1 verbindet die Hochdruckleitung 18 mit dem zweiten Ringraum 39. Bei dem Ausführungsbeispiel in 1 mündet die Leckölleitung 19 in den ersten Ringraum 38.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist zwischen dem Injektorkörper 10 und dem Düsenkörper 15 eine Drosselplatte 60 angeordnet. Am Düsennadelkolben 26 ist eine Steuerraumhülse 61 geführt, die mittels einer Druckfeder 62 vorgespannt ist und gegen eine düsennadelseitige Stirnfläche der Drosselplatte 60 drückt. Dadurch wird ein Druckraum vom umgebenden Hochdruckraum 23 abgetrennt, der den Steuerraum 27 ausbildet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die stellelementferne Druckfläche 42 des Steuerkolbens 30 einem Kopplerraum 70 zugeordnet, der über einen zweiten hydraulischen Verbindungskanal 71 mit der Hochdruckleitung 18 in Verbindung steht. Der Kopplerraum 70 ist weiterhin durch die weitere Stirnfläche der Drosselplatte 60 begrenzt. In der Drosselplatte 60 ist eine erste hydraulische Verbindungsleitung 68 mit einer Zulaufdrossel 68.1 und eine zweite hydraulische Verbindungsleitung 69 mit einer Ablaufdrossel 69.1 ausgebildet. Über die erste Verbindungsleitung 68 mit der Zulaufdrossel 68.1 wird der Steuerraum 27 mit dem Kopplerraum 70 hydraulisch verbunden. Die zweite Verbindungsleitung 69 mit der Ablaufdrossel 69.1 verbindet den Steuerraum 27 über eine weitere hydraulische Verbindungsleitung 73 mit dem ersten Ringraum 38. In der Drosselplatte 60 ist ferner eine Hochdruckverbindung 74 angeordnet, die die Hochdruckleitung 18 mit dem Düsennadeldruckraum 23 verbindet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Leckölleitung 19 mit dem zweiten Ringraum 39 verbunden. Außerdem weist der Steuerkolben 30 eine hydraulische Verbindung 76 auf, die den Kopplerraum 70 mit dem Ausgleichsraum 40 hydraulisch verbindet. Vom der Verbindung 76 zweigt eine hydraulische Querverbindung 77 mit einer weiteren Zulaufdrossel 77.1 in den ersten Ringraum 38 ab, über die der erste Ringraum 38 befüllt wird.
Das Ausführungsbeispiel in 3 entspricht vom Prinzip her dem Ausführungsbeispiel in 2, insbesondere hinsichtlich des Aufbaus des Einspritzventilglieds und des Steuerventils 30 sowie der hydraulischen Anschlüsse. Zusätzlich weist das Ausführungsbeispiel in 3 innerhalb des Injektorkörpers 10 einen Hochdruckraum 80 auf, in den die Hochdruckleitung 18 führt. Der Hochdruckraum 80 bildet ein Speichervolumen innerhalb des Kraftstoffinjektors, wodurch innerhalb des Kraftstoffinjektors auftretende Druckschwingungen reduziert bzw. gedämpft werden. Weiterhin ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 der Injektorkörper 10 aus Fertigungsgründen aus zwei Teilkörpern 10.1 und 10.2 ausgeführt, die mittels einer weiteren Spannmutter 81 verspannt sind. Der Hochdruckraum 80 ist im Teilkörper 10.1 angeordnet. Durch die Teilkörper 10.1 und 10.2 führen jeweils Hochdruckleitungen 18.1 und 18.2, die an den Hochdruckraum 80 angeschlossen sind und zur weiteren Hochdruckverbindung 74 in der Drosselplatte 60 führen. Dadurch wird die Hochdruckleitung 18 über den Hochdruckraum 80 mit dem Düsennadelnadeldruckraum 23 hydraulisch verbunden. Außerdem ist im Teilkörper 10.1 eine Verlängerungsleitung 19.1 für die Leckölleitung 19 angeordnet. Die Versorgung des Kopplerraums 70 mit Systemdruck erfolgt beim Ausführungsbeispiel in 3 über eine durch die Drosselplatte 60 geführte zusätzliche Verbindungsleitung 82. Weiterhin ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine im Teilkörper 10.2 angeordnete Führungsscheibe 83 mit Durchströmöffnungen 84 zur axialen Führung der Kobenstange 47 der Ankerplatte 46 angeordnet. Auch hier schwimmt die Ankerplatte 46 im Rail- bzw. Systemdruck, wobei der Kraftstoff über einen Verbindungskanal 85, der die Funktion des Verbindungskanals in den 1 bis 3 hat, beispielsweise von der Hochdruckleitung 18.1 abgezweigt und in einen vorgelagerten Ausgleichsraum 86 geleitet wird, in dem sich die Ankerplatte 46 befindet. Der vorgelagerte Ausgleichsraum 86 steht mit dem Ausgleichsraum 40 über die Durchströmöffnungen 84 in Verbindung. Die in der Drosselplatte 60 angeordneten Verbindungsleitungen 68 und 69 mit der Zulaufdrossel 68.1 und der Ablaufdrossel 69.1 führen wie beim Ausführungsbeispiel in 2 in den Kopplerraum 70 und in den ersten Ringraum 38. Beim Ausführungsbeilspiel in 3 ist die hydraulische Verbindung 76 mit einer Querbohrung 86 versehen, die die Verbindung 76 in den Ausgleichsraum 40 führt. Der erste Ringraum 38 wird hierbei auch über die hydraulische Querverbindung 77 mit der weiteren Zulaufdrossel 77.1 befüllt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 entspricht vom Prinzip her ebenfalls dem Kraftstoffinjektor in 2 und 3. Der Unterschied besteht darin, das der Magnetsteller 12 und das Steuerventil 30 im Vergleich zu 2 und 3 auf dem Kopf stehend im Injektorkörper 10 angeordnet sind. Durch diese Ausführung kann die Drosselplatte 60 entfallen. Dazu ist der Kopplerraum 70 an einer zum Steuerraum 27 entgegengesetzten Seite angeordnet, so dass zwischen Steuerraum 27 und Kopplerraum 70 das Steuerventil 13 und der Magnetsteller 12 positioniert sind. Es ist aber auch denkbar, nur das Steuerventil 13 mit dem Steuerkolben 30 zwischen dem Steuerraum 27 und dem Kopplerraum 70 anzuordnen. Der Kopplerraum 70 wird über einen weiteren Verbindungskanal 91 mit der Hochdruckleitung 18 verbunden. Vom Steuerraum 27 führt eine Verbindungsleitung 92 mit einer Ablaufdrossel 92.1 in den ersten Ringraum 38, wobei die Ablaufdrossel 92.1 der Ablaufdrossel 69.1 in 3 entspricht. Von der Hochdruckleitung 18 zweigt eine weitere Verbindungsleitung 93 mit einer weiteren Zulaufdrossel 93.1 ab. Die weitere Zulaufdrossel 93.1 übernimmt dabei die Funktion der Zulaufdrossel 68.1 in 3, so dass über die Verbindungsleitung 93 und die Zulaufdrossel 93.1 der Steuerraum 27 befüllt wird. Die hydraulischen Verbindungen am Steuerkolben 30 sind gegenüber 2 und 3 ebenfalls abgewandelt, wobei eine hydraulische Verbindung 94 über eine Querkanal 95 mit einer weiteren Zulaufdrossel 95.1 den Kopplerraum 70 mit dem ersten Ringraum 38 verbindet. Alternativ kann die Verbindung 95 auch mittels einer weiterführenden hydraulischen Verbindung 96 ausgeführt sein, so dass dann der Kopplerraum 70 und der Steuerraum 27 hydraulisch kurz geschlossen sind.
Der Kraftstoffinjektoren gemäß 1 funktioniert folgendermaßen: Durch Bestromung des Magnetstellers 12 wird die Ankerplatte 46 angezogen und der Steuerkolben 30 in Richtung Ausgleichsraum 40 bewegt. Dadurch öffnet der Ventilsitz 50, so dass eine hydraulische Verbindung zwischen der an das Rücklaufsystem angeschlossenen Leckölleitung 19 und dem zweiten Ringraum 39 hergestellt wird. Da der zweite Ringraum 39 über die hydraulische Verbindung 53 mit dem Steuerraum 27 gekoppelt ist, wird über die Ablaufdrossel 56 der Druck im Steuerraum 27 entlastet. Dadurch sinkt die auf die Steuerfläche 20 der Düsennadel 16 wirkende Schließkraft unter die auf die Druckschultern 24, 25 wirkende Öffnungskraft, die durch den Systemdruck in dem Düsennadeldruckraum 23 bestimmt ist. Die Düsennadel 16 hebt vom Düsennadelsitz 22 ab und der Einspritzvorgang erfolgt. Die Bewegung des Steuerkolbens 30 erfordert dabei lediglich eine geringe Kraft, weil an der dem Ausgleichsraum 40 ausgesetzten stellelementseitigen Druckfläche 41 und der dem Steuerraum 27 ausgesetzten stellelementfernen Druckfläche 42 im geschlossenen Zustand des Ventilsitzes 80 der gleiche Druck anliegt. Zum Beenden des Einspritzvorganges wird die Stromversorgung des Magnetkreises des Magnetstellers 12 unterbrochen, so dass aufgrund der Kraft der Schließfeder 48 der Steuerkolben 30 wieder in den Ventilsitz 50 gestellt wird. Dabei wird der Steuerraum 27 wieder über die erste Zulaufdrossel 58.1 und zugleich auch über die Ablaufdrossel 56 befüllt, wobei die Ablaufdrossel 56 die Befüllung über die zweite Zulaufdrossel 59.1 und den zweiten Ringraum 39 erhält. Im Steuerraum 27 liegt wieder Systemdruck an und die Düsennadel 16 wird durch den Druckaufbau im Steuerraum 27 und die in Schließrichtung wirkende Steuerfläche 20 in den Ventilnadelsitz 22 gestellt.
Der Kraftstoffinjektoren der Ausführungsbeispiele in 2 und 3 arbeiten folgendermaßen: Im geschlossenen Zustand der Düsennadel 16 ist der Steuerkolben 30 in den Ventilsitz 50 gestellt. Zum Öffnen der Ventilnadel 16 wird der Magnetkreis des Magnetstellers 12 bestromt und die Ankerplatte 46 gegen die Druckkraft der Schließfeder 48 bewegt. Dadurch wird der Steuerkolben 30 vom Ventilsitz 50 abgehoben und die Ringräume 38 und 39 werden hydraulisch verbunden. Dadurch ist der erste Ringraum 38 an die Leckölleitung 19 angekoppelt und mit dem mit Niederdruck beaufschlagten Rücklaufsystem verbunden. Dadurch wird aufgrund der hydraulischen Verbindung des Ringraums 38 über die Verbindungsleitungen 69, 73 und die Ablaufdrossel 69.1 der Druck im Steuerraum 27 entlastet. Die an den Druckschultern 24 und 25 wirkende Öffnungskraft übersteigt die auf die Steuerfläche 20 des Düsennadelkolbens 26 wirkende Schließkraft und die Düsennadel 16 wird vom Düsennadelsitz 22 abgehoben, so dass der Einspritzvorgang erfolgt. Zum Schließen der Düsennadel 16 wird die Stromversorgung des Magnetkreises des Magnetstellers 45 unterbrochen, wodurch aufgrund der Kraft der Schließfeder 48 der Steuerkolben 30 wieder in den Ventilsitz 80 gestellt wird. Dadurch wird der erste Ringraum 38 wieder von der Leckölleitung 19 abgekoppelt. Gleichzeitig wird der Steuerraum 27 über die Zulaufdrossel 68.1 mit dem im Kopplerraum 70 herrschenden Systemdruck beaufschlagt. Ebenfalls gleichzeitig erfolgt über die weitere Zulaufdrossel 77.1 die Befüllung des Ringraums 38, so dass auch dort Systemdruck anliegt. Dadurch schließt der Steuerkolben 30 schnell, wodurch auch die Düsennadel 16 eine schnelle Schließbewegung ausführt. Im geschlossenen Zustand des Steuerkolbens 30 sind alle Druckräume wieder mit Systemdruck druckausgeglichen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Magnetsteller 12 leckagefrei ist und dass durch die Verwendung von zwei Zulaufdrosseln 68.1 und 77.1 das Steuerventil 13 schnell arbeitet.
Der Kraftstoffinjektor gemäß 4 arbeitet ähnlich wie die Ausführungsbeispiele in 2 und 3. Zum Öffnen der Ventilnadel 16 wird der Magnetkreis des Magnetstellers 12 bestromt und die Ankerplatte 46 gegen die Druckkraft der Schließfeder 48 bewegt. Dadurch wird der Steuerkolben 30 vom Ventilsitz 50 abgehoben und die Ringräume 38 und 39 werden hydraulisch verbunden. Dadurch ist der erste Ringraum 38 an die Leckölleitung 19 angekoppelt und damit mit dem mit Niederdruck beaufschlagten Rücklaufsystem verbunden. Dadurch wird aufgrund der hydraulischen Verbindung des Ringraums 38 über die Verbindungsleitung 92 und die Ablaufdrossel 92.1 der Druck im Steuerraum 27 entlastet. Die an den Druckschultern 24 und 25 wirkende Öffnungskraft übersteigt die auf die Steuerfläche 20 des Düsennadelkolbens 26 wirkende Schließkraft und die Düsennadel 16 wird vom Düsennadelsitz 22 abgehoben, so dass der Einspritzvorgang erfolgt. Zum Schließen der Düsennadel 16 wird die Stromversorgung des Magnetkreises des Magnetstellers 12 unterbrochen, wodurch aufgrund der Kraft der Schließfeder 48 der Steuerkolben 30 wieder in den Ventilsitz 50 gestellt wird. Dadurch wird der Ringraum 39 wieder von der Leckölleitung 19 abgekoppelt. Gleichzeitig wird der Steuerraum 27 über die Zulaufdrossel 93.1 mit dem in der Hochdruckleitung 18 herrschenden Systemdruck beaufschlagt. Ebenfalls gleichzeitig erfolgt über den Kopplerraum 70, die hydraulischen Verbindungen 94, 95 und die weitere Zulaufdrossel 95.1 die Befüllung des ersten Ringraums 38, so dass der dort herrschende Systemdruck über die Verbindungsleitung 92 und die Ablaufdrossel 92.1 zusätzlich in den Steuerraum 27 gelangt. Dadurch schließt der Steuerkolben 30 schnell, wodurch auch hier die Düsennadel 16 eine schnelle Schließbewegung ausführt. Im geschlossenen Zustand des Steuerkolbens 30 sind alle Druckräume wieder mit Systemdruck druckausgeglichen.

Claims

Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen mit einer Düsennadel (16) und mit einem Steuerventil (13), das von einem Magnetsteller (12) mit einem Magnetanker (46) betätigbar ist und das einen rückwärtigen Druckraum (27) der Düsennadel (16) ansteuert, wobei das Steuerventil (13) einen Steuerkolben (30) aufweist, der auf einen Ventilsitz (50) einwirkt, über den der Steuerraum (27) der Düsennadel (16) an eine mit einem Niederdruckrücklaufsystem verbundene Leckölleitung (19) zu- und abschaltbar ist und dadurch die Düsennadel (16) von einem Düsennadelsitz (22) abhebt und Kraftstoff mit dem in einem Düsennadeldruckraum (23) anliegenden Systemdruck eingespritzt wird, wobei der Steuerkolben (30) zwei gegenüberliegenden Druckflächen (41, 42) aufweist, wobei die eine stellelementseitige Druckfläche (41) einem Ausgleichsraum (40) und die andere stellelementferne Druckfläche (42) einem weiteren Druckraum (27, 70) ausgesetzt ist, und wobei im geschlossenen Zustand des Ventilsitzes (50) im Ausgleichsraum (40) und im weiteren Druckraum (27, 70) Systemdruck anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (46) des Magnetstellers (12) im Ausgleichsraum (40) angeordnet ist, in dem die stellelementseitige Druckfläche (41) des Steuerkolbens (30) zusammen mit dem Magentanker (46) dem Systemdruck ausgesetzt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsraum (40) über einen Anschlusskanal (44, 85) mit einer mit Systemdruck beaufschlagten Hochdruckleitung (18, 18.1) hydraulisch verbunden ist, und dass die dem Ausgleichsraum (40) ausgesetzte stellelementseitige Druckfläche (41), die auf den Steuerkolben (30) einwirkt, von einem Durchmesser d1 eines stellelementseitigen Kolbenabschnitts (31) des Steuerkolbens (30) gebildeten ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federraum (43) zur Aufnahme einer Schließfeder (48) für den Steuerkolben (30) vorgesehen ist, dass der Federraum (43) mit dem Ausgleichsraum (40) hydraulisch verbundnen ist, dass der Steuerkolben (30) mit einer Kolbenstange (47) verbunden ist, auf die der Magnetsteller (13) einwirkt, und dass die Kolbenstange (47) im Ausgleichsraum (40) und im Federraum (43) dem Systemdruck ausgesetzt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (30) eine Dichtkante (33) aufweist, die mit einem Durchmesser d1 des stellelementseitigen Kolbenabschnitts (31) auf den Ventilsitz (50) einwirkt, dass der Ventilsitz (50) einen ersten Ringraum (38) und einen zweiten Ringraum (39) am Steuerkolben (30) im geschlossenen Zustand der Düsennadel (16) trennt, und dass einer der beiden Ringräume (38, 39) an die Leckölleitung (19) angeschlossen und der jeweils andere Ringraum (38, 39) mit einer mit Systemdruck beaufschlagte Hochdruckleitung (18) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine mit Systemdruck beaufschlagte Ringraum (38, 39) über mindestens eine Zulaufdrossel (59.1, 77.1) mit dem Systemdruck beaufschlagt ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (30) neben dem stellelementseitigen Kolbenabschnitt (31) mit dem Durchmesser d1 einen stellelementfernen Kolbenabschnitt (32) mit einem kleineren Durchmesser d2 aufweist, dass am Übergang vom stellelementseitigen Durchmesser d1 zum stellelementfernen Durchmesser d2 die Dichtkante (33) ausgebildet ist, dass auf den kleineren Durchmesser d2 des stellelementfernen Kolbenabschnitts (32) eine Führungshülse (37) aufgesetzt ist, die in einer Führungsbohrung (36) hydraulisch dicht geführt ist, und dass die Führungshülse (37) einen Außendurchmesser d3 aufweist, der zumindest annähernd dem Durchmesser d1 des stellelementseitigen Kolbenabschnitts (31) entspricht.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stellelementferne Druckfläche (42) des Steuerkolbens (30) unmittelbar auf den Steuerraum (27) einwirkt, dem die Düsennadel (16) mit einer Steuerfläche (20) ausgesetzt ist, und dass der Steuerraum (27) über eine Ablaufdrossel (56) mit dem mit Systemdruck beaufschlagten zweiten Ringraum (39) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stellelementferne Druckfläche (42) des Steuerkolbens (30) einem Kopplerraum (70) ausgesetzt ist, der mit der Hochdruckleitung (18) in Verbindung steht, dass der Kopplerraum (70) über eine Zulaufdrossel (68.1) mit dem Steuerraum (27) in Verbindung steht, dem eine Steuerfläche (20) der Düsennadel (16) ausgesetzt ist, und dass der Steuerraum (27) über eine Ablaufdrossel (69.1) mit dem ersten Ringraum (38) und die die Leckölleitung (19) mit dem zweiten Ringraum (38) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (27) und der Kopplerraum (70) durch eine Drosselplatte (60) getrennt sind, in der die Zulaufdrossel (68.1) und die Ablaufdrossel (69.1) ausgebildet sind.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Steuerraum (27) und Kopplerraum (70) zumindest das Steuerventil (13) im Injektorkörper (10) positioniert ist und dass der Steuerkolben (30) des Steuerventils (13) mit der stellelementfernen Druckfläche (42) an der zum Steuerraum (27) abgewandten Seite auf den Kopplerraum (70) einwirkt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsleitung (93) mit einer Zulaufdrossel (93.1) zum Befüllen des Steuerraumes (27) von der Hochdruckleitung (18) abzweigt.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Injektorkörpers (10) ein Hochdruckraum (80) ausgebildet ist, in den die Hochdruckleitung (18) führt und der als Druckspeicher wirkt.