DE102007018040A1

DE102007018040A1 - Kraftstoffinjektor mit integriertem Druckverstärker

Info

Publication number: DE102007018040A1
Application number: DE102007018040A
Authority: DE
Inventors: Juergen Frasch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2008-10-16
Also published as: ATE518057T1; EP1980742A1; EP1980742B1

Abstract

Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse (10), in dem ein Einspritzventilglied (20) mit einer Düsennadel (21), eine Druckverstärkungseinrichtung (30) sowie mindestens ein Steuerventil (50) angeordnet sind, wobei das Steuerventil (50) einen Differenzdruckraum (33) der Druckverstärkungseinrichtung (30) ansteuert. Das Steuerventil (50) weist einen ersten Ventilsitz (55) und einen zweiten Ventilsitz (56) auf. Mittels des ersten Ventilsitzes (55) wird ein mit Systemdruck beaufschlagter Hochdruckraum (61) von einer mit dem Differenzdruckraum (33) verbundenen Ventilkammer (62) getrennt. Mittels des zweiten Ventilsitzes (56) ist die Ventilkammer (62) von einem an ein Niederdruck/Rücklaufsystem angeschlossenen Niederdruckraum (63) trennbar. Der zweite Ventilsitz (56) ist von einer am Ventilkolben (52) ausgebildeten konischen Dichtfläche (70) gebildet, die vom Niederdruckraum (63) aus gegen einen gehäuseseitigen Ventilkolbensitz (71) drückt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Kraftstoffinjektor mit einem integrierten Druckverstärker ist beispielsweise aus DE 103 35 340 A1 bekannt. Der Druckverstärker weist einen in einem Gehäuse des Kraftstoffinjektors geführten Druckübersetzerkolben auf, der einem Kompressionsraum einen Differenzdruckraum und einen Hochdruckraum ausgesetzt ist. Mit einem ersten Steuerventil wird ein rückwärtiger Steuerraum einer Düsennadel angesteuert und das Steuervolumen in ein Niederdruck/Rücklaufsystem abgeleitet. Ein zweites Steuerventil verbindet den Differenzdruckraum des Druckverstärkers ebenfalls mit dem Niederdruck/Rücklaufsystem. Durch die Druckänderung im Differenzdruckraum drückt der Druckübersetzerkolben in den Kompressionsraum und komprimiert dort den Kraftstoff, der an eine Druckschulter der Düsennadel übertragen wird, so dass der an der Druckschulter wirkende übersetzte Hochdruck die Düsennadel vom Düsennadelsitz abhebt und der Kraftstoff mit dem über den Systemdruck erhöhten Kraftstoffdruck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzt. Das zweite Steuerventil, das den Differenzdruckraum des Druckverstärkers ansteuert, ist dabei ein 3/2-Wegeventil mit einem Flachsitz/Schiebersitz. Da die über den Flachsitz in das Niederdruck/Rücklaufsystem aus dem Differenzdruckraum des Druckverstärkers abgeleitete Steuermenge unterschiedliche Druckniveaus aufweist und mit starken Druckstößen beaufschlagt ist, tritt insbesondere im Bereich des Flachsitzes Kavitationserosion auf, so dass der Ventilsitz des Flachsitzes undicht wird und dadurch die Injektorfunktion beeinträchtigt wird.
Ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor mit einem Ventilsitz, der durch eine an einem Ventilkolben ausgebildete konische Ventilsitzfläche gebildet ist, ist aus DE 199 40 300 A1 bekannt. Dabei weist der Ventilkolben mit der konischen Ventilsitzfläche in eine mit Hochdruck beaufschlagten Ventilkammer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuerventil zu schaffen, dessen ein Steuervolumen des Druckverstärkers haltender Ventilsitz keine oder nur sehr geringer Kavitationserosion ausgesetzt ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor hat den Vorteil, dass die Kavitationserosion an den die Steuermenge des Druckverstärkers schaltenden Ventilsitz weitestgehend unterbunden ist. Durch den in den Niederdruckraum hineinöffnenden Ventilsitz wird eine Drosselwirkung realisiert, die mit zunehmender Öffnungsbewegung des Ventilkolbens sich verringert. Diese Drosselwirkung wirkt auf die Strömungsverhältnisse am Ventilsitz ein, wodurch dort Kavitationserscheinungen verhindert werden. Damit werden die für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug notwendigen Dauerlaufziele für einen Kraftstoffinjektor erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich. Die Schließkraft wird zweckmäßigerweise von einer im Niederdruckraum angeordneten Druckfeder erzeugt, die die konische Dichtfläche gegen den Ventilskolbensitz drückt.
Der Ventilkolben des zweiten Steuerventils weist einen ersten Kolbenabschnitt, einen mit geringerem Durchmesser ausgeführten zweiten Kolbenabschnitt und einen dritten Kolbenabschnitt auf, wobei am dritten Kolbenabschnitt die konische Dichtfläche für den Ventilkolbensitz ausgebildet ist.
Zur Realisierung eines druckausgeglichenen Steuerventils sind der Durchmesser des zweiten Ventilsitzes am Ventilkolbensitz und der Durchmesser des ersten Kolbenabschnitts, mit dem der Ventilkolben im Gehäuse geführt ist, im Wesentlichen gleich groß. Der Ventilsitz ist im stromlosen Zustand des Steuerventils geschlossen. Das Steuerventil weist ein elektromagnetisches Stellelement mit einem Tauchanker auf.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine Schnittdarstellung durch einen Kraftstoffinjektor und 2 einen vergrößerten Ausschnitt X des zweiten Steuerventils in 1.
Der in 1 dargestellte Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse 10 mit beispielsweise einem ersten Gehäuseteil 11, einem zweiten Gehäuseteil 12, einem dritten Gehäuseteil 13, einem vierten Gehäuseteil 14 und einem Anschlussteil 15 sowie mit einem Düsenkörper 16 auf. Der Düsenkörper 16, das Gehäuseteil 14 und das Gehäuseteil 13 sind mittels einer Düsenspannmutter 17 hydraulisch dicht verspannt. Der Düsenkörper 16 enthält ein Einspritzventilglied 20 mit einer Düsennadel 21 die im Düsenkörper 16 axial verschiebbar geführt ist. Die Düsennadel 21 wirkt mit einem nicht näher dargestellten, am Düsenkörper 16 ausgebildeten Düsennadeldichtsitz zusammen, der einen Düsennadeldruckraum 22 im geschlossenen Zustand der Düsennadel 21 von Einspritzöffnungen 23 trennt. An der Düsennadel 21 ist eine Steuerraumhülse 24 geführt, die mittels einer Druckfeder 25 gegen eine Dichtfläche drückt und dadurch einen Steuerraum 26 umschließt. Dem Steuerraum 26 ist die Düsennadel 21 mit einer in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche 27 ausgesetzt. Im Gehäuseteil 14 ist eine Hochdruckbohrung 18 angeordnet, die in den Düsennadeldruckraum 22 führt. Das Gehäuse 10 weist beispielsweise am Gehäuseteil 12 weiterhin einen Hochdruckanschluss 19 mit einer Hochdruckzuleitung 29 auf, mit dem der Kraftstoffinjektor an ein Common-Rail einer Dieseleinspritzeinrichtung angeschlossen ist.
Im Gehäuse 10 des Kraftstoffinjektors ist weiterhin zur Druckverstärkung des Systemdrucks des Common-Rails eine Druckverstärkungseinrichtung 30 mit einem als Stufenkolben ausgeführten Druckübersetzerkolben 31 angeordnet. Der Druckübersetzerkolben 31 ist einem Arbeitsraum 32, einem Differenzdruckraum 33 und einem Kompressionsraum 34 ausgesetzt. Der Arbeitsraum 32 und der Kompressionsraum 34 stehen über einen Verbindungskanal 35 mit einem Rückschlagventil 36 in Verbindung. In den Arbeitsraum 32 führt die Hochdruckzuleitung 29, so dass im Arbeitsraum 32 permanent Systemdruck des Common-Rails anliegt. Im Arbeitsraum 32 ist eine Rückstellfeder 38 angeordnet, die den Druckübersetzerkolben 31 in die in 1 dargestellte Ausgangsposition zurückstellt. Aus dem Kompressionsraum 34 zweigt eine weitere Hochdruckbohrung 39 ab, die mit der Hochdruckbohrung 18 hydraulisch verbunden ist, so dass der Druck des Kompressionsraums in den Düsennadeldruckraum 22 übertragen wird.
Der Kraftstoffinjektor umfasst weiterhin ein als Servoventil ausgebildetes erstes Steuerventil 40 und ein ebenfalls als Servoventil ausgebildetes zweites Steuerventil 50. Das erste Steuerventil 40 ist ein 2/2-Wege-Ventil und umfasst ein erstes elektromagnetisches Stellelement 41, das mittels eines ersten Ventilkolbens 43 den Steuerraum 26 ansteuert, indem der Steuerraum 26 mit einem ersten Niederdruckraum 46 und von dort über hydraulische Verbindungen 48 mit einem ersten Rücklaufanschluss 49 verbunden wird, der hydraulisch mit einem ersten Niederdruck/Rücklaufsystem in Verbindung steht. Über den ersten Rücklaufanschluss 49 wird die vom ersten Steuerventil 40 geschaltete Steuermenge des Steuerraums 26 der Düsennadel 21 in das erste Niederdruck/Rücklaufsystem abgeführt.
Das zweite Steuerventil 50 ist ein 3/2-Wege-Ventil und umfasst ein zweites elektromagnetisches Stellelement 51 mit einem zweiten Ventilkolben 52. Der zweite Ventilkolben 52 weist gemäß 2 einen ersten Kolbenabschnitt 52.1 einen zweiten Kolbenabschnitt 52.2 und einen dritten Kolbenabschnitt 52.3 auf. Der Ventilkolben 52 ist mit dem ersten Kolbenabschnitt 52.1 in einem Gehäuseteil des Gehäuse 10 geführt. Das elektromagnetische Stellelement 51 umfasst eine Magnetspule 53, die von einer oberen Magnetscheibe 53.1 und von einer unteren Magnetscheibe 53.2 eingeschlossen ist. Der Ventilkolben 52 ist mit einem Magnetanker 54 verbunden, wobei der Ventilkolben 52 durch die untere Magnetscheibe 53.2 geführt ist, so dass der Magnetanker 54 von der Magnetspule 53 umschlossen ist und dadurch einen sogenannten Tauchanker bildet. Das Steuerventil 50 weist einen ersten Ventilsitz 55 und einen zweiten Ventilsitz 56 auf. Der erste Ventilsitz 55 wird durch eine zwischen dem ersten Kolbenabschnitt 52.1 und dem einen geringeren Durchmesser aufweisenden Kolbenabschnitt 52.2 ausgebildete Schieberkante 57 gebildet, die mit einer gehäuseseitigen Steuerkante 58 zusammenwirkt. Der zweite Ventilsitz 56 wird von einer am Ventilkolben 52 ausgebildeten konischen Dichtfläche 70 und einem gehäuseseitigen Ventilkolbensitz 71 gebildet, wobei die konische Dichtfläche 70 zwischen dem zweiten Kolbenabschnitt 52.2 und dem einen größeren Durchmesser aufweisenden dritten Kolbenabschnitt 52.3 verläuft. Dadurch wird ein sogenannter A-Sitz ausbildet. Der Ventilkolben 52 ist mit der Schieberkante 57 einem Hochdruckraum 61 und mit der konischen Dichtfläche 70 einer Ventilkammer 62 und einem Niederdruckraum 63 ausgesetzt. Der Ventilkolben ragt mit dem dritten Kolbenabschnitt 52.3 in den Niederdruckraum 63. Am dritten Kolbenabschnitt 52.3 greift eine im Niederdruckraum 63 angeordnete Druckfeder 73 an, die sich an einem Gehäuseteil des Gehäuses 10 abstützt und die konische Dichtfläche 70 gegen den gehäuseseitigen Ventilkolbensitz 71 drückt. Der Hochdruckraum 61 steht über eine Hochdruckleitung 64 mit dem Arbeitsraum 32 des Druckverstärkers 30 in Verbindung. Der Ventilkammer 62 ist über eine erste hydraulische Verbindung 65 mit dem Differenzdruckraum 33 des Druckverstärkers 30 verbunden. Vom Niederdruckraum 63 führt eine zweite hydraulische Verbindung 66 und eine dritte hydraulische Verbindung 67 zu einem zweiten Rücklaufanschluss 69, der mit einem zweiten Niederdruck/Rücklaufsystem in Verbindung steht. Der Magnetanker 54 ist mit dem Ventilkolben 52 beispielsweise eingepresst, geschweißt oder schälgenietet.
Vom ersten Niederdruckraum 46 des ersten Steuerventils 40 führen durch die einzelnen Gehäuseteile 11, 12, 13, 14 verschiedene nicht näher bezeichnete weitere hydraulische Verbindungen zu einem Leckageraum 68 des zweiten Steuerventils 50. Der Leckageraum 68 dehnt sich dabei im zweiten Stellelement 51 bis zum zweiten Ventilkolben 52 aus. Zwischen dem Leckageraum 68 und dem zweiten Niederdruckraum 63 ist ein Bypasskanal 74 angeordnet, so dass die beiden hydraulischen Räume hydraulisch verbunden sind.
Das zweite Steuerventil 50 ist bei stromlosen zweiten magnetischen Stellelemente 51 mittels der Druckfeder 73 in den zweiten Ventilsitz 56 gestellt, so dass im stromlosen Zustand des magnetischen Stellelements 51 der Niederdruckraum 63 von der Ventilkammer 62 getrennt und der mittels Systemdruck beaufschlagte Hochdruckraum 61 mit der Ventilkammer 62 hydraulisch verbunden ist. Dadurch liegt im Differenzdruckraum 33 ebenfalls Systemdruck an. Der Durchmesser des zweiten Ventilsitzes 56 am Ventilkolbensitz 71 und der Führungsdurchmesser des Ventilkolbens 52 im ersten Kolbenabschnitt 52.1 sind zweckmäßigerweise gleich groß, so dass das zweite Steuerventil 50 druckausgeglichen arbeitet. Dies wirkt sich positiv auf die Betätigungskräfte zum Ansteuern des zweiten Steuerventils 50 mittels des zweiten elektromagnetischen Stellelements 51 aus. Beim Bestromen der Magnetspule 53 des zweiten Steuerventils 50 wird der Magnetanker 54 in Richtung der unteren Magnetscheibe 53.2 bewegt, so dass sich der zweite Ventilsitz 56 öffnet und gleichzeitig die Schieberkante 57 den ersten Ventilsitz 55 schließt. Dadurch wird die Ventilkammer 62 vom Hochdruckraum 61 hydraulisch getrennt und gleichzeitig die Ventilkammer 62 mit dem Niederdruckraum 63 hydraulisch verbunden. Infolgedessen entsteht eine hydraulische Verbindung zwischen Differenzdruckraum 33 des Druckverstärkers 30 über den zweiten Rücklaufanschluss 69 mit dem zweiten Niederdruck/Rücklaufsystem, wodurch der Druck im Differenzdruckraum 33 sinkt und dadurch der Druckübersetzerkolben 31 durch den höheren Druck im Arbeitsraum 32 in den Kompressionsraum 34 bewegt wird, so dass dort eine Druckerhöhung stattfindet, die über die Hochdruckleitungen 18, 39 in den Düsennadeldruckraum 22 übertragen wird. Dadurch liegt im Düsennadeldruckraum 22 ein über dem Systemdruck liegender Einspritzdruck an, so dass der Kraftstoff mit diesem erhöhten Einspritzdruck über die Einspritzöffnungen 23 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Eine Voreinspritzung mit Systemdruck wird durch Ansteuern des ersten Steuerventils 40 realisiert, indem mittels des ersten Steuerventils 40 der Steuerraum 27 über den ersten Rücklaufanschluss 49 mit dem ersten Niederdruck/Rücklaufsystem verbunden wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10335340 A1 [0002]
- DE 19940300 A1 [0003]

Claims

Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse (10), in dem ein Einspritzventilglied (20) mit einer Düsennadel (21), eine Druckverstärkungseinrichtung (30) sowie mindestens ein Steuerventil (50) angeordnet sind, wobei das Steuerventil (50) einen Differenzdruckraum (33) der Druckverstärkungseinrichtung (30) ansteuert und einen ersten Ventilsitz (55) und einen zweiten Ventilsitz (56) aufweist, wobei mittels des ersten Ventilsitzes (55) ein mit Systemdruck beaufschlagter Hochdruckraum (61) von einem mit dem Differenzdruckraum (33) verbundenen Ventilkammer (62) trennbar ist, und wobei mittels des zweiten Ventilsitzes (56) die Ventilkammer (62) von einem an ein Niederdruck/Rücklaufsystem angeschlossenen Niederdruckraum (63) trennbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilsitz (56) eine am Ventilkolben (52) ausgebildete konischen Dichtfläche (70) aufweist, die vom Niederdruckraum (63) aus gegen einen gehäuseseitigen Ventilkolbensitz (71) drückt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Niederdruckraum (63) eine Druckfeder (73) angeordnet ist, die die Schließkraft für die konische Dichtfläche (70) mit dem Ventilskolbensitz (71) erzeugt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (52) einen ersten Kolbenabschnitt (52.1), einen mit geringerem Durchmesser ausgeführten zweiten Kolbenabschnitt (52.2) und einen dritten Kolbenabschnitt (52.3) aufweist, und dass am dritten Kolbenabschnitt (52.3) die konische Dichtfläche (70) für den Ventilkolbensitz (71) ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des zweiten Ventilsitzes (56) am Ventilkolbensitz (71) und der Durchmesser des ersten Kolbenabschnitts (52, 1), mit dem der Ventilkolben (52) im Gehäuse (10) geführt ist, im Wesentlichen gleich groß sind.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (52) mit dem dritten Kolbenabschnitt (52.3) in den mit dem Niederdruck/Rücklaufsystem verbundenen Niederdruckraum (63) ragt.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilsitz (56) im stromlosen Zustand des Steuerventils (50) geschlossen ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (50) ein elektromagnetisches Stellelement (51) mit einem Tauchanker (54) aufweist.