DE102008047385A1

DE102008047385A1 - Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor, sowie Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102008047385A1
Application number: DE200810047385
Authority: DE
Inventors: Günger YURTSEVEN
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor (1), insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor (1) eines Verbrennungsmotors, mit einer in einem Düsenkörper (100; 102, 106) verschieblich geführten Düsennadel (200; 202, 206), wobei in einem Einlaufbereich (120) für einen Kraftstoff (K) zwischen dem Düsenkörper (100; 102, 106) und der Düsennadel (200; 202, 206) eine Fluiddrossel (122) derart ausgebildet ist, dass die Fluiddrossel (122) in einem Betrieb des Kraftstoffinjektors (1) in einer Teilhubstellung (T) der Düsennadel (200; 202, 206) im Wesentlichen wirksam und in einer Offenstellung (O) der Düsennadel (200; 202, 206) im Wesentlichen unwirksam ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor (1) mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor, für einen Verbrennungsmotor. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe.
Immer strenger werdende, gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge machen es erforderlich, Maßnahmen zu treffen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden können. Ein Ansatzpunkt hierbei ist es, eine verbesserte Gemischaufbereitung in den Zylindern des Verbrennungsmotors zu erzielen. Eine entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung kann erreicht werden, wenn Kraftstoff unter einem bestimmten Druck mittels Kraftstoffinjektoren zugemessen wird. Im Falle eines Diesel-Verbrennungsmotors betragen solche Kraftstoffdrücke bis über 2.000 bar.
Bei einem Kraftstoffinjektor erfolgt eine Steuerung einer Einspritzung von Kraftstoff üblicherweise mittels einer Düsennadel, die in einer Düsenbaugruppe des Kraftstoffinjektors verschiebbar gelagert ist und ein oder eine Mehrzahl von Spritzlöchern eines Düsenkörpers der Düsenbaugruppe in Abhängigkeit von ihrer Stellung für den einzuspritzenden Kraftstoff freigibt oder verschließt. Eine mechanische Ansteuerung der Düsennadel erfolgt üblicherweise durch einen Aktor, bevorzugt einen Piezoaktor, der entweder mechanisch mit der Düsennadel, oder über ein Servoventil und einen Steuerraum auf ein Übertragungsglied (Kolben) wirkt, welches mit der Düsennadel mechanisch zusammenwirkt oder mit dieser integral ausgebildet ist. Die Düsennadel und das Übertragungsglied sind hierbei üblicherweise in einer Gleitführung mit einem gerin gen Spiel gleitgelagert, wobei eine Schmierung dieser Lagerung in der Regel durch den einzuspritzenden Kraftstoff erfolgt.
Um die Schadstoffemissionen zu senken und auch einen Verbrauch des Verbrennungsmotors so gering wie möglich zu halten, ist es wünschenswert, eine möglichst optimale Verbrennung innerhalb der Zylinder des Verbrennungsmotors zu erzielen. Für eine gute Prozessführung bzw. Steuerung/Regelung einer Verbrennung in den Zylindern des Verbrennungsmotors ist es notwendig, den einzuspritzenden Kraftstoff möglichst genau dosieren zu können, um zu jedem Zeitpunkt eine möglichst optimale Verbrennung und/oder eine möglichst vollständige Regenerierung eines Partikelfilters zu erreichen. Problematisch hierbei sind insbesondere Einzeleinspritzungen, die nur mit einem geringen Hub der Düsennadel durchgeführt werden.
Gerade die Applizierung von geringen Kraftstoffmengen bei einer Vor- oder Nacheinspritzung einer Einspritzsequenz sind nicht unproblematisch, da diese meist nur durch einen vergleichsweise geringen Düsennadelhub realisiert werden. D. h. es kann dabei passieren, dass einerseits die betreffende Einspritzung gar nicht oder mit einer falschen, meist zu großen Menge abgesetzt wird. Dies wiederum hat Auswirkungen auf die Schadstoffemissionen und den Verbrauch des Verbrennungsmotors. Für den Fall, dass eine Nacheinspritzung nicht oder mit einer falschen Menge abgesetzt wurde, ergeben sich Probleme mit der Regenerierung des Partikelfilters, was wiederum einen erhöhten Schadstoffausstoß und/oder eine mangelhafte Regenerierung des Partikelfilters zur Folge hat.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor, sowie einen verbesserten Kraftstoffinjektor, insbesondere einen verbesserten Common-Rail-Kraftstoffinjektor anzugeben. Erfindungsgemäß soll eine Applizierung von möglichst exakt einzustellenden, geringen Kraftstoffmengen reproduzierbar möglich sein, um insbesondere Vor- und Nacheinspritzungen möglichst genau dosieren zu können. Hierbei sollten sich auf größere Einspritzmengen eines Kraftstoffinjektors, wie beispielsweise für eine Haupteinspritzung, möglichst wenig Auswirkungen ergeben. Bevorzugt sollen durch die Erfindung die Einspritzmengen für einen kleinen Hub einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors begrenzt werden können, bzw. im Vergleich mit dem Stand der Technik, gleiche Einspritzmengen bei gleichem Kraftstoffdruck mit einem größeren Hub der Düsennadel realisierbar sein. Des Weiteren sollte die Erfindung bei bereits existierenden Kraftstoffinjektoren angewendet werden können, bzw. in ein bestehendes Design einer Düsenbaugruppe eines Kraftstoffinjektors bzw. eines Kraftstoffinjektors möglichst wenig eingegriffen werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird mittels einer Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor eines Verbrennungsmotors, nach Anspruch 1; und mittels eines Kraftstoffinjektors, insbesondere eines Common-Rail-Kraftstoffinjektors, nach Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigern Ansprüchen.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe für einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, weist einen Düsenkörper auf, in dessen Düsennadelbohrung eine Düsennadel beweglich geführt ist. In einem Einlaufbereich der Düsennadelbohrung für einen Kraftstoff, ist je nach einer Stellung der Düsennadel eine Fluiddrossel ausgebildet oder nicht. Hierbei ist der betreffende Bereich der Düsennadel und der Düsenbaugruppe bzw. des Düsenkörpers derart ausgebildet, dass die Fluiddrossel in einem Betrieb des Kraftstoffinjektors in einer Schließstellung oder einer Teilhubstellung mit einem vergleichsweise kleinem Hub der Düsennadel im Wesentlichen aktiv, und in einer Offenstellung oder einer Teilhubstellung mit einem vergleichsweise großem Hub der Düsennadel im Wesentlichen inaktiv ist.
Die erfindungsgemäße Fluiddrossel ist also im Betrieb des Kraftstoffinjektors nur temporär ausgebildet. In der Schließstellung oder der Teilhubstellung mit kleinem Hub der Düsennadel ist die Fluiddrossel eingerichtet bzw. vorhanden. In der Offenstellung oder der Teilhubstellung mit großem Hub der Düsennadel sind diejenigen Abschnitte des Düsenkörpers und der Düsennadel, welche in der Schließstellung oder der Teilhubstellung mit kleinem Hub die Fluiddrossel zwischen sich ausgebildet haben, derart weit voneinander entfernt, dass sie bei den beteiligten Kraftstoffen, Kraftstoffdrücken und -temperaturen, keine Drosselwirkung bzw. nur noch eine marginale Auswirkung auf einen Fluss des Kraftstoffs besitzen. D. h. je nach einer Stellung der Düsennadel bildet sich zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel eine Drosselstelle aus oder nicht.
Durch die erfindungsgemäße Drosselstelle im Einlaufbereich des Kraftstoffs in die Düsennadelbohrung bzw. an einem Abschnitt der Düsennadelbohrung, wird der Querschnitt für einen Zulauf des Kraftstoffs zu dem oder den Spritzlöchern der Düsenbaugruppe begrenzt. Hierdurch ergibt sich eine Drosselung der Strömung und eine Verringerung eines Volumenstroms, insbesondere bei einem kleinen Hub der Düsennadel. Hierdurch lässt sich erfindungsgemäß eine Einspritzverlaufs-Formung besser realisieren. Eine Größe der Fluiddrossel, insbesondere eine Spaltdicke und -höhe sind durch die geometrischen Maße der Düsennadel und des Einlaufbereichs der Düsennadelbohrung bzw. des Düsenkörpers einstellbar.
Mit der Schließstellung der Düsennadel ist hierbei eine vollständig geschlossene Düsennadel gemeint, wobei eine Dichtfläche einer Düsenadelspitze dichtend auf einem Düsennadelsitz des Düsenkörpers sitzt; die Düsennadel weist keinen Hub auf, eine Einspritzung kann nicht stattfinden. Mit der Offenstellung der Düsennadel ist insbesondere eine vollständige Offenstellung der Düsennadel gemeint. D. h. die Düsennadel ist gänzlich offen, meist befindet sie sich dazu mit ihrer der Düsennadelspitze abgewandten Stirnseite an einem mechanischen Anschlag; die Düsennadel besitzt ihren Maximalhub, eine Einspritzung, insbesondere eine Haupteinspritzung, kann stattfinden.
Die Stellungen der Düsennadel zwischen der Schließstellung und der vollständigen Offenstellung, gliedern sich gemäß der Erfindung in (Teil-)Offenstellungen bzw. Teilhubstellungen, bei welchen die Fluiddrossel im Wesentlichen ausgebildet und in (Teil-)Offenstellungen bzw. Teilhubstellungen, in welchen die Fluiddrossel im Wesentlichen nicht ausgebildet ist. Ab welchem Düsennadelhub die Fluiddrossel nicht mehr eingerichtet ist, bestimmt sich durch die geometrischen Maße der Fluiddrossel in der Schließstellung der Düsennadel. Somit ist die Spalthöhe der Fluiddrossel in Längsrichtung der Düsennadelbohrung kürzer als ein Maximalhub der Düsennadel, d. h. keine Drosselwirkung bei Maximalhub der Düsennadel. Bevorzugt ist die Spalthöhe aber größer als ein bestimmter kleiner Teilhub der Düsennadel, bei welchem üblicherweise geringe Einspritzmengen realisiert werden; d. h. vorhandene Drosselwirkung bei vergleichsweise kleinem Teilhub der Düsennadel.
Daher ist es gemäß der Erfindung einerseits möglich, geringe Einspritzmengen bei einem Teilhub der Düsennadel besser zu realisieren, als dies bisher der Fall war; andererseits hat die Erfindung keinerlei Auswirkungen auf ein Verhalten des Kraftstoffinjektors bei einem Maximalhub der Düsennadel. Um dieselbe Kraftstoffmenge wie im Stand der Technik bei einem kleinen Teilhub der Düsennadel einzuspritzen, kann erfindungsgemäß die Düsennadel beispielsweise länger geöffnet bleiben, wodurch sich eine bessere Dosierbarkeit ergibt. Ferner ist es erfindungsgemäß darüber hinaus auch möglich, dieselbe Menge in derselben Zeit mit einem größeren Teilhub der Düsennadel darzustellen, allerdings unter der Voraussetzung, dass die Fluiddrossel noch eingerichtet ist. Diese beiden Möglichkeiten können natürlich auch gemeinsam realisiert werden.
In der Schließstellung der Düsennadel bzw. bei einem geringen Teilhub der Düsennadel ist die Fluiddrossel ein Ringspalt zwischen einer Innenwand der Düsennadelbohrung und einer Außenwand der Düsennadel, wobei der Ringspalt in einem Kraftstoff-Zulaufbereich des Düsenkörpers mündet. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Fluiddrossel zwischen einem Düsennadelkolben, insbesondere einem Führungskolben oder einem Nadelkolben der Düsennadel, und der Düsennadelbohrung ausgebildet ist. Zur Realisierung der Fluiddrossel weisen die Düsennadel und die Düsennadelbohrung entsprechende Drosselabschnitte auf. Eine Überdeckungslänge des Drosselabschnitts der Düsennadel mit der Düsennadelbohrung bzw. eine Überdeckungslänge der beiden korrespondierenden Drosselabschnitte ist dabei kleiner als ein vergleichsweise großer Teilhub, insbesondere kleiner als der Maximalhub, der Düsennadel.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Düsennadel derart dimensioniert, dass sie in ihrer Schließstellung im Einlaufbereich der Düsennadelbohrung eine ringförmige Stufe aufweist. Hierbei kann im Einlaufbereich je nach einer Ausführungsform der Erfindung, ein von der Stufe aus einer Injektorbaugruppe zugewandter Abschnitt der Düsennadel im Durchmesser kleiner oder größer sein, als ein von der Stufe aus der Düsenbaugruppe zugewandter Abschnitt. Bei ersterer Ausführungsform ist es bevorzugt, dass der Drosselabschnitt der Düsennadel, an einem der Düsennadelspitze abgewandten Abschnitt des Führungskolbens, und bei letzterer Ausführungsform an einem der Düsennadelspitze abgewandten Abschnitt des Nadelkolbens vorgesehen ist.
In Ausführungsformen der Erfindung ist der Drosselabschnitt der Düsennadel an einem Düsennadelkolben oder einem der Düsennadelspitze abgewandten Abschnitt des betreffenden Düsennadelkolbens vorgesehen, wobei der Drosselabschnitt einen im Wesentlichen kreisrunden Umfang besitzt. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Drosselabschnitt am oder stromaufwärts des Führungskolbens der Düsennadel angeordnet. In der Schließstellung der Düsennadel ist deren Drosselab schnitt wenigstens teilweise in der Düsennadelbohrung aufgenommen, und in der Offenstellung ist deren Drosselabschnitt vollständig außerhalb der Düsennadelbohrung angeordnet. Hierbei befindet sich der Drosselabschnitt bevorzugt vollständig im Zulaufbereich des Düsenkörpers für den einzuspritzenden Kraftstoff.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist die Düsennadel im Bereich der oben erwähnten Stufe eine Nut, insbesondere eine um ihren radialen Umfang vollständig umlaufende Ringnut, auf. Hierbei ist die einem Transport des Kraftstoffs dienende Nut an einer der Düsennadelspitze zugewandten Seite des Drosselabschnitts der Düsennadel in diese eingearbeitet. Ferner erstreckt sich von der Nut eine Facette oder 3 oder 4 Flächen in Richtung der Düsennadelspitze weg. Hierbei dient die Facette oder 3 oder 4 Flächen einem Weitertransport des Kraftstoffs in Richtung Düsennadelspitze. Ferner kann eine rotationssymmetrische Übergangskontur vom Zulauf- in den Einlaufbereich als eine Stufe ausgestaltet sein, deren Innenwinkel größer oder gleich einem rechten Winkel ist.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer Düsenbaugruppe bzw.
eines Kraftstoffinjektors mit einer erfindungsgemäßen temporären Fluiddrossel;
2 eine zweite Ausführungsform einer Düsenbaugruppe bzw. eines Kraftstoffinjektors mit der erfindungsgemäßen temporären Fluiddrossel;
3 eine dritte Ausführungsform einer Düsenbaugruppe bzw. eines Kraftstoffinjektors mit der erfindungsgemäßen temporären Fluiddrossel;
4 eine Detailansicht einer gemäß der Erfindung gerade aktiven Fluiddrossel; und
5 eine Detailansicht einer gemäß der Erfindung inaktiven Fluiddrossel.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von drei Ausführungsbeispielen von Common-Rail-Kraftstoffinjektoren für Dieselkraftstoffe näher verläutert. Die Erfindung soll jedoch nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt sein, sondern auf sämtliche Kraftstoffinjektoren für sämtliche fluidische Kraftstoffe angewendet werden können, wie z. B. Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektoren und Benzininjektoren.
Wenn in der Spezifikation, z. B. nur in Bezug auf ein einzelnes Bauteil des betreffenden Kraftstoffinjektors, von einem stromaufwärtigen oder einem stromabwärtigen Bereich die Rede ist, so soll damit derjenige Bereich gemeint sein, zu welchem der Kraftstoff in einem Betrieb des Kraftstoffinjektors hin fließen würde. Hierbei sollen Leckageströme des Kraftstoffinjektors außer Acht bleiben. Darüber hinaus sollen unter einer Düsennadelbohrung ausschließlich zylindrische Bohrungen mit einer engen Toleranz verstanden werden, die eine gedrosselte oder eine ungedrosselte Führung für eine Düsennadel realisieren. D. h. zwar, dass diese Bohrungen abschnittsweise, z. B. durch einen Ringraum unterbrochen sein können, dieser Abschnitt selbst aber, also vorliegend der Ringraum, nicht zur Düsennadelbohrung gehören soll.
Die 1 zeigt einen Kraftstoffinjektor 1, der eine Düsenbaugruppe 10 und eine Injektorbaugruppe 30 umfasst. Die Düsenbaugruppe 10 und die Injektorbaugruppe 30 sind mittels einer Düsenspannmutter 40 fluiddicht aneinander festgelegt.
Die Injektorbaugruppe 30 weist einen Injektorkörper 300 auf, an oder in welchem ein Aktor 320 vorgesehen ist. Der Aktor 320 ist bevorzugt als ein Piezoaktor 320 ausgebildet, kann z. B. jedoch auch als ein elektromagnetischer Aktor 320 ausgelegt sein. Der Aktor 320 kann mit einem hydraulischen (in der Zeichnung nicht dargestellt) oder mechanischen Übertrager verbunden sein, der im Injektorköper 300 angeordnet ist. Der Aktor 320 und der Übertrager bilden dann einen Stellantrieb.
Der Injektorkörper 300 weist ferner einen hochdruckseitigen Fluidanschluss 302 für einen einzuspritzenden Kraftstoff K auf, wobei der Fluidanschluss 302 mit einer im Injektorkörper 300 ausgebildeten Hochdruckleitung 310 hydraulisch gekoppelt ist. Über den Hochdruckanschluss 302 ist der Kraftstoffinjektor 1 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckfluidkreis eines Verbrennungsmotors hydraulisch verbindbar. Die Hochdruckleitung 310 versorgt einen im Injektorkörper 300 ausgebildeten Steuerraum 350 sowie die Düsenbaugruppe 10 (s. u.) mit Kraftstoff K unter Fluidhochdruck p_H.
Am (in der Zeichnung nicht dargestellt) oder im Steuerraum 350 ist ein Ventilglied 352 vorgesehen, welches in einer mechanischen Verbindung mit dem Aktor 320 steht. In Abhängigkeit von der Stellung des Ventilglieds 352 ist der Steuerraum 350 mit einer Niederdruckseite (p_N) des Kraftstoffinjektors 1 hydraulisch ge- oder entkoppelt. Der Druck im Steuerraum 350 wirkt mittels eines Kolbens 360 und eines Steuerkolben 362 über eine Stirnseite 201 auf/in eine Düsennadel 200 der Düsenbaugruppe 20 ein. Hierbei ist die Stirnseite 201 der Düsennadel 200 einem Düsennadelsitz 109 bzw. einer Düsennadelspitze 210 abgewandt.
Ferner wird die Düsennadel 200 über eine in einem Federraum 340 des Injektorkörpers 30 angeordnete Düsennadelfeder 342 entweder direkt oder wie in der Zeichnung dargestellt, über den Steuerkolben 362 in Richtung ihres Düsennadelsitzes 109 gedrückt, um bei einem Nichtanliegen des Fluidhochdrucks p_H sicher geschlossen zu sein. In Ausführungsformen der Erfindung kann der Kolben 360 mit dem Steuerkolben 362 stofflich einstückig ausgebildet sein.
Die Düsenbaugruppe 10 des Kraftstoffinjektors 1 weist einen Düsenkörper 100 mit einer Düsennadelbohrung 110 und einen Zulaufbereich 160 für den Kraftstoff K an der Düsennadelbohrung 110 auf, wobei in der Düsennadelbohrung 110 die bevorzugt stofflich einstückig ausgebildete Düsennadel 200 verschieblich angeordnet ist. Der im Düsenkörper 100 ausgebildete und die Düsennadel 200 im Bereich ihrer Düsennadelschulter 204 umgebende Zulaufbereich 160 ist mit der Hochdruckleitung 310 des Injektorkörpers 30 hydraulisch verbunden, wodurch, bei einem Anliegen des Fluidhochdrucks p_H am Hochdruckanschluss 302, im Zulaufbereich 160 nahezu immer der Fluidhochdruck p_H anliegt.
Je nach einem Druck im Steuerraum 350 wird die Düsennadel 200 entweder in ihren Düsennadelsitz 109 gepresst (Ventilglied 352 in Schließposition, im Steuerraum 350 herrscht Fluidhochdruck p_H) oder bewegt sich, falls der Steuerraum 350 mit einem Niederdruckbereich (p_N) des Kraftstoffinjektors 1 hydraulisch verbunden ist (Ventilglied 352 in Offenposition), aufgrund des Fluidhochdrucks p_H im Zulaufbereich 160 und der an ihr ausgebildeten Düsennadelschulter 204 von ihrem Düsennadelsitz 109 weg, wodurch Kraftstoff K durch wenigstens ein in der 1 nicht dargestelltes Spritzloch 107 des Düsenkörpers 100 in einen Zylinder 2 des Verbrennungsmotors eingespritzt werden kann.
Die Düsennadel 200 gliedert sich in diesem Ausführungsbeispiel in einen Führungskolben 202 (Düsennadelkolben 202) und in einen Nadelkolben 206 (Düsennadelkolben 206), die in einem Führungsschaft 102 des Düsenkörpers 100 geführt sind. Hierbei ist ein zwischen einer entsprechenden Führungsbohrung 112 des Düsenkörpers 100 und dem Führungskolben 202 ausgebildeter Führungsspalt 113 fluiddrosselnd, und ein zwischen einer entsprechenden Nadelbohrung 116 des Düsenkörpers 100 und dem Nadelkolben 206 ausgebildeter Nadelspalt 117 im Wesentlichen nicht fluiddrosselnd ausgebildet. Zwischen dem Führungskolben 202 und dem Nadelkolben 206 ist die im Zulaufbereich 160 angeordnete Düsennadelschulter 204 vorgesehen.
In einem Einlaufbereich 120 des Kraftstoffs K in die Düsennadelbohrung 110 bzw. die Nadelbohrung 116 stromabwärts der Düsennadelschulter 204, ist zwischen der Düsennadel 200 bzw. deren Nadelkolben 206 und dem Düsenkörper 100 bzw. dessen Nadelbohrung 116 eine erfindungsgemäße, als ein Ringspalt 122 ausgebildete Fluiddrossel 122 eingerichtet, welche weiter unten näher erläutert wird.
Die 2 zeigt nun ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffinjektors 1, dessen Düsennadel 200 jedoch nicht wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 mittels eines Servoventils betätigbar ist, sondern mittels eines mechanischen Übertragers der Düsenbaugruppe 10. Ferner ist bei dem Kraftstoffinjektor 1 die Düsenbaugruppe 10 anders konfiguriert, wobei die Düsennadel 200 vollständig in einem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors 1 bewegbar vorgesehen ist. Ansonsten kann dieser Kraftstoffinjektor 1 im Wesentlichen wie der oben erläuterte ausgebildet sein.
Der vom Aktor 320 betätigbare mechanische Übertrager weist einen in einem Gehäuse 500 einer Hubumkehr-Einrichtung 50 verschieblich gelagerten Druckstift 510 auf, der eine mechanische Kopplung zwischen dem Piezoaktor 320, insbesondere dessen Kopfplatte 324, und einer Glocke 520 bzw. einer Druckglocke 520 realisiert, die in einer Ausnehmung 502 des Gehäuses 500 vorgesehen ist. Bevorzugt erstreckt sich die Ausnehmung 502 des Gehäuses 500 von einer dem Düsenkörper 100 zugewandten Seite des Gehäuses 500 in dieses hinein. Von dieser Seite aus ist die Druckglocke 520 in das Gehäuse 500 einsetzbar. Auf einer dieser gegenüberliegenden Seite ist das Gehäuse 500 mittels einer Decke im Wesentlichen geschlossen.
Der Druckstift 510 ist in einer Bohrung der Decke des Gehäuses 500 mit einer engen, fluiddrosselnden Passung geführt und überträgt in einem Betrieb des Kraftstoffinjektors 1 Druckkräfte vom Piezoaktor 320 auf die in der Gehäuseausnehmung 502 befindliche Druckglocke 520. In einer Richtung der Druckkraft des Piezoaktors 320 schließen sich an die Druckglocke 520 wenigstens ein, bevorzugt jedoch zwei Hebel 522, 524 an, die von Schenkeln bzw. einem dem Düsenkörper 100 zugewandten Rand der Druckglocke 520 bevorzugt noch innerhalb des Gehäuses 500 betätigbar sind. Die beiden Hebel 522, 524 liegen da bei auf einer zwischen dem Gehäuse 500 und dem Düsenkörper 100 angeordneten Zwischenscheibe 530 auf.
Die Hebel 522, 524 erstrecken sich dabei bevorzugt von einer inneren Seitenwand der Ausnehmung 502 des Gehäuses 500 radial nach innen in das Gehäuse 500 hinein und greifen mit einem inneren freien Endabschnitt jeweils an einem Vorsprung der Düsennadel 200 an. Der bzw. die Vorsprünge der Düsennadel 200 werden bevorzugt von einem an einem freien Längsendabschnitt der Düsennadel 200 vorgesehenen Teller 208 gebildet, wobei die beiden Hebel 522, 524 an einem der Düsennadelspitze 210 zugewandten Rand des Tellers 208 angreifen.
Damit sich die Düsennadel 200 in die Ausnehmung 502 des Gehäuses 500 hineinerstrecken kann, weist die Zwischenscheibe 530 bevorzugt mittig eine Bohrung auf, durch welche sich der freie Längsendabschnitt der Düsennadel 200 mit ihrem Teller 208 hindurcherstrecken kann (207). In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Zwischenscheibe 230 auch weggelassen werden, wobei dann die Hebel 522, 524 an einer Stirnseite des Düsenkörpers 100 aufliegen.
Längt sich nun der Piezoaktor 320, so wird dessen Längsausdehnung über den Druckstift 510 auf die Druckglocke 520 übertragen. Hierbei stützt sich der Piezoaktor 320 an einem Widerlager des Kraftstoffinjektors 1 ab, welches bezüglich des Piezoaktors 320 auf einer der Hubumkehr-Einrichtung 50 abgewandten Seite des Kraftstoffinjektors 1 angeordnet ist. Die Druckglocke 520 wiederum betätigt die beiden in das Gehäuse 500 hineinstehenden Hebel 522, 524, die daraufhin den Teller 208 der Düsennadel 200 anheben und somit die Düsennadel 200 aus ihrem Düsennadelsitz 109 bewegen – eine Einspritzung beginnt. Beim Beenden der Einspritzung zieht sich der Piezoaktor 320 zusammen, die Düsennadel 200 wird von einer Rückstellfeder 140, die zwischen einer Schulter 205 der Düsennadel 200 und der Zwischenscheibe 530 vorgespannt sitzt, wieder in ihren Düsennadelsitz 109 gepresst, wobei die Spritzlöcher 102 vom Hochdruck getrennt werden – die Einspritzung ist beendet.
Der sich an den mechanischen Übertrager anschließende Teil der Düsenbaugruppe 10 umfasst den Düsenkörper 100 mit der Düsennadelbohrung 110. Die Düsennadelbohrung 110 wird über den Hochdruckanschluss 302, die Hochdruckleitung 310 (beides in der 2 nicht dargestellt) und den Zulaufbereich 160 im Düsenkörper 100 mit dem unter Hochdruck p_H stehenden Kraftstoff K versorgt. Der Kraftstoff K fließt dabei am Piezoaktor 320 vorbei und mündet bevorzugt in einer Leitung in der Decke des Gehäuses 500 der mechanischen Hubumkehr-Einrichtung 50 (ebenfalls in der 2 nicht dargestellt). Hiervon ausgehend, gelangt der Kraftstoff K direkt in die Ausnehmung 520 des Hebelgehäuses 500, strömt von dort aus in die Bohrung der Zwischenscheibe 530 und gelangt schließlich in den sich daran stromabwärts anschließenden Zulaufbereich 160.
Die Düsennadelbohrung 110 des Düsenkörpers 100 kann sich hier wieder, wie oben dargestellt, in zwei Abschnitte, nämlich in die Führungsbohrung 112 und in die zur Führungsbohrung 112 mit gleichem Durchmesser koaxial liegende Nadelbohrung 106, aufgliedern. Es ist in einer in 2 nicht dargestellten Alternative möglich, im Wesentlichen nur eine Führungsbohrung 112 oder nur eine Nadelbohrung 116 vorzusehen, da die Düsennadel 200 hierbei nur mehr noch im Wesentlichen einen Führungskolben 202 bzw. einen Nadelkolben 206 besitzt. Der Führungsspalt 113 und/oder der Nadelspalt 117 sind bei diesen Ausführungsformen der Erfindung beide im Wesentlichen ungedrosselt. Eine Passung für eine Führung hat zwar nur ein geringes Spiel von ca. 2..4 μm, aber eine Entdrosselung einer Fluidpassage zur Düsennadelspitze 210 erfolgt durch eine Facette 230 bzw. 3 oder 4 Flächen 230 in der Düsennadel 200 bzw. dem entsprechenden Düsennadelkolben 202, 206.
Eine dritte Ausführungsform eines Kraftstoffinjektors 1 zeigt 3, wobei der Düsenkörper 100 und die Düsennadel 200, sowie der Injektorkörper 30 eine ähnliche Konfiguration besit zen wie Ausführungsformen von Kraftstoffinjektoren 1 gemäß 2. Insbesondere ist in 3 noch eine Führungshülse 150 für die Düsennadel 200 zu erkennen, in dessen Hülsenbohrung 152 ein Führungsabschnitt 203 der Düsennadel 200 gleitgelagert ist. Hierbei kann die Führungshülse 150 druckausgeglichen sein. Eine Rückstellkraft für die Düsennadel 200 ergibt sich aus der Düsennadelfeder 140, welche zwischen der Führungshülse 150 und der davon stromabwärts befindlichen Schulter 205 der Düsennadel 200 vorgespannt sitzt. Das folgende, zur dritten Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 1 erläuterte, ist auch auf Ausführungsformen von Kraftstoffinjektoren 1 gemäß der 2 anwendbar.
Die Düsennadel 200 selbst wird von einem Hubeinstellbolzen 370 betätigt, der wiederum von einem Steuerkolben 362 o. ä. betätigbar ist. Der Hubeinstellbolzen 370 ist hierbei Teil eines Bereichs des Kraftstoffinjektors 1, in welchem Niederdruck p_N herrscht. D. h. die Düsennadel 200 ist mit ihrem Führungsabschnitt 203 gedrosselt in der Führungshülse 150 geführt, die ihrerseits dichtend an einer Zwischenscheibe 330 anliegt. Der aus dem Injektorkörper 30 kommende Kraftstoff K fließt durch eine Bohrung in der Zwischenscheibe 330 hindurch in einen Abschnitt des Zulaufbereichs 160, in welchem die Führungshülse 150 angeordnet ist.
Bei den beiden gemäß den 2 und 3 beschriebenen Ausführungsformen der Kraftstoffinjektoren 1, weist ein jeweiliger Einlaufbereich 120 für den Kraftstoff K zur/in die Düsennadelbohrung 110 bzw. die Führungsbohrung 112, stromabwärts der Schulter 205 der Düsennadel 200, wiederum zwischen der Düsennadel 200 bzw. deren Führungskolben 202, und dem Düsenkörper 100 bzw. dessen Führungsbohrung 112, die erfindungsgemäße, ebenfalls als ein Ringspalt 122 ausgebildete Fluiddrossel 122 auf, welche im Folgenden näher erläutert wird. In der alternativen Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 1 gemäß 1 befindet sich die erfindungsgemäße Fluiddrossel 122 zwischen dem Nadelkolben 206 und dem Düsenkörper 100 bzw. der Nadelbohrung 116.
Andere Ausführungsformen von Kraftstoffinjektoren 1 sind anwendbar. So ist es z. B. möglich, die Düsennadel 200 mittels des Aktors 320 direkt und/oder invers anzusteuern. Darüber hinaus ist es beispielsweise möglich, eine nach außen öffnende Düsennadel 200 anzuwenden.
Die erfindungsgemäß eingerichtete Fluiddrossel 122 ist in der 4 gut zu erkennen. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Fluiddrossel 122 nur in einer Schließstellung S oder in einer Teilhubstellung T mit einem vergleichsweise geringem Hub H der Düsennadel 200 eingerichtet ist. In einer offeneren als in der in 4 dargestellten Stellung befindet sich die Düsennadel 200 in einer Offenposition O oder einer Teilhubstellung mit einem vergleichsweise großem Hub H. Hierbei ist die Fluiddrossel 122 ausgerückt, was in 5 dargestellt ist; d. h. es existiert in der Offenposition O oder einer Teilhubstellung mit einem vergleichsweise großem Hub H der Düsennadel 200 keine Fluiddrossel 122 mehr. Erfindungsgemäß ist damit in einer Teilhubstellung T mit einem vergleichsweise geringem Hub H der Düsennadel 200 ein nur gedrosselter Zulauf, und in einer Teilhubstellung mit einem vergleichsweise großem Hub H oder einer vollständigen Offenstellung O der Düsennadel 200 ein ungehinderter Zulauf von Kraftstoff K zu den Spritzlöchern 107 möglich.
Um diese erfindungsgemäße, je nach einem Hub H der Düsennadel 200 vorhandene oder nicht vorhandene Drosselstelle 122 vorzusehen, muss sich diese mit der Düsennadel 200 derart mitbewegen, dass ein für die Fluiddrossel 122 maßgeblicher Abschnitt in einen Bereich bewegbar ist, in welchem dieser drosselnd, und in einen anderen Bereich bewegbar ist, in welchem dieser nicht mehr drosselnd wirken kann. D. h., dass sich die erfindungsgemäße Fluiddrossel 122 insbesondere durch zwei Bauteile bzw. Abschnitte des Kraftstoffinjektors 1 konstituiert. Eines dieser Bauteile ist vorteilhafterweise die Düsennadel 200 selbst, und ein anderes ein mit ihr zusammenwirkender Ab schnitt innerhalb des Düsenkörpers 100, insbesondere die Düsennadelbohrung 110.
Erfindungsgemäß sind diese beiden Abschnitte derart zueinander angeordnet, dass sie wenigstens in der Offenstellung O der Düsennadel 200 für den Kraftstoff K nicht mehr drosselnd wirken. Bevorzugt wird die sich mit einer Hubbewegung der Düsennadel 200 bildende (Schließstellung S und kleiner Teilhub H der Düsennadel 200) und wieder ausrückende (Offenstellung O und großer Teilhub H der Düsennadel 200) Fluiddrossel 122 mittels eines Drosselabschnitts 220 an der Düsennadel 200 eingerichtet, der mit der Düsennadelbohrung 110 drosselnd zusammenwirken kann. Hierbei ist der Drosselabschnitt 220 bzw. nur ein Abschnitt davon derart in die Düsennadelbohrung 110 hinein- und vollständig wieder herausbewegbar, dass sich eine erfindungsgemäße Drosselwirkung ergibt.
Gemäß der Erfindung ist der Drosselabschnitt 220 derart an der Düsennadel 200 vorgesehen, dass er sich mit der Düsennadelbohrung 110 teilweise überdeckt. Hierbei ist es bevorzugt, dass sich der Drosselabschnitt 220 in einem Einlaufbereich 120 der Düsennadelbohrung 110 mit dieser überdeckt, und sich darüber hinaus ein Abschnitt des Drosselabschnitts 220 aus dem Einlaufbereich 120 heraus in den Zulaufbereich 160 erstreckt, was gut in der 4 zu erkennen ist. Der Zulaufbereich 160 dient einem Zulauf des Kraftstoffs K zur Düsennadelbohrung 110 hin bzw. in diese hinein. Ferner zeigt die 4 durch Pfeile an, wie der Kraftstoff K aus dem Zulaufbereich 160, durch die Fluiddrossel 122 hindurch in Richtung der Spritzlöcher 107 strömt.
Befindet sich die Düsennadel 200 z. B. in ihrer in 5 gezeigten Offenstellung O, so ist der Drosselabschnitt 220 der Düsennadel 200 vollständig aus der Düsennadelbohrung 110 bzw. ihrem Einlaufbereich 120 herausbewegt, sodass der Kraftstoff K auf seinem Weg zu den Spritzlöchern 207 einen ungedrosselten Zutritt in die Düsennadelbohrung 110 besitzt. Für eine Entdrosselung der Fluidpassage zwischen einer Innenwand der Düsennadelbohrung 100 und einer Außenwand der Düsennadel 200, weist die Düsennadel 200 sich in Längsrichtung L des Kraftstoffinjektors 1 erstreckende Facetten 230 bzw. 3 oder 4 Flächen 230 auf. Ferner ist es bevorzugt, dass sich stromabwärts des Drosselabschnitts 220 eine Ringnut 222 in der Düsennadel 200 befindet, welche einen Zufluss des Kraftstoffs K in die durch die Facetten 230 bzw. 3 oder 4 Flächen 230 geschaffenen Freiräume erleichtert.
Je nach einer Lage des Zulaufbereichs 130 des Kraftstoffinjektors 1 kann der Drosselabschnitt 220 der Düsennadel 200 an einem Führungskolben 202 (siehe Ausführungsformen gemäß 2 und 3) oder einem Nadelkolben 206 (siehe Ausführungsformen gemäß 1) der Düsennadel 200 vorgesehen sein. Hierbei ist unter Zulaufbereich 130 derjenige, mit Kraftstoff K gefüllte Bereich des Düsenkörpers 100 stromaufwärts desjenigen Abschnitts der Düsennadelbohrung 110 gemeint, welcher unmittelbar zu den Spritzlöchern 207 führt. An den Zulaufbereich 130 schließt sich stromabwärts unmittelbar der Einlaufbereich 120 der Düsennadelbohrung 110 an.
Eine Drosselcharakteristik ist über die geometrischen Maße der als Ringspaltdrossel 122 ausgebildeten Fluiddrossel 122 einstellbar. Dies betrifft insbesondere eine Höhe des Ringspalts in Längsrichtung L und eine Spaltdicke D in radialer Richtung. Die maximale Höhe der Fluiddrossel 122 ergibt sich aus einer Überdeckungslänge Ü des Drosselabschnitts 220 mit der Düsennadelbohrung 110 bzw. deren Einlaufbereich 120. Die Überdeckungslänge Ü berechnet sich gemäß 3 zu: Ü = L₂ + H_max – L₁. Hierbei ist L₁ ein Abstand eines Beginns der Düsennadelbohrung 110 bis zur Anschlagscheibe 330, 530, L₂ ein Abstand eines Düsennadelkolben-seitigen Beginns des Drosselabschnitts 220 zur Stirnseite 201 der Düsennadel 200 und H_max der maximale Hub der Düsennadel 200. Ferner ergibt sich die Spaltdicke D zu D = (D₂ – D₁)/2, wobei D₁ ein Durchmesser des Drosselabschnitts 220 und D₂ ein Durchmesser des betreffenden Düsennadelkolbens 202, 206 ist.
Ist im Betrieb des Kraftstoffinjektors 1 der Hub H der Düsennadel 200 kleiner als die Überdeckungslänge Ü, erfolgt also ein geringer Teilhub H der Düsennadel 200 (Teilhubstellung T), so strömt der Kraftstoff K durch eine Querschnittsverengung aufgrund der Fluiddrossel 122, ggf. durch die Ringnut 222 und über die Facetten 230 bzw. 3 oder 4 Flächen zu den Spritzlöchern 207. Ist der Hub H der Düsennadel 200 größer als die Überdeckungslänge Ü, erfolgt also wenigstens ein großer Teilhub H der Düsennadel 200 oder befindet sich die Düsennadel 200 in ihrer Offenstellung O, so strömt der Kraftstoff K ungedrosselt zu den Spritzlöchern 207.

Claims

Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor (1), insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor (1) eines Verbrennungsmotors, mit einer in einem Düsenkörper (100; 102, 106) verschieblich geführten Düsennadel (200; 202, 206), wobei in einem Einlaufbereich (120) für einen Kraftstoff (K) zwischen dem Düsenkörper (100; 102, 106) und der Düsennadel (200; 202, 206) eine Fluiddrossel (122) derart ausgebildet ist, dass die Fluiddrossel (122) in einem Betrieb des Kraftstoffinjektors (1) in einer Teilhubstellung (T) der Düsennadel (200; 202, 206) im Wesentlichen wirksam und in einer Offenstellung (O) der Düsennadel (200; 202, 206) im Wesentlichen unwirksam ist.
Düsenbaugruppe gemäß Anspruch 1, wobei die Fluiddrossel (122) in der Teilhubstellung (T) der Düsennadel (200; 202, 206) ein Ringspalt (122) zwischen einer Düsennadelbohrung (110; 114, 116) des Düsenkörpers (100; 102, 106) und der Düsennadel (200; 202, 206) ist.
Düsenbaugruppe gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Fluiddrossel (122) in der Teilhubstellung (T) der Düsennadel (200; 202, 206) zwischen einem Düsennadelkolben (202, 206), insbesondere einem Führungskolben (202) oder einem Nadelkolben (126) der Düsennadel (200; 202, 206), und der Düsennadelbohrung (110; 114, 116) ausgebildet ist.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Düsennadel (200; 202, 206) im Einlaufbereich (120) der Düsennadelbohrung (110; 114, 116) stufig ausgebildet ist.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein stromaufwärtiger Durchmesser (D₁) der Düsennadel (200; 202, 206) im Einlaufbereich (120) kleiner ist, als ein diesem stromabwärtiger Durchmesser (D₂) der Düsennadel (200; 202, 206).
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein stromaufwärtiger Durchmesser (D₁) der Düsennadel (200; 202, 206) im Einlaufbereich (120) größer ist, als ein diesem stromabwärtiger Durchmesser (D₂) der Düsennadel (200; 202, 206).
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Düsennadel (200; 202, 206) an einem Düsennadelkolben (202, 206) oder stromaufwärts eines Düsennadelkolbens (202, 206) einen Drosselabschnitt (220) aufweist, der in der Teilhubstellung (T) der Düsennadel (200; 202, 206) in Zusammenwirkung mit der Düsennadelbohrung (110; 114, 116) die Fluiddrossel (122) bildet.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich der Drosselabschnitt (220) in der Teilhubstellung (T) der Düsennadel (200; 202, 206) teilweise in die Düsennadelbohrung (110; 114, 116) hineinerstreckt.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Drosselabschnitt (220) in der Offenstellung (S) der Düsennadel (200; 202, 206) aus der Düsennadelbohrung (110; 114, 116) herausbewegt ist.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 oder 9, wobei sich der Drosselabschnitt (220) in der Offenstellung (S) der Düsennadel (200; 202, 206) vollständig in einem Zulaufbereich (160) des Düsenkörpers (100; 102, 106) für den Kraftstoff (K) befindet.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Drosselabschnitt (220) am oder stromaufwärts des Führungskolbens der Düsennadel (200; 202, 206) vorgesehen ist.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in der Düsennadel (200; 202, 206) stromabwärts des Drosselabschnitts (220) eine Nut (222) insbesondere eine Ringnut (22) vorgesehen ist.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Düsennadel (200; 202, 206) stromabwärts der Nut (222) eine Facette (230) oder 3 oder 4 Flächen (230) aufweist, die in die Nut (222) mündet.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Drosselabschnitt (220) der Düsennadel (200; 202, 206) einen im Wesentlichen kreisrunden Umfang aufweist.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine Überdeckungslänge (Y) des Drosselabschnitts (220) mit der Düsennadelbohrung (110; 114, 116) kleiner als ein Hub (H), insbesondere kleiner als ein vollständiger Hub (H) der Düsennadel (200; 202, 206) ist.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Überdeckungslänge (Ü) des Drosselabschnitts (220) mit der Düsennadelbohrung (110; 114, 116) ca. 25–500 μm, insbesondere ca. 50–250 μm, bevorzugt ca. 75–200 μm und insbesondere bevorzugt ca. 100–150 μm beträgt.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine Spaltdicke (D) der Fluiddrossel (122) ca. 10–75 μm, insbesondere ca. 20–50 μm, bevorzugt ca. 25–45 μm und insbesondere bevorzugt ca. 30–40 μm beträgt.
Düsenbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei eine Übergangskontur vom Zulaufbereich (160) zur Düsennadelbohrung (110; 112, 116) in den Einlaufbereich (120) der Düsennadelbohrung (110; 114, 116) hinein, eine Stufe ist, die einen Innenwinkel (α) von ca. 90° oder größer besitzt.
Kraftstoffinjektor, insbesondere Common-Rail-Kraftstoffinjektor (1) für einen Verbrennungsmotor, mit einer Düsenbaugruppe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und einer Injektorbaugruppe (30).