DE19950223A1 - Injektor für ein Common-Rail-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit teilweisem Kraftausgleich der Düsennadel - Google Patents

Abstract

Es wird ein Common-Rail-Injektor vorgeschlagen mit einer sehr dünnen Düsennadel (21) und einem mindestens teilweisen Ausgleich der auf die Düsennadel wirkenden hydraulischen Kräfte. Zusätzlich werden die Leckageverluste verringert und eine besonders kompakte Bauweise erreicht.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Injektor für ein Common-Rail- Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem von der Stirnfläche eines Ventilkolbens begrenzten Ventilsteuerraum, mit einer in einer Bohrung geführten Düsennadel, die bei geschlossenem Injektor in einen Düsennadelsitz gepresst wird und mit einem von dem Düsennadelsitz in Längsrichtung begrenzten Druckraum. Bei derartigen Injektoren nach dem Stand der Technik weisen der Ventilkolben und der Bereich der Düsennadel, welcher im Gehäuse des Injektors geführt wird, im Wesentlichen gleiche Durchmesser auf. Da diese Durchmesser vergleichsweise groß sind, ist auch der Ringspalt zwischen Ventilkolben und zugehöriger Bohrung bzw. Düsennadel und zugehöriger Bohrung relativ groß. Dies führt zu erheblichen Problemen bei der Abdichtung gegenüber dem Steuerdruck bzw. zu hohen Leckageverlusten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor für ein Common-Rail-Einspritzsystem bereitzustellen, bei welchem die Leckageverluste zwischen Düsennadel und der die Düsennadel führenden Bohrung gering sind und bei der darüber hinaus ein teilweiser Kraftausgleich der Düsennadel erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Injektor für ein Common-Rail-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem von der Stirnfläche eines Ventilkolbens begrenzten Ventilsteuerraum, mit einer in einer Bohrung geführten Düsennadel, die bei geschlossenem Injektor in einen Düsennadelsitz gepresst wird und mit einem von dem Düsennadelsitz in Längsrichtung begrenzten Druckraum, wobei der Durchmesser der Stirnfläche des Ventilkolbens größer als der Durchmesser der Bohrung ist und wobei der Durchmesser der Bohrung größer als der Durchmesser der Dichtlinie zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz ist.

Dieser Injektor hat den Vorteil, dass wegen des geringeren Durchmessers der Düsennadel in dem Bereich, in dem sie in der Bohrung geführt wird, der Ringspalt zwischen Bohrung und Düsennadel klein ist und somit eine wirksame Abdichtung gegenüber dem Steuerdruck des Druckraums möglich ist. Außerdem werden die Leckageverluste deutlich verringert. Darüber hinaus findet auch ein teilweiser Kraftausgleich zwischen der auf die Stirnfläche des Ventilkolbens wirkenden hydraulischen Kraft und der auf die Ringfläche, welche durch den Durchmesser der Dichtlinie zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz sowie den Durchmesser der Bohrung begrenzt wird, und der darauf wirkenden Kraft statt.

Eine Variante sieht vor, dass das Gehäuse zweiteilig ausgeführt ist, insbesondere, dass im ersten Teil des Gehäuses der Ventilsteuerraum angeordnet ist und dass im zweiten Teil des Gehäuses der Druckraum angeordnet ist, so dass Herstellung, Montage und Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Injektors verbessert werden.

In Ergänzung der Erfindung ist der Durchmesser der Düsennadel im Druckraum mindestens teilweise größer als in der Bohrung, so dass eine größere Sicherheit gegen ein Abknicken der Düsennadel im Bereich des Druckraums gegeben ist.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist im zweiten Teil des Gehäuses eine Hülse mit der Bohrung angeordnet, so dass einerseits die Montierbarkeit des Injektors verbessert wird und außerdem die Herstellung der Bohrung mit der erforderlichen Genauigkeit erleichtert wird.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stirnfläche der Hülse den Druckraum in Längsrichtung begrenzt, so dass der Injektor in Längsrichtung kompakt baut und die Zahl der Baueile so gering wie möglich gehalten wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dichtet eine senkrecht zur Längsachse der Hülse verlaufende Ringfläche und ein Absatz im zweiten Teil des Gehäuses den Druckraum gegenüber der Umgebung ab, so dass aufgrund der kleinen Dichtfläche und der daraus resultierenden hohen Flächenpressung eine gute Abdichtung gegeben ist.

Bei einer anderen Variante ist vorgesehen, dass die Hülse eine zweite Bohrung aufweist, die den Zulaufkanal und den Druckraum miteinander verbindet, so dass Herstellung und Montage weiter vereinfacht werden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste Teil und der zweite Teil des Gehäuses durch eine Überwurfmutter lösbar miteinander verbunden, so dass über den gesamten Umfang der Gehäuseteile eine gleichmäßige Anpresskraft beim Anziehen der Überwurfmutter erzeugt wird und somit eine gute Abdichtung des Injektors gegenüber der Umgebung erreicht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen erstem Teil und zweitem Teil des Gehäuses ein Zwischenstück angeordnet, so dass die Montage des erfindungsgemäßen Injektors weiter erleichtert wird.

In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen erstem Teil und zweitem Teil des Gehäuses bzw. erstem Teil des Gehäuses und Zwischenstück ein Dichtelement, insbesondere ein O-Ring vorhanden ist, so dass der Austritt von Lecköl in die Umgebung verhindert wird.

Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass der Kraftstoffzufluss in den Ventilsteuerraum über eine Zulaufdrossel und der Kraftstoffabfluss über ein Steuerventil, insbesondere ein 2/2-Steuerventil, erfolgt, so dass die Steuerung des Injektors einfach und zuverlässig erfolgt.

Eine weitere Ergänzung der Erfindung sieht vor, dass in dem zweiten Teil des Gehäuses und gegebenenfalls in dem Zwischenstück Bohrungen vorhanden sind, die den Zulaufkanal mit dem Druckraum verbinden, so dass der erfindungsgemäße Injektor besonders kompakt baut und außerdem die Herstellung erleichtert wird.

Bei einer anderen Variante der Erfindung ist zwischen Ventilkolben und Düsennadel eine Druckstange angeordnet, so dass der axiale Abstand zwischen Ventilsteuerraum und Druckraum den sonstigen konstruktiven Randbedingungen angepasst werden kann.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilkolben und die Druckstange einteilig ausgeführt sind, so dass die Zahl der Bauteile verringert wird.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine sich gegen einen Absatz des Ventilkolbens und einen Absatz des Gehäuses abstützende Düsenfeder vorhanden, so dass der Injektor bei fehlendem Steuerdruck selbsttätig schließt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor. Über einen Hochdruckanschluss 1 wird der nicht dargestellte Kraftstoff über einen Zulaufkanal 3 zu einer Einspritzdüse 5 sowie über eine Zulaufdrossel 7 in einen Ventilsteuerraum 9 geführt. Der Ventilsteuerraum 9 ist über ein Steuerventil 11 mit einem Kraftstoffrücklauf 13 verbunden.

Der Injektor besteht aus einem Gehäuse mit einem ersten Teil 15 und einem zweiten Teil 16. Zwischen erstem und zweitem Teil 15, 16 ist ein Zwischenstück 17 angeordnet.

Der Ventilsteuerraum 9 wird von einem Ventilkolben 19 begrenzt. Eine über eine Druckstange 20 mit dem Ventilkolben 19 in Wirkverbindung stehende Düsennadel 21 verhindert, dass der unter Druck stehende Kraftstoff zwischen den Einspritzungen aus der Einspritzdüse 5 in den nicht dargestellten Brennraum fließt. Dies geschieht dadurch, dass die Düsennadel 21 in einen Düsennadelsitz 22 gepresst wird und den Zulaufkanal 3 gegen den nicht dargestellten Brennraum abdichtet. Dabei bildet sich zwischen Düsennadel 21 und Düsennadelsitz 22 eine kreisförmig Dichtlinie.

Die Druckstange 20 und der Ventilkolben 19 können aus einem Stück oder zweiteilig gefertigt sein. Die Entscheidung für eine der genannten Ausführungsformen hängt u. a. von den Herstellungskosten, der Montierbarkeit und dem Betriebsverhalten des Injektors ab.

Die Düsennadel 21 weist einen ersten Durchmesser 23, einen zweiten Durchmesser 25 und einen dritten Durchmesser 27 auf. Mit ihrem ersten Durchmesser 23 ist die Düsennadel 21 in einer Bohrung 29 einer Hülse 31 geführt. In einem Druckraum 33 der Einspritzdüse hat die Düsennadel 21 den zweiten Durchmesser 25. An ihrem dem Düsennadelsitz 22 zugewandten Ende hat die Düsennadel 21 den dritten Durchmesser 27. Der erste Durchmesser 23 ist kleiner als der zweite Durchmesser 25 und größer als der dritte Durchmesser 27.

In dem Zwischenstück 17 und der Hülse 31 sind Bohrungen 35 und 37 angebracht durch die der Druckraum 33 mit dem Zulaufkanal 3 verbunden wird.

Der Druckraum 33 wird durch die Hülse 31, die Düsennadel 21 und den zweiten Teil 16 des Injektor-Gehäuses abgedichtet. Die Düsennadel 21 ist in der Bohrung 29 mit so geringem Spiel geführt, dass der Druck des Druckraums 33 nahezu vollständig in dem Ringspalt zwischen Düsennadel 21 und Bohrung 29 abgebaut wird. Die Abdichtung zwischen der Hülse 31 und dem zweiten Teil 16 des Injektor-Gehäuses erfolgt über einen Absatz 39 im Gehäuse und die Stirnfläche der Hülse 31.

Der erste Teil 15 des Gehäuses, das Zwischenstück 17 und der zweite Teil 16 des Gehäuses werden durch eine Überwurfmutter 41 zusammengespannt. Eventuell auftretendes Lecköl wird durch einen O-Ring 43 am Austritt in die Umgebung gehindert und über eine Bohrung 45 in den Kraftstoffrücklauf 13 abgeführt.

Eine zwischen einem Absatz 47 der ersten Teils 15 des Gehäuses und einem Absatz 49 der Druckstange 20 eingespannte Rückstellfeder 51 schließt die Einspritzdüse 5, wenn kein Steuerdruck vorhanden ist, beispielsweise weil die Brennkraftmaschine abgestellt wurde.

Lecköl, welches zwischen dem Ventilkolben 19 und seiner Führung im Gehäuse austritt, kann entlang der Druckstange 20 bis zu dem Zwischenstück 17 fließen und von dort über die Bohrung 45 in den Kraftstoffrücklauf 13 abgeführt werden.

Bei geschlossenem Steuerventil 11 liegt sowohl im Steuerraum 9 als auch im Druckraum 33 der von dem nicht dargestellten Common-Rail-Druckspeicher bereitgestellte Steuerdruck an. Da die Stirnfläche 53 des Ventilkolbens 19 größer als die durch ersten Durchmesser 23 und drittem Durchmesser 27 begrenzte Ringfläche ist, presst die resultierende hydraulische Kraft Ventilkolben 19 und Düsennadel 21 in den Düsennadelsitz 22. Dabei wurde angenommen, dass der Durchmesser der o. g. Dichtlinie zwischen Düsennadel 21 und Düsennadelsitz 22 und der dritte Durchmesser 27 der Düsennadel 21 gleich sind. Diese Annahme ist zutreffend, da der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes 22 idR etwas kleiner als der der Spitze der Düsennadel 21 ist. Strenggenommen wird die Ringfläche durch den Durchmesser der Dichtlinie begrenzt.

Die Ringfläche, welche durch die Differenz zwischen erstem Durchmesser 23 und zweitem Durchmesser 25 begrenzt wird, leistet keinen Beitrag zur resultierenden hydraulischen Kraft. Die Verdickung der Düsennadel 21 mit dem zweiten Durchmesser 25 dient der Stabilisierung der Düsennadel 21 im Druckraum 33. Dadurch, dass die Düsennadel 21 im Bereich der Bohrung 29 einen sehr kleinen dritten Durchmesser 23 aufweist, ist der oben angesprochene Ringspalt zwischen der Hülse 31 und der Düsennadel 21 relativ klein, so dass dessen Abdichtung gegen den Steuerdruck im Druckraum 33 sehr gut möglich ist.

Wenn das Steuerventil 11 geöffnet wird, sinkt der Druck im Ventilsteuerraum 9. In Folge dessen sinkt auch die auf die Stirnfläche 53 des Ventilkolbens 19 wirkende hydraulische Kraft. Sobald diese hydraulische Kraft kleiner als die auf die durch ersten Durchmesser 23 und dritten Durchmesser 27 begrenzte Ringfläche wirkende hydraulische Kraft ist, bewegt sich die Düsennadel 21 in Richtung des Steuerventils 11 und öffnet dadurch die Einspritzdüse 5. In Folge dessen wird der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt. Die Zulaufdrossel 7 verhindert einen vollständigen Druckausgleich zwischen Ventilsteuerraum 9 und Zulaufkanal 3.

Um die Einspritzung zu beenden, wird das Steuerventil 11 geschlossen. Dadurch baut sich im Ventilsteuerraum 9 über die Zulaufdrossel 7 wieder annähernd der Common-Rail-Druck auf. Sobald die auf die Stirnfläche 53 des Ventilkolbens 19 wirkende hydraulische Kraft die auf die durch ersten Durchmesser 23 und dritten Durchmesser 27 begrenzte Ringfläche wirkende hydraulische Kraft überschreitet, schließt die Düsennadel 21 die Einspritzdüse 5. Wegen der im Vergleich zu der durch ersten Durchmesser 23 und dritten Durchmesser 27 begrenzten Ringfläche deutlich größeren Stirnfläche 53 des Ventilkolbens, erfolgt die Schließbewegung sehr schnell und mit großer Kraft.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (17)

1. Injektor für ein Common-Rail-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem von der Stirnfläche (5) eines in einem Gehäuse des Injektors geführten Ventilkolbens (19) begrenzten Ventilsteuerraum (9), mit einer in einer Bohrung (29) geführten Düsennadel (21), die bei geschlossenem Injektor in einen Düsennadelsitz (35) gepresst wird, und mit einem von dem Düsennadelsitz (35) in Längsrichtung begrenzten Druckraum (31), dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Stirnfläche (53) des Ventilkolbens (19) größer als der Durchmesser der Bohrung (29) ist, und dass der Durchmesser der Bohrung (29) größer als der Durchmesser (27) der Dichtlinie zwischen Düsennadel (21) und Düsennadelsitz (35) ist.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zweiteilig (15, 16) ausgeführt ist.

3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Teil (15) des Gehäuses der Ventilsteuerraum (9) angeordnet ist, und dass im zweiten Teil (16) des Gehäuses der Druckraum (33) angeordnet ist.

4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (25) der Düsennadel (21) im Druckraum (31) mindestens teilweise größer als in der Bohrung (29) ist.

5. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Teil (16) des Gehäuses eine Hülse (31) mit der Bohrung (29) angeordnet ist.

6. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche der Hülse (31) den Druckraum (33) in Längsrichtung begrenzt.

7. Injektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine senkrecht zur Längsachse der Hülse (31) verlaufenden Ringfläche und ein Absatz (39) im zweiten Teil (16) des Gehäuses den Druckraum (33) gegenüber der Umgebung abdichten.

8. Injektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (31) eine zweite Bohrung (37) aufweist, die den Zulaufkanal (3) und den Druckraum (33) miteinander verbindet.

9. Injektor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (15) und der zweite Teil (16) des Gehäuses durch eine Überwurfmutter (41) lösbar miteinander verbunden sind.

10. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem Teil (15) und zweitem Teil (16) des Gehäuses ein Zwischenstück (17) angeordnet ist.

11. Injektor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem Teil (15) und zweitem Teil (16) des Gehäuses, bzw. zwischen erstem Teil (15) und Zwischenstück (17) ein Dichtelement (43) vorhanden ist.

12. Injektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (43) ein O-Ring od. dgl. ist.

13. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffzufluss in den Ventilsteuerraum (9) über eine Zulaufdrossel (7) und der Kraftstoffabfluss über ein Steuerventil (15), insbesondere ein 2/2-Steuerventil erfolgt.

14. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Teil (16) des Gehäuses und ggf. in dem Zwischenstück (17) Bohrungen (35, 37) vorhanden sind, die den Zulaufkanal (3) mit dem Druckraum (33) verbinden.

15. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ventilkolben (19) und Düsennadel (21) eine Druckstange (20) angeordnet ist.

16. Injektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (19) die Druckstange (20) einteilig ausgeführt sind.

17. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich gegen einen Absatz (49) der Druckstange (20) und einen Absatz (47) des Gehäuses abstützende Düsenfeder (51) vorhanden ist.