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WO2011160900A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit hydraulischem koppler - Google Patents

Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit hydraulischem koppler Download PDF

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Publication number
WO2011160900A1
WO2011160900A1 PCT/EP2011/058127 EP2011058127W WO2011160900A1 WO 2011160900 A1 WO2011160900 A1 WO 2011160900A1 EP 2011058127 W EP2011058127 W EP 2011058127W WO 2011160900 A1 WO2011160900 A1 WO 2011160900A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
injection device
nozzle needle
control piston
guide
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/058127
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Baumgartner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2011160900A1 publication Critical patent/WO2011160900A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/31—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements
    • F02M2200/315—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements for damping fuel pressure fluctuations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection device, also referred to as a fuel injector, for an internal combustion engine, having a valve element which is constructed in several parts and integrated in a housing and a nozzle body.
  • the valve element comprises a control piston and a nozzle needle. These components, the control piston and the nozzle needle, are connected within a high-pressure chamber via a hydraulic coupler.
  • the control piston communicates with a control chamber, which can be controlled by a control valve, connected to a low pressure or return system.
  • a fuel injection takes place via an outlet opening in that the nozzle needle lifts off from a valve seat or causes a closure of the nozzle needle.
  • Fuel injection devices are generally known, with which a diesel or gasoline fuel is injected directly into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a valve element is arranged in a housing, which in the region of a fuel outlet opening has a pressure surface acting overall in the opening direction of the valve element.
  • control surface is present, which limits a control chamber.
  • hydraulic vibrations between the common rail formed as a high-pressure accumulator and the injection device can occur. Such vibrations have an adverse effect on the course of injection, in particular in the case of multiple injection, and on the wear of the nozzle needle or the injector.
  • DE 10 2006 026 877 A1 it is known from DE 10 2006 026 877 A1 to provide within the housing an additional storage volume which damps vibrations.
  • a generic fuel injection device is known from WO 2007/098975 A1.
  • a control chamber which interacts with a control or coupler piston via a control surface, is actuated by a control valve.
  • the control piston is guided at the end remote from the control chamber in a guide element and supported directly on the nozzle needle inserted in a nozzle needle within a coupler space of the guide member.
  • a high fuel pressure provided by a common rail is present in a region of the pressure surface acting in the opening direction and in the closing direction of the control surface.
  • the pressure applied to the control surface is lowered until the hydraulic force resultant acting in the opening direction exceeds the force acting on the pressure surface in the closing direction in order to bring about opening of the nozzle needle.
  • Object of the present invention is to provide a comparison with known devices improved fuel injector, which is constructed as possible optimized component and easy to install.
  • a hydraulic coupler with a guide body for a fuel injection device, which comprises a hydraulically tightly clamped between the housing and the nozzle body base disk.
  • a central opening is integrated to guide the nozzle needle and the control piston or the coupler piston, in each of which a guide collar of the nozzle needle and the control piston engage in a form-fitting manner.
  • the hydraulic coupler comprises a first annulus, which differs from the base disc, the guide collar, a control surface and a separate sliding sleeve of the control piston is limited.
  • a second annular space of the hydraulic coupler, which is connected via at least one leakage gap with the first annular space is bounded by the base disk, including directly associated guide bushing and a control surface and the guide collar of the nozzle needle.
  • the guide bush connected in one piece with the base disk comprises an inner diameter which is larger than the central opening for the guide collar and encloses the nozzle needle on the outside with limited lengths.
  • the invention By integrated in the base disc opening for guiding the control piston and the nozzle needle accounts for previously known solutions various components, such as an additional disc or spring, which advantageously adjusts a component-optimized structure of the hydraulic coupler.
  • the invention provides a simplified component and space-optimized design, which leads to a cost-effective production of the valve element.
  • components of previous devices can advantageously be used to implement the present invention. Due to the reduced component circumference and the strained directly between the housing and the nozzle body base plate also simplifies the assembly. Thus, a significant cost advantage can be realized by the fuel injection device according to the invention.
  • the hydraulic coupler for realizing a path translation and reversal of the direction of travel, according to the invention, also includes the advantages of previous solutions, such as a centric, leak-free, function-enhancing high-pressure volume. This results in advantages in terms of manufacturing, such as the simple introduction of the central opening in the base disk. Furthermore, the strength of the hydraulic valve element improves due to elimination of critical intersections of high pressure bores, which has an advantageous effect on the function and life of the fuel injector.
  • the fuel injection device according to the invention is further characterized by a high efficiency, as compared to previous devices between the valve element and the housing leaks no longer occur.
  • the structure according to the invention allows a simplified adaptation or compensation of manufacturing tolerances, which advantageously improve the injector function.
  • the two-chamber coupler according to the invention provides an increased internal storage volume which prevents the occurrence of adverse hydraulic oscillations between the fuel injector and the high pressure port, a common rail. These vibrations or pressure waves have a negative influence on the course of injection, in particular in the case of multiple injections and the wear of the nozzle needle on the valve seat. In addition, the accuracy of the injection quantity increases with multiple injections.
  • the hydraulic coupler of two separate components of the valve element increases the degree of freedom in the design of the fuel injection device.
  • the valve element is preferably designed with an almost matching pressure surface and control surface in order to be able to realize pressure equalization with correspondingly high dynamics.
  • a separate, linearly displaceable, the control piston enclosing sliding sleeve or control sleeve is provided to form the second annular space of the hydraulic coupler.
  • the control sleeve enclosing the sliding sleeve is acted upon by a spring means, in particular a compression spring and is non-positively and sealed supported by a sealing seat on the base disc of the guide body.
  • a spring means in particular a compression spring and is non-positively and sealed supported by a sealing seat on the base disc of the guide body.
  • the sliding sleeve can additionally perform a switching function in that the sliding sleeve lifts off from the sealing seat when the overpressure in the first annular space of the hydraulic coupler is greater than the pressure in the high-pressure space.
  • the sliding sleeve on the inside comprises a radially stepped portion which is widened relative to the control piston and which has an annular hydraulic
  • the sliding sleeve is largely guided centrally on a guide section axially spaced from the end faces of the sliding sleeve on the control piston.
  • the sliding sleeve has added to the guide section an enlarged inner diameter. This measure ensures a production-related tolerance compensation and ensures a closed annular abutment of the sliding sleeve on the sealing seat of the base plate, to achieve an effective seal.
  • the hydraulically effective pressure and / or control surfaces of the valve element are dimensioned differently.
  • the response of the hydraulic coupler or the operation of the valve element can be directly influenced, for example, to realize a different actuating speed between the control piston and the nozzle needle.
  • it makes sense to interpret the hydraulically effective control surfaces of the annular spaces of the hydraulic coupler deviating from each other.
  • the size of these annular spaces is determined directly by the diameter of the control piston and the nozzle needle.
  • Diameter of the guide collars of the control piston and the nozzle needle determined.
  • a preferred design provides to use a control piston whose diameter exceeds the diameter of the nozzle needle. This measure causes a faster response of the control piston to the nozzle needle at the beginning of the fuel injection.
  • the hydraulic coupler acts with open nozzle needle as a closing direction in the hydraulic spring, which assists a safe closing of the nozzle needle.
  • Another design criterion of the hydraulic coupler relates to the guided in the base disc guide collars, which are tailored, inter alia, to the component thickness of the base disc.
  • the guide collar length exceeds the respective travel of the associated component by an amount that ensures safe guidance of the control piston and the nozzle needle in the opening of the base disc. In the case of travel paths that occur differently, it is advisable, for example, for a guide collar length of the control piston to exceed a guide collar length of the nozzle needle.
  • the central opening of the base disc of the guide body has at least one longitudinal groove.
  • the nozzle needle engages with a guide collar designed as a polygonal profile in the central opening of the base disk. It is also advantageous to provide the guide collar of the control piston with a corresponding polygonal profile.
  • the base disk of the guide body is clamped hydraulically tight between the housing and the nozzle body.
  • the base disk is enclosed on the outside directly by a clamping nut which joins the housing and the nozzle, whereby no disadvantageous misalignment of the valve element occurs.
  • the base disk within the second annular space forms a stroke stop, which advantageously surrounds the edge zone of the central opening. For targeted influence on the injection quantity, it is advisable to additionally introduce a travel of the nozzle needle limiting Hubeinstell committee.
  • FIG. 1 shows a fuel injection device with hydraulic coupler, according to a preferred embodiment
  • 2 shows a detail "X" of the fuel injection device, according to Figure 1 in an enlarged view.
  • the injection device 1 which also as fuel! may be referred to, comprises a valve element 2, which is arranged displaceably in a housing 3 and in a nozzle body 4.
  • a high-pressure pump not shown in FIG. 1 conveys the diesel or petrol fuel from a reservoir into a high-pressure connection 5, also referred to as a common rail, to which a plurality of injection devices 1 are connected, via which the fuel can be injected directly into associated combustion chambers of an internal combustion engine.
  • the injection device 1 is connected via a switching valve 6 with a low pressure port 7 and a subsequent fuel reservoir.
  • the valve element 2 comprises a guided in the housing 3, also referred to as a coupler piston control piston 8 and a nozzle needle 9, which are connected via a hydraulic coupler 10.
  • the structure of the coupler 10 includes a guide body 12, consisting of a base plate 1 1 inserted between the housing 3 and the nozzle body 4, which is clamped hydraulically tight by means of a clamping nut 43.
  • a guide body 12 consisting of a base plate 1 1 inserted between the housing 3 and the nozzle body 4, which is clamped hydraulically tight by means of a clamping nut 43.
  • the control piston 8 and the nozzle needle 9 are each guided over a guide collar 14,15.
  • the nozzle needle 9 is further guided in an integrally connected to the base disc 1 1 guide bush 16.
  • a separate, the control piston 8 enclosing, acted upon by a spring means 18 sliding sleeve 17 is frictionally supported by a sealing seat 19 on the base plate 1 1.
  • the hydraulic coupler 10 forms two at least via a leakage gap 32 connected annular spaces 20,21.
  • a first annular space 20 is delimited by the base disk 11, the guide collar 14, a control surface 22 and the separate sliding sleeve 17 of the control piston 8.
  • the second annular space 21 is limited by the base disk
  • the guide disc 16 directly associated with the base plate 1 1, which has a larger, the nozzle needle 9 limited enclosing inner diameter compared to the central opening 13 of the base disc 1 1.
  • a further delimitation of the second annular space 21 is effected by a control surface 23 and the guide collar 15 of the nozzle needle 9.
  • the control piston 8 is guided with an enlarged piston diameter in a sleeve 25 assigned to an end body 24, which to confine a control room 26 together.
  • the connection to the high-pressure connection 5 is interrupted and a connection to the low-pressure connection 7 is established, connected to a pressure drop in the control chamber
  • FIG. 2 shows the detail "X" of the injection device 1 according to FIG. 1 on an enlarged scale and in particular clarifies the structure of the hydraulic coupler 10. To achieve a more rapid pressure and volume compensation between the annular spaces 20, 21, it closes in the base disk 1 1 integrated opening 13 for receiving the guide collars 14, 15 at least one longitudinal groove 42.
  • the guide collar 15 of the nozzle needle 9 is formed as a polygonal profile, for example as a square Diameter D 2 of the nozzle needle 9, which correspondingly differentiates the hydraulically actuated control surfaces 22, 23 of the annular spaces 20, 21.
  • This design accelerates the response, the adjusting movement of the control piston 8 after energizing the switching valve 6.
  • a stepped section 31 pointing to the sealing seat 19 , a radial step of the sliding sleeve 17 with the diameter R D 3 forms a hydraulically loadable annular surface, which allows for pressure peaks occurring within the annular space 20, an overpressure against the Hochdruckdraum 33 lifting the sliding sleeve 17 of the base plate 1 1.
  • a flow throttle 45 is integrated in the fluid passage 34 of the base disk 11.
  • the diameter D 4 of the annular space 21 exceeds the diameter D 2 of the nozzle needle 9, and thus ensures an unimpeded adjusting movement of the nozzle needle 9 within the annular space 21st
  • a stroke stop 44 is provided for the nozzle needle 9 within the annular space 21 on the base plate 1 1.
  • the lengths Si and S 2 of the guide collars 14, 15 are different, which are chosen in coordination with the base plate thickness so that in all positions of the valve element 2, both the control piston 8 and the nozzle needle 9 in the base plate 1 1 is sufficiently performed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, mit einem mehrteilig aufgebauten, in einem Gehäuse (3) und einem Düsenkörper (4) integrierten, verschiebbar geführten Ventilelement (2), das einen Steuerkolben (8) und eine Düsennadel (9) umfasst, die innerhalb eines Hochdruckraums (33) über einen hydraulischen Koppler (10) verbunden sind. Der einem Steuerraum (26) zugeordnete Steuerkolben (8) ist über ein Schaltventil (6) mit einem Hochdruckanschluss (5) oder einem Niederdruckanschluss (7) verbindbar. Abhängig von einer Schaltposition des Schaltventils (6) hebt die Düsennadel (9) zur Kraftstoffeinspritzung von einem Ventilsitz (41) ab oder schließt den Ventilsitz (41). Der hydraulische Koppler (10) umfasst einen Führungskörper (12), bestehend aus einer zwischen dem Gehäuse (3) und dem Düsenkörper (4) hydraulisch dicht verspannten Basisscheibe (11) mit zentraler Öffnung (13), in der die Düsennadel (9) und der Steuerkolben (8) jeweils über einen Führungsbund (14, 15) geführt sind. Der hydraulische Koppler (10) bildet einen ersten Ringraum (20), der von der Basisscheibe (11), dem Führungsbund (14), einer Steuerfläche (22) sowie einer separaten Schiebehülse (17) des Steuerkolbens (8) begrenzt ist. Ein zweiter, zumindest über einen Leckspalt (32) mit dem ersten Ringraum (20) verbundener Ringraum (21) wird von der Basisscheibe (11), einschließlich unmittelbar zugehöriger Führungsbuchse (16) sowie einer Steuerfläche (23) und dem Führungsbund (15) der Düsennadel (9) begrenzt.

Description

Beschreibung
Titel
Kraftstoffeinspritzvorrichtunq mit hydraulischem Koppler Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine auch als Kraftstoffinjektor bezeichnete Kraftstoff- Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem mehrteilig aufgebauten, in einem Gehäuse und einem Düsenkörper integrierten, verschiebbar geführten Ventilelement, das einen Steuerkolben und eine Düsennadel umfasst. Diese Bauteile, der Steuerkolben und die Düsennadel, sind innerhalb eines Hochdruckraums über einen hydraulischen Koppler verbunden. Der Steuerkolben steht mit einem Steuerraum in Verbindung, welcher von einem Steuerventil gesteuert, mit einem Niederdruck- oder Rücklaufsystem verbunden werden kann. Abhängig von einer Schaltposition des Schaltventils erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung über eine Austrittsöffnung, indem die Düsennadel von einem Ventilsitz abhebt oder ein Verschließen der Düsennadel bewirkt.
Stand der Technik
Es sind Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen allgemein bekannt, mit denen ein Diesel- oder Ottokraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Hierzu ist in einem Gehäuse ein Ventilelement angeordnet, welches im Bereich einer Kraftstoff-Austrittsöffnung eine insgesamt in Öffnungsrichtung des Ventilelementes wirkende Druckfläche aufweist. Am entgegengesetzten Ende des Ventilelementes ist eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche vorhanden, welche einen Steuerraum begrenzt. Bei diesen Vorrichtungen können hydraulische Schwingungen zwischen dem als Hochdruckspeicher ausgebildeten Common-Rail und der Einspritzvorrichtung auftreten. Derartige Schwingungen haben einen nachteiligen Einfluss auf den Einspritzverlauf, insbesondere bei Mehrfacheinspritzung, und auf den Verschleiß der Düsennadel bzw. des Injektors. Um diesen Druckschwingungen entgegenzuwirken, ist aus der DE 10 2006 026 877 A1 bekannt, innerhalb des Gehäuses ein zusätzliches, die Schwingungen dämpfendes Speichervolumen vorzusehen.
Eine gattungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist aus der WO 2007/098975 A1 bekannt. Bei dieser hubgesteuerten Einspritzvorrichtung wird ein Steuerraum, der über eine Steuerfläche mit einem Steuer- oder Kopplerkolben zusammenwirkt, von einem Steuerventil angesteuert. Der Steuerkolben ist an dem vom Steuerraum abgewandten Ende in einem Führungselement geführt und unmittelbar an der in einem Düsenkörper eingesetzten Düsennadel innerhalb eines Kopplerraums des Führungselements abgestützt. Bei geschlossener Kraftstoff-Einspritzvorrichtung liegt in einem Bereich der in Öffnungsrichtung wirkenden Druckfläche und an der in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche ein hoher Kraftstoffdruck an, der von einer Kraftstoff-Sammelleitung (Common-Rail) bereitgestellt wird. Zum Öffnen des Ventilelements bzw. der Düsennadel wird der an der Steuerfläche anliegende Druck abgesenkt, bis die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraftresultierende an der Druckfläche in Schließrichtung wirkende Kraft übersteigt, um ein Öffnen der Düsennadel zu bewirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gegenüber bekannten Vorrichtungen verbesserte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bereitzustellen, die möglichst bauteiloptimiert aufgebaut und einfach montierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist für eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ein hydraulischer Koppler mit einem Führungskörper vorgesehen, der eine zwischen dem Gehäuse und dem Düsenkörper hydraulisch dicht verspannte Basisscheibe umfasst. In der Basisscheibe ist zur Führung der Düsennadel und des Steuerkolbens bzw. des Kopplerkolbens eine zentrale Öffnung integriert, in die jeweils ein Führungsbund der Düsennadel und des Steuerkolbens formschlüssig eingreifen. Der konstruktive Aufbau sieht weiterhin vor, dass der hydraulische Koppler einen ersten Ringraum umfasst, der von der Basis- scheibe, dem Führungsbund, einer Steuerfläche und einer separaten Schiebehülse des Steuerkolbens begrenzt ist. Ein zweiter Ringraum des hydraulischen Kopplers, der über zumindest einen Leckspalt mit dem ersten Ringraum verbunden ist, wird von der Basisscheibe, einschließlich unmittelbar zugehöriger Führungsbuchse sowie einer Steuerfläche und dem Führungsbund der Düsennadel begrenzt. Die einstückig mit der Basisscheibe verbundene Führungsbuchse umfasst einen gegenüber der zentralen Öffnung für den Führungsbund vergrößerten Innendurchmesser und umschließt die Düsennadel außenseitig längenbegrenzt.
Durch die in der Basisscheibe integrierte Öffnung zur Führung des Steuerkolbens und der Düsennadel entfallen gegenüber bisher bekannten Lösungen verschiedene Bauteile, wie beispielsweise eine zusätzliche Scheibe oder Feder, wodurch sich vorteilhaft ein bauteiloptimierter Aufbau des hydraulischen Kopplers einstellt. Darüber hinaus bewirkt die Erfindung eine vereinfachte bauteil- und bauraumoptimierte Bauweise, die zu einer kostengünstigen Herstellung des Ventilelements führt. Zur Realisierung der vorliegenden Erfindung können darüber hinaus vorteilhaft Komponenten bisheriger Vorrichtungen verwendet werden. Aufgrund des verringerten Bauteilumfangs sowie der unmittelbar zwischen dem Gehäuse und dem Düsenkörper verspannten Basisscheibe vereinfacht sich außerdem die Montage. Somit kann durch die erfindungsgemäße Kraftstoff- Einspritzvorrichtung ein deutlicher Kostenvorteil realisiert werden.
Der hydraulische Koppler, zur Realisierung einer Weg Übersetzung und einer Umkehr der Bewegungsrichtung, gemäß der Erfindung schließt außerdem die Vorteile bisheriger Lösungen ein, wie ein zentrisches, leckageloses, die Funktion verbesserndes Hochdruckvolumen. Dadurch ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Fertigung, wie beispielsweise die einfache Einbringung der zentralen Öffnung in die Basisscheibe. Weiterhin verbessert sich die Festigkeit des hydraulischen Ventilelements aufgrund eines Wegfalls kritischer Verschneidungen von Hochdruckbohrungen, was sich vorteilhaft auf die Funktion und die Lebensdauer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auswirkt. Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zeichnet sich weiter aus durch einen hohen Wirkungsgrad, da gegenüber früheren Vorrichtungen zwischen dem Ventilelement und dem Gehäuse Leckagen nicht mehr auftreten. Der erfindungsgemäße Aufbau, insbesondere der Führungskörper des hydraulischen Kopplers, ermöglicht eine vereinfachte Anpassung bzw. einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen, die vorteilhaft die Injektorfunktion verbessern. Der zwei Ringräume umfassende Koppler gemäß der Erfindung bildet ein vergrößertes internes Speichervolumen, das ein Auftreten von nachteiligen hydraulischen Schwingungen zwischen der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung und dem Hochdruckanschluss, einem Common-Rail, unterbindet. Diese Schwingungen oder Druckwellen nehmen einen negativen Einfluss auf den Einspritzverlauf, insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen und den Verschleiß der Düsennadel an dem Ventilsitz. Zusätzlich steigt die Genauigkeit der Einspritzmenge bei Mehrfacheinspritzungen. Der hydraulische Koppler zweier separater Bauteile des Ventilelementes erhöht den Freiheitsgrad bei der Auslegung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung. Bevorzugt wird das Ventilelement mit nahezu überein- stimmender Druckfläche und Steuerfläche ausgelegt, um einen Druckausgleich mit entsprechend hoher Dynamik realisieren zu können.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Bildung des zweiten Ringraums des hydraulischen Kopplers eine separate, linear verschiebbare, den Steuerkolben um- schließende Schiebehülse bzw. Steuerhülse vorgesehen. Die den Steuerkolben umschließende Schiebehülse wird dabei von einem Federmittel, insbesondere einer Druckfeder beaufschlagt und ist über einen Dichtsitz kraftschlüssig und abgedichtet an der Basisscheibe des Führungskörpers abgestützt. Zur Optimierung der Funktion der Schiebehülse ist vorgesehen, dass die Vorspannkraft des beaufschlagenden Federmittels auf ein definiertes Druckniveau im Ringraum abgestimmt ist. Dadurch kann die Schiebehülse zusätzlich eine Schaltfunktion ausüben, indem die Schiebehülse bei einem auftretenden Überdruck im ersten Ringraum des hydraulischen Kopplers gegenüber dem Druck im Hochdruckraum vom Dichtsitz ab- hebt. Dazu umfasst die Schiebehülse innenseitig einen gegenüber dem Steuerkolben aufgeweiteten, radial gestuften Abschnitt, der eine ringförmige hydraulisch
beaufschlagbare Steuerfläche bildet.
Als Maßnahme zur Vermeidung einer Schiefstellung im Einbauzustand ist die Schiebe- hülse weitestgehend mittig über einen jeweils von den Stirnseiten der Schiebehülse axial beabstandeten Führungsabschnitt an dem Steuerkolben geführt. Die Schiebehülse weist versetzt zudem Führungsabschnitt einen vergrößerten Innendurchmesser auf. Diese Maßnahme gewährleistet einen fertigungsbedingten Toleranzausgleich und stellt eine geschlossene ringförmige Anlage der Schiebehülse an dem Dichtsitz der Basis- platte sicher, zur Erzielung einer wirksamen Abdichtung. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die hydraulisch wirksamen Druck- und / oder Steuerflächen des Ventilelementes unterschiedlich dimensioniert sind. Damit kann beispielsweise das Ansprechverhalten des hydraulischen Kopplers bzw. die Funktionsweise des Ventilelementes unmittelbar beeinflusst werden, um z.B. eine unterschiedliche Stellgeschwindigkeit zwischen dem Steuerkolben und der Düsennadel zu realisieren. Dazu bietet es sich an, die hydraulisch wirksamen Steuerflächen von den Ringräumen des hydraulischen Kopplers abweichend voneinander auszulegen. Die Größe dieser Ringräume wird dabei unmittelbar von dem Durchmesser des Steuerkolbens und der Düsennadel bestimmt. Weiterhin wird die Vo- lumengröße der Ringräume des hydraulischen Kopplers von der Länge und dem
Durchmesser der Führungsbunde des Steuerkolbens und der Düsennadel bestimmt.
Eine bevorzugte Auslegung sieht vor, einen Steuerkolben einzusetzen, dessen Durchmesser den Durchmesser der Düsennadel übertrifft. Diese Maßnahme bewirkt zu Be- ginn der Kraftstoffeinspritzung ein schnelleres Ansprechverhalten des Steuerkolbens gegenüber der Düsennadel.
Bei einer Auslegung des hydraulischen Kopplers, bei dem die hydraulisch beaufschlagte Fläche der Düsennadel kleiner ist als die vergleichbare Fläche des Steuerkolbens wirkt der hydraulische Koppler bei geöffneter Düsennadel als eine in Schließrichtung wirkende hydraulische Feder, die ein sicheres Schließen der Düsennadel unterstützt.
Ein weiteres Auslegungskriterium des hydraulischen Kopplers betrifft die in der Basisscheibe geführten Führungsbunde, die unter anderem auf die Bauteilstärke der Basis- scheibe abgestimmt sind. Die Führungsbundlänge übertrifft den jeweiligen Stellweg von dem zugehörigen Bauteil um einen Betrag, der eine sichere Führung des Steuerkolbens und der Düsennadel in der Öffnung der Basisscheibe sicherstellt. Bei unterschiedlich auftretenden Stellwegen bietet es sich beispielsweise an, dass eine Führungsbundlänge des Steuerkolbens eine Führungsbundlänge der Düsennadel übertrifft.
Zur Optimierung der Funktion des hydraulischen Kopplers ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zentrale Öffnung der Basisscheibe des Führungskörpers zumindest eine Längsnut aufweist. Mit dieser Maßnahme stellt sich eine beschleunigter Druck- und Strömungsausgleich des Hydraulikfluids der beabstandeten Ringkanäle des hydraulischen Kopplers ein. Ergänzend oder alternativ zu einer Längsnut bietet sich gemäß eines weiteren konstruktiven Konzepts der Erfindung an, dass die Düsennadel mit einem als Mehrkantprofil ausgebildeten Führungsbund in die zentrale Öffnung der Basisscheibe eingreift. Vorteilhaft ist zusätzlich, den Führungsbund des Steuerkolbens mit einem korrespon- dierenden Mehrkantprofil zu versehen.
Bedingt durch die Einbaulage der Basisscheibe bilden sich zwei getrennte Bereiche des Hochdruckraums. Zur Erreichung einer ungehinderten Fluidbeaufschlagung des Düsennadel-Druckraums ist in der Basisscheibe zumindest ein Fluiddurchtritt oder ein Fluidkanal vorgesehen. Als Maßnahme um die Fluidströmung zu beeinflussen bietet es sich an, in jedem Fluiddurchtritt der Basisscheibe eine Strömungsdrossel einzubringen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept ist die Basisscheibe des Führungskörpers hydraulisch dicht zwischen dem Gehäuse und dem Düsenkörper verspannt. Zur Errei- chung einer definierten exakten Einbaulage des Führungskörpers ist die Basisscheibe außenseitig unmittelbar von einer das Gehäuse und die Düse zusammenfügenden Spannmutter umschlossen, wodurch sich keine nachteilige Schiefstellung des Ventilelementes einstellt. Zur Schaffung einer wirksamen Hubbegrenzung der Düsennadel bildet die Basisscheibe innerhalb des zweiten Ringraums einen Hubanschlag, der vorteilhaft die Randzone der zentralen Öffnung umschließt. Zur gezielten Einflussnahme auf die Einspritzmenge bietet es sich an, zusätzlich ein den Stellweg der Düsennadel begrenzendes Hubeinstellstück einzubringen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen her beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit hydraulischem Koppler, entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform, Figur 2 einen Ausschnitt„X" der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, gemäß Figur 1 in einer vergrößerten Darstellung.
Ausführungsform der Erfindung
Die Einspritzvorrichtung 1 gemäß Figur 1 , die auch als Kraftstoff! njektor bezeichnet werden kann, umfasst ein Ventilelement 2, das in einem Gehäuse 3 sowie in einem Düsenkörper 4 verschiebbar angeordnet ist. Eine in Figur 1 nicht abgebildete Hochdruckpumpe fördert den Diesel- oder Ottokraftstoff aus einem Vorratsbehälter in einen auch als Common-Rail bezeichneten Hochdruckanschluss 5, an dem mehrere Einspritzvorrichtungen 1 angeschlossen sind, über die der Kraftstoff direkt in zugeordnete Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Weiterhin ist die Einspritzvorrichtung 1 über ein Schaltventil 6 mit einem Niederdruckanschluss 7 und einem nachfolgenden Kraftstoff-Vorratsbehälter verbunden. Das Ventilelement 2 umfasst einen im Gehäuse 3 geführten, auch als Kopplerkolben bezeichneten Steuerkolben 8 sowie eine Düsennadel 9, die über einen hydraulischen Koppler 10 verbunden sind. Der Aufbau des Kopplers 10 schließt einen Führungskörper 12 ein, bestehend aus einer zwischen dem Gehäuse 3 und dem Düsenkörper 4 eingesetzten Basisscheibe 1 1 , die mittels einer Spannmutter 43 hydraulisch dicht verspannt ist. In einer zentrischen Öffnung 13 der Basisscheibe 1 1 sind der Steuerkolben 8 und die Düsennadel 9 jeweils über einen Führungsbund 14,15 geführt. Die Düsennadel 9 ist weiterhin in einer einstückig mit der Basisscheibe 1 1 verbundenen Führungsbuchse 16 geführt. Eine separate, den Steuerkolben 8 umschließende, von einem Federmittel 18 beaufschlagte Schiebehülse 17 ist kraftschlüssig über einen Dichtsitz 19 an der Basisscheibe 1 1 abgestützt.
Der hydraulische Koppler 10 bildet zwei zumindest über einen Leckspalt 32 verbundene Ringräume 20,21. Ein erster Ringraum 20 wird von der Basisscheibe 1 1 , dem Führungsbund 14, einer Steuerfläche 22 sowie der separaten Schiebehülse 17 des Steu- erkolbens 8 begrenzt. Der zweite Ringraum 21 wird eingegrenzt von der Basisscheibe
1 1 , der unmittelbar der Basisscheibe 1 1 zugehörigen Führungsbuchse 16, die im Vergleich zur zentralen Öffnung 13 der Basisscheibe 1 1 einen größeren, die Düsennadel 9 begrenzt umschließenden Innendurchmesser aufweist. Eine weitere Begrenzung des zweiten Ringraums 21 erfolgt durch eine Steuerfläche 23 und den Führungsbund 15 der Düsennadel 9. Am freien Ende ist der Steuerkolben 8 mit einem vergrößerten Kolbendurchmesser in einer einem Endkörper 24 zugeordneten Hülse 25 geführt, die ge- meinsam einen Steuerraum 26 begrenzen. Bei stromlosem Schaltventil 6 und geschlossener Düsennadel 9 gemäß Figur 1 ist der Hochdruckanschluss 5 über den Kanal 28 mit einem Ringkanal 29 und dem Schaltventil 6 verbunden. Von dem Ringkanal 29 wird der System- oder Raildruck in einen Hochdruckraum 33 sowie über eine Zu- laufdrossel 30 in den Steuerraum 26 übertragen. Weiterhin stellt sich der Systemdruck über einen Fluiddurchtritt 34 der Basisscheibe 1 1 in einem düsennadelseitigen Abschnitt des Hochdruckraums 33 sowie über einen Kanal 35 im Druckraum 36 ein. Aufgrund nicht vermeidbarer Leckagen durch die Führung der Düsennadel 9 in der Schiebehülse 16 und des Steuerkolbens 8 in der Führungsbuchse 17 herrscht auch in den Ringräumen 20,21 des Kopplers 10 der Systemdruck. Bei geschlossener Düsennadel
9 wird nur ein Teil der Druckfläche 36 im Bereich der Austrittsöffnungen 37a, 37b von dem Raildruck beaufschlagt, dadurch stellt sich in einer Summierung mit der Druckfläche 38 an der Düsennadel 9 eine in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft ein, die geringer ist als die in Schließrichtung an einer Steuerfläche 39 im Steuerraum 26 des Steuerkolbens 8 wirkende Kraft, die durch die Kraft eines Federmittels 40 unterstützt wird.
Nach einer Bestromung des als 2/2 -Wegeventil ausgeführten Schaltventils 6 wird die Verbindung zu dem Hochdruckanschluss 5 unterbrochen und eine Verbindung zu dem Niederdruckanschluss 7 hergestellt, verbunden mit einem Druckabfall im Steuerraum
26. Die sich dabei einstellende Druck- und Kraftdifferenz zwischen der Steuerfläche 22 im Ringraum 20 und der Steuerfläche 39 des Stellkolbens 8 bewirkt eine Stellbewegung des Stellkolbens 8 in Pfeilrichtung, entgegen der Federkraft des Federmittels 40. Die Stellbewegung des Stellkolbens 8 unterbricht außerdem die Verbindung des Steu- erraums 26 zu dem Kanal 28 und bewirkt eine Volumenvergrößerung des Ringraums
20, die den hydraulischen Druck in beiden Ringräumen 20, 21 des hydraulischen Kopplers 10 reduziert, die über einen Leckspalt 32 verbunden sind. Der reduzierte Druck ermöglicht eine Verstellung, ein Abheben der Düsennadel 9 von einem Dichtsitz 41 , wodurch sich die vom Hydraulikfluid beaufschlagte Druckfläche 46 der Düsennadel 9 vergrößert, und damit den Öffnungsprozess der Düsennadel 9 unterstützt und eine
Kraftstoffeinspritzung durch die Austrittsöffnungen 37a, 37b in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zu beginnen. Zur Beendigung der Einspritzung wird das Schaltventil 6 in die Ausgangsstellung gebracht, wodurch der Steuerraum 26 und der Hochdruckraum 33 mit dem Hochdruckanschluss 5 verbunden sind. Durch den Anstieg des Drucks im Steuerraum 26 auf den Raildruck wird der Steuerkolben 8 in Schließrichtung bewegt. Die Figur 2 zeigt das Detail„X" der Einspritzvorrichtung 1 , gemäß Fig.1 in einem vergrößerten Maßstab und verdeutlicht insbesondere den Aufbau des hydraulischen Kopplers 10. Zur Erzielung eines schnelleren Druck- und Volumenausgleichs zwischen den Ringräumen 20,21 schließt die in der Basisscheibe 1 1 integrierte Öffnung 13 zur Aufnahme der Führungsbunde 14, 15 zumindest eine Längsnut 42 ein. Alternativ oder ergänzend zu der Längsnut 42 ist der Führungsbund 15 der Düsennadel 9 als Mehrkantprofil, z.B. als Vierkant ausgebildet. Der Durchmesser D-ι des Steuerkolbens 8 übertrifft den Durchmesser D2 der Düsennadel 9, wodurch sich entsprechend die hydraulisch beaufschlagten Steuerflächen 22,23 der Ringräume 20,21 unterscheiden. Diese Auslegung beschleunigt das Ansprechverhalten, die Stellbewegung des Steuerkolbens 8 nach einer Bestromung des Schaltventils 6. Ein zum Dichtsitz 19 zeigender gestufter Abschnitt 31 , eine radiale Stufe der Schiebehülse 17 mit dem Durchmesser D3 bildet eine hydraulisch beaufschlagbare Kreisringfläche, die bei auftretenden Druckspitzen innerhalb des Ringraums 20, einem Überdruck gegenüber dem Hochdruckdraum 33 ein Abheben der Schiebehülse 17 von der Basischeibe 1 1 ermöglicht. Zur Einflussnahme auf die Kraftstoffströmung innerhalb des Hochdruckraums 33 ist in dem Fluiddurchtritt 34 der Basisscheibe 1 1 eine Strömungdrossel 45 integriert. Der Durchmesser D4 des Ringraums 21 übertrifft den Durchmesser D2 der Düsennadel 9, und gewährleistet damit eine ungehinderte Stellbewegung der Düsennadel 9 innerhalb des Ringraums 21 . Weiterhin ist innerhalb des Ringraums 21 an der Basisscheibe 1 1 ein Hubanschlag 44 für die Düsennadel 9 vorgesehen. Die Längen Si und S2 der Führungsbunde 14, 15 sind abweichend, wobei diese in Abstimmung mit der Basisscheibenstärke so gewählt sind, dass in allen Positionen des Ventilelementes 2 sowohl der Steuerkolben 8 als auch die Düsennadel 9 in der Basisscheibe 1 1 ausreichend geführt ist.

Claims

Ansprüche
1 . Kraftstoff-Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, mit einem mehrteilig aufgebauten, in einem Gehäuse (3) und einem Düsenkörper (4) integrierten, verschiebbar geführten Ventilelement (2), das einen Steuerkolben (8) und eine Düsenna- del (9) umfasst, die innerhalb eines Hochdruckraums (33) über einen hydraulischen
Koppler (10) verbunden sind, wobei der Steuerkolben (8) mit einem Steuerraum (26) zusammenwirkt, welcher über ein Schaltventil (6) mit einem Hochdruckanschluss (5) oder einem Niederdruckanschluss (7) verbindbar ist und abhängig von einer Schaltposition des Schaltventils (6) die Düsennadel (9) von einem Ventilsitz (41 ) zur Kraftstoff- einspritzung über eine Austrittsöffnung (34a, 37b) abhebt oder den Ventilsitz (41 ) schließt,
dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (10) einen Führungskörper (12) umfasst, bestehend aus einer zwischen dem Gehäuse (3) und dem Düsenkörper (4) hydraulisch dicht verspannten Basisscheibe (1 1 ) mit zentraler Öffnung (13), in der die Düsennadel (9) und der Steuerkolben (8) jeweils über einen Führungsbund (14,15) geführt sind und der hydraulische Koppler (10) einen ersten Ringraum (20) umfasst, der von der Basisscheibe (1 1 ), dem Führungsbund (14), einer Steuerfläche (22) sowie einer separaten Schiebehülse (17) des Steuerkolbens (8) begrenzt ist und ein zweiter, zumindest über einen Leckspalt (32) mit dem ersten Ringraum (20) verbundener Ring- räum (21 ) von der Basisscheibe (1 1 ), einschließlich unmittelbar zugehöriger Führungsbuchse (16), sowie einer Steuerfläche (23) und dem Führungsbund (15) der Düsennadel (9) begrenzt ist.
2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die separate linear verschiebbare, den Steuerkolben
(8) umschließende Schiebehülse (17) des hydraulischen Kopplers (10) über einen Dichtsitz (19) von einem Federmittel (40) beaufschlagt, an der Basisscheibe (1 1 ) des Führungskörpers (12) abgestützt ist.
3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebehülse (17) bei einem Überdruck im ersten Ringraum (20) gegenüber einem Druck im Hochdruckraum (33) von dem Dichtsitz (19) abhebt, wobei die Schiebehülse (17) dichtsitzseitig gegenüber dem Steuerkolben (8) innenseitig einen gestuften Abschnitt (31 ) aufweist.
4. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebehülse (17) über einen jeweils von den Stirnseiten der Schiebehülse (17) axial beabstandeten Führungsabschnitt (S3) an dem Steuerkolben (8) geführt ist.
5. Einspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulisch wirksamen Druck- und / oder Steuerflächen des Ventilelementes (2) unterschiedlich dimensioniert sind.
6. Einspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung abweichend voneinander ausgelegter hydraulisch wirksamer Steuerflächen (22, 23) des hydraulischen Kopplers (10) ein Durchmesser (D-ι) des Steuerkolbens (8) einen Durchmesser (D2) der Düsennadel (9) übertrifft.
7. Einspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbunde (14, 15) mit einer Länge (S'i , S2) in der Basisscheibe (1 1 ) geführt sind, die maximale Stellwege der Düsennadel (9) und des Steuerkolbens (8) übertreffen.
8. Einspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Öffnung (13) der Basisscheibe (1 1 ) des Führungskörpers (12) zumindest eine die Ringkanäle (20,21 ) des hydraulischen Kopplers (10) verbindende Längsnut (42) aufweist.
9. Einspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (9) und / oder der Steuerkolben (8) mit einem zylindrisch oder als ein Mehrkantprofil ausgebildeten Führungsbund (14, 15) in die Öffnung (13) der Basisscheibe (1 1 ) eingreift.
10. Einspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die den Hochdruckraum (33) aufteilende Basisschei- be (1 1 ) des Führungskörpers (12) zumindest einen Fluiddurchtntt (34) oder Fluidkanal einschließt.
1 1 . Einspritzvorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsdrossel (45) in dem Fluiddurchtntt (34) der Basisscheibe (1 1 ) des Führungskörpers (12) integriert ist.
12. Einspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Basisscheibe (1 1 ) des Führungskörpers (12) außenseitig von einer das Gehäuse (3) und die Düsenkörper (4) zusammenfügenden Spannmutter (43) umschlossen ist.
13. Einspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zweiten Ringraums (21 ) die Basisscheibe (1 1 ) des Führungskörpers einen Hubanschlag (44) für die Düsennadel (9) bildet.
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