DE102006055548A1

DE102006055548A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102006055548A1
Application number: DE200610055548
Authority: DE
Inventors: Holger Rapp; Andreas Rettich; Friedrich Boecking; Markus Rueckle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-05-29
Also published as: WO2008061844A1

Abstract

Bei einem Kraftstoffinjektor (1) für Brennkraftmaschinen mit einem an eine Hochdruckseite (5) angeschlossenen Steuerraum (2), über dessen Druck die Bewegung einer Düsennadel (3) gesteuert wird, und mit einem Steuerventil (6), das die Verbindung des Steuerraums (2) zu einer Niederdruckseite (7) entweder sperrt oder öffnet, weist das Steuerventil (6) erfindungsgemäß einen feststehenden Ventilbolzen (9) und eine darauf zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Ventilstellung verschiebbar geführte, kraftausgeglichene Steuerhülse (10) auf, w kommenden inneren Entlastungskanal (11) aufweist, der in eine innenseitige Ringnut (12) der Steuerhülse (10) mündet, und wobei die Steuerhülse (10) eine sich in ihrer Öffnungsrichtung an die Ringnut (12) anschließende Dichtfläche aufweist, die mit einem Ventilsitz (13) des Ventilbolzens (9) zusammenwirkt, dessen Sitzöffnung an die Niederdruckseite (7) angeschlossen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit seiner kraftausgeglichenen Steuerhülse hat je nach Bauart einen oder mehrere der folgenden Vorteile:

– Strömungsoptimiertes Steuerventil für einen CommonRail-Injektor.
– Durch Verwendung von drei Bauteilen (Ventilbolzen, Steuerhülse mit Anker und Ventilscheibe) ergibt sich eine sehr einfache Lösung für das Steuerventil.
– Der im Ventilbolzen geführte Hochdruck (CommonRail-Druck) reduziert das Führungsspiel zwischen Ventilbolzen und Steuerhülse und damit auch die Leckage um bis zu 50-70%. Bei geöffneter Steuerhülse, also während der Ventilbewegung, ist das Führungsspiel aufgrund des reduzierten Drucks vergrößert, was eine zusätzliche Sicherheit gegen Reibung darstellt.
– Kraftausgeglichene Steuerventile mit großem Ventildurchmesser sind gut gedämpft und haben den Vorteil, nur kleine Ventilhübe zu machen.
– Wenn der Absteuerstoß des Steuerventils nicht über den Magnetanker geführt wird, wird dieser nicht zum Schwingen angeregt.
– Mit einem kraftausgeglichenen Steuerventil kann die Dynamik des Injektors verbessert werden.
– Ein als Flachsitzventil ausgeführtes Steuerventil ermöglicht eine sehr kompakte Lösung mit einer sehr steilen Durchflusskennlinie.
– Durch Verwendung eines kraftausgeglichenen Ventils kann ein sehr schmaler Piezoaktor verwendet werden, der speziell auf Hub gezüchtet ist. Dabei ist es vorteilhaft, das Ventil mit einem hydraulischen Übersetzer zu kombinieren. Da vom Piezoaktor kaum Kraft abverlangt wird, kann er im Durchmesser sehr klein sein.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren sind teilweise abgebrochen, schematisch und nicht maßstäblich. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors (EM 2005/4318);
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors (EM 2006/0037);
3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors (EM 2006/0020);
4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors (EM 2006/0096);
5 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors (EM 2006/0094); und
6 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors (EM 2006/0012).
Ausführungsformen der Erfindung
Der in 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 wird üblicherweise bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern verwendet, wobei jedem dieser Zylinder ein solcher Injektor (Kraftstoffeinspritzventil) zugeordnet ist. Dieser Injektor weist in an sich bekannter Weise eine in einen Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine ragende, hier nicht näher dargestellte Einspritzdüse sowie eine die Einspritzdüse abhängig vom Druck in einem Steuerraum 2 öffnende und schließende, hier nur zu einem kleinen Teil angedeutete Düsennadel 3 auf. Der Steuerraum 2 ist über eine Zulaufdrossel (Z-Drossel) 4 dauerhaft an eine Hochdruck-Zulaufleitung (Hochdruckseite) 5 angeschlossen. Zum Steuern des Einspritzvorgangs ist ein Steuerventil 6 in Form eines 2/2-Wegeventils vorgesehen, das die Verbindung des Steuerraums 2 mit einem Niederdruckraum (Niederdruckseite) 7, welcher an einen Leckölablauf 7a angeschlossen ist, öffnet oder sperrt. Die Hochdruck-Zulaufleitung 5 kann mit einem nicht gezeigten Hochdruckspeicher (CommonRail) und die Niederdruck-Ablaufleitung 7 mit Lecköl verbunden sein. Die Düsennadel 3 ist unter Ausbildung des Steuerraums 2 in einem Ventilstück 8 geführt, in dem auch die Z-Drossel 4 vorgesehen ist.
Das Steuerventil 6 umfasst einen feststehenden Ventilbolzen 9 und eine kraftausgeglichene Steuerhülse 10, die auf dem fort von der Düsenadel 3 gerichteten freien Ende des Ventilbolzens 9 zwischen zwei Ventilstellungen verschiebbar geführt ist. Der Ventilbolzen 9 weist einen vom Steuerraum 2 kommenden inneren Entlastungskanal 11 auf, der in eine innenseitige Ringnut 12 der Steuerhülse 10 mündet. Die Steuerhülse 10 weist eine sich nach oben an die Ringnut 12 anschließende Dichtfläche auf, die mit einem konischen Ventilsitz 13 des Ventilbolzens 9 zusammenwirkt, dessen Sitzöffnung an die Niederdruckseite 7 angeschlossen ist. Die Steuerhülse 10 verschließt in ihrer einen, in 1 gezeigten geschlossenen Ventilstellung die Ringnut 12 nach außen und öffnet in ihrer anderen, geöffneten Ventilstellung die Verbindung der Ringnut 12 zu der Niederdruckseite 7. Der Entlastungskanal 11 ist mit dem Steuerraum 2 über eine im Ventilstück 8 vorgesehene Ablaufdrossel (A-Drossel) 14 verbunden und im Ventilbolzen 9 durch eine Längsbohrung 15 und davon zur Ringnut 12 abgehende Querbohrungen 16 gebildet. Die Steuerhülse 10 ist durch eine gehäuseseitig abgestützte Schließfeder 17 in ihre geschlossene Ventilstellung vorgespannt und mittels einer Magnetspule 18, deren Magnetfeld auf einen scheibenförmigen Anker 19 der Steuerhülse 10 wirkt, in ihre geöffnete Ventilstellung verschiebbar. Der Anker 19 ist am oberen Ende der Steuerhülse 10 vorgesehen. Das Ventilstück 8 und eine Ventilscheibe 20 sind in einer Bohrung eines Injektorkörpers 21 mittels einer Ventilspannschraube 22 verspannt, wodurch auch der in der Ventilscheibe 20 geführte Ventilbolzen 9, der am unteren Ende einen von der Ventilscheibe 20 übergriffenen Ringabsatz 23 aufweist, mit dem Injektorkörper 21 verspannt ist. Die Magnetspule 18 mit ihrem Magnetkern 24 sind im Innern einer Magnethülse 25 angeordnet, die mittels einer Magnetspannmutter 26 am Injektorkörper 21 befestigt ist.
In ihrer in 1 gezeigten geschlossenen Ventilstellung liegt die Steuerhülse 10 an dem konischen Ventilsitz 13 des Ventilbolzens 9 an. Der Öffnungsdurchmesser d des Ventilsitzes 13 ist dabei gleich dem Führungsdurchmesser D des freien Endes des Ventilbolzens 9, wodurch die Steuerhülse 10 kraftausgeglichen ist. In dieser geschlossenen Ventilstellung ist die Verbindung des Steuerraums 2 zur Niederdruckseite 7 durch die die Ringnut 12 verschließende Steuerhülse 10 gesperrt und daher die Düsennadel 3 durch den im Steuerraum 2 herrschenden Hochdruck geschlossen. Wird die Magnetspule 18 bestromt, wird die Steuerhülse 10 vom Ventilsitz 13 in Richtung auf das freie Ende des Ventilbolzens 9, d.h. nach oben, in ihre geöffnete Ventilstellung gezogen, wodurch sich der Druck im Steuerraum 2 reduziert und die Düsennadel 3 öffnet. Da die Steuerhülse 10 kraftausgeglichen ist, werden nur kleine Kräfte benötigt, um die Steuerhülse 10 zu öffnen. Die Steuerhülse 10 macht nur einen sehr kleinen Öffnungshub von ca. 18-25 μm. Bei geöffneter Steuerhülse 10 begrenzt die A-Drossel 14 den Durchfluss. Wird die Bestromung der Magnetspule 18 aufgehoben, wird die Steuerhülse 10 über die Schließfeder 17 nach unten zurück in ihre geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt. Der Ventilsitz 13 lenkt die Steuermenge aus der Ringnut 12 über die Sitzöffnung in den Leckölablauf 7a. Dabei ist kaum Umlenkung notwendig, und der ankerseitige Niederdruckraum 7 wird durch die Absteuerstöße nicht belastet. Mit anderen Worten entstehen durch das mit der Steuerhülse 10 ausgeführte Steuerventil 6 keine Schäden aufgrund von Strömungsumlenkungen, da die Umlenkung im Sitzbereich minimal ist, und die Steuermenge kann ungehindert abfließen, ohne den Anker 19 zu stören.
Bei den nachfolgend beschriebenen weiteren Ausführungsformen von Kraftstoffinjektoren sind all diejenigen Elemente, die mit der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform identisch sind, mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass hinsichtlich deren Beschreibung vollinhaltlich auf die Ausführungen zur ersten Ausführungsform Bezug genommen wird.
Vom Injektor der 1 unterscheidet sich der in 2 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der Ventilsitz 13 ein Flachsitz ist, wodurch ein Steuerventil 6 mit steiler Durchflusskennlinie und mit Ventilhüben von 20-30 μm ermöglicht wird. Der Absteuerstoß wird direkt ins Lecköl und nicht durch den Anker 19 geführt.
Vom Injektor der 1 unterscheidet sich der in 3 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der Ventilbolzen 9 einteilig mit einer Lochscheibe 27 ausgebildet ist, die den Injektorkörper 21 oben abschließt. Das in Richtung Düsenadel 3 weisende freie Ende des Ventilbolzens 9 greift in eine Bohrung des Ventilstücks 8 ein und ist darin mittels einer Tellerfeder 28 eingespannt. Die Steuerhülse 10 weist eine sich nach unten an die Ringnut 12 anschließende Dichtfläche auf, die mit dem konischen Ventilsitz 13 des Ventilbolzens 9 zusammenwirkt, dessen Sitzöffnung über Längsnuten 29 der Steuerhülse 10 an die Niederdruckseite 7 angeschlossen ist. Magnetspule und -kern 18, 24 liegen bei dieser Lösung unter dem Anker 19. Wird die Magnetspule 18 bestromt, wird die Steuerhülse 10 vom Ventilsitz 13 in Richtung auf das freie Ende des Ventilbolzens 9, d.h. nach unten, in ihre geöffnete Ventilstellung gezogen, wodurch sich der Druck im Steuerraum 2 reduziert und die Düsennadel 3 öffnet. Wird die Bestromung der Magnetspule 18 aufgehoben, wird die Steuerhülse 10 über die Schließfeder 17 nach oben zurück in ihre geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt.
Vom Injektor der 1 unterscheidet sich der in 4 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier die Steuerhülse 12 über einen hydraulischen Übersetzer 30, der wiederum von einem Piezoaktor 31 angesteuert wird, geöffnet wird. Der hydraulische Übersetzer 30 umfasst zwei ineinander greifende Kolben 33, 34, die durch einen kraftstoffgefüllten Übersetzerraum 32 miteinander gegenläufig bewegungsgekoppelt sind. Der Piezoaktor 31 wirkt auf den äußeren Kolben 33, und der innere Kolben 34 ist einstückig mit der Steuerhülse 10 ausgebildet. In der gezeigten geschlossenen Ventilstellung ist der Piezoaktor 31 nicht bestromt und folglich verkürzt, wodurch der äußere Kolben 33 nach oben verschoben ist und somit der innere Kolben 34 bzw. die Steuerhülse 10 nach unten in die geschlossene Ventilstellung verschoben sind. Wird der Piezoaktor 31 bestromt, verlängert er sich gegen die Wirkung einer Rohrfeder 35, wodurch der äußere Kolben 33 nach unten geschoben wird und somit der innere Kolben 34 bzw. die Steuerhülse 10 nach oben in die geöffnete Ventilstellung verschoben werden. Wird der Piezoaktor 31 nicht mehr bestromt, wird die Steuerhülse 10 über die am äußeren Kolben 34 abgestützte Schließfeder 17 zurück in ihre geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt. Da vom Piezoaktor 31 kaum Kraft abverlangt wird, kann er im Durchmesser sehr klein ausgebildet werden. Durch Löcher 36 im äußeren Kolben 34 strömt bei geöffneter Steuerhülse 10 die aus dem Steuerraum 2 abgesteuerte Kraftstoffmenge auf die andere Kolbenseite und zum Leckölablauf 7a. Das kompakte Steuerventil 6 steuert also hydraulisch übersetzt die kraftausgeglichene Steuerhülse 10, wodurch der Piezoaktor 31 sehr schmal aufgebaut werden kann.
Vom Injektor der 4 unterscheidet sich der in 5 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier die beiden Kolben 33, 34 nicht ineinander greifen, sondern miteinander durch den dazwischen liegenden kraftstoffgefüllten Übersetzerraum 32 gleichläufig bewegungsgekoppelt und in einem Übersetzergehäuse 37 verschiebbar geführt sind. Wird der hier nur schematisch angedeutete Piezoaktor 31 bestromt, verlängert er sich, und der obere Kolben 33 wird nach unten geschoben, wodurch der untere Kolben 34 bzw. die Steuerhülse 10 nach oben in die geöffnete Ventilstellung verschoben werden. Wird der Piezoaktor 31 nicht mehr bestromt, wird die Steuerhülse 10 über die am oberen Kolben 33 abgestützte Schließfeder 17 zurück in ihre geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt.
Vom Injektor der 5 unterscheidet sich der in 6 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der normal angesteuerte Piezoaktor 31 bei Bestromung über Bolzen 38, die die Lochscheibe 37 durchgreifen, die Steuerhülse 10 vom Ventilsitz 13 des Ventilbolzens 9 abhebt. Der Piezoaktor 31 kann hydraulisch übersetzt sein oder über das Gehäuse einen Temperaturausgleich haben. Wird der Piezoaktor 31 nicht mehr bestromt, wird die Steuerhülse 10 über die am Ventilstück 18 abgestützte Schließfeder 17 zurück in ihre geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt.

Claims

Kraftstoffinjektor (1) für Brennkraftmaschinen, mit einem an eine Hochdruckseite (5) angeschlossenen Steuerraum (2), über dessen Druck die Bewegung einer Düsennadel (3) gesteuert wird, und mit einem Steuerventil (6), das die Verbindung des Steuerraums (2) zu einer Niederdruckseite (7) entweder sperrt oder öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (6) einen feststehenden Ventilbolzen (9) und eine darauf zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Ventilstellung verschiebbar geführte, kraftausgeglichene Steuerhülse (10) aufweist, dass der Ventilbolzen (9) einen vom Steuerraum (2) kommenden inneren Entlastungskanal (11) aufweist, der in eine innenseitige Ringnut (12) der Steuerhülse (10) mündet, und dass die Steuerhülse (10) eine sich in ihrer Öffnungsrichtung an die Ringnut (12) anschließende Dichtfläche aufweist, die mit einem Ventilsitz (13) des Ventilbolzens (9) zusammenwirkt, dessen Sitzöffnung an die Niederdruckseite (7) angeschlossen ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (9) einseitig befestigt ist und die Steuerhülse (10) auf dem freien Ende des Ventilbolzens (9) verschiebbar geführt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (9) sich mit seinem freien Ende in Richtung fort von der Düsennadel (3) oder in Richtung zur Düsennadel (3) hin erstreckt.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (19) in ihre geöffnete Ventilstellung in Richtung fort von der Düsennadel (3) oder in Richtung zur Düsennadel (3) hin verschiebbar ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (13) konisch oder flach ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d) des Ventilsitzes (13) gleich dem für die Steuerhülse (10) vorgesehenen Führungsdurchmesser (D) des Ventilbolzens (9) ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (10) mittels eines Ankers (19) im Magnetfeld einer Magnetspule (18) verschiebbar ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (10) mittels eines Piezoaktors (31) und ggf. eines zusätzlichen hydraulischen Übersetzers (31) verschiebbar ist.