EP3775527B1

EP3775527B1 - Injektor zum einspritzen von kraftstoff

Info

Publication number: EP3775527B1
Application number: EP19719228.9A
Authority: EP
Inventors: Richard Pirkl; Razvan-Sorin STINGHE; Markus HÖLLBACHER; Alexander Preis; Michael Schmid; Thomas Atzkern
Original assignee: Liebherr Components Deggendorf GmbH
Current assignee: Liebherr Components Deggendorf GmbH
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2022-03-02
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: US20210164429A1; ES2913416T3; WO2019202008A1; EP3775527A1; CN112041555B; US11499513B2; DE102018109206A1; CN112041555A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff.
In Brennkraftmaschinen wie Dieselmotoren oder auch Benzinmotoren wird in der Regel über einen Injektor Kraftstoff mit einer bestimmten Menge und für eine bestimmte Zeitdauer in einen Brennraum eingespritzt. Dabei ist es aufgrund der sehr geringen Einspritzdauern, die in Mikrosekunden-Bereich liegen, erforderlich, die Austrittsöffnung des Injektors mit einer sehr hohen Frequenz zu öffnen bzw. zu schließen.
Da dem Fachmann das grundlegende Funktionsprinzip eines Injektors bekannt ist, wird nachfolgend nur kurz auf einige Aspekte eingegangen, die für das Verständnis der Erfindung von Vorteil sind.
Ein Injektor verfügt typischerweise über eine Düsennadel (auch: Injektornadel), die einen mit einem hohen Druck beaufschlagten Kraftstoff bei Freigeben eines Austrittslochs des Injektors nach Außen treten lässt. Diese Düsennadel wirkt im Zusammenspiel mit dieser Austrittsöffnung wie ein Pfropfen, der bei einem Anheben ein Austreten des Kraftstoffs ermöglicht. Demnach ist es also erforderlich, diese Nadel in relativ kurzen Zeitabständen anzuheben und nach einer kurzen Zeit erneut in die Austrittsöffnung zurückgleiten zu lassen. Dabei können hydraulische Servoventile verwendet werden, die das Auslösen dieser Bewegung ansteuern. Solche Ventile wiederum werden mit Hilfe eines Elektromagneten angesteuert.
Aufgrund der hohen Einspritzdrucke von über 2500 bar ist es nicht möglich, die Düsennadel direkt mit Hilfe eines Magnetventils anzusteuern bzw. zu bewegen. Hierbei wäre die erforderliche Kraft zum Öffnen und Schließen der Düsennadel zu groß, sodass ein solches Verfahren nur mit Hilfe von sehr großen Elektromagneten realisierbar wäre. Eine solche Konstruktion scheidet aber aufgrund des nur beschränkt zur Verfügung stehenden Bauraums in einem Motor aus.
Typischerweise werden anstelle der direkten Ansteuerung sogenannte Servoventile verwendet, die die Düsennadel ansteuern und selbst über ein Elektromagnetventil gesteuert werden. Dabei wird in einem mit der Düsennadel zusammenwirkenden Steuerraum mit Hilfe des unter hohen Druck zur Verfügung stehenden Kraftstoffs ein Druckniveau aufgebaut, das auf die Düsennadel in Verschlussrichtung wirkt. Dieser Steuerraum ist typischerweise über eine Zulaufleitung mit dem Hochdruckbereich des Kraftstoffs verbunden. Ferner weist dieser Steuerraum (auch: unterer Steuerraum) eine Leitung zu einem Ventilraum (auch: oberer Steuerraum) auf, der eine verschließbare Ablaufdrossel aufweist, aus der der unter hohem Druck stehende Kraftstoff hin zu einem Niederdruckbereich entweichen kann. Tut er dies, sinkt der Druck in dem Ventilraum und dem Steuerraum, wodurch die auf die Düsennadel wirkende Verschlusskraft verringert wird, da der unter hohem Druck stehende Kraftstoff des Ventilraums und des Steuerraums abfließen kann. Dadurch kommt es zu einer Bewegung der Düsennadel, welche die Austrittsöffnung an der Injektorspitze freigibt. Um die Bewegung der Düsennadel steuern zu können, wird also die Ablaufdrossel in der Sitzplatte des Injektors des Ventils mit Hilfe eines Ankerelements wahlweise verschlossen oder geöffnet.
Das das Ankerelement und die Ablaufdrossel der Sitzplatte umfassende Pilotventil wiederum ist mit Hilfe eines Elektromagneten in die gewünschte Stellung bringbar. Befindet sich der Elektromagnet in einem unbestromten Zustand, ist eine bestimmte Federkraft erforderlich, die das Ankerelement gegen die Ablaufdrossel (=Öffnung der Drosselbohrung in der Sitzplatte) drückt. In einem bestromten Zustand des Elektromagnets wird das Ankerelement gegen die von dem Federelement ausgeübte Federkraft angezogen, sodass es zu einer Stauchung der Feder kommt, und die Ablaufdrossel in der Sitzplatte freigibt.
Wie bereits kurz erläutert, fließt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff also über die Drosselbohrung der Sitzplatte in einen Niederdruckbereich ab. Dadurch kommt es nicht nur in dem Ventilraum (auch: oberer Steuerraum) zu einem Druckabfall, sondern -aufgrund der den Ventilraum und den Steuerraum (auch: unterer Steuerraum) verbindenden Leitung- auch in dem an die Düsennadel angrenzenden Steuerraum. Die Druckverringerung in dem Steuerraum führt im Ergebnis zum Anheben der Düsennadel aus ihrem Düsensitz.
Ein gattungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil ist aus der EP 1991773 B1 bekannt. Hier ist eine 3/2-Wege-Steuervorrichtung realisiert. Die bekannte Steuervorrichtung ist mehrteilig ausgebildet und weist ein Steuerventil mit einem in einer Ventilführung geführten Ventileinsatz auf. In dem Ventileinsatz ist eine Ablaufdrossel angeordnet, die permanent die durch das Steuerventil unterteilten Bereiche des Ventilraums und des Steuerraums miteinander verbindet. Bei dieser Ausführung kann permanent Kraftstoff über die Ablaufdrossel zwischen dem Ventilraum und dem Steuerraum ausgetauscht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff derart weiterzubilden, dass der hydraulische Wirkungsgrad bei der intermittierenden Einspritzung des Brennstoffs in den Brennraum verbessert wird und dass das Öffnen der Düsennadel im Vergleich zum Stand der Technik schneller erfolgen kann.
Dies gelingt mit Hilfe des erfindungsgemäßen Injektors, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Demnach umfasst der Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff eine Sitzplatte mit einer Durchgangsdrossel, einen Ventileinsatz, der an einer der flächigen Seiten der Sitzplatte angeordnet ist, eine Ventilführung zum gleitbaren Aufnehmen des Ventileinsatzes, eine Düsennadel, die an der zur Sitzplatte gegenüberliegenden Seite des Ventileinsatzes angeordnet ist, eine Federhülse, die einen Abschnitt der Düsennadel umgibt, einen Ventilraum zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Ventilraum durch die Sitzplatte und den Ventileinsatz beschränkt ist und bis zur Durchgangsdrossel der Sitzplatte verläuft, einen Steuerraum zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Steuerraum durch den Ventileinsatz, die Federhülse und die Düsennadel beschränkt ist, und eine Leitung, die den Steuerraum und den Ventilraum miteinander verbindet, wobei die Leitung im Ventileinsatz angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Leitung durch ein Aufsetzen des Ventileinsatzes auf die Federhülse geschlossen ist.
Dadurch kann bei einem Befüllen des Steuerraums mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff gewährleistet werden, dass der eingeleitete Kraftstoff nicht über die Leitung in den Ventilraum abfließt, sondern in dem Steuerraum verbleibt und zu einem -im Vergleich zu einer dauerhaften Verbindung von Steuerraum und Ventilraum- schnelleren Reaktion der Düsennadel beim Öffnen führt.
Weiter von Vorteil ist, dass das Verschließen der den Steuerraum und den Ventilraum verbindenden Leitung kein weiteres Bauteil erfordert. Denkbar wäre bspw. eine in der Leitung angeordnete Kugel, die ein Rückschlagventil für Kraftstoff bildet. Eine solche Anordnung wäre hinsichtlich ihrer Dauerfestigkeit der vorliegenden Erfindung unterlegen.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.
Vorzugsweise grenzt die Federhülse direkt an die Ventilführung an.
Nach einer optionalen Modifikation ist vorgesehen, dass die Federhülse im Wesentlichen eine sacklochartige Ausnehmung zum Aufnehmen der Düsennadel aufweist und mindestens eine Verbindungsleitung aufweist, um das Innere der sacklochartigen Ausnehmung, in der die Düsennadel angeordnet ist, mit einer zur Federhülse gewandten Seite des Ventileinsatzes fluidisch zu verbinden.
Dabei kann die Federhülse demnach einen zylindrischen Aufbau haben, der an einer Seite geschlossen ist. Auf der anderen Seite erstreckt sich die Düsennadel aus der zylindrisch aufgebauten Federhülse. Die geschlossene Seite des zylindrischen Aufbaus ist dabei nur mittels Verbindungsleitungen versehen, die eine fluidische Verbindung von einer zur Federhülse gewandten Seite des Ventileinsatzes in das Innere der Federhülse ermöglichen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Federhülse eine ebene Aufsetzfläche zum Aufsetzen des Ventileinsatzes aufweist, die bei einem Aufsetzen des Ventileinsatzes in Zusammenwirkung mit einer eine Öffnung der Leitung umgebende Kontaktfläche des Ventilaufsatzes die Leitung schließt. Dieser ebene Bereich stellt demnach einen Flachsitz dar, der zum Aufsetzen des Ventileinsatzes auf der Federhülse dient.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Federhülse eine zum Ventileinsatz gewandte Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen eben ist und lediglich durch die mindestens eine Verbindungsleitung in das Innere der Federhülse unterbrochen ist.
Der Steuerraum des Injektors umfasst demnach zwei Bereiche, die durch die Federhülse voneinander getrennt sind. Eine Verbindung zwischen den Bereichen erfolgt nur über die mindestens eine Verbindungsleitung in der Federhülse.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Aufsetzen des Ventileinsatzes auf der Federhülse in einer zur Rotationsachse der Düsennadel senkrechten Ebene erfolgt.
Weiter kann bei der Erfindung der Steuerraum zwei Bereiche umfassen oder aus zwei Bereichen bestehen, die lediglich durch mindestens eine in der Federhülse verlaufenden Verbindungsleitung miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Verbindungsleitung eine Bohrung, die parallel zur Längsrichtung der Düsennadel verlaufen kann.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation ist vorgesehen, dass ein Bereich zum Aufsetzen des Ventileinsatzes auf der Federhülse eine Flachdichtung ist, die in einem aufgesetzten Zustand des Ventileinsatzes auf der Federhülse die in dem Ventileinsatz verlaufende Leitung verschließt.
Durch das Vorsehen der Flachdichtung ist eine Abdichtung der Leitung, die den Steuerraum und den Ventilraum miteinander verbindet, auf verlässliche Art und Weise möglich. Das grundlegende Wirkprinzip entspricht dabei im Wesentlichen dem Aufsetzen des Ankers auf der Drosselöffnung der Sitzplatte.
Vorzugsweise weist der Ventileinsatz auf der zur Federhülse zugewandten Seite einen vorspringenden Absatz auf, in dessen Fläche die Öffnung der Leitung angeordnet ist.
Die die Öffnung umgebenden Bereiche auf der der Federhülse zugewandten Fläche des Ventileinsatzes liegen dabei vorteilhafterweise auf einem Niveau, sodass eine Abdichtung durch Aufsetzen auf eine ebene Fläche erfolgen kann.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der vorspringende Absatz eine stufenartige Erhöhung gegenüber der restlichen der Federhülse zugewandten Seite des Ventileinsatzes ist, sodass die Kontaktfläche bei einem Aufsetzen auf der Federhülse verringert ist. Dies führt zu einem besseren Schließvorgang der in dem Ventileinsatz angeordneten Leitung, die den Steuerraum und den Ventilraum miteinander verbindet.
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung weist die Ventilführung mindestens eine Zulaufleitung für Kraftstoff unter hohem Druck auf, deren Verbindung in den Steuerraum bei einem Aufsetzen des Ventileinsatzes auf der Federhülse offen und in einem davon abgehobenen Zustand geschlossen ist.
Dabei kann über die gleitende Bewegung des Ventileinsatzes eine Zulaufleitung geöffnet oder geschlossen werden. Dies geschieht über das Anschlagen des Ventileinsatzes an dem unteren Rand der Ventilführung, das eine Verbindung der Zulaufleitung mit dem Steuerraum unterbricht.
Darüber hinaus ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ventileinsatz pilzförmig ausgebildet. Der Pilzkopf kann dabei der Federhülse zugewandt sein.
Vorzugsweise ist die Leitung eine Ablaufdrossel für Kraftstoff aus dem Steuerraum in den Ventilraum.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Ventileinsatz rotationssymmetrisch um eine Bohrachse der Leitung ausgebildet ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Federhülse drehsymmetrisch um die Rotationsachse der Düsennadel.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1:: eine Schnittansicht eines Injektors zur Kraftstoffeinspritzung,
Fig.2a-d:: einen vergrößerten Ausschnitt um die Sitzplatte des Injektors in verschiedenen Zuständen eines Injektorzyklus,
Fig. 3a-b:: einen vergrößerten Ausschnitt um die Sitzplatte eines erfindungsgemäßen Injektors aus unterschiedlichen Ansichtsseiten,
Fig. 4a-e:: einen vergrößerten Ausschnitt um die Sitzplatte des erfindungsgemäßen Injektors in verschiedenen Zuständen des Injektorzyklus,
Fig. 5:: ein Simulationsergebnis für die Injektionsrate des erfindungsgemäßen Injektors im Vergleich mit einem herkömmlichen Injektor, und
Fig. 6:: ein weiteres Simulationsergebnis für die Injektionsrate des erfindungsgemäßen Injektors im Vergleich mit einem herkömmlichen Injektor.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff.
Der Injektor 1 umfasst dabei ein Gehäuse 22, das am von der Düse 24 abgewandten Ende mit einer Verschlusskappe 31 versehen ist. Aus der Verschlusskappe 31 heraus erstrecken sich die elektrischen Anschlüsse 18 zum Ansteuern des Injektors 1. Die Anschlüsse 18 sind mit einem Elektromagneten 19 verbunden, der im bestromten Zustand entgegen der Federkraft der Druckfeder 21 den Anker 11 aus der dichtenden Position von der Durchgangsdrossel der Sitzplatte 2 abhebt. Die Druckfeder 21 liegt dabei an ihrem vom Anker 11 entfernten Ende an einer Scheibe 20 an. Der Anker 11 ist dabei von der Ankerführung 29 umgeben, an die eine Druckschraube 29 angrenzt.
Der Bereich oberhalb der Sitzplatte 2, der sich ausgehend von der Durchgangsdrossel der Sitzplatte 2 hin zum Anker 11 erstreckt ist dabei der Niederdruckbereich des Injektors 1. Der Hochdruckbereich des Injektors 1 erstreckt sich ausgehend von der Drosselbohrung der Sitzplatte 2 hin zur Düse 24.
An der von Anker 11 entgegengesetzten Seite der Sitzplatte 2 grenzt die Ventilführung 5 und der darin aufgenommene Ventileinsatz 4 an. An die sich anschließende Federhülse 28 greift die Druckfeder 27 an, die dazu dient, die Düsennadel 6 über eine auf einer Auskragung der Düsennadel 6 aufgelegte Scheibe 26 in ihre geschlossene Position zu drängen. Die Düsenspannmutter 25 und die Dichtscheibe 23 komplettieren den Aufbau des Injektors 1.
Die Figs 2a-d zeigen eine vergrößerte Darstellung eines Injektors im Bereich um seine Sitzplatte 2. Dabei ist zu beachten, dass diese Figuren das kennzeichnende Merkmal der vorliegenden Erfindung nicht aufweisen. Zum besseren Verständnis sind in den Figuren Kraftpfeile und Strömungspfeile für den Weg des Kraftstoffs eingezeichnet.
Fig. 2a zeigt einen Zustand, in dem das Pilotventil (also der Anker 11 und die Durchgangsdrossel 3) geschlossen ist und keine Einspritzung erfolgt. Im Ausgangszustand liegen aufgrund des Zuflusses von Kraftstoff hohen Drucks über die Zulaufdrossel 13 sowohl im Ventilraum 7 als auch im Steuerraum 8 gleiche Druckverhältnisse vor. Der über die Zulaufdrossel 13 in den Ventilraum 7 einströmende Kraftstoff wird dabei über die erste Leitung 9 auch in den Steuerraum 8 geführt.
Im unbestromten Zustand des Elektromagneten 19 wird die Bohrung 3 der Sitzplatte 2 durch den Anker 11, mithilfe der Vorspannung der Druckfeder 21, verschlossen. Dabei trennt der Anker 11 den Hochdruckbereich vom Niederdruckbereich ab. Durch das Ansteuern des Elektromagneten 19 wird der Anker 11 angezogen und die Bohrung 3 in der Sitzplatte 2 wird freigegeben. Der Druck unterhalb der Sitzplatte 2 wird damit abgesenkt und der Ventileinsatz 4 gegen die Unterkante der Ventilführung 5 angezogen.
Fig. 2b zeigt nun einen Zustand, in dem das Pilotventil offen, der Anker 11 also von der Durchgangsbohrung 3 abgehoben ist. Es kommt dadurch zu einer Einspritzung von Kraftstoff mittels des Injektors.
Durch die Ablaufdrossel 9 (auch: erste Leitung 9) in der Ventilführung 5 fließt der Kraftstoff aufgrund der vorhandenen Druckdifferenz in den Niederdruckbereich des Injektors 1. Dadurch reduziert sich der Druck in dem Steuerraum 8 oberhalb der Düsennadel 6. Durch das so entstandene Druckgefälle zwischen Düsennadelkopf und Düsennadelkörper wird die Nadel 6 aus dem Düsensitz angehoben und die Einspritzung beginnt.
Fig. 2c zeigt einen Zustand, in dem das Pilotventil gerade schließt, eine Einspritzung aber noch vorhanden ist.
Sobald also die Bestromung des Elektromagneten 19 unterbrochen wird, drückt die Rückstellfeder 21 den Anker 11 zurück in den Flachsitz auf der Sitzplatte 2 und dichtet die Durchgangsdrossel 3 ab. Dadurch kann der Kraftstoff nicht mehr in den Niederdruckbereich entweichen und der Druck im Ventilraum 7 oberhalb des Ventileinsatzes 4 erhöht sich (aufgrund des kontinuierlichen Zuflusses von Kraftstoff hohen Drucks über die Zulaufdrossel 13).
Fig. 2d zeigt einen Zustand, in dem das Pilotventil geschlossen ist, die Nadel 6 schließt und dadurch die Einspritzung beendet wird. Die dargestellte Schnittebene ist gegenüber den Schnittebenen der Figs 2-c rotiert, um vorhin nicht dargestellte Elemente erläutern zu können.
Nachdem ein Kräftegleichgewicht über den Ventileinsatz 4 erreicht wird, wird dieser nach unten gedrückt und gibt die zwei großen Diagonalen Befüllungsbohrungen 12 (auch: Zulaufleitungen 12) in der Ventilführung 5 frei. Diese Bohrungen 12 bilden eine direkte Verbindung zwischen dem Hochdruckvolumen im Injektor 1 und dem Steuerraum 8 oberhalb der Düsennadel 6. Dadurch steigt der Druck in dem Steuerraum 8 oberhalb der Nadel 6 sehr schnell, was zu einem schnellen Schließen der Düse durch die Nadel 6 führt. Die Befüllungsbohrungen 12 sind dabei für die Funktion des Injektors 1, bieten jedoch den Vorteil eines sehr schnellen Schließens der Nadel 6.
Die Figs. 3a-b zeigen nun einen Teilbereich des erfindungsgemäßen Injektors 1.
Das Verschlusselement 11 wirkt dabei in bekannter Weise mit der Durchgangsdrossel 3 der Sitzplatte 2 zusammen. Der Ventilraum 7 ist über eine Zulaufdrossel 13 mit dem Hochdruckbereich verbunden. Die sich an den Ventilraum 7 anschließende Ventilführung 5 nimmt den Ventileinsatz 4 gleitbar auf.
Auch gibt es eine erste Leitung 9, die den Ventilraum 7 mit dem Steuerraum 8 verbinden kann. Die Leitung 9 ist dabei in dem Ventileinsatz 4 angeordnet. Sitzt der in Längsrichtung bewegbare Ventileinsatz 4 auf dem Flachsitz 28 auf, so ist die Leitung 9 versperrt. Eine fluidische Verbindung von Ventilraum 7 und Steuerraum 8 ist dann nicht vorhanden. Die im Inneren der Federhülse 14 angeordnete Düsennadel wird mithilfe des Drucks im Steuerraum 8 ausgehoben. Mindestens eine Verbindungsleitung 32 durch die Federhülse 14 sorgt dabei dafür, dass eine Drückänderung auch ins Innere der Federhülse 14 gelangt.
Fig. 3b zeigt dabei eine Schnittansicht, deren Schnittebene im Vergleich zur Ansicht aus der Fig. 3a um 90° rotiert ist. Man erkennt nun die Zulaufleitungen 12, die bei einem Anschlagen des Ventileinsatzes 4 an dem unteren Rand der Ventilführung 4 keine Strömungsverbindung zu dem Steuerraum 8 haben. Bewegt sich hingegen der Ventileinsatz 4 in Richtung Nadel 6, entsteht ein Spalt zwischen dem unteren Rand der Ventilführung 5 und die Zulaufleitungen 12 führen unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in den Steuerraum 8 ein. Das Bezugszeichen 17 kennzeichnet dabei den Hochdruckbereich des Kraftstoffs.
Die Figs. 4a-e zeigen sämtlich einen Steuerventilbereich des Injektors. Der Steuerventilbereich setzt sich aus den Komponenten Anker 11, Sitzplatte 2, Steuerventil 4, 5, der Federhülse 14 und der Düsennadel 6 zusammen.
Dieser Verbund steuert das Öffnen und Schließen der Düsennadel 6 und ist somit für die Gewährleistung der Injektorfunktion und die Performance des Injektors 1 ausschlaggebend. Durch dieses Ventil ist es möglich die Geschwindigkeit des Öffnens und Schließens der Düsennadel 6 sowie deren Ansteuerungszeitpunkte und somit die Einspritzdauer und -menge zu bestimmen. Aufgrund der präzisen Ansteuerung ist es möglich gezielte Mehrfacheinspritzungen während eines Arbeitsspiels einzubringen und dadurch für eine vollständigere Verbrennung zu sorgen, welche wiederum eine Schadstoffreduktion zur Folge hat.
Die Sitzplatte 2 trennt in Kombination mit dem Anker 11 den Hochdruckbereich vom Magnet-/ Leckagebereich. Das Steuerventil 4, 5 trennt den Steuerraum 8 vom Ventilraum 7 (auch: oberer Steuerraum). Es ist ein Dreiwegeventil, auch Pilzventil genannt, und setzt sich aus der Ventilführung 5 und dem Ventileinsatz 4 zusammen.
Der Ventilraum 7 wird durch die Komponenten Anker 11, Sitzplatte 2 und Steuerventil 4, 5 abgegrenzt.
Der Steuerraum 8 wird durch die Komponenten Steuerventil 4, 5, Federhülse 14 und Düsennadel 6 abgegrenzt. Er ergibt sich aus zwei Bereichen, die durch mindestens eine, vorzugsweise drei axialen Verbindungsbohrungen 32 in der Federhülse 14 in Verbindung stehen. Aus beiden Bereichen sowie der mindestens einen axialen Verbindungsbohrung 32 ergibt sich das Steuerraumvolumen.
Die grundlegende Funktion wird dabei nachfolgend anhand der Figs. 4a-e erläutert.
Aus Fig. 4a ist zu entnehmen, dass der Anker 11 im unbestromten Zustand des Magneten 19 die Drosselbohrung 3 der Sitzplatte 2 verschließt und ein Abströmen des Kraftstoffes aus dem Ventilraum 7 in den Leckagebereich 15 verhindert. Der Ventileinsatz 4 befindet sich am unteren Anschlag und liegt an der Flachdichtung 28 auf der Federhülse 14 auf. Des Weiteren wird die Sitzplatte 2 gegen das Injektorgehäuse 22 gedrückt und sorgt aufgrund der hohen Oberflächengüte und Ebenheit an der Auflagenfläche für eine radiale Abdichtung zwischen dem Hochdruckbereich und dem Leckagebereich sowie zwischen Hochdruckbereich 17 und Ventilraum 7. Somit gibt es keine Dauerleckage (Position 1).
Fig. 4b zeigt, dass sobald der Magnet 19 bestromt und dadurch der Anker 11 angehoben wird, Kraftstoff durch die Drosselbohrung 3 der Sitzplatte 2 aus dem Ventilraum 7 in den Leckagebereich 15 abfließen kann und somit einen Druckabfall im Ventilraum 7 erzeugt . Durch den Druckabfall entsteht eine Druckdifferenz zwischen Ventilraum 7 und Steuerraum 8. Solange sich der Ventileinsatz 4 am unteren Anschlag befindet und der Flachsitz 28 auf der Federhülse 14 abdichtet, kann kein Kraftstoff über die Ablaufdrossel 9 in den Ventilraum 7 nachströmen. (Position 2).
In Fig. 4c ist zu sehen, wie die erzeugte Druckdifferenz dafür sorgt, dass der Ventileinsatz 4 nach oben gedrückt wird. Befindet sich der Ventileinsatz 4 am oberen Anschlag, wird die Verbindung zum Hochdruckbereich 17 über die radialen Zulaufbohrungen 12 in der Ventilführung 5 abgedichtet. Da nachdem sich der Ventileinsatz 4 nach oben bewegt hat, auch die Abdichtung am Flachsitz 28 und somit die Ablaufdrossel 9 (auch: Leitung) freigegeben wird, strömt der Kraftstoff durch die Ablaufdrossel 9 im Ventileinsatz 4 aus dem Steuerraum 8 in den Ventilraum 7, wodurch wiederum ein Druckausgleich zwischen dem Ventilraum 7 und dem Steuerraum 8 hergestellt wird (Position 3). Der daraus resultierende Druckabfall im Steuerraum 8 im Vergleich zum Hochdruckbereich 17 führt zu einem Anheben der Düsennadel 6, wodurch das Sackloch der Düse 24 freigegeben wird und eine Einspritzung des Injektors 1 in den Brennraum erfolgt.
Fig. 4 d zeigt den Zustand, sobald der Magnet 19 nicht mehr bestromt wird und der Anker 11 die Drosselbohrung 3 der Sitzplatte 2 verschließt .
Die Druckdifferenz zwischen Ventilraum 7 und Steuerraum 8 stellt sich aufgrund des über die Zulaufdrossel 13 der Ventilführung 5 aus dem Hochdruckbereich17 zuströmenden Kraftstoffs ein (Position 4).
Durch den Druckaufbau im Ventilraum 7 wird der Ventileinsatz 4 nach unten gedrückt und dabei werden die Zulaufbohrungen 12 der Ventilführung 5 freigegeben und der Steuerraum 8 schlagartig mit Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich 17 befüllt (Position 5, vgl. Fig. 4e).
In weiterer Folge stellt sich im Ventilraum 7 sowie im Steuerraum 8 dasselbe Druckniveau wie im Hochdruckbereich 17 ein. Die Düsennadel 6 wird durch den im Steuerraum 8 anliegenden Druck und unterstützt durch die Kraft der Düsennadelfeder 21 wieder in den Sitz des Düsenkörpers gedrückt und beendet somit die Einspritzung in den Brennraum.
Fig. 5 zeigt die Ergebnisse einer Simulation im Vergleich mit einem herkömmlichen Injektor.
Man erkennt, dass sich der Ventileinsatz der erfindungsgemäßen Ausgestaltung schneller bewegt als der von herkömmlichen Injektoren. Der Graphen II ist dabei eine erfindungsgemäße Umsetzung der Erfindung, wohingegen der Graph I einen herkömmlichen Injektor abbildet.
Fig. 6 zeigt, dass bei identischer Ansteuerung der erfindungsgemäße Injektor schneller anspricht, also eine höhere Injektionsrate in mg/ms besitzt als ein herkömmlicher Injektor. Der Graph II zeigt dabei die erfindungsgemäße Umsetzung, der Graph I einen herkömmlichen Injektor.

Bezugszeichenliste

1: Injektor
2: Sitzplatte
3: Durchgangsdrossel
4: Ventileinsatz
5: Ventilführung
6: Düsennadel
7: Ventilraum
8: Steuerraum
9: erste Leitung
10: zweite Leitung
11: Verschlusselement
12: Zulaufleitung
13: Zulaufdrossel
14: Federhülse
15: Leckagebereich
16: Verbindungsbohrung
17: Hochdruckbereich
18: elektrischer Anschluss
19: Elektromagnet
20: Scheibe
21: Druckfeder
22: Gehäuse
23: Dichtscheibe
24: Düse
25: Düsenspannmutter
26: Scheibe
27: Druckfeder
28: Flachsitz
29: Ankerführung
30: Druckschraube
31: Verschlusskappe
32: Verbindungsleitung
33: Absatz (Stufe)

Claims

Injektor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend:
eine Sitzplatte (2) mit einer Durchgangsdrossel (3),

einen Ventileinsatz (4), der an einer der flächigen Seiten der Sitzplatte (2) angeordnet ist,

eine Ventilführung (5) zum gleitbaren Aufnehmen des Ventileinsatzes (4),

eine Düsennadel (6), die an der zur Sitzplatte (2) gegenüberliegenden Seite des Ventileinsatzes (4) angeordnet ist,

eine Federhülse (14), die einen Abschnitt der Düsennadel (6) umgibt,

einen Ventilraum (7) zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Ventilraum (7) durch die Sitzplatte (2),die Ventilführung (5) und den Ventileinsatz (4) beschränkt ist und bis zur Durchgangsdrossel (3) der Sitzplatte (2) verläuft,

einen Steuerraum (8) zur Aufnahme von Kraftstoff, wobei der Steuerraum (8) durch den Ventileinsatz (4),die Ventilführung (5) die Federhülse (14) und die Düsennadel (6) beschränkt ist, und

eine Leitung (9), die den Steuerraum (8) und den Ventilraum (7) miteinander verbindet, wobei die Leitung (9) im Ventileinsatz angeordnet ist,

der Steuerraum (8) des Injektors (1) zwei Bereiche umfasst, die durch die Federhülse (14) voneinander getrennt sind, und wobei

eine Verbindung zwischen den Bereichen nur über die mindestens eine Verbindungsleitung (32) in der Federhülse (14) erfolgt,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Leitung (9) durch ein Aufsetzen des Ventileinsatzes (4) auf die Federhülse (14) geschlossen ist.
Injektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Federhülse (14) im Wesentlichen eine sacklochartige Ausnehmung zum Aufnehmen der Düsennadel (6) aufweist und mindestens eine Verbindungsleitung (32) aufweist, um das Innere der sacklochartigen Ausnehmung, in der die Düsennadel (6) angeordnet ist, mit einer zur Federhülse (14) gewandten Seite des Ventileinsatzes (4) fluidisch zu verbinden.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federhülse (14) eine ebene Aufsetzfläche zum Aufsetzen des Ventileinsatzes (4) aufweist, die bei einem Aufsetzen des Ventilaufsatzes (4) in Zusammenwirkung mit einer eine Öffnung der Leitung (9) umgebende Kontaktfläche des Ventilaufsatzes (4) die Leitung (9) schließt.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federhülse (14) eine zum Ventileinsatz (4) gewandte Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen eben ist und vorzugsweise lediglich durch die mindestens eine Verbindungsleitung (32) in das Innere der Federhülse (14) unterbrochen ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufsetzen des Ventileinsatzes (4) auf der Federhülse (14) in einer zur Rotationsachse der Düsennadel (6) senkrechten Ebene erfolgt.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Steuerraum zwei Bereiche umfasst oder aus zwei Bereichen besteht, die lediglich durch mindestens eine in der Federhülse (14) verlaufenden Verbindungsleitung (32) miteinander verbunden sind.
Injektor (1) nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 6, wobei die mindestens eine Verbindungsleitung (32) eine Bohrung ist, die vorzugsweise parallel zur Längsrichtung der Düsennadel (6) verläuft.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Bereich zum Aufsetzen des Ventileinsatzes (4) auf der Federhülse (14) eine Flachdichtung ist, die in einem aufgesetzten Zustand des Ventileinsatzes auf der Federhülse (14) die in dem Ventileinsatz (4) verlaufende Leitung (9) verschließt.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventileinsatz (4) auf der zur Federhülse (14) zugewandten Seite einen vorspringenden Absatz (33) aufweist, in dessen Fläche die Öffnung der Leitung (9) angeordnet ist.
Injektor (1) nach Anspruch 9, wobei der vorspringende Absatz eine stufenartige Erhöhung gegenüber der restlichen der Federhülse (14) zugewandten Seite des Ventileinsatzes (4) ist, sodass die Kontaktfläche bei einem Aufsetzen auf der Federhülse (14) verringert ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilführung (5) mindestens eine Zulaufleitung (12) für Kraftstoff unter hohem Druck aufweist, deren Verbindung in den Steuerraum (8) bei einem Aufsetzen des Ventileinsatzes (4) auf der Federhülse (14) offen und in einem davon abgehobenen Zustand geschlossen ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventileinsatz (4) pilzförmig ausgebildet ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitung (9) eine Ablaufdrossel für Kraftstoff aus dem Steuerraum (8) in den Ventilraum (7) ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventileinsatz (4) rotationssymmetrisch um eine Bohrachse der Leitung (9) ausgebildet ist.
Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federhülse (14) drehsymmetrisch um die Rotationsachse der Düsennadel (6) ist.