DE10031573A1 - Hochdruckfester Injektor zur Kraftstoffeinspritzung in Kompaktbauweise - Google Patents
Hochdruckfester Injektor zur Kraftstoffeinspritzung in KompaktbauweiseInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine. Der Injektor (1) umfaßt ein Injektorgehäuse (2), in welchem ein Steuerraum (20) ausgebildet ist, der über eine Zulaufdrossel (21) mit einem Steuervolumen beaufschlagbar ist. Der Steuerraum (20) ist auf ein aktorbetätigbares Steuerelement (10) druckentlastbar, wodurch ein Steuerteil (3) in vertikale Richtung im Injektorgehäuse (2) bewegbar ist. Das Steuerteil (3) und die Düsennadel (22) sind einstückig ausgebildet.
Description
Bei Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Verbrennungs
kraftmaschinen steht die Hochdruckfestigkeit der einsetzbaren Injektoren im Vor
dergrund. Die Hochdruckfestigkeit von Injektorbauformen, deren Gehäuse einen
separaten Düsenzulauf und eine die Düsennadel umgebenden Düsenraum umfas
sen, gewinnt bei ständig steigendem Druckniveau im Hochdrucksammelraum
(Common Rail) zunehmend an Bedeutung hinsichtlich der Einsetzbarkeit bereits
bestehender Injektorbauformen, die hinsichtlich ihrer Hochdruckfestigkeit an
Grenzen stoßen.
DE 37 28 817 C2 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzpumpe für Verbren
nungskraftmaschinen. Das in der Kraftstoffeinspritzpumpe eingesetzte Steuerven
tilglied besteht aus einem eine Führungshülse bildenden und in einem Kanal glei
tenden Ventilschaft sowie eine mit diesem verbundenen, der Betätigungseinrich
tung zugewandten Ventilkopf. Die Dichtfläche des Ventilkopfes wirkt mit der den
Ventilsitz bildenden Fläche der Steuerbohrung zusammen. Der Ventilschaft weist
an seinem Umfang eine Ausnehmung auf, deren axiale Erstreckung von der Ein
mündung der Kraftstoffzufuhrleitung bis zum Beginn der mit dem Ventilsitz zu
sammenwirkenden Dichtfläche am Ventilkopf reicht, wobei in der Ausnehmung
eine dem Druck der Kraftstoffzufuhrleitung ausgesetzte Fläche ausgebildet ist.
Diese Fläche ist gleich einer im geschlossenen Zustand des Steuerventiles dem
Druck der Kraftstoffzufuhrleitung ausgesetzten Fläche des Ventilkopfes. Dadurch
ist das Ventil im geschlossenen Zustand druckausgeglichen; ferner ist in der Füh
rungshülse des Steuerventilgliedes eine das Steuerventil zu seiner Offenstellung
hin belastendes Federelement angeordnet.
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kompaktbauweise eines Injektors zum
Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Verbrennungskraftmaschinen, läßt
sich dessen Hochdruckfestigkeit erheblich steigern, da die Düsenzuleitung sowie
der Düsenraum, welcher die Düsennadel im Mündungsbereich in den Brennraum
umgibt, nunmehr entfallen können. Dadurch läßt sich eine wesentlich kompaktere
Bauform eines Injektors erzielen, die zudem in fertigungstechnischer Hinsicht
erheblich leichter herstellbar ist. Die Düsennadel in der erfindungsgemäß vorge
schlagenen Injektorkonfiguration übernimmt nunmehr keine Dichtungsfunktion
mehr. Daher kann ein verkantungsfreies Führen der Düsennadel im Gehäuse des
Injektors in Führungsbereichen vorgesehen werden, die kleiner ausfallen können
als bei Düsennadelführungen, die außerdem noch eine Dichtungsfunktion über
nehmen. Dadurch kann eine geringere Fläche mit höherer Oberflächengüte bear
beitet werden, was die Herstellkosten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen In
jektors günstig beeinflußt.
Eine einstückige Ausbildung von Steuerteile und Düsennadel, die ineinander
übergehend ausgeführt sind, gestattet die Anordnung eines große Schließkräfte
erzeugenden Federelementes im Gehäuse des Injektors. Dadurch läßt sich die
Schließzeit der Düsennadel am Sitz positiv beeinflussen, so daß sich die einstel
lenden Lekargeverluste beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Injektor in Kom
paktbauweise in engen Grenzen halten lassen.
Durch die im wesentlichen in vertikaler Richtung verlaufende Zufuhr von unter
extrem hohen Druck stehenden Kraftstoff und dessen Einströmen in einem das
Steuerteil umgebenden Ringspalt lassen sich auftretende Pulsationen bzw. Druck
schwingungen im zugeführten Kraftstoff besser dämpfen und pflanzen sich insbe
sondere nicht während der Einspritzphase fort, so daß die Formung des genau
definierten Einspritzverlauf nicht durch Pulsationen im Kraftstoff beeinträchtigt
wird.
Ein weiterer der erfindungsgemäßen Lösung innewohnender Vorteil ist darin zu
erblicken, daß man die Düsennadel mit Zulaufflächen versehen kann, über welche
der über dem Ringspalt zwischen Düsennadel und Injektorgehäuse eintretende
Kraftstoff zum Sitz der Einspritzdüse strömt. Die Kraftstoffzufuhr durch Rings
palte ist ursächlich für eine wesentlich höhere Hochdruckfestigkeit des erfin
dungsgemäß vorgeschlagenen Injektors, da Düsenzulauf und Düsenraum entfallen
können. Neben den Vorteilen einer leichteren Herstellbarkeit, höherer erzielbarer
Dauerfestigkeit, kann durch Fortfall des Leitungssystems zur Düsennadel ein we
sentlich schnellerer Druckaufbau an der Einspritzdüsenspitze erfolgen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehend beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor mit ein
stückig ausgebildetem Steuerteil und Düsennadel und
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Führungsbereiches der Düsenna
del im Injektorgehäuse mit Zulaufflächen für den Kraftstoff zur
Einspritzdüsenspitze.
Aus der Darstellung gemäß Fig. 1 geht ein Längsschnitt durch einen erfindungs
gemäß konfigurierten Injektor mit einstückig ausgebildetem Steuerteil und sich
unmittelbar daran anschließender Düsennadel hervor.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Injektor 1 enthält ein Injektorgehäuse 2, in
welchem ein Steuerteil 3 mit einer topfförmigen Ausnehmung aufgenommen ist.
Das Steuerteil 3 ist mit seinem oberen Bereich, der in einem Außendurchmesser
d2 auch mit Bezugszeichen 6 bezeichnet ist, ausgeführt und beweglich auf der
Außenfläche einer Führung 7 aufgenommen.
Die Führung 7 ist am Injektorgehäuse 2 des Injektors 1 als rohrförmig sich er
streckende, parallel zur Symmetrieachse 4 des Injektor verlaufende Baukompo
nente ausgebildet, die an ihrer Außenfläche von einem Federelement 8 umschlos
sen ist, welches beispielsweise als eine Spiralfeder ausgebildet sein kann. Das
Federelement 8 stützt sich mit seinen Windungen einerseits am ringförmig verlau
fenden Außendurchmesserbereich 6 des Steuerteiles 3 ab und ist andererseits in
einer ringförmigen Ausnehmung im Injektorgehäuse 2 gestützt. Im Inneren der
Führung 7, die sich im wesentlichen koaxial zur Symmetrieachse 4 des Injektors 1
erstreckt, ist eine Durchgangsbohrung 9 vorgesehen. Am stirnseitigen Ende der
Führung 7 ist ein Ablaufdrosselelement 19 in die Führung 7 eingelassen; die sich
koaxial zur Symmetrieachse 4 erstreckende Durchgangsbohrung mündet unter
halb eines kugelförmig ausgebildeten Dichtelementes 11 in einen Hohlraum 14
eines aktorbetätigten Steuerelementes 10.
In der Konfiguration gemäß Fig. 1 ist das aktorbetätigte Steuerelement 10 in das
Injektorgehäuse 2 integriert. In den Hohlraum 14 des Aktor betätigten Steuerele
mentes 10 mündet einerseits die bereits angesprochene Durchgangsbohrung 9 in
der Führung 7 andererseits zweigt vom Hohlraum 14 des aktorbetätigten Steuer
elementes 10 ein Leckölablauf 15 ab. In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist das obere
Ende der Durchgangsbohrung 9 der Führung 7 durch ein kugelförmig ausgebil
detes Dichtelement 11 verschlossen, welches durch einen Druckbolzen 12 in sei
nen Dichtsitz 13 gedrückt wird. Die Schließkraft am Dichtelement 11 wird durch
die Beaufschlagung des Druckbolzens 12 mit einem Piezoaktor, einem Elektro
magneten oder auch einem hydraulisch/mechanischen Wandler erzeugt, dessen
Konfiguration im einzelnen in der Darstellung gemäß Fig. 1 nicht näher beschrie
ben ist.
Im oberen Teil des Injektorgehäuses 2 des Injektors 1 gemäß der Darstellung in
Fig. 1 ist ein sich im wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckender Zulauf 16
vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) dargestellt. Der Zulauf 16 mündet in
den das Federelement 8 aufnehmenden Hohlraum, von wo aus der unter extrem
hohem Druck stehende Kraftstoff das Steuerteil 3 umströmt und dieses entlang
eines Ringspaltes 18 in Richtung auf die Düsennadel 22 umströmt. Der Ringspalt
18, der zwischen der Mantelfläche des Steuerteiles, ausgeführt im Außendurch
messer 6 (d2) und Innenfläche des Injektorgehäuses 2 gebildet ist, dient der
Schwingungsdämpfung bzw. Pulsationsdämpfung im unter hohem Druck stehen
den Kraftstoff bei dessen Zuführ in das Innere des Injektorgehäuses 2. Über eine
in der Seitenwand des Steuerteiles 3 im Außendurchmesserbereich 6 ausgebildete
Zulaufdrossel 21 tritt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in den Steuer
raum 20 ein, der einerseits von der Stirnseite der Führung 7 in der eine Ablauf
drossel 18 vorgesehen ist begrenzt ist und andererseits vom Boden des topfförmig
ausgebildeten Innenraumes des Steuerteiles 3 begrenzt ist.
Unterhalb des Steuerteiles 3 verjüngt sich der Außendurchmesser d2 des Steuer
teiles 3 in einen Führungsdurchmesser 29, in welchem (siehe Darstellung gemäß
Fig. 2) Führungen 23 bzw. 25 ausgebildet sind, die für die Düsennadel 22 vorge
sehen sind. Die Führungsbereiche 23 bzw. 25 können als ringförmig sich am
Mantel der Düsennadel 22 erstreckende Ringe ausgebildet sein, die in einer ent
sprechend konfigurierten Bohrung des Injektorgehäuses 2 geführt sind. Der obere
Führungsbereich 23 bzw. der untere Führungsbereich 25 übernehmen keine Dichtfunktion
mehr, vielmehr ist zwischen den beiden Führungsbereichen 23 bzw. 25
ein einen Ringspalt bildender Ringhohlraum 24 ausgebildet, in welchem der unter
hohem Druck stehende Kraftstoff bei Druckentlastung des Steuerraumes 20 und
vertikaler Bewegung des Steuerteiles 3 samt Düsennadel 22 einströmt.
Von der unteren Führung 25 strömt der Kraftstoff in einen den unteren Teil der
Düsennadel 22 umgebenden Ringspalt 31 (vergleiche Darstellung gemäß Fig. 2)
bis zur Düsenspitze 32. An der Düsenspitze 32 ist ein Sitz 27 ausgebildet, über
welchen die in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine hineinragende
Bohrung 30 verschließbar bzw. freigebbar ist. Der Sitzdurchmesser 28 ist in ei
nem verringerten Durchmesser d3 ausgeführt.
Das Injektorgehäuse 2 des Injektors 1 gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist in eine
Fassung 33 eingeschraubt und läßt sich durch einfaches Drehen nach Abnahme
der Zuleitungsanschlüsse aus der Fassung herausschrauben.
Unterhalb des Übergangsbereiches, zwischen dem Steuerteil 3 und der Düsenna
del 22 sind an der Düsennadel 22 mit Bezugszeichen 26 identifizierte Zulaufflä
chen 26 für den Kraftstoffzulauf zur Düsenspitze 32 ausgebildet. Die Zulaufflä
chen 26 erstrecken sich in den oberen Führungsbereich 23 bzw. den unteren Füh
rungsbereich 25 der Düsennadel 22, wodurch die obere Zulauffläche 26 gemäß
der Darstellung in Fig. 2 über den zwischen Düsennadelmantelfläche 22 und Ge
häusebohrung entstehenden Ringspalt 24 in Verbindung mit der unteren Zulauf
fläche 26 oberhalb des Zulaufringes 31 steht. Dadurch ist sichergestellt, daß über
die Zulaufflächen 26 im Falle des Öffnens der Düsennadel 22 durch Druckentla
stung des Steuerraumes 20 Kraftstoff bis zur Düsenspitze 32 des Injektorgehäuses
2 gefördert wird und dort in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
eingespritzt werden kann.
Die Funktion des in den Darstellungen gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 wiedergegebenen
Injektors stellt sich folgendermaßen dar: Durch Ansteuerung des Steuerelementes
10 wird der auf das Dichtelement 11 einwirkende Druckbolzen 12 entlastet, wo
durch die im wesentlichen parallel zur Symmetrieachse 4 angeordnete Durch
gangsbohrung 9 mit aus dem Steuerraum 20 austretenden Kraftstoff beaufschlagt
wird. Über die an der Stirnseite der Führung 7 eingelassene Ablaufdrossel 18
strömt das Steuervolumen in die Durchgangsbohrung und von dort durch den
freigegebenen Dichtsitz 13 in den Hohlraum 14 und von dort über die Lecköllei
tung 15 ab.
Durch Aufsteuerung des Steuerelementes 10 nimmt der Druck und das Kraftstoff
volumen im Steuerraum 20 ab, wodurch das topfförmig konfigurierte Steuerteil 3
auf seiner Führungsfläche an der Führung 7 in vertikaler Richtung aufwärts be
wegt wird. Während der Aufwärtsbewegung liegt der ringförmige Rand des Steu
erteiles 3, beaufschlagt durch das Federelement 8, an diesem an und komprimiert
das Federelement 8. Während der Aufwärtsbewegung des Steuerteiles 3 fährt die
Düsennadel 22 aus ihrem Sitz im Injektorgehäuse 2 aus, so daß der hochdrucksei
tig anstehende Kraftstoffvorrat über die Zulaufflächen 26 seitlich in den ringför
migen Hohlraum 24 einströmen kann und von dort über die untere Zulauffläche
26 in dem Spalt zwischen dem Mantel der Düsennadel 22 und der Innenwandung
des Injektorgehäuses 2 eintritt. Dadurch steht an der Düsennadelspitze 32 der er
forderliche Einspritzdruck zur Verfügung sowie das zur Einspritzung in den
Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine erforderliche Kraftstoffvolumen,
welches über die schräg angeordnete Bohrung 30 in den Brennraum eingespritzt
werden kann. Ein Teil des Durchmessers (d1-d3) ist durch den Durchmesser d2
des Außenbereiches am Steuerteil 3 bereits kraftausgeglichen. Mit der einem voll
ständigen Kraftausgleich der Düsennadel 22 Rechnung tragenden Dimensionie
rung des Federelementes 8 kann ein optimales Öffnen und Schließen der Düsen
nadel 22 an der Düsennadelspitze 32 eingestellt werden.
Wird das Steuerelement 10 hingegen durch Aktivierung eines Aktors angestellt,
wirkt der Druckbolzen 12 auf das Dichtelement 11 ein und verschließt am Dicht
sitz 13 die Durchgangsbohrung 9. Dadurch baut sich durch kontinuierliches Nachströmen
von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff über die Zulaufdrossel 21
im Steuerrraum 20 ein hoher Druck auf. Durch den Aufbau des Druckes im Steu
erelement 20 fährt das Steuerteil 3 in vertikale Richtung nach unten an der Füh
rung 7 aus, so daß die Düsennadel 22 und deren Nadelspitze 32 in ihren Sitz 27
einfahren. Die Schließbewegung der Düsennadel 22 in ihrem Sitz 27 im Bereich
der Düsenspitze 32 wird durch geeignete Dimensionierung der als Druckfeder
ausgebildeten Spiralfeder 8 unterstützt, so daß sich ein schnelles Schließen der
Düsennadel 22 einstellt und sich damit die Lekargeverluste in engen Grenzen
halten lassen.
1
Injektor
2
Injektorgehäuse
3
Steuerteil
4
Symmetrieachse
5
Führungsbereich
6
Außendurchmesser d2
7
Führung
8
Federelement
9
Durchgangsbohrung
10
Steuerelement
11
Dichtelement
12
Druckbolzen
13
Dichtsitz
14
Hohlraum
15
Leckölablauf
16
Hochdrucksammelraum-Zulauf
17
Dichtfeder
18
Zulaufspalt
19
Ablaufdrossel
20
Steuerraum
21
Zulaufdrossel
22
Düsennadel
23
oberer Führungsbereich
24
Ringhohlraum
25
unterer Führungsbereich
26
Zulaufflächen
27
Sitz
28
Sitzdurchmesser d3
29
Führungsdurchmesser
30
Bohrung
31
Zulaufring
32
Düsenspitze
33
Fassung
Claims (10)
1. Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume einer Verbren
nungskraftmaschine mit einem Injektorgehäuse (2), in welchem ein Steu
erraum (20) ausgebildet ist, der über eine Zulaufdrossel (21) mit einem
Steuervolumen beaufschlagbar und über ein aktorbetätigbares Steuerele
ment druckentlastbar ist, wodurch ein Steuerteil (3) in vertikale Richtung
im Injektorgehäuse (2) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das
Steuerteil (3) und die Düsennadel (22) einstückig ausgebildet sind.
2. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil
(3) an einer Führung (7) des Injektorgehäuses (2) geführt ist.
3. Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichent, daß die Führung (7)
außen von einem Federelement (8) umgeben und innen von einer Durch
gangsbohrung (9) zu einem Steuerelement (10) durchzogen ist.
4. Injektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite
der Führung (7) mit einem Drosselelement (19) versehen ist, und einen
Steuerraum (20) begrenzt.
5. Injektor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum
(20) von der Bodenfläche des an der Führung (7) aufgenommenen Steuer
teiles (3) begrenzt wird.
6. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil in
(3) seinem Außendurchmesserbereich (6) von einer zwischen Injektorge
häuse (2) und Steuerteil (3) begrenzten Ringspalt (18) umgeben ist, der
über den Zulauf (16) vom Hochdrucksammelraum aus mit Kraftstoff be
aufschlagbar ist.
7. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Düsenna
del (22) Zulauffflächen (26) für die Zufuhr von Kraftstoff an die Spitze
(27) der Düsennadel (22) vorgesehen sind.
8. Injektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Düsenna
del (22) ringförmig sich erstreckende Führungsflächen (23, 25) ausgebildet
sind.
9. Injektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den
Führungsflächen (23, 25) ein Ringhohlraum (24) angeordnet ist.
10. Injektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff
durch einen unterhalb der Führungen (23, 25) vorgesehenen Zulaufring
(31) zur Düsenspitze (32) gefördert wird.
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