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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen
Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einem Brennraum
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bekannte,
elektromagnetisch aktuierbare Kraftstoffinjektoren weisen einen
Servo-Kreislauf auf, um über die auftretenden hohen Drücke
von etwa 1600 bar schalten zu können. Bei den bekannten Kraftstoffinjektoren,
die beispielsweise in der
DE 10 2006 020 724 A1 beschrieben sind, sind
die zum Einsatz kommenden Steuerventile (Servoventile) häufig als
Kugelventile ausgebildet. Bei Kraftstoffinjektoren, die zum Einsatz
bei Kraftstoff-Drücken jenseits von 1600 bar bestimmt sind,
werden sogenannte, im geschlossenen Zustand in axialer Richtung
druckausgeglichene Steuerventile eingesetzt. Diese umfassen üblicherweise
eine mittels eines elektromagnetischen Aktuators verstellbare Ventilhülse,
auf die im geschlossenen Zustand ausschließlich in radialer Richtung
Kräfte wirken. Problematisch bei bekannten, in axialer
Richtung druckausgeglichenen Steuerventilen ist, dass bei diesen
ständig eine Leckage aus einem Hochdruckbereich des Injektors
in einen Niederdruckbereich des Injektors auftritt, aus welchem
Kraftstoff über einen Rücklaufanschluss abströmen
kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor anzugeben,
bei dem auch Kraftstoffdrücke jenseits von 1600 bar mit
einem in axialer Richtung nicht-druckausgeglichenen Steuerventil schaltbar
sind.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dem Steuerventil (Servoventil)
des Kraftstoffinjektors einen Druckminderer zuzuordnen, mit dem
der maximal auf das Steuerventil, genauer auf das verstellbare Steuerventilelement
wirkende Kraftstoffdruck begrenzt und/oder reduzierbar ist. Anders
ausgedrückt wird durch das Vorsehen eines dem Steuerventil
zugeordneten Druckminderers verhindert, dass auf das Steuerventil
unter Rail-Druck stehender Kraftstoff wirkt. Auf diese Weise können
im geschlossenen Zustand in axialer Richtung nicht-druckausgeglichene, kostengünstigere
Steuerventile, beispielsweise Kugelventile, eingesetzt werden, selbst
wenn der Einspritzdruck weit höher als 1600 bar ist. Mit
Vorteil kann auf das Vorsehen von vergleichsweise kostenintensiven,
im geschlossenen Zustand in axialer Richtung druckausgeglichenen
Steuerventilen, die ständig mit Leckage behaftet sind,
verzichtet werden.
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Im
Hinblick auf die konstante Ausbildung des Druckminderers gibt es
unterschiedliche Möglichkeiten. Besonders bevorzugt ist
eine Ausführungsform, bei der der Druckminderer ein Rückschlagventil
umfasst, welches erst bei Überschreiten eines definierten
Kraftstoffdrucks (Auslösedruck) öffnet und somit den
auf das Steuerventilelement wirkenden (maximalen) Kraftstoffdruck
reduziert. Durch das Vorsehen eines als Rückschlagventil
ausgebildeten Druckminderers in Kombination mit einem in axialer
Richtung nicht-druckausgeglichenen Steuerventil tritt also Leckage
nur bei Überschreiten des vorerwähnten, definierten
Auslösedrucks auf.
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Zusätzlich
oder bevorzugt alternativ zu dem Vorsehen eines Rückschlagventils
kann der Druckminderer mindestens eine hydraulische Drossel umfassen
oder als solche ausgebildet sein. Bei einem gleichzeitigen Verzicht
auf ein Rückschlagventil tritt zwar, ähnlich wie
bei einem im geschlossenen Zustand in axialer Richtung druckausgeglichenen
Steuerventil, ständig Leckage in Richtung des Injektorrücklaufanschlusses
auf – der Einsatz einer hydraulischen Drossel ermöglicht
jedoch auch bei vergleichsweise hohen Systemdrücken von
jenseits 1600 bar, vorzugsweise von jenseits 2000 bar den Einsatz
von in axialer Rich tung nicht-druckausgeglichenen, beispielsweise
als Kugelventil ausgebildeten Steuerventilen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist dem Druckminderer mindestens eine
Bypass-Leitung zugeordnet, durch die durch den Druckminderer strömender
Kraftstoff unter Umgehung des Steuerventils in Richtung hin zum
Injektorrücklaufanschluss strömen kann. Anders
ausgedrückt wird der durch den Druckminderer strömende
Kraftstoff durch das Vorsehen eines Bypass-Kanals umgelenkt, vorzugsweise
unmittelbar zum Injektorrücklaufanschluss, unter Umgehung
des Steuerventils.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoffinjektors,
bei der der Druckminderer derart ausgelegt ist, dass der maximal
auf das Steuerventilelement wirkende Kraftstoffdruck 2000 bar beträgt.
Bevorzugt ist der maximal auf das Steuerventilelement wirkende Druck
geringer als 2000 bar, ganz besonders bevorzugt geringer als 1800
bar, noch weiter bevorzugt größer oder gleich 1600
bar.
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Wie
eingangs erläutert, ermöglicht der Einsatz eines
dem Steuerventilelement zugeordneten Druckminderers den Einsatz
eines im geschlossenen Zustand in axialer Richtung nicht-druckausgeglichenen
Steuerventils, welches im Gegensatz zu einem in axialer Richtung
druckausgeglichenen Steuerventil den Vorteil hat, dass im geschlossenen
Zustand im Wesentlichen keine Leckage in den Niederdruckbereich
des Kraftstoffinjektors auftritt. Zudem ist ein in axialer Richtung
nicht-druckausgeglichenes Steuerventil kostengünstiger
herstellbar. Im Hinblick auf eine maximale Kostenreduzierung ist
eine Ausführungsform des Kraftstoffinjektors bevorzugt,
bei der das Steuerventil als Kugelventil ausgebildet ist, also als
ein Ventil, dessen, vorzugsweise axial, verstellbares Steuerventilelement
zumindest im Bereich des Steuerventilsitzes sphärisch ausgeformt
ist. Weiter bevorzugt ist es das Steuerventil, insbesondere das Kugelventil
als 2/2-Wegeventil auszubilden.
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Grundsätzlich
ist es möglich, einen wie zuvor beschrieben ausgebildeten
Kraftstoffinjektor mit einem dem Steuerventil zugeordneten Druckminderer mittels
eines piezoelektrischen Aktuators (Piezoaktuator) zu betätigen.
Aus Kosten- und Robustheitsgründen ist jedoch eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der zum Betätigen des Steuerventilelementes
des Steuerventils ein elektromagnetischer Ak tuator vorgesehen ist.
Der Einsatz von in axialer Richtung nicht druckausgeglichenen Steuerventilen
bei Drücken jenseits von 1600 bar scheiterte bisher an
der begrenzten, maximalen Verstellkraft zum Einsatz kommender elektromagnetischer
Aktuatoren.
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Konstruktiv
ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der dem Steuerventil
eine von dem Steuerventilsitz begrenzte Ventilkammer zugeordnet
ist, wobei der Druckminderer bevorzugt unmittelbar an die Ventilkammer
angrenzt bzw. unmittelbar hydraulisch mit dieser verbunden ist.
Hierdurch wird gewährleistet, dass der Kraftstoffdruck
unmittelbar in einem auf das Steuerventilelement wirkenden Bereich begrenzt
bzw. vermindert wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass zwischen
der vorerwähnten Ventilkammer und einer mit dem ein- oder
mehrteiligen Einspritzventilelement wirkverbundenen, vorzugsweise
von diesem begrenzten, Steuerkammer eine Ablaufdrossel angeordnet
ist, durch die Kraftstoff bei geöffnetem Steuerventil und/oder
bei als hydraulische Drossel ausgebildetem Druckminderer in Richtung
des Injektorrücklaufanschlusses strömen kann. Die
Durchflussquerschnitte der Ablaufdrossel und einer der Steuerkammer
zugeordneten Zulaufdrossel sollten dabei derart aufeinander abgestimmt
sein, dass bei geöffnetem Steuerventil ein Nettoabfluss von
Kraftstoff aus der Steuerkammer resultiert, mit der Folge, dass
der Kraftstoff-Druck in der Steuerkammer abnimmt, woraus eine in Öffnungsrichtung auf
das Einspritzventilelement wirkende, hydraulische Kraft resultiert.
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Wie
bereits angedeutet, ist eine Ausführungsform des Kraftstoffinjektors
besonders bevorzugt, bei der das ein- oder mehrteilige Einspritzventilelement
die Steuerkammer, vorzugsweise stirnseitig, unmittelbar begrenzt.
Dem Einspritzventilelement ist eine, mindestens ein Düsenloch
umfassende, Düsenlochanordnung zugeordnet, durch die bei
geöffnetem Einspritzventilelement, im Wesentlichen unter Rail-Druck
stehender, Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine strömen
kann.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese
zeigen in:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung eines als Common-Rail-Injektor
ausgebildeten Kraftstoffinjektors mit einem Steuerventil, welchem
ein als Rückschlagventil ausgebildeter Druckminderer zugeordnet
ist, und
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2 eine
alternative Ausführungsform eines Kraftstoffinjektors,
bei dem der dem Steuerventil zugeordnete Druckminderer als hydraulische
Drossel ausgebildet ist.
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit den gleichen
Funktionen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
in einer stark schematisierten Ansicht einen als Common-Rail-Injektor
ausgebildeten Kraftstoffinjektor 1 zum Einspritzen von
Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer ebenfalls nicht
gezeigten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Eine
Hochdruckpumpe 2 fördert Kraftstoff aus einem
Vorratsbehälter 3 in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 (Rail).
In diesem ist Kraftstoff, insbesondere Diesel oder Benzin, unter
hohem Druck, von in diesem Ausführungsbeispiel etwa 2100 bar,
gespeichert. An den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 ist
der Kraftstoffinjektor 1 neben anderen, nicht gezeigten
Kraftstoffinjektoren über eine Versorgungsleitung 5 angeschlossen.
Die Versorgungsleitung 5 mündet in einen zum Hochdruckbereich
des Kraftstoffinjektors 1 gehörenden, als Minirail
zur Druckschwingungsminimierung fungierenden Druckraum 6.
Der Kraftstoff strömt bei einem Einspritzvorgang unmittelbar
aus dem Druckraum 6 in axialer Richtung in der Zeichnungsebene
nach unten in den nicht gezeigten Brennraum der Brennkraftmaschine. Der
Kraftstoffinjektor 1 ist über einen Injektor-Rücklaufanschluss 7 an
eine Rücklaufleitung 8 und über diese
an den Vorratsbehälter 3 angeschlossen. Über die
Rücklaufleitung 8 kann eine später noch
zu erläuternde Steuermenge sowie eine Leckagemenge an Kraftstoff
aus dem Kraftstoffinjektor 1 zu dem Vorratsbehälter 3 abfließen
und von dort aus dem Hochdruckkreislauf wieder zugeführt
werden.
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Innerhalb
eines nicht gezeigten Injektorkörpers ist ein in diesem
Ausführungsbeispiel einteiliges Einspritzventilelement 9,
das bei Bedarf auch zweiteilig ausge führt sein kann, in
axialer Richtung verstellbar angeordnet. Das Einspritzventilelement 9 weist
an seiner nicht gezeigten Spitze eine Schließfläche
auf, mit welcher das Einspritzventilelement 9 in eine dichte
Anlage an einen innerhalb eines ebenfalls nicht gezeigten Düsenkörpers
ausgebildeten Einspritzventilelementsitz bringbar ist. Wenn das
Einspritzventilelement 9 an seinem Einspritzventilelementsitz
anliegt, d. h. sich in einer Schließstellung befindet,
ist der Kraftstoffaustritt aus einer im Düsenkörper
angeordneten Düsenlochanordnung gesperrt. Ist es dagegen
von seinem Einspritzventilelementsitz abgehoben, kann Kraftstoff
aus dem Druckraum 6 zwischen dem Einspritzventilelement 9 und
dem Düsenkörper vorbei zur Düsenlochanordnung
strömen und dort im Wesentlichen unter dem Hochdruck (Raildruck)
stehend in den Brennraum gespritzt werden.
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Von
einer oberen Stirnseite 10 des Einspritzventilelementes 9 und
einem in der Zeichnungsebene unteren, hülsenförmigen
Abschnitt 11 einer Drosselplatte 12 wird eine
Steuerkammer 13 begrenzt, die über eine radial
in dem hülsenförmigen Abschnitt 11 verlaufende
Zulaufdrossel 14 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
aus dem Druckraum 6 versorgt wird. Der hülsenförmige
Abschnitt 11 mit darin eingeschlossener Steuerkammer 13 ist
radial außen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff umschlossen, so
dass ein ringförmiger Führungsspalt 15 radial
zwischen dem hülsenförmigen Abschnitt 11 und
dem Einspritzventilelement 9 vergleichsweise kraftstoffdicht
ist.
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Die
Steuerkammer 13 ist über einen, in die Drosselplatte 12 eingebrachten,
axialen Ablaufkanal 16 mit Ablaufdrossel 18 mit
einer Ventilkammer 17 verbunden, die mittels eines Steuerventilelementes 19 eines
Steuerventils 20 verschließbar und mit einem Niederdruckbereich 21 und
damit mit dem Injektor-Rücklaufanschluss 7 verbindbar
ist. Aus dem Ablaufkanal 16 kann Kraftstoff bei geöffnetem
Steuerventil 20 in den Niederdruckbereich 21 des
Kraftstoffinjektors 1 und von dort aus zum Injektor-Rücklaufanschluss 7 fließen.
Zum Verstellen des im geschlossenen Zustand in axialer Richtung
nicht-druckausgeglichenen Steuerventils 20 ist ein, lediglich über
Pfeile symbolisierter, vorzugsweise als elektromagnetischer Aktuator
ausgebildeter Aktuator 22 vorgesehen. Bei Bestromung des
Aktuators 22 hebt das Steuerventilelement 19 von
seinem Steuerventilsitz 23 ab, wohingegen das Steuerventilelement 19 bei
Nicht-Bestromung des Aktuators 22 mittels einer nicht dargestellten
Schließfeder zurück auf den Steuerventilsitz 23 verstellt
wird und dadurch die Ventilkammer 17 unmittelbar begrenzt
und in Richtung Injektor-Rücklaufanschluss 7 abdichtet.
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Bei
geöffnetem Steuerventil 20 strömt also Kraftstoff
aus der Steuerkammer 13 zwischen Steuerventilelement 19 und
Steuerventilsitz 23 vorbei in den Niederdruckbereich 21 und
von dort aus zum Injektor-Rücklaufanschluss 7.
Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 14 und der
Ablaufdrossel 18 sind dabei derart aufeinander abgestimmt,
dass ein Nettoabfluss von Kraftstoff (Steuermenge) aus der Steuerkammer 13 in
die Rücklaufleitung 8 und damit in den Vorratsbehälter 3 resultiert.
Hierdurch sinkt der Druck in der Steuerkammer 13 rapide
ab, wodurch das Einspritzventilelement 9 von seinem nicht
gezeigten Einspritzventilelementsitz abhebt, so dass wiederum Kraftstoff
aus dem Druckraum 6 durch die Düsenlochanordnung
in den Brennraum ausströmen kann.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des lediglich
angedeuteten Aktuators 22 unterbrochen, wodurch das kugelförmige Steuerventilelement 19 mittels
der nicht gezeigten Schließfeder, die sich vorzugsweise
auf einer Ankerplatte (nicht gezeigt) des elektromagnetischen Aktuators 22 abstützt,
in der Zeichnungsebene nach unten auf ihren Steuerventilsitz 23 verstellt
wird. Der durch die Zulaufdrossel 14 in die Steuerkammer 13 nachströmende
Kraftstoff sorgt für eine schnelle Druckerhöhung
in der Steuerkammer 13 und damit für eine auf
das Einspritzventilelement 9 wirkende, hydraulische Schließkraft.
Die hieraus resultierende Schließbewegung des Einspritzventilelementes 9 wird
von einer nicht gezeigten Schließfeder unterstützt.
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Wie
sich aus 1 ergibt, ist dem Steuerventil 20,
genauer der von dem Steuerventilelement 19 begrenzten Ventilkammer 17 ein
Druckminderer 24 zugeordnet. Der Druckminderer 24 ist
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Rückschlagventil 25 ausgebildet,
welches ein kugelförmiges Ventilelement 26 und
eine Druckfeder 27 umfasst. Durch die Wahl der Druckfeder 27 kann
die Öffnungskraft eingestellt werden, die notwendig ist,
um das Ventilelement 26 von seinem Ventilsitz 28 abzuheben.
Die Öffnungskraft hat wiederum Einfluss auf den maximal in
der Ventilkammer 17 vorherrschenden Kraftstoffdruck. Wird
die Öffnungskraft erreicht, herrscht also ein definierter
Mindest- bzw. Auslösekraftdruck in der Ventilkammer 17 und
damit auf das Steuerventilelement 19. öffnet der
Druckminderer 24 bzw. das Rückschlagventil 25 kann
Kraftstoff aus der Ventilkammer 17 durch einen Bypass-Kanal 29 am
Steuerventil 20 vorbei in Richtung zum Injektor-Rücklaufanschluss 7 strömen.
Bei der abströmenden Menge handelt es sich um eine unvermeidbare
Leckagemenge, die notwendig ist, um einen zu hohen Kraftstoffdruck
auf das Steuerventilelement 19 zu vermeiden, der dazu führen
würde, dass das Steuerventilelement 19 trotz Nicht-Bestromung
des Aktuators 22 vom Steuerventilsitz 23 abheben
würde. Erst durch die mittels des Druckminderers 24 erreichte
Druckminderung wird der Einsatz von nicht-druckausgeglichenen Steuerventilen 20 bei
gleichzeitiger Verwendung des elektromagnetischen Aktuators (Aktuator 22)
möglich. Im Gegensatz zu einem in axialer Richtung druckausgeglichenen
Steuerventil tritt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
eine Leckage nur bei Überschreiten eines Auslösedrucks
in der Ventilkammer 17 und nicht dauerhaft auf.
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In 2 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffinjektors 1 gezeigt,
das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 entspricht,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen im Folgenden nur Unterschiede
zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel erläutert
werden. In Bezug auf die Gemeinsamkeiten wird auf 1 mit
zugehöriger Figurenbeschreibung verwiesen.
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Auch
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist
der Ventilkammer 17 ein Druckminderer 24 zugeordnet.
Dieser umfasst jedoch kein Rückschlagventil, sondern ist
als hydraulische Drossel 30 ausgebildet, die den Druck
in der Ventilkammer 17 im Vergleich zum im Druckraum 6 vorherrschenden
Kraftstoffdruck (erheblich) reduziert, so dass der maximale auf
das Steuerventilelement 19 wirkende Druck begrenzt ist.
Bei Bedarf kann die hydraulische Drossel 30 mit einem Rückschlagventil
kombiniert werden. Ohne Rückschlagventil tritt am Druckminderer 24 eine
dauerhafte Leckage auf, ähnlich wie bei in axialer Richtung
druckausgeglichenen Steuerventilen, jedoch ist es aufgrund des Vorsehens
der hydraulischen Drossel 30 möglich, in axialer
Richtung nicht-druckausgeglichene Steuerventile, vorzugsweise in
Kombination mit einem elektromagnetischen Aktuator (Aktuator 22),
auch bei Drücken jenseits von 2000 bar einzusetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006020724
A1 [0002]