DE102010043360A1

DE102010043360A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102010043360A1
Application number: DE102010043360A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Uhlmann; Violaine Chassagnoux
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-10
Also published as: CN103189635A; WO2012059265A1; EP2635793B1; CN103189635B; EP2635793A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Steuerventil (1), das in einer Ventilplatte (2) ausgebildet ist und einen mittels einer Feder (3) gegenüber einem Ventilsitz (4) axial vorgespannten Ventilbolzen (5) umfasst, und mit einer Aktoreinheit (6) zur Betätigung des Steuerventils (1), wobei zwischen der Aktoreinheit (6) und dem Steuerventil (1) eine hydraulische Kopplereinheit (7) angeordnet ist, die einen am Ventilbolzen (5) anliegenden Ventilkolben (8) umfasst. Erfindungsgemäß bilden die Außenkontur des Ventilbolzens (5) und des Ventilkolbens (8) sowie eine sich an den Ventilsitz (4) in Strömungsrichtung anschließende Innenkontur (9) der Ventilplatte (2) einen Abströmkanal (10) aus, dessen Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung kontinuierlich zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Ein gattungsgemäßer Kraftstoffinjektor geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 001 322 A1 hervor. Er umfasst ein in einer Ventilplatte ausgebildetes Steuerventil sowie eine Aktoreinheit zur Betätigung des Steuerventils. Zwischen dem Steuerventil und der Aktoreinheit ist eine hydraulische Kopplereinheit angeordnet, welche einen Ventilkolben zur Übertragung der Kraft und des Hubes der Aktoreinheit auf einen Ventilbolzen des Steuerventils umfasst. Bei Bestromung der Aktoreinheit drückt der Ventilkolben der Kopplereinheit den Ventilbolzen des Steuerventils aus einem in der Ventilplatte ausgebildeten Ventilsitz, so dass ein Abströmkanal gebildet wird, welcher den Ventilraum mit einem Niederdruckbereich verbindet.
Die vorstehend genannte Offenlegungsschrift verweist zudem auf einen Stand der Technik, welcher nachfolgend anhand der 1 bis 4 näher erläutert wird.
Der 1 ist ein Längsschnitt durch einen solchen Kraftstoffinjektor gemäß dem Stand der Technik zu entnehmen. Ferner ist mittels der Kreispunktlinie der Bereich angedeutet, welcher im Rahmen der Erfindung weiterentwickelt wurde. Der Bereich umfasst das Steuerventil 1 und die Kopplereinheit 7 und ist vergrößert in der 2 dargestellt.
Der in der 2 dargestellte Ausschnitt zeigt das Steuerventil 1, das in einer Ventilplatte 2 ausgebildet ist. An die Ventilplatte 2 schließt düsenseitig eine Drosselplatte 20 und hieran ein Düsenkörper 21 an. Aktorseitig ist an die Ventilplatte 2 ein Haltekörper 22 angesetzt, in dem eine Aktoreinheit 6 und eine Kopplereinheit 7 aufgenommen sind. Die Kopplereinheit 7 umfasst einen Kopplerkolben 23, der mit der Aktoreinheit 6 in Wirkverbindung steht, sowie einen Ventilkolben 8, der mit einer Stirnfläche 11 an einer Kontaktfläche 12 eines in einer Hülse 24 geführten Ventilbolzens 5 des Steuerventils 1 anliegt. Bei Bestromung der Aktoreinheit 6 werden der Kopplerkolben 23 und der Ventilkolben 8 der Kopplereinheit 7 in Richtung des Steuerventils 1 bewegt. Dabei drückt der Ventilkolben 8 den Ventilbolzen 5 entgegen der Federkraft einer Feder 3 aus einem in der Ventilplatte 2 ausgebildeten Ventilsitz 4 des Steuerventils 1. Das sich nunmehr öffnende Steuerventil 1 gibt einen Abströmkanal 10 frei, welcher einen in der Ventilplatte 2 ausgebildeten Ventilraum 25 mit einem Niederdruckbereich 26 verbindet (siehe 3).
In der 4 ist der Abströmkanal 10 im Detail dargestellt. Er wird begrenzt durch eine sich an die Stirnfläche 11 anschließende Außenkontur des Ventilkolbens 8, und eine sich an den Ventilsitz 4 unmittelbar anschließende Innenkontur 9 der Ventilplatte 2. Ferner wird der Abströmkanal 10 von der in Strömungsrichtung hinter dem Ventilsitz 4 liegenden Außenkontur des Ventilbolzens 5 begrenzt, welche vorliegend zylinderförmig ausgebildet ist. Dieser zylinderförmige Abschnitt 28 der Außenkontur des Ventilbolzens 5 bildet zusammen mit einem an den Ventilsitz 4 anschließenden zylinderförmigen Abschnitt 29 der Ventilplatte 2 einen Abströmkanal 10 in Form eines Ringkanals 27 aus. An den Ringkanal 27 schließt sich ein durch einen Durchmessersprung im Kontaktbereich des Ventilkolbens 8 mit dem Ventilbolzen 5 erweiterter Abschnitt des Abströmkanals 10 an. Denn der Durchmesser D₁ des Ventilkolbens 8 ist kleiner als der Durchmesser D₂ des Ventilbolzens 5 gewählt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art derart weiterzubilden, dass die Gefahr von Kavitation insbesondere im Bereich des Ventilbolzens, der Ventilplatte und des Ventilkolbens gemindert oder gänzlich vermieden wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor weist ein Steuerventil auf, das in einer Ventilplatte ausgebildet ist und einen mittels einer Feder gegenüber einem Ventilsitz axial vorgespannten Ventilbolzen umfasst. Ferner weist der Kraftstoffinjektor eine Aktoreinheit zur Betätigung des Steuerventils auf, wobei zwischen der Aktoreinheit und dem Steuerventil eine hydraulische Kopplereinheit angeordnet ist, die einen am Ventilbolzen anliegenden Ventilkolben umfasst. Erfindungsgemäß bilden die Außenkontur des Ventilbolzens und des Ventilkolbens sowie eine sich an den Ventilsitz in Strömungsrichtung anschließende Innenkontur der Ventilplatte einen Abströmkanal aus, dessen Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung kontinuierlich zunimmt. Die kontinuierliche Zunahme des Strömungsquerschnitts des Abströmkanals bewirkt, dass die Kavitationsneigung des Kraftstoffinjektors im ventilsitznahen Bereich abnimmt. Der Abströmkanal wird somit strömungstechnisch optimiert. Die vorgeschlagene Geometrie des Abströmkanals vermeidet insbesondere die Ausbildung eines Ringkanals zwischen einem zylinderförmigen Abschnitt des Ventilbolzens und der Ventilplatte, da – im Unterschied zum Kraftstoffinjektor der 1 bis 4 – dem zylinderförmigen Abschnitt des Ventilbolzens kein entsprechend ausgebildeter Abschnitt der Ventilplatte gegenüberliegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Ventilkolben eine am Ventilbolzen anliegende Stirnfläche, deren Außendurchmesser D₁ dem Außendurchmesser D₂ einer am Ventilbolzen ausgebildeten Kontaktfläche entspricht. Dadurch wird – im Unterschied zum Kraftstoffinjektor der 1 bis 4 – die Ausbildung eines strömungstechnisch ungünstigen Durchmessersprungs im Kontaktbereich des Ventilkolbens 8 mit dem Ventilbolzen 5 vermieden. Der fehlende Absatz optimiert nicht nur den Strömungsquerschnitt, sondern bewirkt zudem eine verbesserte Kontaktsteifigkeit im Kontaktbereich des Ventilkolbens mit dem Ventilbolzen und damit einhergehend eine verbesserte Kraftübertragung.
Weiter bevorzugt besitzt die Innenkontur der Ventilplatte einen ersten Bereich, der unmittelbar an den Ventilsitz anschließt und konvex geformt ist. Durch die konvexe Form der Innenkontur ist sichergestellt, dass es nicht zur Ausbildung eines Ringkanals zwischen einem zylinderförmigen Abschnitt des Ventilbolzens und der Ventilplatte kommt. Zudem wird eine strömungstechnisch optimierte Form der Ventilplatte in einem sich an den Ventilsitz unmittelbar anschließenden Bereich geschaffen.
Der erste Bereich der Innenkontur der Ventilplatte besitzt eine erste Rundung mit einem Radius R₁. Vorteilhafterweise schließt sich an den ersten Bereich eine zweite Rundung mit einem Radius R₂ an, wobei der Radius R₂ vorzugsweise größer als der Radius R₁ gewählt ist. Die konvexe Form der Ventilplatte im ersten sich unmittelbar an den Ventilsitz anschließenden Bereich wird dadurch etwas abgemildert, um beispielsweise einen Wechsel der Strömungsrichtung einzuleiten.
Weiterhin bevorzugt schließt sich an den konvex geformten ersten Bereich der Innenkontur der Ventilplatte ein zweiter Bereich an, der eben verläuft. Auch diese Maßnahme dient der Vorbereitung eines Wechsels der Strömungsrichtung, so dass der Wechsel möglichst sanft, das heißt ohne strömungstechnisch ungünstige, abrupte Übergänge erfolgt.
Um den Wechsel der Strömungsrichtung zu vollziehen, schließt sich an den eben verlaufenden zweiten Bereich der Innenkontur der Ventilplatte ein dritter Bereich an, der konkav geformt ist und eine weitere Rundung mit einem Radius R₃ besitzt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Außenkontur des Ventilkolbens konkav geformt ist und eine Rundung mit einem Radius R₄ besitzt. Der Radius R₄ der Rundung der Außenkontur des Ventilkolbens ist dabei ausreichend groß gewählt, um die erfindungsgemäße kontinuierliche Zunahme des Strömungsquerschnitts des Abströmkanals zu gewährleisten.
Vorzugsweise schließt sich die Rundung der Außenkontur des Ventilkolbens unmittelbar an die am Ventilbolzen anliegende Stirnfläche an. Alternativ kann sich an die Stirnfläche zunächst auch ein zylinderförmiger Abschnitt anschließen, der dann in die Rundung übergeht.
Weiterhin vorzugsweise ist die Rundung der Außenkontur des Ventilkolbens bis an den Außendurchmesser D₃ des Ventilkolbens herangeführt. Alternativ kann auch hier vorgesehen sein, dass die Rundung in einen eben verlaufenden Abschnitt übergeht, der dann bis an den Außendurchmesser D₃ des Ventilkolbens herangeführt ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektor,
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der 1,
3 einen vergrößerten Ausschnitt aus der 2,
4 einen vergrößerten Ausschnitt aus der 3,
5 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor und
6 einen vergrößerten Ausschnitt der 5.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Im Hinblick auf die 1 bis 4, welche einen aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektor zeigen, wird auf die bereits eingangs erfolgte Beschreibung verwiesen.
Den 5 und 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zu entnehmen, wobei die 6 einen vergrößerten Ausschnitt der 5 darstellt.
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der in den 1 dargestellte bekannte Kraftstoffinjektor auf. Er umfasst somit ein in einer Ventilplatte 2 ausgebildetes Steuerventil 1, das mittels einer Aktoreinheit 6 betätigbar ist. Zwischen der Aktoreinheit 6 und dem Steuerventil 1 ist eine hydraulische Kopplereinheit 7 angeordnet, welche einen Ventilkolben 6 umfasst, der mit einer Stirnfläche 11 an einer Kontaktfläche 12 eines Ventilbolzens 5 des Steuerventils 1 anliegt. Der Ventilbolzen 5 ist in einer Hülse 24 geführt und mittels der Federkraft einer Feder 3 gegen einen Ventilsitz 4 der Ventilplatte 2 axial vorgespannt. Um den Ventilbolzen 5 aus dem Ventilsitz 4 zu heben, muss daher die Federkraft der Feder 3 überwunden werden. Die erforderliche Kraft stellt die Aktoreinheit 6 zur Verfügung, welche über die hydraulische Kopplereinheit 7 zudem eine Verstärkung erfährt. Wird der Ventilbolzen 5 aus dem Ventilsitz 4 gehoben, öffnet das Steuerventil 1 und ein Abströmkanal 10 verbindet einen in der Ventilplatte 2 ausgebildeten Ventilraum 25 mit einem Niederdruckbereich 26.
Bereits der 5 ist zu entnehmen, dass der Abströmkanal 10 des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors eine von der bekannten Geometrie des Kraftstoffinjektors der 3 und 4 abweichende Geometrie besitzt. Zunächst fällt auf, dass die Durchmesser D₁ und D₂ gleich groß gewählt sind, so dass kein Durchmessersprung im Kontaktbereich des Ventilkolbens 8 mit dem Ventilbolzen 5 ausgebildet wird. Dies wirkt sich strömungstechnisch günstig aus. Die Durchmesser D₁ und D₂ betragen vorliegend 1,33 mm. Ferner entfällt der Ringkanal 27, da die Innenkontur 9 der Ventilplatte 2 derart ausgebildet ist, dass dem zylinderförmigen Abschnitt 28 des Ventilbolzens 5 kein entsprechender zylinderförmiger Abschnitt 29 der Ventilplatte 2 gegenüberliegt.
Wie im Detail in der 6 dargestellt, weist die Innenkontur 9 der Ventilplatte 2 einen ersten Bereich 13 auf, der konvex geformt ist. Der erste Bereich 13 weist eine erste Rundung 14 mit einem Radius R₁ auf, der vorliegend 0,62 mm beträgt. An die erste Rundung 14 schließt sich eine zweite Rundung 15 mit einem Radius R₂ = 1,89 mm an. Der konvexe Verlauf des ersten Bereichs 13 ist somit im Bereich der zweiten Rundung 15 weniger stark ausgeprägt. An den ersten Bereich 13 schließt sich ein zweiter Bereich 16 an, der eben verläuft und zwischen dem ersten Bereich 13 und einem dritten Bereich 17 vermittelt, der konkav geformt ist und eine Rundung 18 mit einem Radius R₃ = 0,75 mm besitzt. Der eben verlaufende Bereich 16 leitet somit einen Wechsel der Strömungsrichtung ein. Die Rundung 18 läuft in den Durchmesser D₅ = 8,65 mm der Innenkontur 9 der Ventilplatte 2 aus.
Die Außenkontur des Ventilkolbens 8 weist eine Rundung 19 mit einem Radius R₄ = 1,71 mm auf. Die Rundung 19 schließt unmittelbar an die Stirnfläche 11 des Ventilkolbens 8 an und ist bis an den Außendurchmesser D₃ = 4,9 mm des Ventilkolbens 8 herangeführt. Durch die Außenkontur des Ventilkolbens 8 und die Innenkontur 9 der Ventilplatte 2 ist damit sichergestellt, dass auch im weiteren Verlauf des Abströmkanals 10 kein strömungstechnisch ungünstiger Ringkanal 27 ausgebildet wird.
Der Ventilsitz 4 erstreckt sich von einem Durchmesser D₄ = 1,61 mm bis zu einem Durchmesser D₆ = 2,06 mm. Da der sich an den Ventilsitz 4 unmittelbar anschließende erste Bereich 13 der Innenkontur 9 der Ventilplatte 2 eine Schwächung der Ventilplatte 2 darstellt, kann bei Bedarf die Sitzsteifigkeit dadurch erhöht werden, dass der erste Bereich 13 der Innenkontur 9 noch balliger ausgeführt wird (siehe gestrichelte Linie). Die Radien R₁ und/oder R₂ sind dann entsprechend anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009001322 A1 [0002]

Claims

Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Steuerventil (1), das in einer Ventilplatte (2) ausgebildet ist und einen mittels einer Feder (3) gegenüber einem Ventilsitz (4) axial vorgespannten Ventilbolzen (5) umfasst, und mit einer Aktoreinheit (6) zur Betätigung des Steuerventils (1), wobei zwischen der Aktoreinheit (6) und dem Steuerventil (1) eine hydraulische Kopplereinheit (7) angeordnet ist, die einen am Ventilbolzen (5) anliegenden Ventilkolben (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Ventilbolzens (5) und des Ventilkolbens (8) sowie eine sich an den Ventilsitz (4) in Strömungsrichtung anschließende Innenkontur (9) der Ventilplatte (2) einen Abströmkanal (10) ausbilden, dessen Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung kontinuierlich zunimmt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (8) eine am Ventilbolzen (5) anliegende Stirnfläche (11) besitzt, deren Außendurchmesser D₁ dem Außendurchmesser D₂ einer am Ventilbolzen (5) ausgebildeten Kontaktfläche (12) entspricht.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (9) der Ventilplatte (2) einen ersten Bereich (13) besitzt, der unmittelbar an den Ventilsitz (4) anschließt und konvex geformt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (13) der Innenkontur (9) der Ventilplatte (2) eine erste Rundung (14) mit einem Radius R₁ besitzt, an welche sich eine zweite Rundung (15) mit einem Radius R₂ anschließt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den konvex geformten ersten Bereich (13) der Innenkontur (9) der Ventilplatte (2) ein zweiter Bereich (16) anschließt, der eben verläuft.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den eben verlaufenden zweiten Bereich (16) der Innenkontur (9) der Ventilplatte (2) ein dritter Bereich (17) anschließt, der konkav geformt ist und eine weitere Rundung (18) mit einem Radius R₃ besitzt.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Ventilkolbens (8) konkav geformt ist und eine Rundung (19) mit einem Radius R₄ besitzt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rundung (19) der Außenkontur des Ventilkolbens (8) unmittelbar an die Stirnfläche (11) anschließt.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rundung (19) der Außenkontur des Ventilkolbens (8) bis an den Außendurchmesser D₃ des Ventilkolbens (8) herangeführt ist.