DE19963920B4 - Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem mit schiebergesteuertem Zulaufkanal und direkter Kopplung von Steuerkolben und Düsenkanal - Google Patents
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Abstract
Injektor
für ein
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer eine
Düsennadel
(31) aufweisenden Einspritzdüse
(7) und mit einem von einem Steuerkolben (11) in drei Abschnitte (13,
15, 17) unterteilten Steuerraum (3), wobei der erste Abschnitt (13)
und der zweite Abschnitt (15) über
eine im Steuerkolben (11) angeordnete Zulaufdrossel (19) hydraulisch
in Verbindung stehen, wobei der zweite Abschnitt (15) mit einem
Hochdruckanschluss (1) und der dritte Abschnitt (17) mit einem Zulaufkanal
(5) zu einem Druckraum (43) der Düsennadel (31) hydraulisch in
Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt
(15) und der dritte Abschnitt (17) durch einen Schieber (27) des Steuerkolbens
(11) voneinander abgegrenzt sind, dass der Schieber (27) bei geschlossener
Einspritzdüse
(7) mit einer Steuerkante (47) einer Führungsbohrung (9) des Steuerkolbens
(11) eine weitgehende hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss
(1) und Zulaufkanal (5) bewirkt, so dass bei kleinem Hub des Steuerkolbens
(11) eine Drosselung des Kraftstoffs zwischen der Steuerkante (47)
und dem...
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Ein solcher Injektor ist beispielsweise aus der
AT 001 626 U1 DE 197 01 879 A1 bekannten und ähnlich aufgebauten Injektor. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Injektor weiter zu verbessern, insbesondere die Gestaltungsmöglichkeiten beim Verlauf von Vor- und Haupteinspritzung zu vergrößern. Außerdem sollte die Sicherheit gegen Leckagen in dem Brennraum der Brennkraftmaschine erhöht werden.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichenden Merkmalen des Anspruchs 1.
- Vorteile der Erfindung
- Durch die Drosselung des Kraftstoffs bei kleinen Hüben des Steuerkolbens wird der Einspritzdruck reduziert. Daraus und aus der daraus resultierenden geringen Einspritzmenge ergeben sich weitere Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich des Einspritzverlaufs. Durch den Druckausgleich zwischen dem Hochdruckanschluß und dem Druckraum zwischen den Einspritzungen ergibt sich ein schnelles Ansprechen der Düsennadel gewährleistet.
- Durch geeignete Abstimmung des Injektors kann mit einer einmaligen Ansteuerung des Magnetventils eine Voreinspritzung erfolgen. Dies ist insbeondere dann möglich, wenn der Druck im Zulaufkanal und im Druckraum der Einspritzdüse während der Voreinspritzung so stark absinkt, dass die auf die erste Stirnfläche des Ventilkolbens wirkende hydraulische Kraft größer als die auf die Querschnittsänderung der Düsennadel wirkende Kraft ist.
- Durch die Kopplung von Steuerkolben und Düsennadel sind Voreinspritzungen mit verringertem Einspritzdruck und äußerst kleinen Voreinspritzmengen möglich. Durch geeignetes Ansteuern des Magnetventils des Injektors können kleine Hübe des Steuerkolbens realisiert werden. Da durch die Kopplung von Steuerkolben und Düsennadel der Hub der Düsennadel nicht größer als der Hub des Steuerkolbens sein kann, ist es somit auch möglich, den Hub der Düsennadel zu beschränken.
- Bei einer Variante der Erfndung ist vorgesehen, dass der Steuerkolben in einer Führungsbohrung axial verschiebbar angeordnet ist, dass die Düsennadel in einer zur Führungsbohrung koaxial verlaufenden Bohrung axial verschiebbar angeordnet ist und dass die Kopplung von Steuerkolben und Düsennadel über einen Ventilkolben erfolgt. Durch die koaxiale Anordnung von Steuerkolben und Düsennadel können die Kopplungskräfte direkt und auf einfache Weise übertragen werden. Erforderlichenfalls kann mit Hilfe eines Ventilkolbens kann der Abstand zwischen Steuerkolben und Düsennadel überbrückt werden.
- Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind Ventilkolben und Steuerkolben oder Düsennadel und Steuerkolben einstückig ausgeführt, so dass die Zahl der Bauteile verringert wird und Fluchtungsfehler vermieden werden.
- Bei einer anderen Variante ist vorgesehen, dass eine sich gegen das Gehäuse des Injektors und die Düsennadel abstützende Schließfeder vorhanden ist, so dass auch bei fehlendem Kraftstoffdruck der Injektor stets sicher geschlossen wird. Außerdem kann die Schließfeder dazu beitragen, dass die Düsennadel nach einmaligem Ansteuern des Magnetventils selbsttätig wieder schließt, indem sie die hydraulische Schließkraft verstärkt.
- Bei anderen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass eine auf den Steuerkolben wirkende Hilfsfeder vorhanden ist oder/und dass der Zulaufkanal in Verbindung mit dem in ihm befindlichen Kraftstoff als Druckspeicher dient, so dass, insbesondere bei der Haupteinspritzung, sichergestellt ist, dass der Steuerkolben einen so großen Hub ausführt, dass keine Überdeckung zwischen Schieber und Steuerkante mehr vorhanden ist und somit die Einspritzdüse des Injektors mit dem vollen Druck des Kraftstoffs beaufschlagt wird. Dadurch wird ein schnelles Öffnen der Einspritzdüse ermöglicht und es kann in kurzer Zeit eine große Kraftstoffmenge eingespritzt werden.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
- Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor mit geschlossenem Magnetventil; und -
2 den Steuerraum eines erfindungsgemäßen Injektors bei geöffnetem Magnetventil. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- In
1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor dargestellt. Ein Hochdruckanschluss1 versorgt einen Steuerraum3 mit in1 und2 nicht dargestelltem Kraftstoff. Über den Steuerraum3 und einen Zulaufkanal5 wird auch eine Einspritzdüse7 mit Kraftstoff versorgt. - Der Steuerraum
3 wird von einer Führungsbohrung9 radial begrenzt. In der Führungsbohrung9 ist ein axial verschiebbarer Steuerkolben11 vorhanden. Der Steuerkolben teilt den Steuerraum3 in drei Abschnitte13 ,15 und17 . - Der erste Abschnitt
13 des Steuerraums3 wird von einer ersten Stirnfläche18 des Steuerkolbens11 in axialer Richtung begrenzt. Außerdem ist der erste Abschnitt13 des Steuerraums3 über eine Zulaufdrossel19 mit dem zweiten Abschnitt15 des Steuerraums3 hydraulisch verbunden. Die Zulaufdrossel19 kann als Nut oder als Bohrung ausgeführt werden. Über eine Ablaufdrossel21 , die durch eine von einem nicht dargestellten Magnetventil gesteuerte Kugel22 geöffnet werden kann, ist der erste Abschnitt13 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Kraftstoffrücklauf verbunden. - Der Steuerkolben
11 weist zwei Nuten23 ,25 auf, welche den zweiten Abschnitt15 und den dritten Abschnitt17 des Steuerraums3 radial begrenzen. Zwischen den Nuten23 ,25 ist ein Schieber27 angeordnet. - An der zweiten Stirnfläche
29 des Steuerkolbens11 schließt ein auf eine Düsennadel31 der Einspritzdüse7 wirkender Ventilkolben33 an. Die Düsennadel31 verhindert, dass der unter Druck stehende Kraftstoff zwischen den Einspritzungen in den nicht dargestellten Brennraum fließt. Dies geschieht dadurch, dass die Düsennadel31 in einen Düsennadelsitz34 gepresst wird und den Zulaufkanal5 gegen den Brennraum abdichtet. - Die Düsennadel
31 weist eine Querschnittsänderung35 von einem größeren Durchmesser37 auf einen kleineren Durchmesser39 auf. Mit ihrem größeren Durchmesser37 ist die Düsennadel31 in einem Gehäuse41 des Injektors geführt. Die Querschnittsänderung35 begrenzt einen Druckraum43 der Einspritzdüse7 . - In der in
1 dargestellten Position trennt der Schieber27 den dritten Abschnitt17 des Steuerraums3 und somit auch den von dem dritten Abschnitt17 des Steuerraums3 angehenden Zulaufkanal5 vom Hochdruckanschluss1 . Die Überdeckung45 von Schieber27 und einer Steuerkante47 der Führungsbohrung9 ist so gewählt, dass auch in dieser Stellung des Schiebers27 zwischen den Einspritzungen eine gewisse Leckage auftritt und somit im Druckraum43 der gleiche Druck wie im Hochdruckanschluss1 herrscht. - Bei geschlossener Ablaufdrossel
21 herrscht im gesamten Injektor der gleiche Druck. Weil die erste Stirnfläche18 des Steuerkolbens11 größer als die Ringfläche der Querschnittsänderung35 ist, ist die auf die erste Stirnfläche18 des Steuerkolbens11 wirkende hydraulische Kraft größer als die auf die Querschnittsänderung35 wirkende hydraulische Kraft und die Düsennadel31 wird in den Düsennadelsitz34 gepresst. Wenn die nicht dargestellte Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems nicht angetrieben wird, weil der Motor steht, dann presst eine auf die Düsennadel31 wirkende Schließfeder49 die Düsennadel31 in den Düsennadelsitz34 und schließt damit die Einspritzdüse7 bzw. den Injektor. Die Schließfeder49 stützt sich gegen das Gehäuse41 des Injektors ab. - Wenn die Ablaufdrossel
21 geöffnet wird, indem das Magnetventil angesteuert und die Kugel22 von einem Kugelsitz51 abgehoben wird, sinkt der Druck im ersten Abschnitt13 des Steuerraums3 , da die Zulaufdrossel19 einen vollständigen Druckausgleich zwischen Zulaufkanal5 und erstem Abschnitt13 des Ventilsteuerrraum3 verhindert. In Folge dessen sinkt auch die auf die erste Stirnfläche18 wirkende hydraulische Kraft. Sobald diese hydraulische Kraft kleiner als die auf die Querschnittsänderung35 wirkende hydraulische Kraft ist, hebt die Düsennadel31 vom Düsennadelsitz34 ab und öffnet somit die Einspritzdüse7 , so dass Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel31 wird unter anderem vom Durchflussunterschied zwischen der Zulaufdrossel19 und der Ablaufdrossel21 bestimmt. - Solange der Hub des Steuerkolbens
11 kleiner als die Überdeckung45 zwischen Schieber27 und Steuerkante47 ist, findet im Bereich des Schiebers27 ein Druckabbau vom zweiten Abschnitt15 zum dritten Abschnitt17 des Steuerraums3 statt. Dies hat zur Folge, dass die Einspritzung in den Brennraum mit reduziertem Einspritzdruck stattfindet. - Durch eine geeignete Auslegung des Injektors kann auch eine Voreinspritzung mit geringem Einspritzdruck und geringer Einspritzmenge herbeigeführt werden. Um dies zu erreichen müssen die Kraft der Schließfeder
49 und die auf die erste Stirnfläche18 wirkende hydraulische Kraft größer sein als die auf die Querschnittsänderung35 wirkende hydraulische Kraft. Durch die Drosselung zwischen Schieber27 und Steuerkante47 kann der Druck im Druckraum43 so weit absinken, dass die o. g. Bedingung eintritt. Damit ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten bei der Gestaltung des Verlaufs der Haupteinspritzung und der Voreinspritzung. Außerdem kann bei geeigneter hydraulischer Auslegung eine Voreinspritzung mit einer einmaligen Ansteuerung des Magnetventils erreicht werden. - Wenn der Hub des Steuerkolbens
11 größer als die Überdeckung45 zwischen Schieber27 und Steuerkante47 ist, ist der dritte Abschnitt17 des Steuerraums3 direkt mit dem Hochdruckanschluss1 verbunden und es findet kein Druckabbau durch den Schieber27 und die Steuerkante47 statt. Dieser Zustand ist in2 dargestellt. Auf eine vollständige Darstellung des Injektors in2 wurde verzichtet; es wird vielmehr auf1 verwiesen. - In der in
2 dargestellten Position des Steuerkolbens9 findet die Haupteinspritzung statt. Um sicherzustellen, dass der Steuerkolben9 in diese Position gelangt, ist die Elastizität des Zulaufkanals5 geeignet zu wählen. Die Elastizität des Zulaufkanals5 verhindert ein zu starkes Absinken des Drucks im Druckraum43 am Anfang der Einspritzung, die zum – in diesem Fall vorzeitigen – Schließen der Einspritzdüse7 führen würde. Zusätzlich oder alternativ kann auch noch eine Hilfsfeder53 vorgesehen werden. Die Hilfsfeder53 wirkt auf die zweite Stirnfläche29 des Steuerkolbens9 und unterstützt die Öffnung der Einspritzdüse7 . - Ein weiterer Vorteil dieses Injektors besteht darin, dass die Überdeckung
45 zwischen Schieber27 und Steuerkante47 bei geschlossener Einspritzdüse7 Leckagen zwischen Düsennadel31 und Düsennadelsitz34 , beispielsweise durch kleine Späne od. dgl. stark reduziert. Damit ist eine erhöhte Sicherheit gegen einen fehlerhaften, permanenten Kraftstoffstrom in den Brennraum gegeben (innere Leckage). - Um die Einspritzung zu beenden, wird die Ablaufdrossel
21 durch die Kugel22 in nicht näher erläuterter Weise verschlossen. Durch das Verschließen der Ablaufdrossel21 baut sich im ersten Abschnitt13 des Ventilsteuerraums3 über die Zulaufdrossel19 wieder annähernd der im Hochdruckanschluss1 herrschende Druck auf. Dieser Druck übt über die erste Stirnfläche18 des Steuerkolbens9 über den Ventilkolben33 eine hydraulische Kraft auf die Düsennadel31 aus. Sobald diese hydraulische Kraft die auf die Querschnittsänderung35 wirkende hydraulische Kraft überschreitet, schließt die Düsennadel31 . Wegen der im Vergleich zu der Ringfläche der Querschnittsänderung35 deutlich größeren ersten Stirnfläche18 des Steuerkolbens9 erfolgt die Schließbewegung sehr schnell und mit großer Kraft. - Die indirekte Ansteuerung der Düsennadel
31 über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem ist notwendig, weil die zu einem schnellen Öffnen der Düsennadel31 benötigten Kräfte mit dem Magnetventil nicht direkt erzeugt werden können. Die dabei zusätzlich zu der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge benötigte sogenannte "Steuermenge" gelangt über die Zulaufdrossel19 , den Steuerraum3 und die Ablaufdrossel21 in den Kraftstoffrücklauf. Zusätzlich zur Steuermenge entsteht auch noch an der Düsennadelführung eine Leckage. Die Steuer- und die Leckagemengen können bis zu 50 mm3/Hub betragen. Sie werden ebenfalls über die Ablaufdrossel21 wieder in den nicht dargestellten Kraftstoffrücklauf abgeführt. - Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Claims (6)
- Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer eine Düsennadel (
31 ) aufweisenden Einspritzdüse (7 ) und mit einem von einem Steuerkolben (11 ) in drei Abschnitte (13 ,15 ,17 ) unterteilten Steuerraum (3 ), wobei der erste Abschnitt (13 ) und der zweite Abschnitt (15 ) über eine im Steuerkolben (11 ) angeordnete Zulaufdrossel (19 ) hydraulisch in Verbindung stehen, wobei der zweite Abschnitt (15 ) mit einem Hochdruckanschluss (1 ) und der dritte Abschnitt (17 ) mit einem Zulaufkanal (5 ) zu einem Druckraum (43 ) der Düsennadel (31 ) hydraulisch in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (15 ) und der dritte Abschnitt (17 ) durch einen Schieber (27 ) des Steuerkolbens (11 ) voneinander abgegrenzt sind, dass der Schieber (27 ) bei geschlossener Einspritzdüse (7 ) mit einer Steuerkante (47 ) einer Führungsbohrung (9 ) des Steuerkolbens (11 ) eine weitgehende hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss (1 ) und Zulaufkanal (5 ) bewirkt, so dass bei kleinem Hub des Steuerkolbens (11 ) eine Drosselung des Kraftstoffs zwischen der Steuerkante (47 ) und dem Schieber (27 ) erfolgt und bei geschlossenem Schieber (27 ) zwischen den Einspritzungen des Injektors ein Druckausgleich zwischen dem Hochdruckanschluß (1 ) und dem Druckraum (43 ) stattfindet, und dass der Hub der Düsennadel (31 ) und der Hub des Steuerkolbens (11 ) miteinander gekoppelt sind. - Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (
11 ) in einer Führungsbohrung (9 ) axial verschiebbar angeordnet ist, dass die Düsennadel (31 ) in einer zur Führungsbohrung (9 ) koaxial verlaufenden Bohrung axial verschiebbar angeordnet ist, und dass die Kopplung von Steuerkolben (11 ) und Düsennadel (31 ) über einen Ventilkolben (33 ) erfolgt. - Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilkolben (
33 ) und Steuerkolben (11 ) oder Düsennadel (31 ) und Steuerkolben (11 ) einstückig ausgeführt sind. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich gegen das Gehäuse (
41 ) des Injektors und die Düsennadel (31 ) abstützende Schließfeder (49 ) vorhanden ist. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den Steuerkolben (
11 ) wirkende Hilfsfeder (53 ) vorhanden ist. - Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (
5 ) in Verbindung mit dem in ihm befindlichen Kraftstoff als Druckspeicher dient.
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