EP1316719B1 - Injektor mit einem Magnetventil zur Steuerung eines Einspritzventils - Google Patents

Injektor mit einem Magnetventil zur Steuerung eines Einspritzventils Download PDF

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EP1316719B1 EP02022592A EP02022592A EP1316719B1 EP 1316719 B1 EP1316719 B1 EP 1316719B1 EP 02022592 A EP02022592 A EP 02022592A EP 02022592 A EP02022592 A EP 02022592A EP 1316719 B1 EP1316719 B1 EP 1316719B1
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M2547/003—Valve inserts containing control chamber and valve piston

Definitions

  • the invention relates to an injector, in particular for fuel injection, with a solenoid valve for controlling an injection valve according to the preamble of the main claim.
  • a solenoid valve for controlling an injection valve according to the preamble of the main claim.
  • Such solenoid valves are used to control an injection valve of a fuel injector with a nozzle needle whose open and closed positions are controlled by the solenoid valve, so that injection holes for injecting fuel can be opened.
  • the solenoid valve has a movable armature which lifts when energized, the magnetic group of the solenoid valve from a valve seat in the lower armature space.
  • This valve seat is in turn via one or more (throttle) holes in fluid communication with the control pressure chamber of the injection valve.
  • the pressure in the control pressure chamber of the injection valve degrades, wherein fluid (pressure medium) flows through the bores in the direction of the valve seat and from there into the lower armature space.
  • the nozzle needle of the injection valve which is constantly exposed to an acting in the opening direction of high-pressure fuel, set in motion, whereby the injection holes are opened and the injector can inject fuel.
  • a common rail injector (CRI) operates, with a main and a pilot injection can be realized with very short injection times.
  • a solenoid valve is for example from the DE 196 50 865 A1 known.
  • Known generic injectors further have a leading to the lower armature space return bore, are returned by the leakage quantities from different portions of the solenoid valve and injector in the lower armature space.
  • the injector according to the invention according to the main claim has means for reducing occurring in the lower armature space pressure fluctuations. It has been shown that pressure surges in the lower armature space, which have a direct effect on the armature surface through the bore in the armature guide, cause the armature to lift off the valve seat and thus cause a delayed closing of the nozzle needle. By reducing the pressure fluctuations in the lower armature space, therefore, the anchor bounce can be reduced to a minimum and thus a continuous closing of the nozzle needle can be ensured.
  • the strength of the armature bounce depends namely on the return backpressure (pressure of the backflow bore recirculated leakage quantities), which is due to the system in a certain tolerance field from. Due to the inventive reduction of pressure fluctuations in the lower armature space can therefore be compensated by the return bore in the lower armature space propagating pressure oscillations and thus the strength of the anchor bounce can be greatly reduced.
  • the means for reducing pressure fluctuations in the lower armature space may include recesses or internals to be machined by which an increased volume of the return bore and / or the lower armature space is achieved.
  • certain portions affected by the recirculation of the leakage quantities in the solenoid valve and in the injection valve can be made larger in their volume. Such an increase in volume causes a reduction of the pressure and thus a reduction of pressure surges.
  • Another measure for reducing pressure fluctuations in the lower armature space is the installation of a throttle in the return bore before the lower armature space.
  • the invention leads to a course of the armature stroke, which is strongly damped compared to the course in known solenoid valves, so that hardly an anchor bounce is noticeable. Accordingly, the course of the needle lift of the nozzle needle is a continuous, so that the nozzle needle continuously without delay in their Closed position moves. This improves the noise and emission levels of the engine. Furthermore, the injection quantity no longer changes depending on the return backpressure. The injection quantity is thus independent of the return backpressure, which also improves the performance of the engine in addition to its noise and emissions.
  • Figure 1 shows the usual structure of an existing of solenoid valve 1 and injector 2 injector, as used in particular for fuel injection in common rail systems.
  • the one-piece armature 3 is pulled by the energizing of the solenoid valve 1 against the spring force of the armature spring 11 upwards.
  • the armature 3 runs in the armature guide 12 and is located on the valve seat 4 of the injection valve 2 when the solenoid valve 1 is de-energized. In this state, the fluid connection to the control pressure chamber 8 of the injection valve 2 via the A-throttle 6 and the bore 7 is interrupted.
  • FIG. 2 shows the lower part of the injector 2 belonging to the injector, whereby here too only a few parts are designated.
  • the nozzle needle 17 is connected.
  • the lower nozzle needle space is designated 16.
  • the injector described in Figures 1 and 2 has the described disadvantage of the anchor bounce. If the solenoid valve 1 is no longer supplied with current, the armature 3 placed on the valve seat 4 does not immediately come to rest, but bounces, whereby the connection between the A-throttle 6 and the lower armature space 5 is briefly reopened. This has a short-term pressure decrease in the control pressure chamber 8 and thus a delayed closing of the nozzle needle 17 result.
  • the time course of this process is shown in FIG.
  • the needle stroke is 34, the anchor stroke is 32 designated.
  • the armature bouncing leads during closing of the solenoid valve to short opening periods 31, the course of the armature stroke corresponds in this area about that of a damped oscillation.
  • the course of the needle lift of the nozzle needle 17 is consequently not linear, but has delays 33.
  • injection quantities depend on the return backpressure.
  • the relationship is shown in FIG. 3, in which the injection quantity Q (in the unit volume per needle stroke) is plotted against the injection duration ET (in milliseconds) for different return back pressures.
  • the curves 30 show different injection quantities with a variation of the return backpressure around 1600 bar. Fluctuations in the return back pressure affect the strength of the anchor bounce, since these pressure fluctuations on the lower armature space 5 and the holes in the armature guide 12 directly affect the anchor surface.
  • the pressure fluctuations in the lower armature space 5 are now reduced by the fact that the volumes of the sections affected by the return of the leakage quantities are increased by construction measures and appropriate design.
  • the return bore 9 and / or the lower armature space 5 itself is increased in volume.
  • the onset of a throttle in the return bore 9 in front of the lower armature space 5 is suitable for reducing pressure fluctuations in the lower armature space 5.
  • the measures described above can also be used together.
  • FIGS. 5 and 6 show the analog representations from FIGS. 3 and 4, respectively, according to the invention optimized injector.
  • the injection quantity (curve 40) remains unchanged.
  • the course of the needle stroke 43 in FIG. 6 is linear, ie the nozzle needle closes continuously without delay.
  • the course of the needle stroke is designated 44 in FIG.
  • the armature stroke 42 shows the injector according to the invention a substantially reduced anchor bounce 41. Duration and strength of the opening of the armature after elimination of Vermömung the solenoid valve are significantly reduced compared to the course of Figure 4.
  • the injector of the present invention improves the noise, emissions, and performance of the engine by ensuring continuous closure of the nozzle needle and eliminating the dependency of the injection amount on backpressure pressure fluctuations.
  • the defined closing of the nozzle of the injection valve causes smaller stroke / stroke variations of the injection quantity and the distance of successive injections can be shortened compared to conventional injectors.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor, insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung, mit einem Magnetventil zur Steuerung eines Einspritzventils gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs. Derartige Magnetventile dienen zur Steuerung eines Einspritzventils einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer Düsennadel, deren Öffnungs- und Schließstellung durch das Magnetventil steuerbar sind, so dass Einspritzbohrungen zum Einspritzen von Kraftstoff geöffnet werden können.
  • Das Magnetventil weist einen bewegbaren Anker auf, der bei Bestromung der Magnetgruppe des Magnetventils von einem Ventilsitz im unteren Ankerraum abhebt. Dieser Ventilsitz steht seinerseits über eine oder mehrere (Drossel-) Bohrungen in Fluidverbindung mit dem Steuerdruckraum des Einspritzventils. Bei einem Öffnen des Ventilsitzes baut sich der Druck im Steuerdruckraum des Einspritzventils ab, wobei Fluid (Druckmedium) über die Bohrungen in Richtung Ventilsitz und von dort in den unteren Ankerraum strömt.
  • Bei einem sinkenden Druck im Steuerraum wird die Düsennadel des Einspritzventils, die ständig einem in Öffnungsrichtung wirkenden Kraftstoffhochdruck ausgesetzt ist, in Bewegung gesetzt, wodurch die Einspritzbohrungen geöffnet werden und der Injektor Kraftstoff einspritzen kann.
  • Nach dieser bekannten Arbeitsweise arbeitet ein Common-Rail-Injektor (CRI), wobei eine Haupt- und eine Voreinspritzung bei sehr kurzen Einspritzzeiten realisiert werden können. Ein derartiges Magnetventil ist beispielsweise aus der DE 196 50 865 A1 bekannt.
  • Bekannte gattungsgemäße Injektoren weisen weiterhin eine zum unteren Ankerraum führende Rücklaufbohrung auf, durch die Leckmengen aus verschiedenen Abschnitten des Magnetventils und Einspritzventils in den unteren Ankerraum zurückgeführt werden.
  • Wird das Magnetventil nicht mehr bestromt, bewegt sich der Anker durch die Rückstellkraft einer Rückholfeder nach unten und verschließt den zur sogenannten A-Drossel führenden Ventilsitz. Hierdurch steigt der Druck im Steuerraum wieder an, so dass die Düsennadel nach unten bewegt wird und die Einspritzbohrungen geschlossen werden.
  • Beim Aufsetzen des Ankers auf den Ventilsitz kommt es zu einem Prellen des Ankers, wodurch dieser nochmal den Ventilsitz öffnet und eine kurzfristige Druckabnahme im Steuerraum verursacht. Das Schließen der Düsennadel verzögert sich hierdurch. Das Prellen des Ankers führt insgesamt zu einem Verlauf des Ankerhubs, der etwa dem einer gedämpften Schwingung entspricht. Dies führt zu einem verzögerten Schließen der Düsennadel, was insbesondere für eine schnelle Schaltfolge des Magnetventils (Voreinspritzungen und Haupteinspritzung) nachteilig ist und sich zudem in einer Verschlechterung der Emissions- und Geräuschwerte des Motors auswirkt.
  • In der DE 197 08 104 A1 wird vorgeschlagen, zur Reduzierung des Ankerprellens bei einem gattungsgemäßen Magnetventil eine mit dem bewegbaren Anker und einem ortsfesten Teil zusammenwirkende Dämpfungseinrichtung vorzusehen, die zu einer Dämpfung des Nachschwingens des Ankers führt. Durch besondere Ausbildung der Ankerplatte, des Führungsstutzens des Ankers sowie des Gleitstücks, in dem der Ankerbolzen verläuft, werden in dieser Schrift verschiedene Dämpfungseinrichtungen realisiert, wobei zwischengelagerte Einstellscheiben den Dämpfungseffekt erhöhen können. Jedoch hat sich dieses Lösungsprinzip insbesondere bei einteiligen Ankern als zu aufwendig und allein nicht immer ausreichend herausgestellt.
  • In der JP 08303316 A ist eine Rücklaufbohrung beschrieben, die von dem Steuerdruckraum ausgeht und über die die Absteuermenge rückgeführt wird, um Druckschwingungen zu dämpfen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Injektor gemäß Hauptanspruch weist Mittel zur Reduzierung von im unteren Ankerraum auftretenden Druckschwankungen auf. Es hat sich nämlich gezeigt, dass Druckstöße im unteren Ankerraum, die sich durch die Bohrung in der Ankerführung direkt auf die Ankerfläche auswirken, ein Abheben des Ankers vom Ventilsitz und damit ein verzögertes Schließen der Düsennadel verursachen. Durch Reduzierung der Druckschwankungen im unteren Ankerraum kann daher das Ankerprellen auf ein Minimum reduziert werden und somit ein kontinuierliches Schließen der Düsennadel gewährleistet werden.
  • Die Stärke des Ankerprellens hängt nämlich vom Rücklaufgegendruck (Druck der über die Rücklaufbohrung rückgeführten Leckmengen), der systembedingt in einem bestimmten Toleranzfeld liegt, ab. Durch die erfindungsgemäße Reduzierung von Druckschwankungen im unteren Ankerraum können daher von der Rücklaufbohrung in den unteren Ankerraum sich fortpflanzende Druckschwingungen ausgeglichen und damit die Stärke des Ankerprellens stark vermindert werden.
  • Die Mittel zur Reduzierung von Druckschwankungen im unteren Ankerraum können einzuarbeitende Ausnehmungen oder Einbauten umfassen, durch die ein vergrößertes Volumen der Rücklaufbohrung und/oder des unteren Ankerraums erzielt wird. Allgemein können bestimmte von der Rückführung der Leckmengen betroffenen Abschnitte im Magnetventil sowie im Einspritzventil in ihrem Volumen vergrößert ausgebildet sein. Eine solche Volumenvergrößerung bewirkt eine Herabsetzung des Druckes und somit eine Verminderung von Druckstößen.
  • Eine andere Maßnahme zur Reduzierung von Druckschwankungen im unteren Ankerraum ist der Einbau einer Drossel in die Rücklaufbohrung vor den unteren Ankerraum.
  • Die Erfindung führt zu einem Verlauf des Ankerhubs, der gegenüber dem Verlauf bei bekannten Magnetventilen stark gedämpft ist, so dass kaum noch ein Ankerprellen bemerkbar ist. Entsprechend ist der Verlauf des Nadelhubs der Düsennadel ein kontinuierlicher, so dass die Düsennadel sich ohne Verzögerung kontinuierlich in ihre Schließstellung bewegt. Dies verbessert die Geräusch- und Emissionswerte des Motors. Weiterhin verändert sich die Einspritzmenge nicht mehr in Abhängigkeit des Rücklaufgegendrucks. Die Einspritzmenge ist somit unabhängig vom Rücklaufgegendruck, wodurch auch die Leistungswerte des Motors neben dessen Geräusch- und Emissionswerten verbessert werden.
  • Das undefinierte Prellen des Ankers und somit das undefinierte Schließen der Düsennadel bewirkt beim Stand der Technik eine hohe Hub/Hub-Streuung der Einspritzmenge. Das durch die Erfindung erreichte kontinuierliche Schließen der Düsennadel bewirkt somit eine kleinere Hub/Hub-Streuung der Einspritzmenge. Schließlich besteht aus Emissions- und Geräuschgründen der Wunsch, mehrere kurz aufeinanderfolgende Einspritzungen darstellen zu können. Dies ist nur möglich, wenn der Anker nicht nachprellt oder schnell zur Ruhe kommt. Mittels der Erfindung kann der Abstand aufeinanderfolgender Einspritzungen verkürzt werden, da die Düsennadel sich kontinuierlich ohne Verzögerung in ihre Schließstellung bewegt.
  • Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutern.
    • Zeichnungen
    • Figur 1
    zeigt den oberen Teil eines Injektors mit Magnetventil und dem oberen Teil des Einspritzventils,
    Figur 2
    zeigt den unteren Teil des Einspritzventils,
    Figur 3
    zeigt die Abhängigkeit der Einspritzmenge vom Rücklaufgegendruck bei bekannten Injektoren,
    Figur 4
    zeigt den zeitlichen Verlauf des Anker- und Nadelhubs beim bekannten Injektor,
    Figur 5
    zeigt die Abhängigkeit der Einspritzmenge vom Rücklaufgegendruck beim erfindungsgemäß optimierten Injektor und
    Figur 6
    zeigt den zeitlichen Verlauf des Anker- und Nadelhubs beim erfindungsgemäß optimierten Injektor.
    Bevorzugte Ausführungsformen
  • Figur 1 zeigt den üblichen Aufbau eines aus Magnetventil 1 und Einspritzventil 2 bestehenden Injektors, wie er insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung bei Common-Rail-Systemen verwendet wird. Bezeichnet sind in der Skizze nur die für die Erfindung wesentlichen Injektorteile. Der einteilige Anker 3 wird durch das Bestromen des Magnetventils 1 gegen die Federkraft der Ankerfeder 11 nach oben gezogen. Der Anker 3 läuft in der Ankerführung 12 und liegt bei unbestromtem Magnetventil 1 auf dem Ventilsitz 4 des Einspritzventils 2 auf. In diesem Zustand ist die Fluidverbindung zum Steuerdruckraum 8 des Einspritzventils 2 über die A-Drossel 6 und die Bohrung 7 unterbrochen. Bei Bestromen des Magnetventils öffnet sich hingegen die A-Drossel 6 und der Druck im Steuerdruckraum 8 sinkt, da Fluid nun vom Steuerdruckraum 8 in den unteren Ankerraum 5 fließen kann. Der Zulauf in den Steuerdruckraum wird durch die sogenannte Z-Drossel (nicht dargestellt) begrenzt, wohingegen die Düsennadel 17 (vergl. Figur 2) ständig einem in Öffnungsrichtung wirkenden Kraftstoffhochdruck ausgesetzt ist. Da der Druck im Steuerdruckraum 8 bei geöffneter A-Drossel 6 geringer wird als der an der Düsennadel 17 anstehende Kraftstoffhochdruck, setzt sich die Druckstange 13 in Bewegung und zieht die Düsennadel 17 in Öffnungsrichtung, wodurch die Einspritzbohrungen geöffnet werden und der Injektor Kraftstoff einspritzen kann.
  • Figur 2 zeigt den unteren Teil des zum Injektor gehörenden Einspritzventils 2, wobei auch hier nur einige Teile bezeichnet sind. Mit der Druckstange 13 aus Figur 1 ist die Düsennadel 17 verbunden. Der untere Düsennadelraum ist mit 16 bezeichnet.
  • An verschiedenen Stellen des Injektors treten Leckmengen auf, die über die Rücklaufbohrung 9 in den unteren Ankerraum 5 zurückgeführt werden. Diese Leckmengen treten an der Abdichtung des Ventilstückes zum Injektorkörper an der mit 14 bezeichneten Stelle, an der Stelle 15 zwischen Druckstange 13 und Ventilstück sowie an der Stelle 18 zwischen Düse und Düsenhalter auf (vergl. Figuren 1 und 2). Zusätzlich zur Leckmenge wird die Steuermenge aus der A-Drossel 6 durch die Bohrung der Ankerführung 12 über.den Gesamtrücklauf 10 aus dem Injektor in den Tank zurückgeleitet.
  • Der in den Figuren 1 und 2 beschriebene Injektor weist den beschriebenen Nachteil des Ankerprellens auf. Wird das Magnetventil 1 nämlich nicht mehr bestromt, kommt der auf den Ventilsitz 4 aufsetzende Anker 3 nicht sofort zur Ruhe, sondern prellt, wodurch die Verbindung zwischen A-Drossel 6 und unterem Ankerraum 5 kurzzeitig nochmals geöffnet wird. Dies hat eine kurzfristige Druckabnahme im Steuerdruckraum 8 und somit ein verzögertes Schließen der Düsennadel 17 zur Folge.
  • Der zeitliche Verlauf dieses Vorganges ist in Figur 4 dargestellt. Der Nadelhub ist mit 34, der Ankerhub mit 32 bezeichnet. Das Ankerprellen führt beim Schließen des Magnetventils zu kurzen Öffnungsperioden 31, der Verlauf des Ankerhubs entspricht in diesem Bereich etwa dem einer gedämpften Schwingung. Der Verlauf des Nadelhubs der Düsennadel 17 ist infolgedessen nicht linear, sondern weist Verzögerungen 33 auf.
  • Es hat sich gezeigt, dass die Einspritzmengen vom Rücklaufgegendruck abhängen. Der Zusammenhang ist in Figur 3 dargestellt, in der die Einspritzmenge Q (in der Einheit Volumen pro Nadelhub) gegen die Einspritzdauer ET (in Millisekunden) für verschiedene Rücklaufgegendrücke aufgetragen ist. Die Kurven 30 zeigen unterschiedliche Einspritzmengen bei einer Variation des Rücklaufgegendrucks um die 1600 bar. Schwankungen des Rücklaufgegendrucks beeinflussen die Stärke des Ankerprellens, da sich diese Druckschwankungen über den unteren Ankerraum 5 und die Bohrungen in der Ankerführung 12 direkt auf die Ankerfläche auswirken.
  • Erfindungsgemäß werden die Druckschwankungen im unteren Ankerraum 5 nun dadurch reduziert, dass durch bauliche Maßnahmen und entsprechende Auslegung die Volumina der vom Rücklauf der Leckmengen betroffenen Abschnitte vergrößert werden. Im einfachsten Fall wird die Rücklaufbohrung 9 und/oder der untere Ankerraum 5 selbst in ihrem Volumen vergrößert. Auch das Einsetzen einer Drossel in die Rücklaufbohrung 9 vor dem unteren Ankerraum 5 ist zur Reduzierung von Druckschwankungen im unteren Ankerraum 5 geeignet. Die oben beschriebenen Maßnahmen können auch gemeinsam eingesetzt werden.
  • Die Figuren 5 und 6 zeigen die analogen Darstellungen aus den Figuren 3 bzw. 4 bei einem nunmehr erfindungsgemäß optimierten Injektor. Bei Variationen des Rücklaufgegendrucks in der Gegend von 1600 bar bleibt wie aus Figur 5 ersichtlich die Einspritzmenge (Kurve 40) unverändert. Entsprechend ist der Verlauf des Nadelhubs 43 in Figur 6 linear, d. h. die Düsennadel schließt sich kontinuierlich ohne Verzögerung. Der Verlauf des Nadelhubs ist in Figur 6 mit 44 bezeichnet. Der Ankerhub 42 zeigt beim erfindungsgemäßen Injektor ein wesentlich vermindertes Ankerprellen 41. Zeitdauer und Stärke des Öffnens des Ankers nach Ausschaltung der Betromung des Magnetventils sind im Vergleich zum Verlauf der Figur 4 deutlich vermindert.
  • Der erfindungsgemäße Injektor verbessert die Geräusch-, Emissions-, und Leistungswerte des Motors, indem er ein kontinuierliches Schließen der Düsennadel gewährleistet und die Abhängigkeit der Einspritzmenge von Schwankungen des Rücklaufgegendrucks beseitigt. Das definierte Schließen der Düse des Einspritzventils bewirkt kleinere Hub/Hub-Streuungen der Einspritzmenge und der Abstand aufeinanderfolgender Einspritzungen kann im Vergleich zu herkömmlichen Injektoren verkürzt werden.

Claims (2)

  1. Injektor, insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung, mit einem Magnetventil (1) zur Steuerung eines Einspritzventils (2), wobei das Magnetventil (1) einen bewegbaren Anker (3) aufweist, der auf einen Ventilsitz (4) im unteren Ankerraum (5) aufbringbar ist, der seinerseits über eine oder mehrere Bohrungen (6, 7) mit einem Steuerdruckraum (8) für das Einspritzventil (2) in Fluidverbindung steht und wenigstens eine Rücklaufbohrung im Injektor zur Rückführung von Absteuermengen aus dem Steuerdruckraum (8) in den unteren Ankerraum (5) vorgesehen ist,dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einer Drossel versehene Rücklaufbohrung (9) zur Rückführung von Leckagemengen aus wenigstens einem Abschnitt des Injektors außerhalb des Steuerdruckraums (8) zur Reduzierung von Druckschwankungen in dem unteren Ankerraum (5) vorgesehen ist.
  2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der von der Rückführung der Leckmengen betroffenen Abschnitte des Injektors, wie die Rücklaufbohrung (9) und der untere Ankerraum (5), durch einzuarbeitende Ausnehmungen oder Einbauten in ihrem Volumen vergrößert ausgebildet sind.
EP02022592A 2001-11-30 2002-10-09 Injektor mit einem Magnetventil zur Steuerung eines Einspritzventils Expired - Lifetime EP1316719B1 (de)

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