[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem,
insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, zum Einspritzen von Kraftstoff in den
Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
[0002] Heutige Kraftstoffinjektoren weisen in der Regel einen Steuer- oder Kopplerraum als
Funktionsraum zur Ansteuerung einer Düsennadel auf. Über einen solchen Funktionsraum
wird die erforderliche Druckdifferenz zum Öffnen und Schließen der Düsennadel eingestellt.
Über einen Führungsspalt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper wird der Funktionsraum
jedoch regelmäßig mit einer Leckagemenge beaufschlagt, welche das Druckniveau in dem
Funktionsraum in negativer Weise beeinflusst. Denn das Druckniveau bestimmt das Öffnungs-
und Schließverhalten der Düsennadel und damit den Düsennadelhub bzw. die Einspritzmenge.
[0003] Darüber hinaus tritt eine Leckage über einen Führungsspalt zwischen der Düsennadel
und dem Düsenkörper auch bei Kraftstoffinjektoren ohne einen druckgesteuerten Funktionsraum
auf. Die Leckagemenge wird dabei in der Regel einem drucklosen Rücklauf zugeführt.
Da die rückgeführte Menge wieder auf Hochdruck gefördert werden muss, steigt zwangsläufig
die Förderleistung einer vorgeschalteten Pumpe. Dadurch verschlechtert sich der Wirkungsgrad
des Gesamtsystems.
Stand der Technik
[0004] Die Offenlegungsschrift
DE 10 2005 034 879 A1 offenbart eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil, welche eine Düsennadel mit
einer Ausnehmung in einem Führungsabschnitt umfasst. Die Ausnehmung der Düsennadel
ist mit dem Hochdruckkreis des einzuspritzenden Fluids hydraulisch koppelbar, so dass
im Betrieb des Einspritzventils radial nach außen gerichtete hydraulische Kräfte auf
den Führungsabschnitt der Düsennadel wirken. Dadurch soll einer Aufweitung eines Führungsspalts
zwischen dem Führungsabschnitt der Düsennadel und dem Düsenkörper des Einspritzventils
bei steigendem Einspritzdruck und folglich einer Erhöhung der Leckagemenge entgegengewirkt
werden.
[0005] Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 031 273 A1 geht eine weitere Düsenbaugruppe sowie ein Kraftstoffinjektor mit einer solchen Düsenbaugruppe
hervor, welche eine Düsennadel umfassen, die sich bei Aufbringen einer Schließkraft
mittels eines Druckkolbens zumindest abschnittsweise radial aufweitet. Der sich radial
aufweitende Abschnitt der Düsennadel liegt im Bereich eines Führungsdurchmessers,
so dass die radiale Aufweitung zu einer Verkleinerung eines Führungsdichtspalts zwischen
der Düsennadel und einem Düsenkörper der Düsenbaugruppe führt. Auch diese Maßnahme
soll zu einer Verringerung der Leckagemenge bei steigendem Einspritzdruck führen.
[0006] Die vorgestellten aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte setzen jeweils einen
Anstieg des Einspritzdrucks voraus. Ein Druckanstieg und eine damit einhergehende
Spalthöhenvergrößerung ist jedoch nicht allein ausschlaggebend für eine Erhöhung der
Leckagemenge. Neben der Spalthöhe des Führungsspalts bzw. Führungsdichtspalts, das
heißt dem radialen Abstand der Düsennadel zum Düsenkörper, hängt die Leckagemenge
von weiteren Faktoren ab. Einen weiteren Faktor stellt beispielsweise die Viskosität
des Kraftstoffs dar, welche temperaturabhängig ist. Mit zunehmender Erwärmung nimmt
die Viskosität des Kraftstoffs ab, wodurch die Leckagemenge steigt. Einer Erhöhung
der Leckagemenge, die auf eine Verringerung der Viskosität des Kraftstoffs zurückzuführen
ist, vermögen die aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte nicht entgegenzuwirken.
[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor der eingangs
genannten Art anzugeben, der einem temperaturbedingten Anstieg der Leckagemenge über
einen Führungsspalt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper oder einer hierin
eingesetzten Führungshülse entgegenzuwirken vermag.
[0008] Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
[0009] Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung
eines Düsenkörpers zum Freigeben oder Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung
hubbeweglich geführt ist. An der Düsennadel ist dabei ein Führungsabschnitt ausgebildet,
welcher einen Führungsspalt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper oder einer
in den Düsenkörper eingesetzten Führungshülse radial begrenzt. Erfindungsgemäß ist
die Düsennadel zur Verringerung einer Leckage über den Führungsspalt zumindest im
Bereich des Führungsabschnitts aus einem Werkstoff gefertigt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
λ größer als der des Werkstoffes ist, aus welchem der Düsenkörper oder die in den
Düsenkörper eingesetzte Führungshülse gefertigt ist, so dass der Führungsabschnitt
im Betrieb des Kraftstoffinjektors aufgrund einer Erwärmung eine den Führungsspalt
reduzierende radiale Aufweitung erfährt. Dabei kann die Düsennadel vollständig oder
in wenigstens einem Bereich, zumindest jedoch im Bereich des Führungsabschnitts, aus
einem Werkstoff mit einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der des Werkstoffs
des Düsenkörpers oder der Führungshülse gefertigt sein. Um die Verwendung mehrerer
Werkstoffe zu ermöglichen, kann die Düsennadel auch gebaut sein.
[0010] Die temperaturbedingte radiale Aufweitung der Düsennadel, zumindest im Bereich des
Führungsabschnitts, vermag eine ebenfalls temperaturbedingte Verringerung der Viskosität
des Kraftstoffs sowie eine damit einhergehende Erhöhung der Leckagemenge zu kompensieren.
Denn aufgrund der unterschiedichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der den Führungsspalt
begrenzenden Bauteile, nimmt mit steigender Temperatur nicht nur die Viskosität des
Kraftstoffs, sondern auch die Spalthöhe des Führungsspalts ab. Dies ist darauf zurückzuführen,
dass sich die Düsennadel, zumindest im Bereich des Führungsabschnitts, bei einem Temperaturanstieg
stärker als der Düsenkörper ausdehnt. Die Reduzierung der Spalthöhe des Führungsspalts
hat wiederum zur Folge, dass es trotz der verringerten Viskosität des Kraftstoffs
nicht zu einer Erhöhung der Leckagemenge kommt.
[0011] Dadurch, dass sowohl die Änderung der Viskosität des Kraftstoffs als auch die Änderung
des Düsennadeldurchmessers temperaturabhängig sind, ist das System weitgehend selbstregelnd.
Das heißt, dass mit steigender Temperatur und der hiermit einhergehenden Verringerung
der Viskosität des Kraftstoffs zugleich die Wirkung der kompensierenden Maßnahme steigt.
[0012] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Führungsabschnitt an
einem separaten Bauteil ausgebildet, das mit der Düsennadel fest verbunden ist. Die
hieraus resultierende gebaute Ausführung der Düsennadel ermöglicht die Verwendung
unterschiedlicher Werkstoffe. Vorzugsweise wird lediglich für das separate Bauteil,
das den Führungsabschnitt ausbildet, ein anderer Werkstoff gewählt. Dieser Werkstoff
besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizient λ der größer als der des Werkstoffs des
Düsenkörpers oder einer hierin eingesetzten Führungshülse ist. Durch die Verwendung
unterschiedlicher Werkstoffe wird ferner eine Trennung der Funktionen Führen und Dichten
ermöglicht. Das zur Ausbildung des Führungsabschnitts vorgesehene separate Bauteil
übernimmt vorteilhafterweise die Funktion des Dichtens, da der Werkstoff des separaten
Bauteils derart gewählt ist, dass sich das Bauteil bei einem Temperaturanstieg ausdehnt
und eine Spalthöhenverkleinerung bewirkt. Dies führt zu einer verbesserten Dichtwirkung.
Die Funktion des Führens wird von einem Düsennadelabschnitt übernommen, der demgegenüber
aus einem Werkstoff mit weitgehend unveränderten Werkstoffeigenschaften besteht. Dadurch
ist zugleich sichergestellt, dass die übrigen Funktionen der Düsennadel nicht beeinträchtigt
werden. Beispielsweise bleibt somit ein optimaler Dichtsitz der Düsennadel im Bereich
der wenigstens einen Einspritzöffnung erhalten.
[0013] Weiterhin bevorzugt ist das separate Bauteil an die Düsennadel axial angesetzt. Somit
ist das separate Bauteil ferner zur Hubeinstellung der Düsennadel einsetzbar. Ein
zusätzliches Bauteil für die Hubeinstellung der Düsennadel ist dementsprechend entbehrlich,
da diese Funktion von dem mit der Düsennadel verbundenen Bauteil übernommen werden
kann. Vorzugsweise werden hierzu mehrere Auswahlreihen vorgehalten, die in Abhängigkeit
vom jeweils geforderten Düsennadelhub wahlweise mit einer Düsennadel kombiniert werden
können. Vorteilhafterweise ist das separate Bauteil zylinderförmig ausgebildet oder
umfasst einen zylinderförmigen Abschnitt, welcher an die Düsennadel axial ansetzbar
ist. Dadurch ist eine Hubeinstellung der Düsennadel über das separate Bauteil realisierbar.
Zudem weist das separate Bauteil eine einfache Geometrie auf, so dass es kostengünstig
herstellbar ist.
[0014] Eine Leckage über den Führungsspalt zwischen dem Führungsabschnitt der Düsennadel
und dem Düsenkörper oder einer in den Düsenkörper eingesetzten Führungshülse setzt
diesseits und jenseits des Führungsspalts unterschiedliche Druckverhältnisse voraus.
Diese Bedingung wird von unterschiedlichen Injektorkonzepten erfüllt.
[0015] Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dichtet der Führungsabschnitt
der Düsennadel die Hochdruckbohrung gegenüber einem Funktionsraum ab. Bei dem Funktionsraum
kann es sich beispielsweise um einen Steuerraum oder einen Kopplerraum zur Ansteuerung
der Düsennadel handeln. Über diese Funktionsräume wird die notwendige Druckdifferenz
zum Öffnen und Schließen der Düsennadel eingestellt.
[0016] Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dichtet der Führungsabschnitt
der Düsennadel die Hochdruckbohrung gegenüber einem Niederdruckbereich, vorzugsweise
einem Rücklauf, ab. Dieses Injektorkonzept weist somit keinen druckgesteuerten Funktionsraum
auf.
[0017] Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1a, b jeweils einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor nach dem Stand
der Technik im Bereich der Düsenbaugruppe bzw. des Führungsabschnitts der Düsennadel,
Fig. 2a, b jeweils einen Längsschnitt durch einen weiteren Kraftstoffinjektor nach
dem Stand der Technik im Bereich der Düsenbaugruppe bzw. des Führungsabschnitts der
Düsennadel,
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Zusammenhänge Temperatur, Führungsspalthöhe
und Leckagemenge und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich
des Führungsabschnitts der Düsennadel.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
[0018] Den Fig. 1a, b und 2a, b sind jeweils aus dem Stand der Technik bekannte Injektorkonzepte
zu entnehmen. Bei diesen Konzepten dichtet jeweils eine in einer Hochdruckbohrung
2 eines Düsenkörpers 3 hubbeweglich aufgenommene Düsennadel 1 über einen Führungsabschnitt
5 einen Funktionsraum 8, 9 gegenüber der Hochdruckbohrung 2 ab. Zwischen dem Führungsabschnitt
5 und dem jeweils angrenzenden Bauteil ist ein Führungsspalt 6 ausgebildet, der zur
hubbeweglichen Lagerung der Düsennadel 1 ist ein gewisses radiales Spiel aufweist.
Das radiale Spiel sollte zugleich derart bemessen sein, dass die über den Führungsspalt
6 austretende Leckagemenge das Druckniveau in dem dahinterliegenden Funktionsraum
8, 9 nicht negativ beeinträchtigt. Denn über das im Funktionsraum 8, 9 vorherrschende
Druckniveau wird die Hubbewegung der Düsennadel 1 zum Freigeben oder Verschließen
wenigstens einer im Düsenkörper 3 ausgebildeten Einspritzöffnung 4 gesteuert, so dass
eine zu große und/oder unkontrolliert in den Funktionsraum 8, 9 gelangende Leckagemenge
eine präzise Einspritzung verhindert.
[0019] Bei dem in den Fig. 1a und 1b dargestellten Injektor, wobei die Fig. 1b einen vergrößerten
Ausschnitt der Fig. 1a im Bereich des Führungsabschnitts 5 der Düsennadel 1 zeigt,
ist der Funktionsraum als Steuerraum 8 ausgebildet. Der Steuerraum 8 wird von einer
Führungshülse 11 und einer Stirnfläche der Düsennadel 1 begrenzt. Die Führungshülse
11 liegt dichtend an einer Drosselscheibe 12 an, durch welche der Steuerraum 8 eine
weitere Begrenzung erfährt. In der Drosselscheibe 12 sind eine Zulaufdrossel 13 und
eine Ablaufdrossel 10 ausgebildet, über welche der Steuerraum 8 in Abhängigkeit von
der Schaltstellung eines Servoventils (nicht dargestellt) mit einer Hochdruckversorgung
bzw. einem Rücklauf verbindbar ist. In Offenstellung des Servoventils wird eine Verbindung
des Steuerraums 8 mit dem Rücklauf hergestellt und der Steuerraum 8 über die Ablaufdrossel
10 entlastet. Demzufolge sinkt der Steuerdruck und die Düsennadel 1 öftnet. In Schließstellung
des Servoventils führt der über die Zulaufdrossel 13 in den Steuerraum 8 gelangende
Kraftstoff dazu, dass der Druck im Steuerraum 8 wieder ansteigt, so dass die Düsennadel
1 mit einer in Schließrichtung wirkenden Kraft beaufschlagt wird.
[0020] Bei dem in den Fig. 2a und 2b dargestellten bekannten Injektorkonzept ist der Funktionsraum
im Unterschied zu dem in den Fig. 1a und 1 b dargestellten Injektorkonzept als Kopplerraum
9 ausgebildet. Der Kopplerraum 9 ermöglicht über ein hydraulisches Kopplervolumen
und einen den Kopplerraum 9 begrenzenden Kopplerkörper eine direkte Betätigung der
Düsennadel 1 ohne Zwischenschaltung eines Servoventils.
[0021] Die vorstehend beschriebenen Injektorkonzepte der Fig. 1a, b und Fig. 2a, b sind
besonders betroffen von einem temperaturabhängigen Anstieg der Leckagemenge, da die
Leckagemenge den Steuerdruck im jeweiligen Funktionsraum 8, 9 und damit das Öffnungs-
und Schließverhalten der Düsennadel 1 negativ beeinflusst. Die vorliegende Erfindung,
welche sich mit einem temperaturabhängigen Leckageausgleich befasst, eignet sich daher
insbesondere für Kraftstoffinjektoren mit einem solchen Funktionsraum 8, 9. Sie ist
jedoch nicht hierauf beschränkt.
[0022] Der Zusammenhang zwischen der Temperatur T, der Leckagemenge Q und der Führungsspalthöhe
H ist schematisch in dem Diagramm der Fig. 3 dargestellt. Die Graphen A, B beziehen
sich auf einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Stand der Technik und die Graphen C, D
auf einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor mit einer Düsennadel 1, die zumindest
im Bereich ihres Führungsabschnitts 5 aus einem Werkstoff gefertigt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
λ größer als der des Werkstoffs des Düsenkörpers 3 ist. Das heißt, dass die Düsennadel
1 vollständig aus einem solchen Werkstoff gefertigt oder ein separates Bauteil 7 zur
Ausbildung des Führungsabschnitts 5 aus einem solchen Werkstoff umfassen kann. Die
durchgezogene Linie gibt jeweils die Leckagemenge Q und die gestrichelte Linie die
Führungsspalthöhe H an. Betrachtet man zunächst die Graphen A, B, die sich auf einen
bekannten Kraftstoffinjektor beziehen, wird deutlich, dass bei steigender Temperatur
T und gleichbleibender Führungsspalthöhe H, da die Wärmeausdehnung der Düsennadel
1 und des Düsenkörpers 3 gleich ist, ein Anstieg der Leckagemenge Q zu verzeichnen
ist. Dies liegt darin begründet, dass mit steigender Temperatur die Viskosität des
Kraftstoffs abnimmt. Betrachtet man nun die Graphen C, D, welche sich auf einen erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektor beziehen, nimmt die Führungsspalthöhe H bei steigender Temperatur
aufgrund unterschiedlich starker Wärmeausdehnung der Düsennadel 1 und des Düsenkörpers
3 ab, wodurch die Abnahme der Viskosität des Kraftstoffs kompensiert wird, so dass
kein Anstieg der Leckagemenge Q zu verzeichnen ist.
[0023] Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
zur Realisierung eines temperaturabhängigen Leckageausgleichs wie er in dem Diagramm
der Fig. 3 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist an die Düsennadel 1 ein
separates Bauteil 7 axial angesetzt, das zugleich der Ausbildung eines Führungsabschnitts
5 zur axialen Führung der Düsennadel 1 innerhalb der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers
3 dient. Das Bauteil 7 ist als Vollzylinder ausgebildet und besteht aus einem Werkstoff
mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten λ, der größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient
λ des Werkstoffs des Düsenkörpers 3 ist. Bei einem Anstieg der Temperatur dehnt sich
somit das separate Bauteil 7 stärker aus als der Düsenkörper 3, so dass sich die Höhe
des zwischen dem Bauteil 7 und dem Düsenkörper 3 ausgebildeten Führungsspalts 6 verringert.
Durch die verringerte Führungsspalthöhe wird einem temperaturbedingten Anstieg der
Leckagemenge aufgrund abnehmender Viskosität des Kraftstoffs entgegengewirkt. Vorzugsweise
wird der zu erwartende Anstieg der Leckagemenge vollständig kompensiert, so dass die
Leckagemenge mittels welcher ein Funktionsraum 8, 9 beaufschlagt wird, konstant bleibt.
[0024] Die Ausbildung des Bauteils 7 als Vollzylinder weist den Vorteil auf, dass das Bauteil
7 zusätzlich der Hubeinstellung der Düsennadel 1 dienen kann. Denn die axiale Erstreckung
des Bauteils 7 kann nach Bedarf gewählt werden. Alternativ zur Form eines Vollzylinders
kann das Bauteil 7 auch eine beliebig andere Geometrie aufweisen, die vorliegend nicht
dargestellt ist. Beispielsweise kann das Bauteil 7 einen hohlzylindrisch ausgebildeten
Abschnitt besitzen, welcher auf die Düsennadel 1 aufpressbar ist. Darüber hinaus sind
vielzählige weitere Formen denkbar.
1. Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem,
mit einer Düsennadel (1), die in einer Hochdruckbohrung (2) eines Düsenkörpers (3)
zum Freigeben oder Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (4) hubbeweglich
geführt ist, wobei an der Düsennadel (1) ein Führungsabschnitt (5) ausgebildet ist,
welcher einen Führungsspalt (6) zwischen der Düsennadel (1) und dem Düsenkörper (3)
oder einer in den Düsenkörper (3) eingesetzten Führungshülse (11) radial begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (1) zur Verringerung einer Leckage über den Führungsspalt (6) zumindest
im Bereich des Führungsabschnitts (5) aus einem Werkstoff gefertigt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
λ größer als der des Werkstoffes ist, aus welchem der Düsenkörper (3) oder die in
den Düsenkörper (3) eingesetzte Führungshülse (11) gefertigt ist, so dass der Führungsabschnitt
(5) im Betrieb des Kraftstoffinjektors aufgrund einer Erwärmung eine den Führungsspalt
(6) reduzierende radiale Aufweitung erfährt.
2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsabschnitt (5) an einem separaten Bauteil (7) ausgebildet ist, das mit
der Düsennadel (1) fest verbunden ist.
3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das separate Bauteil (7) an die Düsennadel (1) axial angesetzt ist und somit zur
Hubeinstellung der Düsennadel (1) einsetzbar ist.
4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das separate Bauteil (7) zylinderförmig ausgebildet ist oder einen zylinderförmigen
Abschnitt umfasst, welcher an die Düsennadel (1) axial ansetzbar ist.
5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsabschnitt (5) der Düsennadel (1) die Hochdruckbohrung (2) gegenüber einem
Funktionsraum (8, 9), vorzugsweise einem Steuerraum (8) oder einem Kopplerraum (9),
abdichtet.
6. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsabschnitt (5) der Düsennadel (1) die Hochdruckbohrung (2) gegenüber einem
Niederdruckbereich, vorzugsweise einem Rücklauf, abdichtet.