Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht aus von einem Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem
für Brennkraftmaschinen mit einer eine Düsennadel aufweisenden Einspritzdüse und mit
einem von einem Steuerkolben in drei Abschnitte unterteilten Steuerraum, wobei der
erste Abschnitt und der zweite Abschnitt über eine im Steuerkolben angeordnete Zulaufdrossel
hydraulisch in Verbindung stehen, wobei der zweite Abschnitt mit einem Hochdruckanschluss
und der dritte Abschnitt mit einem Zulaufkanal zur Düsennadel hydraulisch in Verbindung
steht, wobei der Steuerkolben zwei Nuten aufweist und der Steuerkolben zwischen den
Nuten als Schieber ausgestaltet ist und bei geschlossener Einspritzdüse mit einer
Steuerkante der Führungsbohrung eine weitgehende hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss
und Zulaufkanal zur Düsennadel bewirkt und wobei der Hub der Düsennadel und der Hub
des Steuerkolbens miteinander gekoppelt sind.
[0002] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen aus der DE 199 63 920 A1 bekannten
Injektor weiter zu verbessern, insbesondere die Gestaltungsmöglichkeiten beim Verlauf
von Vor-, Haupt- und ggf. Nacheinspritzung zu vergrößern, so dass sich insgesamt ein
verbessertes Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine ergibt.
[0003] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem
für Brennkraftmaschinen mit einer eine Düsennadel aufweisenden Einspritzdüse und mit
einem von einem Steuerkolben in drei Abschnitte unterteilten Steuerraum, wobei der
erste Abschnitt und der zweite Abschnitt über eine im Steuerkolben angeordnete Zulaufdrossel
hydraulisch in Verbindung stehen, wobei der zweite Abschnitt mit einem Hochdruckanschluss
und der dritte Abschnitt mit einem Zulaufkanal zur Düsennadel hydraulisch in Verbindung
steht, wobei der Steuerkolben zwei Nuten aufweist und der Steuerkolben zwischen den
Nuten als Schieber ausgestaltet ist und bei geschlossener Einspritzdüse mit einer
Steuerkante der Führungsbohrung eine weitgehende hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss
und Zulaufkanal zur Düsennadel bewirkt und wobei der Hub der Düsennadel und der Hub
des Steuerkolbens miteinander gekoppelt sind, dadurch gelöst, dass zwischen dem Hochdruckanschluß
oder dem zweiten Abschnitt und dem Zulaufkanal zur Düsennadel eine von einem Wegeventil
verschließbare hydraulische Verbindung vorgesehen ist.
Vorteile der Erfindung
[0004] Es hat sich herausgestellt, dass durch die erfindungsgemäße zusätzliche, von einem
Wegeventil auf und zusteuerbare hydraulische Verbindung auf einfache Weise die Einspritzung
in den Brennraum mit dem vollen Rail-Druck erfolgen kann, ohne Nachteile bei der Einspritzverlaufsformung
der Voreinspritzung und/oder zu Beginn der Haupteinspritzung in Kauf nehmen zu müssen.
Die Anforderungen an das dazu notwendige Wegeventil hinsichtlich Dichtheit und Schnelligkeit
sind nicht hoch, so dass die Kosten für dieses Wegeventil gering sind. Mit Hilfe der
erfindungsgemäßen hydraulischen Verbindung kann auch eine Nacheinspritzung mit hohem
Einspritzdurck erfolgen, was sich zur Absenkung des sogenannten Schwarzrauchs in den
Abgasen als vorteilhaft erwiesen hat.
[0005] 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.
[0006] In weiterer Ergänzung der Erfindung sind Ventilkolben und Steuerkolben oder Düsennadel
und Steuerkolben einstückig ausgeführt, so dass die Zahl der Bauteile verringert wird
und Fluchtungsfehler vermieden werden.
[0007] Für die Zwecke der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das das Wegeventil als elektrisch
betätigtes 2/2-Wegeventil, insbesondere als elektrisch betätigtes Schieberventil,
ausgebildet ist, da solche Ventils hinsichtlich Ansprechverhalten und Dichtigkeit
ausreichend sind und einfach herstellbar sind.
[0008] Die Zuverlaääsigkeit des Injektors wird erhöht, wenn das Wegeventil stromlos geschlossen
ist.
[0009] 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.
[0010] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss
und Zulaufkanal zur Düsennadel durch die Überdeckung von Schieber und Steuerkante
und die Passung zwischen Schieber und Führungsbohrung konstruktiv festgelegt, so dass
bei der Abstimmung des Injektors ein weiterer Freiheitsgrad genutzt werden kann.
[0011] Schließlich kann vorgesehen sein, dass eine auf den Steuerkolben wirkende Hilfsfeder
vorhanden ist oder/und dass der Zulaufkanal zur Düsennadel 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.
[0012] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
[0013] Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor mit geschlossenem Magnetventil;
und
- Fig. 2
- den Steuerraum eines erfindungsgemäßen Injektors bei geöffnetem Magnetventil.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0014] In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor dargestellt. Ein Hochdruckanschluss
1 versorgt einen Steuerraum 3 mit in Fig. 1 und 2 nicht dargestelltem Kraftstoff.
Über den Steuerraum 3 und einen Zulaufkanal zur Düsennadel 5 wird auch eine Einspritzdüse
7 mit Kraftstoff versorgt.
[0015] Der Steuerraum 3 wird von einer Führungsbohrung 9 radial begrenzt. In der Führungsbohrung
9 ist ein axial verschiebbarer Steuerkolben 11 vorhanden. Der Steuerkolben teilt den
Steuerraum 3 in drei Abschnitte 13, 15 und 17.
[0016] Der erste Abschnitt 13 des Steuerraums 3 wird von einer ersten Stirnfläche 18 des
Steuerkolbens 11 in axialer Richtung begrenzt. Außerdem ist der erste Abschnitt 13
des Steuerraums 3 ist über eine Zulaufdrossel 19 mit dem zweiten Abschnitt 15 des
Steuerraums 3 hydraulisch verbunden. Die Zulaufdrossel 19 kann als Nut oder als Bohrung
ausgeführt werden. Über eine Ablaufdrossel 21, die durch eine von einem nicht dargestellten
Magnetventil gesteuerte Kugel 22 geöffnet werden kann, ist der erste Abschnitt 13
mit einem ebenfalls nicht dargestellten Kraftstoffrücklauf verbunden.
[0017] Der Steuerkolben 11 weist zwei Nuten 23, 25 auf, welche den zweiten Abschnitt 15
und den dritten Abschnitt 17 des Steuerraums 3 radial begrenzen. Zwischen den Nuten
23, 25 ist ein Schieber 27 angeordnet.
[0018] An der zweiten Stirnfläche 29 des Steuerkolbens 11 schließt ein auf eine Düsennadel
31 der Einspritzdüse 7 wirkender Ventilkolben 33 an. Die Düsennadel 31 verhindert,
dass der unter Druck stehende Kraftstoff zwischen den Einspritzungen in den nicht
dargestellten Brennraum fließt. Dies geschieht dadurch, dass die Düsennadel 31 in
einen Düsennadelsitz 34 gepresst wird und den Zulaufkanal zur Düsennadel 5 gegen den
Brennraum abdichtet.
[0019] Die Düsennadel 31 weist eine Querschnittsänderung 35 von einem größeren Durchmesser
37 auf einen kleineren Durchmesser 39 auf. Mit ihrem größeren Durchmesser 37 ist die
Düsennadel 31 in einem Gehäuse 41 des Injektors geführt. Die Querschnittsänderung
35 begrenzt einen Druckraum 43 der Einspritzdüse 7.
[0020] In der in Fig. 1 dargestellten Position trennt der Schieber 27 den dritten Abschnitt
17 des Steuerraums 3 und somit auch den von dem dritten Abschnitt 17 des Steuerraums
3 angehenden Zulaufkanal zur Düsennadel 5 vom Hochdruckanschluss 1. Die Überdeckung
45 von Schieber 27 und einer Steuerkante 47 der Führungsbohrung 9 und die Passung
zwischen Schieber 27 und Führungsbohrung 9 sind so gewählt, dass auch in dieser Stellung
des Schiebers 27 zwischen den Einspritzungen eine gewisse Leckage auftritt und somit
im Druckraum 43 der gleiche Druck wie im Hochdruckanschluss 1 herrscht.
[0021] Bei geschlossener Ablaufdrossel 21 herrscht im gesamten Injektor der gleiche Druck.
Weil die erste Stirnfläche 18 des Steuerkolbens 11 größer als die Ringfläche der Querschnittsänderung
35 ist, ist die auf die erste Stirnfläche 18 des Steuerkolbens 11 wirkende hydraulische
Kraft größer als die auf die Querschnittsänderung 35 wirkende hydraulische Kraft und
die Düsennadel 31 wird in den Düsennadelsitz 34 gepresst. Wenn die nicht dargestellte
Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems nicht angetrieben wird, weil der Motor
steht, dann presst eine auf die Düsennadel 31 wirkende Schließfeder 49 die Düsennadel
31 in den Düsennadelsitz 34 und schließt damit die Einspritzdüse 7 bzw. den Injektor.
Die Schließfeder 49 stützt sich gegen das Gehäuse 41 des Injektors ab.
[0022] Wenn die Ablaufdrossel 21 geöffnet wird, indem das Magnetventil angesteuert und die
Kugel 22 von einem Kugelsitz 51 abgehoben wird, sinkt der Druck im ersten Abschnitt
13 des Steuerraums 3, da die Zulaufdrossel 19 einen vollständigen Druckausgleich zwischen
Zulaufkanal zur Düsennadel 5 und erstem Abschnitt 13 des Ventilsteuerrraum 3 verhindert.
In Folge dessen sinkt auch die auf die erste Stirnfläche 18 wirkende hydraulische
Kraft. Sobald diese hydraulische Kraft kleiner als die auf die Querschnittsänderung
35 wirkende hydraulische Kraft ist, hebt die Düsennadel 31 vom Düsennadelsitz 34 ab
und öffnet somit die Einspritzdüse 7, so dass Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt
wird. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 31 wird unter anderem vom Durchflussunterschied
zwischen der Zulaufdrossel 19 und der Ablaufdrossel 21 bestimmt.
[0023] Solange der Hub des Steuerkolbens 11 kleiner als die. Überdeckung 45 zwischen Schieber
27 und Steuerkante 47 ist, findet im Bereich des Schiebers 27 ein Druckabbau vom zweiten
Abschnitt 15 zum dritten Abschnitt 17 des Steuerraums 3 statt. Dies hat zur Folge,
dass die Einspritzung in den Brennraum mit reduziertem Einspritzdruck stattfindet.
[0024] 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 Stirnfläche 18 wirkende
hydraulische Kraft größer sein als die auf die Querschnittsänderung 35 wirkende hydraulische
Kraft. Durch die Drosselung zwischen Schieber 27 und Steuerkante 47 kann der Druck
im Druckraum 43 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 nicht dargestellten Magnetventils
erreicht werden.
[0025] Um den Verlauf des Einspritzdrucks noch weiter den Erfordernissen der Brennkraftmaschine
anpassen zu können, ist eine separate hydraulische Verbindung 55 zwischen zweitem
Abschnitt 15 und dem Zulaufkanal zur Düsennadel 5 vorgesehen. Alternativ kann die
hydraulische Verbindung 55 auch den Hochdruckanschluß 1 mit dem Zulaufkanal zur Düsennadel
5 verbinden (nicht dargestellt). In der hydraulischen Verbindung 55 ist ein elektrisch
betätigtes 2/2-Wegeventil 57 angeordnet. Wenn das 2/2-Wegeventil 57, wie in Fig. 1
und 2 dargestellt, geschlossen ist, hat die hydraulische Verbindung 55 keinen Einfluß
auf das Verhalten des Injektors. Sobald jedoch das 2/2-Wegeventil 57 geöffnet ist,
wird der Zulaufkanal zur Düsennadel 5 mit dem vollen Rail-Druck beaufschlagt, was
zu einer schnellen Öffnung der Düsennadel und einer feinen Zerstäubung des in den
Brennraum (nicht dargestellt) eingespritzten Kraftstoffs führt. Durch die erfindungsgemäße
hydraulische Verbindung 55 und das erfindungsgemäße 2/2-Wegeventil 57 steht somit
eine unabhängig von dem Steuerkolben 11 zu betätigende Einrichtung zur Beaufschlagung
der Querschnittsänderung 35 mit dem vollen Rail-Druck zur Verfügung. Das bedeutet,
dass eine Einspritzung mit niedrigem Einspritzdruck begonnen werden kann und durch
das Öffnen des 2/2-Wegeventils 57 sofort der maximale Einspritzdurck zur Verfügung
steht.
[0026] Die daraus resultierenden zusätzlichen Freiheitsgrade bei der Formung des Einspritzverlaufs
hinsichtlich Einspritzdruck und eingespritzter Kraftstoffmenge führen zu einem verbesserten
Emissions- und Verbrauchsverhalten der Brennkraftmaschine. Es kann beispielsweise
durch eine von dem 2/2-Wegeventil 57 gesteuerte Nacheinspritzung mit hohem Einspritzdruck
der sog. Schwarzrauch reduziert werden.
[0027] Dabei sind die Anforderungen an das 2/2-Wegeventil 57 hinsichtlich Dichtheit und
Schaltgeschwindigkeit nicht hoch, da bei geschlossener Düsennadel 31 sowohl am Eingang
59 als auch am Ausgang 61 des 2/2-Wegeventils 57 Rail-Druck anliegt.
[0028] Wenn der Hub des des Steuerkolbens 11 größer als die Überdeckung 45 zwischen Schieber
27 und Steuerkante 47 ist, ist der dritte Abschnitt 17 des Steuerraums 3 direkt mit
dem Hochdruckanschluss 1 verbunden und es findet kein Druckabbau durch den Schieber
27 und die Steuerkante 47 statt. Dieser Zustand ist in Fig. 2 dargestellt. Auf eine
vollständige Darstellung des Injektors in Fig. 2 wurde verzichtet; es wird vielmehr
auf Fig. 1 verwiesen.
[0029] In der in Fig. 2 dargestellten Position des Steuerkolbens 9 findet die Haupteinspritzung
statt. Um sicherzustellen, dass der Steuerkolben 9 in diese Position gelangt, sind
das Volumen des Zulaufkanals zur Düsennadel 5 und dessen Elasitzität geeignet zu wählen.
Bei geeigneter Wahl dieser Parameter unter Berücksichtigung der Kompressibilität des
Kraftstoffs, wird im Zulaufkanal eine ausreichende Menge Kraftstoff "gespeichert",
um ein zu starkes Absinken des Drucks im Druckraum 43 am Anfang der Einspritzung zu
Verhindern. Wenn der Druck im Druckraum 43 zu stark absinkt, schließt die Einspritzdüse
7, was während der Haupteinspritzung unerwünscht ist. Zusätzlich oder alternativ kann
auch noch eine Hilfsfeder 53 vorgesehen werden. Die Hilfsfeder 53 wirkt auf die zweite
Stirnfläche 29 des Steuerkolbens 9 und unterstützt die Öffnung der Einspritzdüse 7.
[0030] Ein weiterer Vorteil dieses Injektors besteht darin, dass die Überdeckung 45 zwischen
Schieber 27 und Steuerkante 47 bei geschlossener Einspritzdüse 7 Leckagen zwischen
Düsennadel 31 und Düsennadelsitz 34, beispielsweise durch kleine Späne od. dgl. stark
reduziert. Damit ist eine erhöhte Sicherheit gegen einen fehlerhaften, permanenten
Kraftstoffstrom in den Brennraum gegeben (innere Leckage).
[0031] Um die Einspritzung zu beenden, wird die Ablaufdrossel 21 durch die Kugel 22 in nicht
näher erläuterter Weise verschlossen. Durch das Verschließen der Ablaufdrossel 21
baut sich im ersten Abschnitt 13 des Ventilsteuerraums 3 über die Zulaufdrossel 19
wieder annähernd der im Hochdruckanschluss 1 herrschende Druck auf. Dieser Druck übt
über die erste Stirnfläche 18 des Steuerkolbens 9 über den Ventilkolben 33 eine hydraulische
Kraft auf die Düsennadel 31 aus. Sobald diese hydraulische Kraft die auf die Querschnittsänderung
35 wirkende hydraulische Kraft überschreitet, schließt die Düsennadel 31. Wegen der
im Vergleich zu der Ringfläche der Querschnittsänderung 35 deutlich größeren ersten
Stirnfläche 18 des Steuerkolbens 9 erfolgt die Schließbewegung sehr schnell und mit
großer Kraft.
[0032] Die indirekte Ansteuerung der Düsennadel 31 über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem
ist notwendig, weil die zu einem schnellen Öffnen der Düsennadel 31 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 Zulaufdrossel 19, den Steuerraum 3 und die Ablaufdrossel 21 in den
Kraftstoffrücklauf. Zusätzlich zur Steuermenge entsteht auch noch an der Düsennadelführung
eine Leckage. Die Steuer- und die Leckagemengen können bis zu 50 mm
3/Hub betragen. Sie werden ebenfalls über die Ablaufdrossel 21 wieder in den nicht
dargestellten Kraftstoffrücklauf abgeführt.
[0033] Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
1. 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 zur Düsennadel (5) hydraulisch in Verbindung steht, wobei der Steuerkolben
(11) zwei Nuten (23, 25) aufweist und der Steuerkolben (11) zwischen den Nuten (23,
25) als Schieber (27) ausgestaltet ist und bei geschlossener Einspritzdüse (7) mit
einer Steuerkante (47) der Führungsbohrung (9) eine weitgehende hydraulische Trennung
von Hochdruckanschluss (1) und Zulaufkanal zur Düsennadel (5) bewirkt und wobei der
Hub der Düsennadel (31) und der Hub des Steuerkolbens (11) miteinander gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochdruckanschluß (1) oder dem zweiten Abschnitt (15) und dem Zulaufkanal
zur Düsennadel (5) eine von einem Wegeventil (57) verschließbare hydraulische Verbindung
(55) vorgesehen ist.
2. 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.
3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilkolben (33) und Steuerkolben (11) und/oder Düsennadel (31) und Steuerkolben
(11) einstückig ausgeführt sind.
4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (55) als elektrisch betätigtes 2/2-Wegeventil, insbesondere als elektrisch
betätigtes Schieberventil, ausgebildet ist.
5. Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (57) stromlos geschlossen ist.
6. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Trennung von Hochdruckanschluss (1) und Zulaufkanal zur Düsennadel
(5) durch die Überdeckung (45) von Schieber (27) und Steuerkante (47) und die Passung
zwischen Schieber (27) und Führungsbohrung (9) konstruktiv festgelegt wird.
7. 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.
8. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den Steuerkolben (11) wirkende Hilfsfeder (53) vorhanden ist.
9. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal zur Düsennadel (5) in Verbindung mit dem in ihm befindlichen Kraftstoff
als Druckspeicher dient.