Bei Einspritzsystemen an direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschinen werden heute Hochdruckspeichersysteme (Common Rail) eingesetzt. Diese haben die Aufgabe, den Kraftstoff unter hohem Druck zu speichern. Druckschwingungen, die etwa durch die Pumpbewegung und den Einspritzvorgang entstehen können, sollen durch das im Hochdruckspeicher enthaltene Kraftstoffvolumen gedämpft werden. Der Kraftstoff wird mittels Injektoren in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschinen eingespritzt. An den Injektoren werden Spritzbeginn und Einspritzmenge eingestellt; diese werden vorzugsweise am Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet.
EP 1 036 931 A2 bezieht sich auf eine Kraftstoffinjektoranordnung mit einer Düse, die eine erste Bohrung enthält, in der eine Düsennadel gleitend gelagert ist. Die Nadel wirkt mit einem Sitz zusammen, um den Kraftstofffluss von einer Zufuhrkammer zu einer Auslassöffnung zu steuern, wobei eine der Nadel zugeordnete Fläche dem Kraftstoffdruck in einem Steuerraum ausgesetzt ist. Ein mit Kraftstoffdruck betätigbares Steuerventil steuert die Versorgung der Zufuhrkammer mit Kraftstoff. Ein Kolben ist gleitend in dem Steuerventil angeordnet (Figur 5).
DE 198 35 494 A1 bezieht sich auf eine Pump- Düse- Einheit. Diese dient der Kraftstoffzufuhr in einen Verbrennungsraum von direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschinen mit einer Pumpeneinheit zum Aufbau eines Einspritzdrucks. Zum Einspritzen des Kraftstoffes in den Verbrennungsraum sind Einspritzdüsen vorgesehen. Ferner umfasst das System eine Steuereinheit mit einem Steuerventil, das als nach außen öffnendes A-Ventil ausgebildet ist. Ferner ist eine Ventilbetätigungseinheit zur Steuerung des Druckaufbaus in der Pumpeneinheit umfasst. Um eine Pumpe- Düse- Einheit mit einer Steuereinheit zu schaffen, die einen einfachen Aufbau hat, kleinbauend ist und die insbesondere eine kurze Ansprechzeit hat, ist gemäß der Lösung aus DE 198 35 494 A1 bekannt, die Ventilbetätigungseinheit als einen piezoelektrischen Aktor auszubilden.
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lässt sich auf vorteilhafte Weise eine Injektorbauform erzielen, die sowohl eine Hubsteuerung des Injektorkörpers als auch dessen Drucksteuerung ermöglicht. Damit kann neuesten Anforderungen aus den Pflichtenhälften von Nutzkraftfahzeugmotorenherstellern Rechnung getragen werden, die eine Injektorsteuerung nach zwei getrennten Prinzipien fordern, um die Verbrennungskraftmaschine stets im optimalen Betriebspunkt betreiben zu können.
Im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Injektor lässt sich durch die Konfiguration des 3/2-Wege-Ventils über den Hub des 3/2-Wege-Ventils der Druck im Düsenraum der Einspritzdüse schlagartig entlasten. Die schlagartige Entlastung des Düsenraumes bewirkt in diesem Betriebszustand eine Drucksteuerung des Injektors. Die schlagartige Entlastung des Düsenraumes erfolgt bei Durchsteuerung des Ventilkörpers im Gehäuse des Injektors unter Zurücklegung des vollen Hubweges; wird der Injektor hingegen im Teildruck betrieben, kann einer der im Injektorkörper ausgebildeten Schieber auch geschlossen sein, während der jeweils andere im Injektorkörper ausgebildete Schieber an seiner Steuerkante geöffnet ist und somit einen Hub zulässt Die Schieber sind am im Injektorgehäuse in vertikaler Richtung bewegbaren Ventilkörper versetzt aufgenommen, so daß sich ein Übergang von Hubauf Drucksteuerung und umgekehrt des Injektors auf einfache Weise erzielen läßt und die vertikale Position des Injektorkörpers relativ zum Injektorgehäuse definiert ist.
Die vertikale Bewegung des Injektorkörpers im Gehäuse des Injektors erfolgt durch einen an einem Ende des Ventilkörpers vorgesehenen Piezoaktor oder eines anderen elektrischen Stellelementes, mit dem sich unter Einwirkung kürzester Ansprechzeiten unterschiedlich ein Schließen - bzw. Öffnen der einzelnen Schieber/Steuerkantenkombination erzielen lässt. Als Aktoren zur Druckentlastung des Steuerraumes lassen sich vorteilhaft Magnetventile oder Piezoaktoren einsetzen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt, einen Längsschnitt durch einen Injektor durch ein 3/2-Wege-Ventil, an dessen Injektorkörper zwei zueinander in vertikaler Richtung versetzte Schieberkanten ausgebildet sind.
Der Darstellung gemäß der einzigen Figur ist der Längsschnitt durch einen Injektorkörper entnehmbar, an dem Zweischieber-/Steuerkanten ausgebildet sind.
Der in der Darstellung gemäß Figur 1 wiedergegebene Injektor 1 zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine ist Bestandteil eines Einspritzsystems, welches einen Hochdrucksammelraum (Common Rail) umfaßt. Im Hochdrucksammelraum (Common Rail) wird der Kraftstoff mittels einer Pumpe auf einem extrem hohen Druckniveau gehalten, um das im Pumpenraum vorliegende Kraftstoffvolumen als Dämpfungselement für durch die Pumpenbewegung induzierte Druckspülungen bzw. durch die Bewegung des Injektors im Leitungssystem induzierte Druckschwingung zu nutzen.
Der aus der Darstellung gemäß Figur 1 hervorgehende Injektor 1 umfaßt im wesentlichen ein in einem Gehäuse 2 vertikal bewegbaren Injektorkörper 3. Der Injektorkörper 3 ist als rotationssymmetrisches Bauteil in einer Bohrung des Gehäuses 2 eingelassen. Am unteren Ende des Injektorkörpers 3 ist diesem gegenüberliegend ein Druckstangenelement 4 angeordnet, welches einem Kolben 16 gegenüberliegt, der seinerseits mit einem im Injektorkörper 3 ausgebildeten Steuerraum 15 zusammenwirkt.
An der Oberseite des Injektorkörpers 3 gemäß der Darstellung aus Figur 1 befindet sich, dessen oberer zylindrischer Stirnfläche gegenüberliegend, ein Steuerraum 6. Der Steuerraum 6 ist konstant über einen Abzweig 8 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt, so daß gewährleistet ist, daß stets eine ausreichende Steuermenge von Kraftstoff im oberen Steuerraum 6 vorliegt. In die Zuleitung 8, die einerseits in den oberen Steuerraum 6 mündet und andererseits vom Hochdrucksammelraum - Zulauf abzweigt ist ein Drosselelement eingelassen. Der obere Steuerraum 6 ist über eine Entlastungsöffnung 7, an welche sich eine Ablaufdrossel 9 anschließt, druckentlastbar. Die Druckentlastung des oberen Steuerraumes 6 und damit die Induzierung der vertikalen Auf- bzw. Abbewegung des Injektorkörpers 3 im Gehäuse 2 des Injektors erfolgt durch die Ansteuerung eines Aktorelementes 10, welches beispielsweise als ein Magnetventil oder als ein Piezoaktor ausgebildet sein kann und den Druck auf das als Schließelement dienende Kugelelement steuert. Wird das als Schließelement fungierende Kugelelement druckentlastet, gibt es seine Sitzfläche frei, so daß ein entsprechend der Ablaufdrosselkonfiguration 9 sich einstellendes Kraftstoffvolumen kontinuierlich über die Entlastungsöffnung 7 aus dem oberen Steuerraum 6 abfließt, so daß sich eine vertikale Hochfahrbewegung des Injektorkörpers 3 im Gehäuse 2 des Injektors 1 einstellt.
Über den Hochdrucksammelraumzulauf 11, der in einem ringförmig sich um den Injektorkörper 3 erstreckenden Ringraum 20 mündet, wird ein im inneren des Injektorkörpers 3 vorgesehenes Bohrungssystem mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Über eine Querbohrung 12, die sich senkrecht zur Symmetrielinie des Injektorkörpers 3 erstreckt und eine mit dieser in Verbindung stehende, koaxial zur Symmetrielinie des Injektorkörpers 3 verlaufende Zentralbohrung 13, wird ein am Ende der Zentralbohrung 13 liegendes Zulaufdrosselelement 14 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Über das Zulaufdrosselelement 14 am Ende der Zentralbohrung 13 im Injektorkörper 3 wird ein in diesem vorgesehener Steuerraum 15 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Die Zulaufdrossel 14 mündet in der oberen Begrenzungswand 30 des Steuerraumes 15, der andererseits von der Kolbenfläche 17 eines koaxial zur Symmetrieachse des Injektorkörpers 3 angeordneten Kolbens 16 begrenzt ist. Zwischen den beiden Begrenzungsflächen 17 bzw. 30 befindet sich eine zylindrische Begrenzungswand 32 des Steuerraumes 15. Der Kolben 16, der durch Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung des Streuerraumes 15 eine vertikale Bewegung ausführt, liegt mit seiner der Kolbenfläche 17 gegenüberliegenden Fläche an einer Druckstange 4 an, die mechanisch mit der Einspritzdüse 5 verbunden ist. Somit kann durch Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung des Steuerraumes 15 eine Bewegung der Einspritzdüse aus ihrem Sitz erreicht werden, d. h. ein Öffnen oder ein Schließen der Einspritzdüse.
Während die Druckbeaufschlagung des Steuerraumes 15 innerhalb des Injektorkörpers 3 über das Leitungssystem 11,12,13,14 erfolgt, kann die Druckentlastung des Steuerraumes 15 innerhalb des Injektors 3 und damit eine vertikale Auffahrbewegung des Kolbens 16 mit seiner Kolbenfläche 17 in den Steuerraum 15 dadurch erreicht werden, dass über die Druckentlastung des oberen Steuerraumes 6 dem Injektorkörper 3 als Ganzes eine vertikale Auffahrbewegung aufgeprägt wird. Der Steuerraum 15 ist durch eine in seiner Zylinderwandung 32 mündende Ablaufdrossel 18 und eine sich daran anschließende Bohrung bei entsprechender Auffahrbewegung des Injektorkörpers 3 über eine Druckentlastungsleitung 28, die Leckölleitung druckentlastbar, so daß bei Auffahrbewegungen des Kolbens 16 mit seiner Kolbenfläche 17 in den Steuerraum 15 bei dessen Druckentlastung eine Öffnung der Düsennadel der Einspritzdüse 5 aus ihrem Sitz erzielbar ist
Im Gehäuse 2 des Injektors 1 ist darüber hinaus eine Düsenzulaufleitung 21, die hochdruckfest ausgelegt ist, aufgenommen, über welche die Einspritzdüse 5, die hier nicht dargestellt ist, mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagbar ist. In der in Figur 1 dargestellten Zeichnung ist der Injektorkörper 3 in einer Position gestellt, in der die Düsenzulaufleitung 21 durch Anliegen einer Sitzfläche 22 des Injektors 3 am Gehäuse 2 hochdruckseitig geschlossen ist, d. h. das im Ringraum 20 enthaltene unter hohem Druck stehende Kraftstoffvolumen liegt zwar über die Bohrungen 12, 13, 14 am Steuerraum 15 an und verschließt dadurch die Düse; andererseits steht im Düsenraum der Einspritzdüse 5 kein unter hohem Druck stehender Kraftstoff an, da der Dichtsitz 22 den Düsenzulauf 21 vom Hochdrucksammelraumzulauf 11 gehäuseseitig abtrennt.
Eine Entlastung des oberen Steuerraum 6 durch Ansteuerung des elektrischen Aktors 10 führt zu einer Druckentlastung des oberen Steuerraums 6. Dadurch fährt die zylindrische Stirnfläche des Inj ektorkörpers 3 in diesen ein, so daß sich eine vertikale Auffahrbewegung des Injektorkörpers 3 im Gehäuse 2 des Injektors 1 einstellt. Je nachdem, welches Steuervolumen über die Entlastungsöffnung 7 und die sich anschließende Ablaufdrossel 9 aus dem oberen Steuerraum 6 entwichen ist, fährt ein erster Schieber 23 am Injektorkörper 3 über eine gehäuseseitig ausgebildete erste Steuerkante 24. Dadurch ist bei Öffnung der Dichtfläche 22 und damit der Druckbeaufschlagung der Düsenzulaufleitung 21 zur Einspritzdüse 5 sichergestellt, dass kein unter hohem Druck stehender Kraftstoff direkt in eine Ablaufleitung 28 eintreten kann, d. h. der Injektor ist leckölseitig geschlossen. In diesem Teilhubmodus ist sicherzustellen, daß das aus dem oberen Steuerraum 6 entwichene Steuervolumen dem Injektor 3 gerade einen Hubweg 27 aufprägt, welcher ausreichend bemessen ist, um die Steuerkante 24 gehäuseseitig und die Injektorkörperseitig vorgesehene Schieberkante 23 zur Überdeckung zu bringen.
Bei einer weiteren, darüber hinausgehenden Druckentlastung des oberen Steuerraumes 6 durch Öffnung der Entlastungsöffnung 7 bzw. Ansteuerung des elektrischen Aktors 10 ist ein weiteres Auffahren des Injektorkörpers 3 möglich. Dadurch kommt es zum Öffnen des zweiten Schiebers 25 nach Passage der gehäuseseitig vorgesehenen Steuerkante 26. Ist der zweite Schieber geöffnet, so tritt eine Druckentlastung des Steuerraumes 15 durch die Ablaufdrossel 18 in den den Injektorkörper 3 umgebenden Ringraum ein, welcher eine Ablaufleitung 28 enthält. Durch das Öffnen des zweiten Schiebers bei einer Durchsteuerung des Ventilkörpers 3, d. h. dem Erzeugen der vollen vertikalen Hubbewegung des Injektorkörpers 3 im diesen umgebenden Gehäuse 2, ist eine schlagartige Druckentlastung des Steuerraumes 15 möglich, so dass der Kolben 16 mit seiner Kolbenfläche 17 in diesen einfährt. In diesem Betriebszustand öffnet die Düsennadel der Einspritzdüse 5 an ihrer Sitzfläche, so dass das in der Düsenzuleitung 21 anstehende -die Sitzfläche 22 des Injektorkörpers 3 ist geöffnet- unter hohem Druck stehende Kraftstoffvolumen eingespritzt werden kann.
In diesem Zustand ist der Injektor druckgesteuert, während im Teilhubmodus, d. h. der Erzeugung lediglich einer Auffahrbewegung des Injektorkörpers 3, welche dem Hubweg 27 entspricht der Injektor hubgesteuert ist.
Mit Bezugszeichen 29 ist ein Leckölraum identifiziert, in welchem sich am Kolben 16 entlangströmender Kraftstoff aus dem Steuerraum 15 sammelt. Dieser wird, wie auch das über die Entlastungsleitung 7 aus dem oberen Steuerraum 6 abströmende Steuervolumen sowie das über die. Ablaufdrossel 18 und die Ablaufleitung 28 aus dem im Injektorkörper 3 vorgesehenen Steuerraum 15 abströmende Steuervolumen, wieder dem Kraftstoffbehälter zugeführt.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß aus Festigkeitsgründen und um einen dauerfesten Betrieb der erfindungsgemäßen Injektorkonfiguration zu gewährleisten, sowohl der Hochdrucksammelraumzulauf 11 zum Ringraum 20 als auch der Abzweig 8 zum oberen Steuerraum 6 sowie der Düsenzulauf 21 im Gehäuse 2 des Injektors 1 als Bohrungen gestaltet sind und das Gehäuse aus hochfestem metallischen Werkstoff gefertigt ist. Gleiches gilt für den im Gehäuse 2 des Injektors 1 auf- und abbewegbaren Injektorkörper 3.