Die Erfindung betrifft einen Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck direkt in den Brennraum von setbstzündenden Brennkraftmaschinen (EP-A-1 612 403).

Zur Einbringung von Kraftstoff direkt in den Brennraum von selbstzündenden Brennkraftmaschinen werden insbesondere bei Personenkraftwagen zurzeit vermehrt sogenannte Common-Rail-Systeme eingesetzt. Der Druck wird hierbei zentral von einer Hochdruckpumpe erzeugt und in einem Hochdruckspeicher, dem so genannten Rail, zwischengelagert. Von dort wird der verdichtete Kraftstoff über Injektoren in die verschiedenen Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt. Einer der Vorteile dabei ist, dass der Einspritzdruck, also der Kraftstoffdruck, den die Hochdruckpumpe im Rail erzeugt, an Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine angepasst werden kann. Damit wird ein erhöhter Energiebedarf durch die Verdichtung von nicht benötigtem Kraftstoff vermindert.

Um möglichst kurze Schaltzeiten zu erreichen, das heißt, um die Düsennadel, die die eigentlichen Einspritzöffnungen freigibt oder verschließt, möglichst rasch bewegen zu können, wird das Steuerventil bei Injektoren häufig nahe der Düsennadel angeordnet, so dass die hydraulischen Verbindungen entsprechend kurz sind. Der Hochdruckkanal, über den der verdichtete Kraftstoff aus dem Rail zu den Einspritzöffnungen geleitet wird, muss folglich an dem Steuerventil vorbeigeleitet werden, was bezüglich der im wesentlichen zylindrischen Gestalt des Injektors eine Exzentrizität der Hochdruckleitung bedingt und damit entsprechende bauliche Maßnahmen erfordert. Da im Zulaufkanal ein sehr hoher Druck herrscht, der je nach Einspritzsystem 1500 bis 2000 bar (150 - 200 MPa) betragen kann, darf die Wandstärke gewisse Größen nicht unterschreiten. Dies setzt der weiteren Verschlankung der Injektoren enge Grenzen.

Die mittige Zuführung von Kraftstoff in einem Einspritzventil ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 199 59 304 A1 bekannt. Das hier gezeigte Kraftstoffeinspritzventil wird mit einer sogenannten Verteilerpumpe verwendet. Diese Verteilerpumpen stellen keinen konstanten Einspritzdruck zur Verfügung, sondern erzeugen für jede Einspritzung einen gesonderten Kraftstoffstoß, der dem einzelnen Einspritzventil zugeleitet wird und der die Düsennadel dann entgegen der Kraft einer Schließfeder öffnet. Das in der DE 199 59 304 A1 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil weist einen zentralen Kraftstoffzulauf auf, der im Wesentlichen die Form eines Rohres hat und auf dessen brennraumseitigem Ende die Düsennadel geführt ist. Durch die mittige Führung des Kraftstoffs kann das Einspritzventil schlank gestaltet werden und nimmt im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine entsprechend wenig Platz weg.

Eine ähnliche Konstruktion ist aus der Offenlegungsschrift DE 32 29 828 A1 bekannt. Auch hier handelt es sich um ein Kraftstoffeinspritzventil, das zusammen mit einer Verteilerpumpe benutzt wird. Im Unterschied zu dem oben genannten, aus dem Stand der Technik bekannten, Kraftstoffeinspritzventil bewegt sich hier die Düsennadel synchron mit dem röhrenförmigen Körper, über den der verdichtete Kraftstoff eingeleitet wird. Die Zuführung des Kraftstoffs erfolgt über eine Schieberdichtung, die am brennraumabgewandten Ende zwischen dem Zulaufrohr und einem speziell eingepassten Körper sichergestellt wird.

Die bekannten Kraftstoffeinspritzventile sind jedoch für Common-Rail-Systeme nicht anwendbar, da sie kein Steuerventil aufweisen, mit dem die Schließkraft auf die Düsennadel reguliert werden kann. Andererseits lässt sich bei den bekannten Injektoren, die in Common-Rail-Systemen verwendet werden, eine weitere Verschlankung nur unter großen Schwierigkeiten erreichen, da das Material, in dem die Zulaufkanäle, die den Kraftstoff am Steuerventil vorbeileiten, ausgebildet sind, einer noch höheren Belastung in der Regel nicht standhalten können, ohne dass es zu Schäden am Injektor kommt.

Der erfindungsgemäße Injektor weist demgegenüber den Vorteil auf, dass er sehr schlank ausgebildet werden kann und damit nur wenig Bauraum benötigt und dabei die volle Funktionsfähigkeit eines Common-Rail-Injektors aufweist. Hierzu ist im Injektorkörper ein Hochdruckzulaufrohr angeordnet, das verdichteten Kraftstoff dem Steuerraum zuleitet, wobei das Steuerventilglied auf dem Hochdruckzulaufrohr gleitverschiebbar gelagert ist. Durch diese Anordnung des Steuerventilglieds lässt sich ein sehr kompaktes Steuerventil konstruieren, wobei der Kraftstoff quasi durch das Steuerventil hindurchgeleitet wird, was eine sehr schlanke und damit kompakte Bauweise des Injektors erlaubt. Darüber hinaus ergeben sich Kostenvorteile daraus, dass der Haltekörper, an dem die Einspritzdüse befestigt ist, nicht mehr dem Kraftstoffdruck ausgesetzt ist und deshalb aus einem günstigeren Material gefertigt werden kann; unter Umständen ist sogar eine Fertigung aus einem kostengünstigen Kunststoff möglich.

Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In vorteilhafter Weise verläuft das Hochdruckzulaufrohr mittig im Injektorkörper, so dass es im Wesentlichen fluchtend mit der Düsennadel angeordnet ist. Diese Anordnung birgt eine hohe Symmetrie, was die Verwendung vieler rotationssymmetrischer Bauteile ermöglicht und die Herstellung entsprechend günstig macht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung mündet das Hochdruckzulaufrohr an seinem auslaufseitigen Ende in einen im Injektorkörper ausgebildeten Verteilerraum, von dem die Zulaufdrossel, die den Steuerraum mit Kraftstoffhochdruck versorgt, und ein Zulaufkanal abzweigen, wobei der Zulaufkanal die Einspritzöffnungen mit Kraftstoff versorgt. Der Verteilerraum bietet eine große Freiheit bei der Anordnung der Kraftstoffkanäle innerhalb des Injektors, so dass er leichter an verschiedene Anforderungen angepasst werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Steuerventilglied im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet und umgibt das Hochdruckzulaufrohr. Durch diese Anordnung des Steuerventilglieds ist eine exakte Führung bei minimalem Raumbedarf möglich. Hierbei wirkt das Steuerventilglied vorzugsweise mit einem Ventilsitz zusammen, der das Hochdruckzulaufrohr umgibt, so dass ein Ringraum, der das Hochdruckzulaufrohr ebenfalls umgibt, durch die Bewegung des Steuerventilglieds mit einem Leckölraum im Injektor verbindbar ist. In vorteilhafter Weise ist der Aktor, der das Steuerventilglied bewegt, ein Elektromagnet, der ebenfalls um das Hochdruckzulaufrohr herum angeordnet sein kann, so dass sich auch eine hohe Symmetrie ergibt.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt. Es zeigt

Figur 1

einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors,

Figur 2

ein weiteres Ausführungsbeispiel ebenfalls im Längsschnitt,

Figur 3

in vergrößerter Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel, das ebenfalls im Längsschnitt dargestellt ist und

Figur 4

nochmals den gesamten Injektor - abgesehen von der brennraumseitigen Spitze der Düse - mit den entsprechenden Kraftstoffanschlüssen

In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors im Längsschnitt dargestellt. Der Injektor weist einen Injektorkörper 1 auf, der einen Haltekörper 2, einen Drosselkörper 4 und einen Düsenkörper 5 umfasst. Der Düsenkörper 5 wird unter Zwischenlage der Drosselscheibe 4 mittels einer Spannmutter 7 gegen den Haltekörper 2 verspannt, so dass alle Teile des Injektorkörpers 1 fest gegeneinander gepresst werden und ortsfest zueinander sind.

Im Düsenkörper 5 ist eine Bohrung 9 ausgebildet, die brennraumseitig von einem konischen Ventilsitz 13 begrenzt wird. Vom Ventilsitz 13 gehen mehrere Einspritzöffnungen 12 aus, durch die der Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. In der Bohrung 9 ist eine kolbenförmige Düsennadel 10 längsverschiebbar angeordnet, die in einem mittleren Abschnitt in der Bohrung 9 geführt ist. Zwischen der Düsennadel 10 und der Wand der Bohrung 9 ist ein Druckraum 11 ausgebildet, durch den Kraftstoff, der auf hohen Druck verdichtet zugeführt wird, in Richtung der Einspritzöffnungen 12 fließen kann. Ist die Düsennadel 10 in Anlage am Ventilsitz 13, so werden die Einspritzöffnungen 12 verschlossen und eine Einspritzung findet nicht statt. Soll eine Einspritzung erfolgen, so hebt die Düsennadel 10 vom Ventilsitz 13 ab und gibt die Einspritzöffnungen 12 frei.

Zur Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel 10 dient der Druck in einem Steuerraum 16, der von der ventilsitzabgewandten Stirnseite der Düsennadel 10, einer Hülse 15 und dem Drosselkörper 4 begrenzt wird. Die Hülse 15 ist hierbei auf der Düsennadel 10 geführt, wobei zwischen der Hülse 15 und einem Stützring 17, der auf einer Schulter der Düsennadel 10 aufliegt, eine Schließfeder 14 unter Druckvorspannung angeordnet ist. Durch die Schließfeder 14 wird einerseits die Hülse 15 gegen den Drosselkörper 4 gedrückt, und andererseits erfährt die Düsennadel 10 eine Kraft in Richtung des Ventilsitzes 13, so dass die Düsennadel 10 beim Fehlen weiterer Kräfte auf den Ventilsitz 13 gedrückt wird und die Einspritzöffnungen 12 verschließt.

Zur Zuführung von Kraftstoff, der von einer Pumpe auf hohen Druck verdichtet wurde, dient ein im Haltekörper 2 und im Drosselkörper 4 angeordnetes Hochdruckzulaufrohr 25. Das düsenseitige Ende des Hochdruckzulaufrohrs 25 ist hierbei in einer Bohrung 21 dichtend geführt, die im Drosselkörper 4 ausgebildet ist. Am Grund der Bohrung 21 ist ein Verteilerraum 23 ausgebildet, von dem einerseits eine Zulaufdrossel 22 in den Steuerraum 16 führt und andererseits ein Zulaufkanal 20 in den Druckraum 11.

Im Drosselkörper 4 ist darüber hinaus eine Ablaufdrossel 24 ausgebildet, die den Steuerraum 16 mit einem Ringraum 27 verbindet, der im Drosselkörper 4 ausgebildet ist und der das Hochdruckzulaufrohr 25 umgibt. Der Ringraum 27 reicht dabei bis in einen Leckölraum 32, der den düsenabgewandten Teil des Drosselkörpers 4 begrenzt und sich im Haltekörper 2 fortsetzt. Im Leckölraum 32 ist über eine entsprechende Verbindung mit einem Leckölanschluss stets ein niedriger Kraftstoffdruck vorhanden, der im Wesentlichen Umgebungsdruck entspricht. Da das Hochdruckzulaufrohr 25 in der Bohrung 21 dichtend geführt ist, sind unterschiedliche Drücke im Verteilerraum 23 und im Ringraum 27 möglich.

Die Verbindung zwischen dem Ringraum 27 und dem Leckölraum 32 wird mit einem Steuerventil 8 gesteuert, das ein Steuerventilglied 30 umfasst. Das Steuerventilglied 30 wirkt dabei mit einem Steuerventilsitz 29 zusammen, der im Drosselkörper 4 ausgebildet ist. Das Steuerventilglied 30 weist die Form eines Magnetankers auf und geht dem Drosselköper 4 abgewandt in einen Hülsenfortsatz 130 über. Der Hülsenfortsatz 130 ist hierbei auf dem Hochdruckzulaufrohr 25 dichtend geführt, so dass das Steuerventilglied 30 auf dem Hochdruckzulaufrohr 25 gleitverschiebbar ist und eine ausreichende Abdichtung zwischen dem Ringraum 27 und dem Leckölraum 32 gewährleistet ist. Die Bewegung des Steuerventilglieds 30 wird einerseits durch eine Feder 37 bewirkt, die unter Druckvorspannung im Haltekörper 2 angeordnet ist und die sich am düsenabgewandten Ende des Hülsenfortsatzes 130 abstützt und so das Steuerventilglied 30 gegen den Steuerventilsitz 29 drückt. Andererseits kann das Steuerventilglied 30 durch einen Aktor 33 bewegt werden, der hier als Elektromagnet 33 ausgebildet und der im Haltekörper 2 angeordnet ist. Der Elektromagnet 33 wird dabei durch ein Federelement 35, das im Haltekörper 2 angeordnet ist, in Richtung des Drosselkörpers 4 gedrückt, so dass der Elektromagnet 33 ortsfest im Haltekörper 2 fixiert wird.

Die Funktionsweise des Injektors ist wie folgt: Über das Hochdruckzulaufrohr 25 wird Kraftstoff, der auf hohen Druck verdichtet wurde, in den Verteilerraum 23 geleitet. Von dort setzt sich der Druck über die Zulaufdrossel 22 in den Steuerraum 16 fort, was dort denselben Kraftstoffdruck bewirkt wie im Verteilerraum 23. Über den Zulaufkanal 20 setzt sich der Druck auch in den Druckraum 11 fort, so dass dort Einspritzdruck anliegt. Das Steuerventilglied 30 wird durch die Feder 37 gegen den Steuerventilsitz 29 gedrückt und verschließt den Ringraum 27 gegen den Leckölraum 32, wobei durch die Ablaufdrossel 24 auch im Ringraum 27 derselbe Kraftstoffdruck wie im Steuerraum 16 herrscht.

Der Elektromagnet 33 ist zu Beginn der Einspritzung nicht bestromt. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird durch den Elektromagnet 33 ein entsprechender Strom geleitet, so dass dieser ein Magnetfeld aufbaut und das Steuerventilglied 30 anzieht. Dadurch wird das Steuerventilglied 30 vom Steuerventilsitz 29 abgehoben und verbindet den Ringraum 27 mit dem Leckölraum 32. Über die Ablaufdrossel 24 entspannt sich der im Steuerraum 16 befindliche Kraftstoff, so dass sich die hydraulische Kraft auf die dem Ventilsitz 13 abgewandte Stirnseite der Düsennadel 10 vermindert. Hierbei ist die Ablaufdrossel 24 so bemessen, dass mehr Kraftstoff über diese abfließt, als über die Zulaufdrossel 22 zufließt. Gleichzeitig bleibt die hydraulische Kraft, die auf die Düsennadel 10 durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 11 herrscht, konstant, so dass sich insgesamt eine resultierende Kraft auf die Düsennadel 10 ergibt, die vom Ventilsitz 13 weggerichtet ist und die Düsennadel 10 vom Ventilsitz 13 wegdrückt. Durch die so freigegebenen Einspritzöffnungen 12 wird nun Kraftstoff unter hohem Druck ausgespritzt. Die Einspritzung wird wieder beendet durch das Stromlosschalten des Elektromagneten 33, so dass die Feder 37 das Steuerventilglied 30 zurück in Anlage an den Steuerventilsitz 29 drückt. Durch den Verschluss des Ringraums 27 erhöht sich über die Zulaufdrossel 22 der Druck im Steuerraum 16 erneut, so dass die Düsennadel 10 durch die sich erhöhende hydraulische Kraft auf die Stirnseite zurück in ihre Schließstellung gedrückt wird.

Figur 2 zeigt ebenfalls im Längsschnitt einen weiteren erfindungsgemäßen Injektor. Dieser unterscheidet sich vom Injektor nach Figur 1 durch die alternative Ausgestaltung des Drosselkörpers 4. Statt des Drosselkörpers 4 sind bei diesem Ausführungsbeispiel ein erster Drosselkörper 104 und ein zweiter Drosselkörper 204 vorgesehen. Im ersten Drosselkörper 104 ist die das Hochdruckzulaufrohr 25 aufnehmende Bohrung 21 ausgebildet, wobei das Hochdruckzulaufrohr 25 hier nicht in einen Verteilerraum 23 mündet, sondern in eine Ausnehmung 39, die dieselbe Funktion übernimmt und von der die Zulaufdrossel 22 und der Zulaufkanal 20 ausgehen. Die Ablaufdrossel 24' ist sowohl im ersten Drosselkörper 104 als auch im zweiten Drosselkörper 204 ausgebildet, so dass der Ringraum 27, der im ersten Drosselkörper 104 ausgebildet ist, nach wie vor mit dem Steuerraum 16 verbunden ist. Diese Anordnung der Zu- und Ablaufdrosseln und der Ausnehmung 39 ermöglicht es, diese mit geringerem Aufwand und damit geringeren Kosten herzustellen, da insbesondere die Ausnehmung 39 direkt an der Stirnseite des zweiten Drosselkörpers 204 ausgebildet ist.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors. Die Anordnung der Bohrung 21 im Drosselkörper 4 der Zulaufdrossel 22 und des Zulaufkanals 20 entspricht der Anordnung wie bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Die Ablaufdrossel 24 hat hier jedoch eine andere Ausrichtung. Statt eines geknickten Verlaufs, wie in Figur 1 gezeigt, ist die Ablaufdrossel 24" hier als gerade Bohrung ausgebildet. Um den Kraftstoff vom Steuerraum 16 zur Ablaufdrossel 24" zu bringen, ist an der dem Düsenkörper 5 zugewandten Stirnfläche des Drosselkörpers 4' eine Ausnehmung 39' ausgebildet. In diese Ausnehmung 39' mündet auch die Zulaufdrossel 22, die vom Verteilerraum 23 ausgeht. Durch diese gerade Ausbildung der Ablaufdrossel 24" lässt diese sich einfacher und damit kostengünstiger herstellen.

Ein weiterer Unterschied zu dem Einspritzventil nach Figur 1 ist die Ausbildung des Düsenkörpers 5, der in Figur 3 im Bereich des Steuerraums 16 verschieden von dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ausgebildet ist. Der Steuerraum 16 wird hier durch die Wand der Bohrung 9 begrenzt, wobei sich im Steuerraum 16 eine Schließfeder 14' befindet, die zwischen dem Drosselkörper 4 und der ventilsitzabgewandten Stirnfläche der Düsennadel 10 unter Druckvorspannung angeordnet ist. Die Düsennadel 10 ist mit ihrem ventilsitzabgewandten Endabschnitt in der Bohrung 9 dichtend geführt, so dass eine hydraulische Trennung von Druckraum 11 und Steuerraum 16 erreicht wird. Die sonstige Funktion der Düsennadel 10 ist identisch mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1.

Figur 4 zeigt noch einmal in einer Gesamtansicht den Injektor nach Figur 3. Das Hochdruckzulaufrohr 25 weist an seinem einlaufseitigen Ende eine Erweiterung auf, in die ein Kraftstofffilter 44 eingesetzt ist. Das Kraftstofffilter 44 dient dazu, im Kraftstoff vorhandene Partikel herauszufiltern, um eine Beschädigung im Bereich der Düsennadel 10 oder des Steuerventils 8 zu verhindern. Um den verdichteten Kraftstoff in das Hochdruckzulaufrohr 25 einzuführen, ist am Injektor ein Hochdruckanschluss 42 vorgesehen, der mittels einer Spannschraube 45 mit dem Injektorkörper 1 verbunden ist.

Der Haltekörper 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Hülse ausgebildet, die wesentliche einfacher aufgebaut ist als die aus dem Stand der Technik bekannten Haltekörper. Der Elektromagnet befindet sich hier im Kraftfluss der Spannmutter 7, wird also durch die Verspannung von Haltekörper 2 und Düsenkörper 5 im Injektor fixiert, ohne dass weitere Vorrichtungen zum Fixieren des Elektromagneten dazu nötig sind.

Der Leckölraum 32, der das Hochdruckzulaufrohr 25 umgibt, kann im Volumen beschränkt werden. Hierzu wird in den Haltekörper 2 ein Einsatzkörper 46 eingebracht, der beispielsweise aus Kunststoff besteht und in dem ein Leckölablauf 40 ausgebildet ist. Der über den Leckölablauf 40 abgeführte Kraftstoff wird über einen Leckölanschluss 43 einem Rücklaufsystem zugeführt, so dass der Kraftstoff letztlich wieder in den Kraftstofftank des Fahrzeugs zurückgeführt wird.

Die Bewegung des Steuerventilglieds 30 erfolgt durch den Elektromagneten 33, wie oben bereits ausgeführt. Da durch den Druck im Ringraum 27 keine resultierende hydraulische Kraft auf das Steuerventilglied 30 ausgeübt wird, ist dieses insofern kraftausgeglichen, so dass bereits eine relativ geringe magnetische Kraft ausreicht, das Steuerventilglied 30 zu bewegen. Die Feder 37 braucht deshalb nur eine geringe Kraft aufbringen, um die Funktionalität des Steuerventils zu gewährleisten und kann entsprechend klein ausgebildet werden.

Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass statt eines Elektromagneten ein Piezoaktor eingesetzt wird, um eine Bewegende Kraft auf das Steuerventilglied 30 auszuüben. Wie oben beschrieben ist das Steuerventilglied 30 druckausgeglichen, was den Einsatz eines kleinen Piezoaktors erlaubt, da keine großen Kräfte nötig sind. Auch der Hub des Piezoaktors kann gering sein, da der zwischen dem Steuerventilglied 30 und dem Steuerventilsitz 29 aufgesteuerte Querschnitt bereits bei sehr kleinem Hub des Steuerventilglieds 30 ausreichend groß ist.