Kraftstoffinjektor

Abstract

 Es wird ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem eine hydraulische Kopplereinheit (11) mit einem Ventilkolben (27) auf einen Ventilbolzen (40) eines Steuerventil (12) einwirkt, wobei der Ventilbolzen (40) einen an einem Ventilkörper (15) ausgebildeten Ventilsitz (45) öffnet oder verschließt. Am Ventilkörper (15) ist ein den Hub des Ventilkolbens (27) begrenzender Anschlag (64) ausbildet, gegen welchen der Ventilkolben (27) mit einer Gegenfläche (61) bei geöffnetem Ventilssitz (45) anschlägt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Ein Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art ist beispielsweise aus DE 103 22 672 A1 bekannt. Bei derartigen Kraftstoffinjektoren wird der Hub des Piezo-Aktors über einen hydraulischen Koppler auf ein Ventilelement eines Steuerventil übertragen, das einem Steuerraum der Düsennadel ansteuert, indem der Steuerraum zum Öffnen der Düsennadel mit einem relativ drucklosen Niederdruck/Rücklaufsystem verbunden wird. Im geschlossenen Zustand des Steuerventils wird der Steuerraum über eine Zulaufdrossel mit dem Systemdruck des Common- Rails befüllt und die Düsennadel in den Düsennadelsitz gestellt. Zum Öffnung des Ventilsitzes des Steuerventils muss der Piezo-Aktor gegen den im Ventilraum herrschenden Druck einen Ventilbolzens des Steuerventils vom Ventilsitz abdrücken.

[0003] Zur Reduzierung der Öffnungskraft wurde in DE 10 2008 040 637.6 bereits eine druckausgeglichene Ausführung des Steuerventils vorgeschlagen, bei dem das Ventilelement einen Ventilbolzen und eine am Ventilbolzen axial geführte Ventilshülse umfasst, die in einem Ventilraum angeordnet sind. Die Ventilhülse trennt mit einer Dichtfläche einen Niederdruckraum, dem der Ventilbolzen mit einer Stirnfläche ausgesetzt ist, gegen den mit Hochdruck beaufschlagten Ventilraum hydraulisch ab. Der Ventilraum ist dabei mit einem Steuerraum verbunden, dem die Düsennadel ausgesetzt ist. Beim Öffnen des Ventilelements wird der Steuerraum über den Ventilssitz des Steuerventils mit dem Niederdruck/Rücklaufssystems verbunden, so dass aus dem Steuerraum über eine Ablaufdrossel eine Abströmvolumen in das Niederdruck/Rücklaufsystem abströmen kann. Das aus dem Steuerraum ausströmende Abströmvolumen durchströmt den Ventilraum in Richtung eines den hydraulischen Koppler umgebenden Niederdruckraums, vorbei am Ventilsitz des Ventilelements.

Offenbarung der Erfindung

[0004] Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit einem definierten Hubanschlag des Ventilkolbens der hydraulischen Kopplereinheit der auf das Ventilelement des Steuerventils wirkende Aktorhub abgegrenzt wird. Dadurch wird am Ventilsitz zwischen einem Ventilraum des Ventilelements und einem Niederdruckraum der hydraulischen Kopplereinheit eine definierte Abströmgeometrie realisiert, wodurch eine definierte Drosselung des Abströmvolumens aus dem Ventilraum ermöglicht wird. Außerdem wird eine Verbesserung des Ansteuerungs- und Regelungsverhaltens des Kraftstoffinjektors erzielt, weil die im angesteuerten Zustand auftretenden Aktorschwingungen minimiert werden.

[0005] Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung werden durch die Maßnahmen der Unteransprüche erreicht.

[0006] Eine definierte Abströmung des Abströmvolumens aus dem Ventilraum in den Niederdruckraum wird erreicht, indem mindestens eine Überströmverbindung zwischen dem Ventilraum und dem Niederdruckraum vorhanden ist, die in der Anschlagposition und bei einem vom Ventilsitz abgedrückten Ventilbolzen wirksam ist. Die definierte Drosselung des Abströmvolumens aus dem Ventilraum führt zur Vermeidung bzw. Reduzierung von kavitierenden Strömungen, die insbesondere in der Umgebung des Ventilsitzes auftreten.

[0007] Bei einer ersten Ausführungsform ist am steuerventilseitigen Ende des Ventilkolbens eine Ringfläche ausgebildet, die eine Gegenfläche für den Anschlag bildet. Der Anschlag ist dabei von einer am Ventilkörper ausgebildeten planen Anschlagfläche gebildet, derart, dass in der Anschlagposition die Ringfläche des Ventilkolbens im Wesentlichen auf der planen Anschlagfläche aufliegt.

[0008] Bei einer zweiten Ausführungsform ist am steuerventilseitigen Ende des Ventilkolbens eine kegelförmige Mantelfläche ausgebildet, die eine Gegenfläche für den Anschlag bildet. Der Anschlag ist von einer am Ventilkörper ausgebildeten kegelförmig Anschlagfläche gebildet, derart, dass in einer Anschlagposition die kegelförmige Mantelfläche des Ventilkolbens im Wesentlichen auf der kegelförmigen Anschlagfläche des Ventilkörpers aufliegt.

[0009] Die Überströmverbindung ist durch schlitz- oder spaltförmige Überströmkanäle an einer Endfläche des Ventilkolbens und/oder an der Anschlagfläche des Ventilkörpers ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind vier rechtwinklig angeordnete und radial zum Zentrum gerichtete schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle vorgesehen.

Ausführungsbeispiele

[0010] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

[0011] Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines Kraftstoffinjektors nach dem in der Beschreibungseinleitung zitierten Stand der Technik,

Figur 2 eine Schnittdarstellung durch ein Steuerventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel

Figur 2a eine Ansicht eines Ventilkolbens gemäß Linie II-II in Figur 2,

Figur 3 eine Schnittdarstellung durch ein Steuerventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und

Figur 3a eine Ansicht eines Ventilkolbens gemäß Linie III-III in Figur 3.

[0012] Figur 1 zeigt einen Teil eines Kraftstoffinjektors im Längsschnitt mit einem Aktorelement 10, einer hydraulischen Kopplereinheit 11, einem Steuerventil 12 und einem Einspritzventil 13. Das Aktorelement 10 kann beispielsweise ein Piezo-Aktor, aber auch ein elektromagnetisches Stellelement sein. Das Aktorelement 10 und die hydraulische Kopplereinheit 11 sind in einem Injektorkörper 14 untergebracht. An dem Injektorkörper 14 schließt sich eine Ventilkörper 15, eine Drosselplatte 16 und ein Düsenkörper 17 an. Die genannten Körper sind mittels einer Düsenspannmutter 18 hydraulisch dicht verspannt.

[0013] Im Düsenkörper 17 ist ein Düsennadeldruckraum 19 ausgebildet, der über eine Hochdruckleitung 21 mit dem Systemdruck eines Common-Rails versorgt wird. Im Düsennadeldruckraum 19 ist eine Düsennadel 20 angeordnet, an deren einen Ende eine Steuerraumhülse 22 einen Steuerraum 23 vom Düsennadeldruckraum 19 trennt. Die hydraulische Kopplereinheit 11 umfasst einen Kopplerkörper 25, in dem ein Kopplerkolben 26 und ein Ventilkolben 27 axial geführt sind. Zwischen dem Kopplerkolben 26 und dem Ventilkolben 27 ist ein Kopplerspalt 28 ausgebildet, der mit Kraftstoff gefüllt ist. Der Ventilkolben 27 ist mit einem kegelförmigem Druckstück 29 ausgeführt, das in eine am Ventilkörper 15 ausgebildete kegelförmige Überströmöffnung 31 eingreift. Zwischen dem Druckstück 29 und der Überströmöffnung 31 ist ein Strömungsspalt 32 vorhanden. Axial fluchtend zur Überströmöffnung 31 ist im Ventilkörper 15 ein Durchgang 33 angeordnet, der in einen Ventilraum 34 für das Steuerventil 12 führt.

[0014] Das Steuerventil 12 umfasst einen Ventilbolzen 40, an dem eine Ventilhülse 41 mittels einer Ventilfeder 42 vorgespannt ist. Der Ventilbolzen 40 weist ein pilz- bzw. kegelförmiges Ventilsitzelement 44 auf, das mit einem am Durchgang 33 angrenzend ausgebildeten Ventilsitz 45 zusammenwirkt. Die Ventilhülse 41 umschließt einen Niederdruckraum 47, der ständig über einen hydraulischen Verbindungskanal 48 an das Niederdruck/Rücklaufsystem angeschlossen ist. Außerhalb der Ventilhülse 41 ist der Ventilraum 34 über ein Ablaufleitung 51 mit dem Steuerraum 23 der Düsenadel 20 verbunden.

[0015] Das Steuerventil 12 ist bei der Darstellung in Figur 1 im geschlossenen Zustand gezeigt, bei dem das Ventilsitzelement 44 am Ventilsitz 45 anliegt. Zwischen dem Druckstück 29 des Ventilkolbens 27 und einem Auflagebolzen des Ventilsitzelements 44 ist dabei ein Spalt vorhanden, so dass der Schließdruck der Ventilfeder 33 sowohl auf die Ventilhülse 41 als auch auf das Ventilsitzelement 44 wirkt. Eine zusätzliche Schließkraft wirkt auf das Ventilsitzelement 44 durch den im Ventilraum 34 herrschenden Druck des Steuerraums 23 im geschlossenen Zustand der Düsennadel 20.

[0016] Zum Öffnen der Düsennadel 20 wird das Aktorelement 12 betätigt und der Hub des Aktorelements 12 über den Kopplerkolben 26, den Kopplerspalt 28 und den Ventilkolben 27 auf den Ventilbolzens 40 übertragen, wodurch das Ventilsitzelement 44 vom Ventilsitz 45 abhebt und der Ventilraum 34 mit einem die hydraulische Kopplereinheit 11 umgebenden Niederdruckraum 30 verbindet. Der Niederdruckraum 30 ist dabei an das Niederdruck/Rücklaufsystem angeschlossen. Dadurch wird der Druck im Steuerraum 23 abgesenkt und die Düsennadel 20 wird vom nicht dargestellten Düsennadelsitz abgehoben und der Kraftstoff mit dem im Nadeldruckraum 19 herrschenden Rail-Druck (Systemdruck) in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt.

[0017] Bei den Ausführungsbeispielen in Figur 2 und 3, die jeweils ein geöffnetes Steuerventil 12 zeigen, wirkt eine am Ventilkolben 27 der hydraulischen Kopplereinheit 11 ausgebildete Gegenfläche 61 auf einen am Ventilkörper 15 ausgebildeten Anschlag 64 ein, wodurch der Hub des Ventilkolbens 27 und damit der auf den Ventilbolzen 40 wirkende Hub des Aktorelements 10 begrenzt wird. Das Druckstück 29 des Ventilkolbens 27 weist dabei eine Stirnfläche 63 auf, welche gegen eine anliegende weitere Stirnfläche 66 des Ventilbolzen 40 drückt. Zusätzlich sind in Strömungsrichtung des abströmenden Abströmvolumens hinter dem Ventilsitz 45 am Ventilkolben 27 und/oder am Ventilkörper 15 Überströmverbindungen 65 ausgebildet, die eine definierte hydraulische Drossel des Abströmvolumens zwischen dem Ventilraum 34 und dem Niederdruckraum 30 ausbilden.

[0018] Die detaillierte Ausbildung des Anschlages 64 und der Überströmverbindung 65 wird in den Figuren 2 und 3 für jeweils ein Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei in beiden Darstellungen das Steuerventil 12 mit einem geöffneten Ventilsitz 45 gezeigt wird.

[0019] Beim Ausführungsbeispiel in Figur 2 wird der Anschlag 64 von einer am Ventilkörper 15 angeordneten plane Anschlagfläche 64.1 ausgeführt, die von einer senkrecht zur Mittelinie des Ventilkolbens 27 verlaufenden Planfläche am Ventilkörper 15 gebildet ist. Am Druckstück 29 des Ventilkolbens 27 ist als Gegenfläche 61 für die Anschlagfläche 64.1 eine Ringfläche 61.1 ausgeführt. An die Ringfläche 61.1 schließt sich am Druckstück 29 ein kegelstumpfförmiger Abschnitt 62.1 an. Beim Aufsitzen der Ringfläche 61.1 auf der Anschlagfläche 64.1 ist gemäß Figur 2 das Ventilsitzelement 44 vom Ventilsitz 45 abgehoben. Zur Gewährleistung einer definierten hydraulischen Drossel zwischen dem Ventilraum 33 und dem Niederdruckraum 30 sind beispielsweise schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle 65.1 ausgebildet, die an der Ringfläche 61.1 und an der Außenumfangsfläche des Ventilkolbens 27 offen liegen.

[0020] Die nähere Darstellung dazu geht aus Figur 2a hervor, in der beispielsweise vier schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle 65.1 eingezeichnet sind. Die Überströmkanäle 65.1 gewährleisten im geöffneten Zustand des Steuerventils 12 eine definierte Drosselung des Abströmvolumens zwischen den Ventilraum 34 und dem Niederdruckraum 30. Neben der in Figur 2a näher dargestellten Ausführung der schlitz- oder spaltförmigen Überströmkanäle 65 ist es auch denkbar, die ringförmige Gegenfläche 61.1 durchgehend auszuführen und die Überströmkanäle 65.1 in die Anschlagfläche 64.1 des Ventilkörpers 15 einzuarbeiten.

[0021] Beim Ausführungsbeispiel in Figur 3 ist der Anschlag 64 von einer vom Kegelabschnitt 31 des Ventilkörpers 15 ausgebildeten kegelförmigen Anschlagfläche 64.2 gebildet. Die Gegenfläche 61 dazu bildet eine am Druckstück 29 ausgebildete kegelförmige Mantelfläche 61.2. Zur Ausbildung einer definierten hydraulischen Drossel zwischen dem Ventilraum 33 und dem Niederdruckraum 30 sind in der kegelförmigen Mantelfläche 61.2 schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle 65.2 eingearbeitet.

[0022] Die nähere Darstellung dazu geht aus Figur 3a hervor, in der beispielsweise vier schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle 65.2 eingezeichnet sind. Neben der in Figur 3a näher dargestellten Ausführung der schlitz- oder spaltförmigen Überströmkanäle 65.2 ist es auch denkbar, die Überströmkanäle 65.2 in die kegelförmige Anschlagfläche 64.2 des Ventilkörpers 15 einzuarbeiten.

Ansprüche

1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Kopplereinheit (11), welche einen Kopplerkolben (26) und einen Ventilkolben (27) umfasst, die gemeinsam in einen Kopplerkörper (25) geführt sind und zwischen sich einen Kopplerspalt (28) begrenzen, welcher mit Kraftstoff gefüllt ist, sowie mit einem Steuerventil (12), das mit einem Ventilbolzen (40) mit einem an einem Ventilkörper (15) ausgebildeten Ventilsitz (45) zusammenwirkt, wobei der Ventilkolben (27) am steuerventilseitigen Ende ein Druckstück (29) aufweist, welches in axialer Richtung auf den Ventilbolzen (40) einzuwirken vermag, wobei der Ventilkolben (27) von einem Niederdruckraum (30) umgeben ist, wobei der Ventilbolzen (40) in einer Ventilkammer (34) angeordnet ist, und wobei mittels des Ventilsitzes (45) eine hydraulische Verbindung von der Ventilkammer (34) in den Niederdruckraum (30) geöffnet oder geschlossen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass am Ventilkörper (15) ein den Hub des Ventilkolbens (27) begrenzender Anschlag (64) ausbildet ist, gegen welchen bei geöffnetem Ventilssitz (45) der Ventilkolben (27) mit einer Gegenfläche (61) anschlägt.

2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Druckstück (29) des Ventilkolbens (27) eine Ringfläche (61.1) ausgebildet ist, die die Gegenfläche (61) für den Anschlag (64) ausgebildet.

3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (64) von einer am Ventilkörper (15) ausgebildeten planen Anschlagfläche (64.1) gebildet ist, derart, dass in einer Anschlagposition die Ringfläche (61.1) des Ventilkolbens (27) im Wesentlichen auf der planen Anschlagfläche (64.1) aufliegt.

4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Druckstück (29) des Ventilkolbens (27) eine kegelförmige Mantelfläche (61.2) ausgebildet ist, die die Gegenfläche (61) für den Anschlag (64) bildet.

5. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (64) von einer am Ventilkörper (15) ausgebildeten kegelförmig Anschlagfläche (64.2) gebildet ist, derart, dass in einer Anschlagposition die kegelförmige Mantelfläche (61.2) des Ventilkolbens (27) im Wesentlichen auf der kegelförmigen Anschlagfläche (64.2) aufliegt.

6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Überströmverbindung (65) zwischen dem Ventilraum (33) und dem Niederdruckraum (30) vorhanden ist, welche in einer Anschlagposition des Ventilkolbens (27) bei einem vom Ventilsitz (45) abgedrückten Ventilbolzen (40) wirksam ist.

7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmverbindung als schlitz- oder spaltförmige Überströmkanäle (65.1, 65.2) an einer Endfläche des Ventilkolbens (27) und/oder an der Anschlagfläche (64.1, 64.2) des Ventilkörpers (15) ausgebildet sind.

8. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vier rechtwinklig angeordnete und radial zum Zentrum gerichtete schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle (65.1, 65.2) vorgesehen sind.

Zeichnung