Kraftstoffinjektor

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen 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 die Düsennadel (1) oder ein mit der Düsennadel (1) zusammenwirkender Übersetzerkolben einen Steuerraum (5) axial begrenzen, der zur Entlastung über einen Ablaufkanal (6) mit einem Niederdruckbereich (7) verbindbar ist.
Erfindungsgemäß ist im Steuerraum (5) ein bewegliches, axial vorgespanntes Verzögerungselement (8) zur Ausbildung einer Drossel (9) zwischen einem ersten Steuerraumabschnitt (5.1) und einem zweiten Steuerraumabschnitt (5.2) aufgenommen.

Beschreibung

[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] Kraftstoffinjektoren der vorstehend genannten Art weisen eine axial bewegliche Düsennadel zur Steuerung des Einspritzvorgangs auf. Die Düsennadel ist hierzu in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben oder Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt und begrenzt mit einer Stirnfläche einen innerhalb der Hochdruckbohrung ausgebildeten Steuerraum. Über schaltbare Zu- und Ablaufdrosseln wird im Steuerraum ein Druckaufbau bzw. Druckabbau realisiert, der ein Öffnen bzw. Schließen der Düsennadel bewirkt.

[0003] Abhängig vom Ansteuerungskonzept der Zu- und Ablaufdrosseln bzw. von der hydraulischen Gesamtabstimmung des Kraftstoffinjektors kann es bei minimaler Ansteuerdauer eines elektrischen Schaltelementes zu relativ großen Einspritzmengen kommen, weil der Steuerraum zu lange abgesteuert wird und demzufolge die Düsennadel zu lange geöffnet bleibt. Diese Problematik (schlechte Kleinstmengenfähigkeit) tritt insbesondere bei Einsatz von Sitzlochdüsen auf, da diese eine hohe öffnende Sitzkraft schon bei kleinen Nadelhüben aufweisen.

Stand der Technik

[0004] Aus der Offenlegungsschrift DE 101 64 123 A1 geht ein gattungsgemäßer Kraftstoffinjektor hervor, mittels dessen auch sehr kleine Einspritzmengen mit großer Präzision abgegeben werden können. Hierzu ist im Kraftstoffinjektor zwischen Ventilsitz und Steuerraum ein elastisches Verzögerungsglied angeordnet, das den Öffnungshub der Düsennadel bei einem Druckabfall im Steuerraum zeitlich verzögert. In Schließstellung wird die Düsennadel zusammen mit dem elastischen Verzögerungsglied aufgrund des hydraulischen Drucks im Steuerraum gegen den Ventilsitz gedrückt, wobei das elastische Verzögerungsglied komprimiert wird. Bei einem Druckabfall im Steuerraum entspannt sich zunächst das elastische Verzögerungsglied, wobei es sich ausdehnt und die Düsennadel in Anlage mit dem Ventilsitz hält. Erst wenn das elastische Verzögerungsglied sich vollständig bis auf seine weitgehend entlastete Länge ausgedehnt hat, hebt die Düsennadel vom Ventilsitz ab und gibt so den Durchfluss für den Kraftstoff frei. Auf diese Weise können auch sehr kleine Voreinspritzmengen realisiert werden.

[0005] Aus der Offenlegungsschrift DE 100 2005 027 853 A1 ist darüber hinaus ein Kraftstoffinjektor mit einem im Steuerraum aufgenommenen Anschlagelement zur Einstellung des Maximalhubes der Düsennadel bekannt. Über die Auslegung des Anschlagelementes kann ferner eine hydraulische Dämpfung bewirkt werden, die verhindern soll, dass es nach Durchfahren des Maximalhubes der Düsennadel zum Prellen kommt. Zum Einen wird dadurch die Geräuschentwicklung gemindert, zum Anderen kann der Schließzeitpunkt genauer eingestellt werden, da der Zustand der Düsennadel zu Beginn der Schließbewegung bekannt ist. Der Steuerraum wird durch das Anschlagelement in einen oberen und einen unteren Teilraum geteilt, welche über eine im Anschlagelement ausgebildete zentrale Bohrung und/oder einen das Anschlagelement umgebenden ringförmigen Spalt hydraulisch verbunden sind. Über die Größe der zentralen Bohrung und/oder des Ringspalts ist die Dämpfungswirkung einstellbar.

[0006] Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art mit verbesserter Kleinstmengenfähigkeit anzugeben. Zudem soll der Kraftstoffinjektor einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein.

[0007] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Offenbarung der Erfindung

[0008] Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor weist eine Düsennadel auf, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben oder Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist. Ferner weist der Kraftstoffinjektor einen Steuerraum auf, der von der Düsennadel oder einem mit der Düsennadel zusammenwirkenden Übersetzerkolben axial begrenzt wird und zur Entlastung über einen Ablaufkanal mit einem Niederdruckbereich verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist im Steuerraum ein bewegliches, axial vorgespanntes Verzögerungselement zur Ausbildung einer Drossel zwischen einem ersten Steuerraumabschnitt und einem zweiten Steuerraumabschnitt aufgenommen. Auch bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor wird demnach der Steuerraum über ein zusätzliches Element in zwei hydraulisch verbundene Abschnitte unterteilt. Die hydraulische Verbindung der beiden Abschnitte erfolgt vorzugsweise über einen verbleibenden Ringspalt zwischen dem Verzögerungselement und einer den Steuerraum radial begrenzenden Innenumfangsfläche. Die Größe des Ringspalts ist derart gewählt, dass der Abfluss des Kraftstoffs aus dem ersten Steuerraumabschnitt in den zweiten Steuerraumabschnitt gedrosselt wird. Dabei wird über die axiale Vorspannung des Verzögerungselementes eine definierte Ausgangslage und demzufolge eine definierte Drosselwirkung über das Volumenverhältnis der beiden Steuerraumabschnitte sichergestellt.

[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur axialen Vorspannung des Verzögerungselementes ein Federelement im Steuerraum aufgenommen. Das Federelement kann beispielsweise eine Schraubenfeder, eine Tellerfeder oder eine Wellfeder sein. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Verzögerungselement zumindest teilweise elastisch verformbar ausgebildet ist. Die axiale Vorspannung des Verzögerungselementes kann demnach auch durch eine zumindest teilweise elastische Verformung des Verzögerungselementes bewirkt oder zumindest unterstützt werden.

[0010] Bei Einsatz eines Federelementes ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass das Federelement an der Düsennadel bzw. an dem Übersetzerkolben oder an einem Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors abgestützt ist. Das Federelement kann somit sowohl im ersten Steuerraumabschnitt als auch im zweiten Steuerraumabschnitt angeordnet sein. Als vorteilhaft erweist sich die Anordnung des Federelementes im zweiten Steuerraumabschnitt, wenn das zur Abstützung der Federelementes vorgesehene Gehäuseteil beispielsweise eine Drosselplatte ist und es eine Abdeckung des in der Drosselplatte ausgebildeten Ablaufkanals bzw. Ablaufdrossel zu verhindern gilt. Gleiches gilt in Bezug auf einen in der Drosselplatte angeordneten Zulaufkanal bzw. Zulaufdrossel. Ohne Zwischenschaltung des Federelementes könnte das Verzögerungselement den Zu- oder Abfluss von Kraftstoff blockieren.

[0011] Um ein hydraulisches Kleben des Verzögerungselementes an der Düsennadel, dem Übersetzerkolben und/oder dem Gehäuseteil zu verhindern ist weiterhin bevorzugt das Verzögerungselement zumindest teilweise sphärisch geformt. In Anlage mit der Düsennadel, dem Übersetzerkolben und/oder dem Gehäuseteil verbleibt demnach ein als erster Steuerraumabschnitt und/oder als zweiter Steuerraumabschnitt dienender Druckraum. Vorzugsweise ist das Verzögerungselement kugelförmig ausgebildet, so dass die an der Düsennadel, dem Übersetzerkolben und/oder dem Gehäuseteil anliegende Fläche auf ein Minimum reduziert wird.

[0012] Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Steuerraum in radialer Richtung von einer in die Hochdruckbohrung eingesetzten Hülse begrenzt. Die Hülse kann beispielsweise als Dichthülse dienen und mittels einer Feder in axialer Richtung gegen die Drosselplatte vorgespannt sein.

[0013] Vorteilhafterweise ist bzw. sind das Verzögerungselement und/oder das Federelement zur Hubeinstellung der Düsennadel einsetzbar. Das Verzögerungselement dient somit zugleich als Anschlagelement, da es den Hub der Düsennadel in axialer Richtung begrenzt. Ferner kann die Federkraft des Federelementes derart eingestellt werden, dass alternativ oder ergänzend auch eine Hubeinstellung über das Federelement bewirkbar ist.

[0014] Die Erfindung ist zur Verbesserung der Kleinstmengenfähigkeit insbesondere bei Kraftstoffinjektoren mit einem großen Ventilraumvolumen und/oder mit einer Sitzlochdüse einsetzbar. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch in allen bekannten Injektorkonzepten einsetzbar. Das in den Steuerraum aufgenommene Verzögerungselement drosselt den Abfluss des Kraftstoffs, so dass der Druckabbau und damit das Öffnen der Düsennadel verzögert wird. Die Einstellung der Drosselwirkung erfolgt über die Größe des zwischen dem Verzögerungsglied und der den Steuerraum radial begrenzenden Innenumfangsfläche verbleibenden Drosselspalt. Die Verzögerung des Nadelöffnungshubes kann weiterhin durch Festlegung der folgenden Parameter eingestellt werden: Volumenverhältnis der beiden Steuerraumabschnitte, axiale Vorspannkraft des Verzögerungselementes, hydraulische Auslegung der Ablauf- und/oder der Zulaufdrossel und/oder Nadelsitzdurchmesser. Ferner können durch das erfindungsgemäße Verzögerungselement exemplarspezifische Einspritzmengenstreuungen kostengünstig korrigiert werden.

[0015] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1a, b jeweils einen Teillängsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors,

Fig. 2a, b jeweils einen Teillängsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors und

Fig. 3 ein Diagramm zur prinzipiellen Darstellung des Bewegungsablaufs des Verzögerungselementes bzw. der Düsennadel.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

[0016] Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist den Fig. 1 a und 1 b zu entnehmen, wobei die Fig. 1b einen Ausschnitt der Fig. 1 a im Bereich des Steuerraums 5 zeigt (siehe gestrichelte Linie). Der in den Fig. 1a und 1b dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper 3 mit einer Hochdruckbohrung 2, in welcher eine Düsennadel 1 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 4 hubbeweglich aufgenommen ist. Die Düsenandel 1 begrenzt in axialer Richtung einen Steuerraum 5, der ebenfalls in der Hochdruckbohrung 2 ausgebildet ist und der zur Entlastung über einen Ablaufkanal 6 mit einem Niederdruckbereich 7 verbindbar ist. Der Ablaufkanal 6 ist in einem Gehäuseteil 11 ausgebildet, das den Steuerraum 5 in axialer Richtung begrenzt. Neben dem Ablaufkanal 6 weist das Gehäuseteil 11 einen in den Steuerraum 5 mündenden Zulaufkanal 13 auf, über den Kraftstoff in den Steuerraum 5 gelangt. Bei einer Verbindung des Steuerraums 5 mit dem Niederdruckbereich 7 wird der Steuerraum 5 entlastet, das heißt der im Steuerraum 5 vorherrschende Steuerraumdruck fällt ab. Der Druckabfall im Steuerraum 5 wiederum bewirkt, dass die Düsennadel 1 öffnet.

[0017] Zur Realisierung auch kleinster Einspritzmengen wird der Öffnungshub der Düsennadel 1 bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor verzögert. Hierzu ist im Steuerraum 5 ein kugelförmiges Verzögerungselement 8 angeordnet, das von der Federkraft eines Federelementes 10 in Form einer am Gehäuseteil 11 abgestützten Schraubendruckfeder, axial gegen die Düsennadel 1 vorgespannt ist. Aufgrund der Kugelform des Verzögerungselementes 8 wird zwischen der Kugel und der Düsennadel 1 ein erster Steuerraumabschnitt 5. 1 ausgebildet, der über einen als Drossel 9 dienenden Ringspalt zwischen der Kugel und der Hochdruckbohrung 2 in hydraulischer Verbindung mit einem zweiten Steuerraumabschnitt 5.2 steht. Die Drossel 9 bewirkt, dass bei einem Druckabfall im zweiten Steuerraumabschnitt 5.2 der Druckabfall im ersten Steuerraumabschnitt 5.1 erst mit Verzögerung eintritt, so dass der Öffnungshub der Düsennadel 1 ebenfalls verzögert wird. Mit dem Öffnen der Düsennadel 1 beginnt der Einspritzvorgang, wobei unter hohem Druck stehender Kraftstoff über die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Der Kraftstoff wird der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 über eine Kraftstoffzuführung 14 und die Hochdruckbohrung 2 zugeführt.

[0018] Die in den Fig. 2a und 2b dargestellte weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors unterscheidet sich von der der Fig. 1a und 1b lediglich dadurch, dass das brennraumabgewandte Ende der Düsennadel 1 in einer Hülse 12 geführt ist, die dichtend am Gehäuseteil 11 anliegt und somit den Steuerraum 5 radial begrenzt. Zur Sicherstellung der dichtenden Anlage ist die Hülse 12 mittels der Federkraft einer Feder 15 axial gegen das Gehäuseteil 11 vorgespannt. Hierzu ist die Feder 15 einerseits an einem radialen Absatz der Düsennadel 1 und andererseits an einer Stirnfläche der Hülse 12 abgestützt. Die Funktionsweise entspricht der der Ausführungsform der Fig. 1a und 1b, weshalb auf die im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 1a und 1b gemachten Ausführungen verwiesen wird.

[0019] Aus dem Diagramm der Fig. 3 lässt sich der zeitlich verzögerte Öffnungshub der Düsennadel 1 deutlich ablesen. Auf der x-Achse ist die Zeit aufgetragen, während auf der y-Achse der Hub der Düsennadel 1 bzw. des Verzögerungselementes 8 in Verbindung mit dem Druckabfall bzw. Duckanstieg in den beiden Steuerraumabschnitten 5.1 und 5.2 aufgetragen ist. Die Kurve b) zeigt den Druckabfall bzw. -anstieg über die Zeit im zweiten Steuerraumabschnitt 5.2, der über den Ablaufkanal 6 mit dem Niederdruckbereich 7 verbindbar ist. Die Kurve a) zeigt den demgegenüber verzögerten Druckabfall im ersten Steuerraumabschnitt 5.1, der von der Düsennadel 1 und dem Verzögerungselement 8 begrenzt wird. In entsprechender Weise setzt auch der Öffnungshub der Düsennadel 1 verzögert ein (siehe Kurve c). Die Nadel öffnet, wenn zwischen der Nadelsitzkraft und der Druckkraft im ersten Steuerraum 5.1 Gleichgewicht herrscht. Dem Nadelöffnen geht ein "Öffnen" des Verzögerungselementes 8 voraus, wenn die Druckdifferenz in beiden Steuerraumabschnitten 5.1 und 5.2 der axialen Vorspannkraft des Verzögerungselementes 8 entspricht.

Ansprüche

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 die Düsennadel (1) oder ein mit der Düsennadel (1) zusammenwirkender Übersetzerkolben einen Steuerraum (5) axial begrenzen, der zur Entlastung über einen Ablaufkanal (6) mit einem Niederdruckbereich (7) verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass im Steuerraum (5) ein bewegliches, axial vorgespanntes Verzögerungselement (8) zur Ausbildung einer Drossel (9) zwischen einem ersten Steuerraumabschnitt (5.1) und einem zweiten Steuerraumabschnitt (5.2) aufgenommen ist.

2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Vorspannung des Verzögerungselementes (8) ein Federelement (10) im Steuerraum (5) aufgenommen ist und/oder das Verzögerungselement (8) zumindest teilweise elastisch verformbar ausgebildet ist.

3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (10) an der Düsennadel (1), bzw. an dem Übersetzerkolben oder an einem Gehäuseteil (11) des Kraftstoffinjektors abgestützt ist.

4. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungselement (8) zumindest teilweise sphärisch geformt ist, so dass in Anlage mit der Düsennadel (1), dem Übersetzerkolben und/oder dem Gehäuseteil (11) ein als erster Steuerraumabschnitt (5.1) und/oder als zweiter Steuerraumabschnitt (5.2) dienender Druckraum verbleibt.

5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (5) in radialer Richtung von einer in die Hochdruckbohrung (2) eingesetzten Hülse (12) begrenzt wird.

6. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungselement (8) und/oder das Federelement (10) zur Hubeinstellung der Düsennadel (1) einsetzbar ist bzw. sind.

Zeichnung