[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem,
insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 030 445 A1 geht ein KraftstoffEinspritzventil mit einer hubbeweglichen Ventilnadel zum Schließen
und Freigeben von Einspritzöffnungen sowie einem Steuerventil zum Steuern der Hubbewegung
der Ventilnadel hervor. Die Ventilnadel begrenzt eine Steuerkammer, welche über eine
Zuflussdrossel mit einer bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck führenden Leitung
verbunden ist, so dass in der Steuerkammer bei geschlossenem Steuerventil ein die
Ventilnadel in Schließrichtung beaufschlagender Druck vorliegt. Wird das Steuerventil
geöffnet, strömt über eine Abflussdrossel, welche die Steuerkammer mit dem Ventilraum
des Steuerventils verbindet, Kraftstoff aus der Steuerkammer in einen Niederdruckbereich
ab. Über die Schaltstellung des Steuerventils ist demnach der Druck in der Steuerkammer
derart beeinflussbar, dass die Ventilnadel schließt oder öffnet. Zur Betätigung des
Steuerventils ist ferner ein Aktor vorgesehen. Die Anordnung des Steuerventils und
des Aktors erfolgt im Niederdruckbereich.
[0003] Die Anordnung des Steuerventils im Niederdruckbereich weist den Nachteil auf, dass
bei geöffnetem Steuerventil die abströmende Steuermenge nicht auf die im Steuerraum
vorhandene Menge begrenzt ist, sondern durch nachströmenden Kraftstoff, welcher über
die Zulaufdrossel in den Steuerraum gelangt, erhöht wird. Dadurch wird zum Einen die
Effizienz des Einspritzsystems verringert und zum Anderen der Wärmeeintrag am Aktor
erhöht.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kraftstoffinjektor der vorstehend
genannten Art anzugeben, welcher diesen Nachteil nicht oder zumindest in deutlich
verringertem Maße aufweist.
[0005] Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs
1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Offenbarung der Erfindung
[0006] Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst ein Steuerventil zur Steuerung der
Hubbewegung einer hubbeweglichen Düsennadel, wobei das Steuerventil ein in einem Ventilraum
hubbeweglich aufgenommenes Ventilelement besitzt, das mittels einer Ventilfeder gegen
einen Ventilsitz vorgespannt und mittels eines Aktors entgegen der Federkraft der
Ventilfeder aus dem Ventilsitz hebbar ist, so dass eine Verbindung des Ventilraums
mit einem Niederdruckbereich herstellbar ist. Die hergestellte Verbindung des Ventilraums
mit dem Niederdruckbereich bewirkt einen Druckabfall im Ventilraum des Steuerventils
sowie in einem über eine Ablaufdrossel in Verbindung mit dem Ventilraum stehenden
und von einer Stirnfläche der Düsennadel begrenzten Steuerraum, so dass die Düsennadel
öffnet. In Schließstellung des Steuerventils hingegen ist über eine mit einem Zulaufkanal
in Verbindung stehende Zulaufdrossel ein Druckanstieg im Steuerraum bewirkbar, welcher
zum Schließen der Düsennadel führt. Erfindungsgemäß ist die Zulaufdrossel über ein
zusätzliches Schließelement passiv schaltbar.
[0007] Durch passives Schalten der Zulaufdrossel kann bei geöffnetem Steuerventil die Verbindung
des Steuerraums mit dem Zulaufkanal getrennt und die über die Ablaufdrossel und den
Ventilraum in den Niederdruckbereich abströmende Steuermenge auf die im Steuerraum
vorhandene Menge beschränkt werden. Dies hat eine Verringerung der Steuermenge zur
Folge, wodurch die Effizienz des Einspritzsystems, insbesondere im Hinblick auf die
CO
2-Bilanz, erhöht wird. Zugleich nimmt der Wärmeeintrag am Aktor ab, da aufgrund der
verringerten Steuermenge weniger erwärmter Kraftstoff in den Niederdruckbereich gelangt.
[0008] Durch das passive Schalten der Zulaufdrossel können Zulauf- und Ablaufdrossel unabhängig
voneinander ausgelegt werden, wobei über die Auslegung der Zulaufdrossel das Schließverhalten
und über die Auslegung der Ablaufdrossel das Öffnungsverhalten des Injektors gezielt
beeinflussbar sind.
[0009] Bevorzugt ist das zusätzliche Schließelement im Steuerraum aufgenommen und/oder zumindest
teilweise elastisch verformbar ausgeführt. Bei Anordnung des Schließelementes im Steuerraum
bildet dieses vorzugsweise eine Art Rückschlagventil aus, das durch den im Steuerraum
vorhandenen Steuerdruck in einer Schließstellung gehalten wird, in welcher - vorzugsweise
bei geöffnetem Steuerventil - keine Verbindung der Zulaufdrossel und/oder des Zulaufkanals
mit dem Steuerraum besteht. Mit Schließen des Steuerventils steigt zunächst der Druck
im Ventilraum an, da Kraftstoff, beispielsweise im Wege der Leckage, in den Ventilraum
gelangt. Der Druckanstieg im Ventilraum hat zur Folge, dass das im Steuerraum aufgenommene
Schließelement über die Ablaufdrossel von einer der Schließkraft entgegengesetzt wirkenden
Druckkraft beaufschlagt wird. Aufgrund der zumindest teilweisen elastisch verformbaren
Ausführung des Schließelementes bewirkt diese Druckkraft, dass das Schließelement
in eine Offenstellung überführt wird, in welcher eine Verbindung der Zulaufdrossel
und/oder des Zulaufkanals mit dem Steuerraum besteht, so dass eine schnelle Wiederbefüllung
des Steuerraums gewährleistet ist.
[0010] Weiterhin bevorzugt besitzt das zusätzliche Schließelement wenigstens eine, vorzugsweise
als Drossel ausgebildete, Durchströmöffnung. Die wenigstens eine Durchströmöffnung
kann der Verbindung des Steuerraums mit dem Zulaufkanal und/oder dem Ventilraum dienen.
Ist die Durchströmöffnung zugleich als Drossel ausgebildet, kann auf die zusätzliche
Ausbildung einer Zulauf- und/oder Ablaufdrossel verzichtet werden. Sofern die wenigstens
eine Durchströmöffnung nicht zugleich als Drossel ausgebildet ist, ist die Zulaufdrossel
bevorzugt im Zulaufkanal und/oder die Ablaufdrossel in einem Ablaufkanal angeordnet,
welcher vorzugsweise den Steuerraum mit dem Ventilraum verbindet. Sofern die wenigstens
eine im Schließelement vorgesehene Durchströmöffnung zugleich als Ablaufdrossel dient,
ist diese bevorzugt koaxial zum Ablaufkanal angeordnet, um auch in Schließstellung
des Schließelementes eine Verbindung des Steuerraums mit dem Ventilraum des Steuerventils
sicherzustellen.
[0011] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zusätzliche Schließelement
scheibenförmig ausgebildet. Die Scheibenform bedarf nur eines geringen zusätzlichen
Bauraums, so dass die Abmessungen des Injektors weitgehend unverändert bleiben können.
Alternativ oder ergänzend wird zur Lagefixierung des Schließelementes vorgeschlagen,
dass das Schließelement ein exzentrisch angeordnetes Fixierelement, vorzugsweise in
Form einer Nase, eines Stiftes und/oder einer Lasche, besitzt. Das Fixierelement kann
dabei außenumfangseitig oder auf einer Ober- oder Unterseite des vorzugsweise scheibenförmigen
Schließelementes angeordnet sein. Im Injektor ist weiterhin bevorzugt eine Aufnahme
für das Fixierelement ausgebildet, in welche das Fixierelement formschlüssig eingesetzt
werden kann. Der Formschluss soll insbesondere ein Verdrehen des Schließelementes
sowie eine damit einhergehende Lageveränderung der wenigstens einen Durchströmöffnung
in Bezug auf einen Zulauf- oder Ablaufkanal verhindern. Demnach kommt das vorgeschlagene
Fixierelement insbesondere bei Schließelementen zum Tragen, die eine kreisförmige
Außenkontur besitzen.
[0012] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besitzt das zusätzliche Schließelement einen
Federarm und einen Stützring, welcher den Federarm umgibt. Bevorzugt sind der Federarm
und der Stützring einstückig ausgebildet. Ein solches Schließelement lässt sich in
einfacher Weise als Stanzteil herstellen. Der Stützring dient der Abstützung des Schließelementes,
während der bewegliche Federarm das eigentliche Schließelement darstellt, das in Offenstellung
eine Verbindung der Zulaufdrossel mit dem Steuerraum bewirkt. Die wenigstens eine
Durchströmöffnung zur Verbindung des Steuerraums mit dem Zulaufkanal und/oder dem
Ventilraum ist daher bevorzugt im Federarm des Schließelementes angeordnet. Sofern
ein Fixierelement am Schließelement vorgesehen ist, ist dieses vorteilhafterweise
am Stützring angeordnet.
[0013] Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Umriss des Federarms im Wesentlichen die
Form einer Zunge, eines Kreise oder eines Pilzes besitzt. Der Federarm besitzt somit
eine ausreichend große Oberfläche, welche einerseits als Schließfläche, andererseits
der Aufnahme der wenigstens einen Durchströmöffnung dient.
[0014] Gemäß einer bevorzugten konkreten Ausführungsform der Erfindung ist das zusätzliche
Schließelement zwischen einer Drosselplatte und einer den Steuerraum radial begrenzenden
Hülse angeordnet ist, welche die Düsennadel umgibt. Über die Hülse, welche vorzugsweise
unmittelbar oder mittelbar von der Druckkraft einer Feder in Richtung der Drosselplatte
beaufschlagt wird, wird das Schließelement zumindest in einem Außenumfangsbereich,
bevorzugt im Bereich eines Stützrings, in Anlage mit der Drosselplatte gehalten, während
ein elastisch verformbarer zentraler Bereich des Schließelementes, bevorzugt in Form
eines Federarms, von der Drosselplatte abheben und auf diese Weise die Zulaufdrossel
und/oder den Zulaufkanal, in welcher die Zulaufdrossel ausgebildet ist, freigeben
kann. Dies ist dann der Fall, wenn der elastisch verformbare zentrale Bereich ventilraumseitig
von einem Druck beaufschlagt wird, welcher größer als der steuerraumseitig anliegende
Druck ist.
[0015] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in der dem Steuerraum
zugewandten Oberfläche der Drosselplatte eine Nut ausgebildet ist, über welche der
Ventilraum mit dem Zulaufkanal verbindbar ist. Die Verbindung des Ventilraums mit
dem Zulaufkanal gewährleistet eine schnelle Wiederbefüllung des Ventilraums und damit
einen schnellen Druckanstieg im Ventilraum nach dem Schließen des Steuerventils. Dies
hat zur Folge, dass der am Schließelement ventilraumseitig anliegende Druck den steuerraumseitig
anliegenden Druck übersteigt und das Schließelement in eine Offenstellung überführt
wird. In Offenstellung des Schließelementes besteht eine Verbindung der Zulaufdrossel
und/oder des Zulaufkanals mit dem Steuerraum, so dass hierüber eine schnelle Wiederbefüllung
des Steuerraums sowie Anhebung des Steuerdrucks gewährleistet ist, welcher zum Schließen
der Düsennadel führt. Der Einspritzvorgang ist damit beendet.
[0016] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten
Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
im Bereich seines Steuerventils,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
im Bereich seines Steuerventils,
Fig. 3a-c jeweils eine Draufsicht auf ein Schließelement eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
mit unterschiedlich geformten Federarmen und
Fig. 4a-c jeweils eine Draufsicht auf ein Schließelement eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
mit unterschiedlich ausgestalteten Fixierelementen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
[0017] Der in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor umfasst ein mittels
eines Aktors 7, beispielsweise mittels eine Piezoaktors, betätigbares Steuerventil
1 zur Steuerung der Hubbewegung einer im Injektor hubbeweglich aufgenommenen Düsennadel
2, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung (nicht dargestellt) freigebbar
und verschließbar ist. Das Steuerventil 1 umfasst hierzu ein bolzenförmiges Ventilelement
4, das in einem Ventilraum 3 hubbeweglich aufgenommen ist und von der Druckkraft einer
Ventilfeder 5 in Richtung eines Ventilsitzes 6 beaufschlagt wird. Wird der Aktor 7
aktiviert und das Ventilelement 4 aus dem Ventilsitz 6 gehoben, strömt im Ventilraum
3 vorhandener Kraftstoff in einen Niederdruckbereich 8 ab, was einen Druckabfall im
Ventilraum 3 zur Folge hat. Dadurch, dass der Ventilraum 3 über einen in einer Drosselplatte
19 ausgebildeten Ablaufkanal 22 und eine Ablaufdrossel 9 in Verbindung mit einem Steuerraum
11 steht, nimmt auch der Steuerdruck im Steuerraum 11 ab, welcher in axialer Richtung
von einer Stirnfläche 10 der Düsennadel 2 begrenzt wird. Der abnehmende Steuerdruck
im Steuerraum 11 ermöglicht einen Öffnungshub der Düsennadel 2, so dass die wenigstens
eine Einspritzöffnung des Injektors (nicht dargestellt) freigegeben wird und der Einspritzvorgang
beginnt.
[0018] Um in Offenstellung des Steuerventils 1 die über die Ablaufdrossel 9 und den Ventilraum
3 abströmende Steuermenge zu beschränken, weist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor
der Fig. 1 ein zusätzliches scheibenförmiges Schließelement 14 auf, mittels dessen
eine Zulaufdrossel 13 passiv schaltbar ist. Über die Zulaufdrossel 13 ist der Steuerraum
11 mit einem Zulaufkanal 12 verbindbar, so dass die Wiederbefüllung des Steuerraums
11 mit Schließen des Steuerventils 1 sichergestellt ist. In Offenstellung des Steuerventils
1 stellt jedoch das zusätzliche Schließelement 14 sicher, dass kein Kraftstoff aus
dem Zulaufkanal 12 nachströmt, um die Steuermenge auf die im Steuerraum 11 vorhandene
Menge zu beschränken. Das zusätzliche Schließelement 14 ist hierzu teilweise elastisch
verformbar ausgebildet, so dass es eine Schließ- und eine Offenstellung einnehmen
kann. Während in der Schließstellung die Verbindung des Steuerraums 11 mit dem Zulaufkanal
12 getrennt ist, wird in der Offenstellung des Schließelementes 14 die Verbindung
über eine im Schließelement 14 ausgebildete Durchströmöffnung 15 wieder hergestellt.
Eine weitere im Schließelement 14 ausgebildete Durchströmöffnung 9 ist zugleich als
Drossel ausgebildet und dient als Ablaufdrossel 9, wobei die Durchströmöffnung 9 koaxial
zum Ablaufkanal 22 angeordnet ist, so dass eine dauerhafte Verbindung des Steuerraums
11 mit dem Ventilraum 3 gewährleistet ist.
[0019] Um den Einspritzvorgang zu beenden, wird die Aktivierung des Aktors 7 beendet, so
dass das Ventilelement 4 des Steuerventils 1 über die Druckkraft der Ventilfeder 5
zurück in den Ventilsitz 6 gestellt wird. Das Steuerventil 1 schließt. Durch die Wiederbefüllung
des Ventilraums 3, beispielsweise im Wege der Leckage, steigt der Druck im Ventilraum
3 und im Ablaufkanal 22 an. Der ventilraumseitig anliegende Druck bewirkt eine Druckkraft,
welche das Schließelement 14 in Öffnungsrichtung beaufschlagt. Das Schließelement
14 wird somit in eine Offenstellung überführt, in welcher eine Verbindung des Steuerraums
11 mit dem Zulaufkanal 12 hergestellt ist. Durch die hergestellte Verbindung ist eine
schnelle Wiederbefüllung des Steuerraums 11 gewährleistet, welcher zu einem schnellen
Druckanstieg im Steuerraum 11 und zum Schließen der Düsennadel 2 führt. Der Einspritzvorgang
ist beendet.
[0020] Bevorzugte Ausführungsformen des Schließelementes 14 sind in den Fig. 3a-c und 4a-c
dargestellt.
[0021] Wie den Fig. 3a-c zu entnehmen ist, kann die teilweise elastische Verformbarkeit
des Schließelementes 14 auf einen Federarm 17 zurückzuführen sein, der einstückig
mit einem Stützring 18 ausgebildet ist und beispielsweise einen a) zungen-, b) kreis-
oder c) pilzförmigen Umriss besitzen kann. Über den Stützring liegt das Schließelement
14 bevorzugt an der Drosselplatte 19 an und wird - wie in der Fig. 1 dargestellt -
von einer federbelasteten Hülse 20 in Anlage mit der Drosselplatte 19 gehalten. In
Anlage mit der Drosselplatte 19 vermag der Federarm 17 des Schließelementes 14 von
der Drosselplatte 19 abzuheben, wodurch die Zulaufdrossel 13 freigegeben wird, so
dass Kraftstoff aus dem Zulaufkanal 12 über die Zulaufdrossel 13 und die Durchströmöffnung
15 in den Steuerraum 11 nachströmen kann. Die Bewegung des Federarms 17 ist vom ventilraumseitig
und steuerraumseitig anliegenden Druck abhängig. Übersteigt der Druck im Ventilraum
3 den Druck im Steuerraum 11, hebt der Federarm 17 von der Drosselplatte 19 ab.
[0022] Den Fig. 4a-c sind weitere bevorzugte Ausführungsformen eines Schließelementes 14
zu entnehmen, welche sich vorrangig durch die Ausgestaltung eines Fixierelementes
16 unterscheiden, das der Lagefixierung des Schließelementes 14, insbesondere im Hinblick
auf eine verdrehfeste Lage, dient. Das Fixierelement 16 kann beispielsweise die Form
einer a) Nase, b) eines Stiftes oder c) einer Lasche haben.
[0023] Eine Weiterbildung des Kraftstoffinjektors der Fig. 1 ist in der Fig. 2 dargestellt.
Dieser unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dadurch, dass in der Drosselplatte 19
eine Nut 21 ausgebildet ist, welche die Zulaufdrossel 13 bzw. den Zulaufkanal 12 mit
dem Ventilraum 3 bzw. den Ablaufkanal 22 verbindet. Die Nut 21 stellt somit eine schnelle
Befüllung des Ventilraumes 3 mit Kraftstoff sicher, sobald das Steuerventil 1 schließt.
Der im Ventilraum 3 schnell ansteigende Druck bewirkt, dass das Schließelement 14
zumindest teilweise elastisch verformt wird und die Zulaufdrossel 13 freigibt. Auf
diese Weise ist die Befüllung des Steuerraums 11 mit Kraftstoff ebenfalls sichergestellt.
1. Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem,
umfassend ein Steuerventil (1) zur Steuerung der Hubbewegung einer hubbeweglichen
Düsennadel (2), wobei das Steuerventil (1) ein in einem Ventilraum (3) hubbeweglich
aufgenommenes Ventilelement (4) besitzt, das mittels einer Ventilfeder (5) gegen einen
Ventilsitz (6) vorgespannt und mittels eines Aktors (7) entgegen der Federkraft der
Ventilfeder (5) aus dem Ventilsitz (6) hebbar ist, so dass eine Verbindung des Ventilraums
(3) mit einem Niederdruckbereich (8) herstellbar ist, wobei die hergestellte Verbindung
des Ventilraums (3) mit dem Niederdruckbereich (8) einen Druckabfall im Ventilraum
(3) des Steuerventils (1) sowie in einem über eine Ablaufdrossel (9) in Verbindung
mit dem Ventilraum (3) stehenden und von einer Stirnfläche (10) der Düsennadel (2)
begrenzten Steuerraum (11) bewirkt, so dass die Düsennadel (2) öffnet, wohingegen
in Schließstellung des Steuerventils (1) über eine mit einem Zulaufkanal (12) in Verbindung
stehende Zulaufdrossel (13) ein Druckanstieg im Steuerraum (11) bewirkbar ist, welcher
zum Schließen der Düsennadel (2) führt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufdrossel (13) über ein zusätzliches Schließelement (14) passiv schaltbar
ist.
2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Schließelement (14) im Steuerraum (11) aufgenommen und/oder zumindest
teilweise elastisch verformbar ausgeführt ist.
3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Schließelement (14) wenigstens eine, vorzugsweise als Drossel ausgebildete,
Durchströmöffnung (9, 15) besitzt.
4. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Schließelement (14) scheibenförmig ausgebildet ist und/oder zur Lagefixierung
ein exzentrisch angeordnetes Fixierelement (16), vorzugsweise in Form einer Nase,
eines Stiftes und/oder einer Lasche, besitzt.
5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Schließelement (14) einen Federarm (17) und einen Stützring (18)
besitzt, welcher den Federarm (17) umgibt, wobei der Federarm (17) und der Stützring
(18) bevorzugt einstückig ausgebildet sind.
6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Umriss des Federarms (17) im Wesentlichen die Form einer Zunge, eines Kreises
oder eines Pilzes besitzt.
7. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Schließelement (14) zwischen einer Drosselplatte (19) und einer den
Steuerraum (11) radial begrenzenden Hülse (20) angeordnet ist, welche die Düsennadel
(2) umgibt.
8. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass in der dem Steuerraum (11) zugewandten Oberfläche der Drosselplatte (19) eine Nut
(21) ausgebildet ist, über welche der Ventilraum (3) mit dem Zulaufkanal (12) verbindbar
ist.