DE19939445A1 - Injektor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Injektor (18), insbesondere zur Steuerung eines Einspritzvorgangs von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, der ein Schließglied (30) aufweist, das von einer Betätigungseinrichtung (44, 52, 54) hydraulisch beaufschlagt ist. Letztere hat einen in einem Steuerkanal (44) beweglich geführten Ventilkörper (54), der von einem piezoelektrischen Aktor (52) betätigt ist und der in Wechselwirkung mit zwei hintereinander liegenden Steuerquerschnitten (68, 70) Druckmittelverbindungen zwischen einem Hochdruck führenden Zulaufkanal (24) und einem Ablaufkanal (46) steuert. DOLLAR A Dabei bildet der in Betätigungsrichtung des Ventilkörpers (54) erste Steuerquerschnitt (68) mit dem Ventilkörper (54) ein Sitzventil (51) und der in Betätigungsrichtung zweite Steuerquerschnitt (70) ein Schieberventil (71) aus. Ferner besteht im maximal ausgelenkten Zustand des Ventilkörpers (54) zwischen diesem und der Wandung des zweiten Steuerquerschnitts (70) ein Drosselspalt (72). Dieser bestimmt die Druckverhältnisse im Injektor (18) und damit die Einspritzmenge pro Zeiteinheit.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Injektor zur Steuerung eines Einspritzvorgangs von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors entsprechend der Gattung des Anspruchs 1. Derartige Injektoren werden insbesondere für Einspritzssysteme verwendet, bei denen ein Druckerzeuger einen Druckspeicher mit Druckmittel unter Hochdruck versorgt, wobei an den Druckspeicher mehrere Injektoren angeschlossen sind. Solche Systeme werden auch als Common- Rail-Einspritzsysteme bezeichnet.

Aus der DE 196 24 001 A1 ist ein Injektor mit den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1 bereits bekannt. Dieser Injektor verfügt über ein Schließglied, das u. a. von einer hydraulischen Druckkraft einer Betätigungseinrichtung beaufschlagt ist. Die Betätigungseinrichtung besteht aus einem piezoelektrischen Aktor und einem von diesem betätigten Ventilkörper. Dieser ist zur Steuerung von Druckmittelverbindungen zwischen einem Niederdruck und einem Hochdruck führenden Druckmittelkanal verschiebbar in einer Steuerbohrung geführt. Damit bestimmt der Ventilkörper den hydraulischen Anteil einer Druckkraft, mit der das Schließglied des Injektors in seiner Schließstellung gehalten ist. Während dieser Schließstellung ist der Aktor elektrisch angesteuert.

Im nicht angesteuerten Zustand öffnet der Ventilkörper die Druckmittelverbindung zum Niederdruck führenden Druckmittelkanal, wodurch das Schließglied hydraulisch entlastet wird und eine Hubbewegung entgegen der Kraft der Druckfeder ausführt. Dabei gibt das Schließglied Öffnungen frei, durch die Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors einspritzen kann.

Die Betätigungseinrichtung weist zwei einander gegenüberliegende Steuerquerschnitte auf, so daß sich mit einer einzelnen Hubbewegung des Ventilkörpers eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung steuern läßt. Zusammen mit dem Ventilkörper bilden diese beiden Steuerquerschnitte zwei in Bewegungsrichtung des Ventilkörpers hintereinander liegende Sitzventile. Von Nachteil dabei ist, daß bei einem derartigen Doppelsitzventil die Dichtheit der Ventilsitze nur dann gegeben ist, wenn die Führung des Ventilkörpers besonders präzise dazu fluchtet. Dies verteuert die Herstellung der Einzelteile.

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber weist ein Injektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf, daß er mit einem Ventilkörper ausgestattet ist, der aufgrund geringerer Präzisionsanforderungen preisgünstiger herstellbar ist. Ferner besteht zwischen dem Ventilkörper und dem in Betätigungsrichtung des Ventilkörpers zweiten Steuerquerschnitt ein Drosselspalt, der beispielsweise durch Paarung der Einzelteile in der Montage in definierten Grenzen haltbar ist. Damit kann der Druckmittelfluß an die jeweiligen Einsatzbedingungen des Einspritzsystems angepaßt werden, ohne dafür separate Drosseln vorzusehen. Dem Ventilkörper kommt neben seiner Steuer- und seiner Führungsfunktion somit zusätzlich eine Drosselfunktion zu. Dadurch wird die Anzahl der verwendeten Einzelteile und der Montageaufwand des Injektors reduziert.

Zur Steuerung der Haupteinspritzung ist der Ventilkörper in eine Zwischenstellung verbringbar, in der beide Steuerquerschnitte geöffnet sind. In dieser Zwischenstellung ist die Wandung des Hydraulikteils derart ausgeformt, daß der Ventilkörper keine nennenswerte Drosselwirkung hat. Der Druckmittelfluß in den Brennraum erfolgt demnach nahezu ungedrosselt und verhält sich damit unempfindlich gegenüber Temperatur- oder Druckeinflüssen.

Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Einspritzsystem, mit einem ebenso bekannten Injektor zur Steuerung des Einspritzvorgangs im Längsschnitt.

In der Fig. 2 ist ein Detail X nach Fig. 1 vergrößert in der erfindungsgemäßen Ausbildung dargestellt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit der Positionsnummer 10 ein Einspritzsystem bezeichnet, das im wesentlichen aus einer Förderpumpe 12, einem Druckspeicher 14, einem Drucksteuerventil 16 und einem den Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum eines Verbrennungsmotors einspritzenden Injektor 18 besteht. Die Förderpumpe 12 versorgt den Druckspeicher 14 mit Kraftstoff unter Hochdruck, wobei zur Druckregelung das Drucksteuerventil 16 mit einem Drucksensor 20 und einer elektrischen Steuereinrichtung 22 zusammenwirkt.

Der Druckspeicher 12 ist über Druckmittel unter Hochdruck führende Zulaufkanäle 24 mit mehreren Injektoren 18 hydraulisch verbunden. In Fig. 1 ist beispielhaft nur einer dieser Injektoren 18 dargestellt. Letzterer hat ein Gehäuse 26, in dessen Innenraum 28 ein Schließglied 30 beweglich geführt ist. Dieses ist in Form einer Ventilnadel ausgeführt, die von einer Druckfeder 32 in Richtung der dargestellten Schließstellung beaufschlagt ist. Die dazu unter Vorspannung stehende Druckfeder 32 stützt sich an einem, am Ende des Schließglieds 30 ausgebildeten Teller 34 und an der dem Teller 34 gegenüberliegenden Wandung des Innenraums 28 ab.

Auf den Teller 34 wirkt neben der Druckfeder 32 ein koaxial zum Schließglied 30 angeordneter Stößel 36 ein. Dieser ist mit seinem zylindrischen Schaft 38 in einer Druckmittel beaufschlagten Führungsbohrung 40 des Gehäuses 26 geführt.

Diese ist oberhalb des Endes des Stößels 36 durch eine Druckmittelverbindung 56 mit dem Innenraum 28 des Injektors 24 gekoppelt, wobei kurz vor deren Eintritt in die Führungsbohrung 40 eine Drossel 58 eingebaut ist. Darüber hinaus mündet in die Führungsbohrung 40 ein Durchbruch 42 ein, der zu einem Steuerkanal 44 des Injektors 24 führt. Der Steuerkanal 44 steht über einen drucklosen Ablaufkanal 46 mit einem Kraftstoffvorratsbehälter 48 in Verbindung.

Der Mündungsquerschnitt des Durchbruchs 42 in den Steuerkanal 44 ist als Ventilsitz 50 ausgebildet. Diesen verschließt ein im Steuerkanal 44 beweglich geführter und von einem Aktor 52 beaufschlagter Ventilkörper 54. Als Aktor 52 ist vorzugsweise ein von der Steuereinrichtung 22 elektrisch ansteuerbarer Piezo eingesetzt.

Das beschriebene Einspritzsystem 10 arbeitet wie folgt:
Solange der Aktor 52 elektrisch angesteuert ist, befindet sich der Ventilkörper 54 in der dargestellten Stellung und verschließt den Ventilsitz 50. Damit ist die Druckmittelverbindung zwischen dem unter Hochdruck stehenden Innenraum 28 des Injektors 18 und dem Kraftstoffvorratsbehälter 48 unterbrochen. Die dabei auf die Stirnfläche des Stößels 36 einwirkende Druckkraft unterstützt die Druckfeder 32 und hält das Schließglied 30 geschlossen. Durch die Öffnungen 31 des Gehäuses 26 kann dadurch kein Kraftstoff zum Brennraum des nicht dargestellten Verbrennungsmotors gelangen.

Mit dem Wegfall der elektrischen Ansteuerung des Aktors 52 öffnet der Ventilkörper 54 die oben genannten Druckmittelverbindung zwischen den Hochdruck und den Niederdruck führenden Bereichen des Injektors 18, wodurch der Steuerkanal 44 druckentlastet wird und damit die Druckkraft auf den Stößel 36 entfällt. Das Schließglied 30 bewegt sich aus seiner Schließstellung in seine Offenstellung und gibt dabei die Öffnungen 31 des Gehäuses 26 frei. Ein Einspritzvorgang von Kraftstoff kann somit erfolgen. Durch eine erneute Ansteuerung des Aktors 52 schließt der Injektor 18 wieder. Mit der in der Druckmittelverbindung 56 angeordneten Drossel 58 läßt sich das Druckverhältnis im Hochdruck führenden Bereich des Injektors 18 und damit die pro Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmten.

Obwohl in Fig. 1 der Ventilkörper 54 lediglich einen einzigen Ventilsitz 50 steuert, sind aus dem eingangs gewürdigten Stand der Technik bereits Einrichtungen bekannt, bei denen zwei Ventilsitze in Betätigungsrichtung des Ventilkörpers 54 hintereinander angeordnet sind. Damit wird erreicht, daß mit einer einzigen Hubbewegung des Ventilkörpers 54 zwei aufeinanderfolgende Einspritzvorgänge erzeugt werden können. Dies erlaubt kürzere Schaltzeiten des Injektors 18 bei gleichzeitig reduzierter Ansteuerfrequenz des Aktors 52. Damit reduziert sich die vom Aktor 52 erzeugte und dessen Betriebssicherheit beeinträchtigende Verlustwärme. Allerdings haben zwei zueinander koaxiale Ventilsitze den Nachteil, daß die Dichtheit dieser Ventilsitze 50 nur dann gegeben ist, wenn die Führung des Ventilkörpers 54 präzise mit den Ventilsitzen 50 fluchtet. Dieses bedingt einen fertigungstechnisch hohen Aufwand, der zu einer Verteuerung des Injektors 18 führt.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wird die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Ausbildung des Injektors 18 vorgeschlagen. Der Einfachheit halber ist in Fig. 2 lediglich der konstruktiv veränderte Bereich des Injektors 18 dargestellt. Dieser Ausschnitt entspricht dem in Fig. 1 mit X bezeichneten Detail.

Beim Erfindungsgegenstand besteht der Ventilkörper 54 aus einem zylindrischen Ventilschaft 60, der an seinem einen Ende mit einem verdickten Steuerkopf 62 verbunden ist.

Letzterer weist einen kegelförmigen Abschnitt 62a auf, an dem sich ein zylindrischer Abschnitt 62b anschließt. Dieser geht in einen nach außen gewölbten Abschnitt 62c über, der das stirnseitige Ende des Steuerkopfs 62 bildet. Auf den Ventilschaft 60 ist an dem, dem Steuerkopf 62 gegenüberliegenden Ende des Ventilkörpers 54 eine Hülse 64 mit einem ringförmig umlaufenden Stützbund 66 aufgepreßt. Zwischen dem Stützbund 66 und einer Schulter des Gehäuses 26 ist die Druckfeder 32 eingespannt.

Der Ventilkörper 54 ist in einem mehrfach abgesetzten Steuerkanal 44 verschiebbar geführt. Dieser gliedert sich in einen auf den Durchmesser des Ventilschafts 60 abgestimmten Führungsabschnitt 44a, eine erste Erweiterung 44b, die mit dem Ventilschaft 60 einen Ringraum ausbildet, in den der Ablaufkanal 46 einmündet, eine zweite Erweiterung 44c, in der der Steuerkopf 62 des Ventilkörpers 54 axial verschiebbar angeordnet ist und in eine Einschnürung 44d, die gegenüber der Erweiterung 44c im Durchmesser rechtwinklig zurückgenommen ist. Der Übergang von der ersten Erweiterung 44b zur zweiten Erweiterung 44c ist als Fase ausgebildet, die als Ventilsitz 50 wirkt. Ein vom Ventilsitz 50 begrenzter, erster Steuerquerschnitt 68 ist vom kegelförmigen Abschnitt 62a des Ventilkörpers 54 gesteuert, während die Einschnürung 44d einen zweiten Steuerquerschnitt 70 bildet, der in der in Fig. 2 gezeigten Stellung geöffnet ist.

Dieser zweite Steuerquerschnitt 70 ist in seinem Durchmesser derart auf den zylindrischen Abschnitt 62b des Ventilkörpers 54 abgestimmt, daß im maximal ausgelenkten Zustand des Ventilkörpers 54 zwischen beiden Bauelementen ein definierter Drosselspalt 72 entsteht. Letzterer ist beispielsweise durch eine Paarung der Bauteile bei der Montage des Injektors 18 festlegbar, um darüber den Druckmittelfluß zum Ablaufkanal 46 festzulegen. Die zweite Erweiterung 44c des Steuerkanals 44 ist in ihrer radialen und axialen Abmessung darauf ausgelegt, daß der Ventilkörper vom Aktor 52 in eine Zwischenstellung verbringbar ist, in der beide Steuerquerschnitte 68 und 70 gleichzeitig geöffnet sind und der Steuerkopf 62 keine nennenswerte drosselnde Wirkung hat.

In die Einschnürung 44d mündet an ihrem vom Ventilkörper 54 abgewandt liegenden Ende die Druckmittelverbindung 56 ein. Wie bereits erläutert, stellt diese eine hydraulische Kopplung des Steuerkanals 44 mit dem Innenraum 28 des Injektors 18 her. In der Druckmittelverbindung 56 befindet sich die Drossel 58.

Von dem das Schließglied 30 des Injektors 18 betätigenden Stößel 36 ist in Fig. 2 nur ein Abschnitt des Schafts 38 erkennbar. Dieser ist in der Führungsbohrung 40 verschiebbar geführt, in die der Zulaufkanal 24 radial einmündet.

In der Grundstellung nach Fig. 2 verschließt der Ventilkörper 54 den ersten Steuerkanal 68 und unterbricht damit eine Druckmittelverbindung vom Zulaufkanal 24 zum Ablaufkanal 46. In der Führungsbohrung 40 herrscht dadurch der hohe Druck des Zulaufkanals 24. Dieser wirkt auf den Stößel 36 ein und hält damit das Schließglied 30 des Injektors 18 geschlossen. Eine Ansteuerung des Aktors 52 zwingt dem Ventilkörper 54 eine Hubbewegung auf, in deren Endstadium der zylindrische Abschnitt 62b des Steuerkopfes 62 zumindest abschnittsweise in den von der Einschnürung 44d begrenzten zweiten Steuerquerschnitt 70 eintaucht. Bevor dies jedoch erfolgt, besteht eine kurzzeitige Druckmittelverbindung zwischen dem Zulaufkanal 24 und dem Ablaufkanal 46, während der der Stößel 36 druckentlastet ist. Dadurch öffnet das Steuerglied 30 im Injektor 18 und ermöglicht eine sogenannte Voreinspritzung von Kraftstoff.

Mit dem Eintauchen des Ventilkörpers 54 in den zweiten Steuerabschnitt 70 ist diese Voreinspritzung beendet. Dabei besteht zwischen dem zylindrischen Abschnitt 62b des Ventilkörpers 54 und der Wandung der Einschnürung 44c der Drosselspalt 72. Dieser erlaubt einen Druckmittelfluß zum Ablaufkanal 46, der jedoch wesentlich geringer als der durch die Drossel 58 ist. In der Führungsbohrung 40 baut sich dadurch ein Druckniveau auf, das zwar geringfügig kleiner als das Druckniveau im Zulaufkanal 24 ist, das aber ausreicht, um das Schließglied 30 des Injektors 18 in seine Schließstellung zu verbringen.

Mit einer stufenweisen Rücknahme der Ansteuerung des Aktors 52 läßt sich der Ventilkörper 54 in eine Zwischenstellung verbringen, in der beide Steuerquerschnitte 68 und 70 geöffnet sind und die Haupteinspritzung abläuft. Der Stößel 36 ist während dessen druckentlastet. Die dabei pro Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge ist von der Drossel 58 bestimmt. Nach der vollständigen Rücknahme der Ansteuerung des Aktors 52 verschließt der Steuerkopf 62 den Ventilsitz 50 und unterbricht die Druckmittelverbindung zwischen dem Zulaufkanal 24 und dem Ablaufkanal 46. Der sich in der Führungsbohrung 40 nun aufbauende Druck belastet den Stößel 36 und damit das Schließglied 30, das daraufhin in seine Schließstellung zurückkehrt. Mit einer einzigen Hubbewegung des Aktors 52 lassen sich somit zwei zeitlich voneinander getrennte Einspritzvorgänge steuern, ohne daß der Ventilkörper 54 hohe Anforderungen in Bezug auf ein präzises Fluchten der Führung des Ventilkörpers 54 mit den Steuerquerschnitten 68 und 70 erfüllen muß.

Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen am beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. So wäre es beispielsweise denkbar, anstatt eines drei Bereiche 62a bis c aufweisenden Steuerkopfes 62 eine einfache Kugel einzusetzen. Diese kann beispielsweise mittels eines elastischen Elements, beispielsweise einer Feder oder eines Elastomerteils zur Anlage am stirnseitigen Ende des Stößels 36 gebracht werden.

Claims (8)

1. Injektor (18), insbesondere zur Steuerung eines Einspritzvorgangs von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse (26), in dessen Innenraum (28) ein Schließglied (30) zur Steuerung von Einspritzöffnungen (31) beweglich geführt ist und mit einer das Schließglied (30) beaufschlagenden Betätigungseinrichtung (44, 52, 54), die einen extern ansteuerbaren Aktor (52) und einen mit dem Aktor (52) zusammenwirkenden und in einem Steuerkanal (44) verschiebbar geführten Ventilkörper (54) aufweist, der in Wechselwirkung mit zwei Steuerquerschnitten (68 und 70) des Steuerkanals (44) Druckmittelverbindungen zwischen einem Hochdruck führenden Zulaufkanal (24) und einem Ablaufkanal (26) regelt, wobei der in Betätigungsrichtung des Ventilkörpers (54) erste Steuerquerschnitt (68) mit dem Ventilkörper (54) ein Sitzventil (51) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der in Betätigungsrichtung zweite Steuerquerschnitt (70) mit dem Ventilkörper (54) ein Schieberventil (71) bildet.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenabmessungen des Ventilkörpers (54) zumindest abschnittsweise an die des zweiten Steuerquerschnitts (70) derart angepaßt sind, daß sich im maximal ausgelenkten Zustand des Ventilkörpers (54) ein Drosselspalt (72) ergibt.

3. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselspalt (72) wesentlich kleiner ist, als der Querschnitt einer, den Druckmittelfluß im Zulaufkanal (24) steuernden Drossel (58).

4. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (54) in eine Zwischenstellung verbringbar ist, in der beide Steuerquerschnitte (68, 70) gleichzeitig geöffnet sind und daß der Steuerkanal (44) in dieser Zwischenstellung derart ausgeformt ist, daß der Ventilkörper (54) ohne Drosselwirkung ist.

5. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (54) aus einem der Führung im Steuerkanal (44) dienenden Ventilschaft (60) und einem an diesem Ventilschaft (60) angeordneten Steuerkopf (62) besteht.

6. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkopf (62) eine Kugel ist.

7. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkopf (62) einteilig am Ventilschaft (60) angeformt ist und einen dem ersten Steuerquerschnitt (68) zugewandten kegelförmigen ersten Abschnitt (62a), einen sich daran anschließenden zylindrischen zweiten Abschnitt (62b) und einen dem zweiten Steuerquerschnitt (70) zugewandten, gewölbten dritten Abschnitt (62) aufweist.

8. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (52) ein piezoelektrischer Aktor ist.