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Die Erfindung betrifft einen Einspritzinjektor für
Brennkraftmaschinen, insbesondere für mit Diesel oder Schweröl als
Einspritzmedium betriebene Brennkraftmaschinen, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei Einspritzinjektoren müssen zur Steuerung des
Ventilschließgliedes eines Hauptstromventiles teilweise erhebliche
Stell- bzw. Haltekräfte aufgebracht werden. Hierzu wird dem
Hauptstromventil vorgelagert ein Steuerventil vorgesehen, das
einen Steuerraum aufweist, der in seinem Volumen teilweise
über einen hubbeweglichen Steuerkolben begrenzt ist, dessen
Stellbewegungen auf das Ventilschließglied des
Hauptstromventiles, so beispielsweise die Düsennadel einer Einspritzdüse
oder eines Einspritzmengensteuerventiles übertragen werden.
Die Stellkräfte des Steuerkolbens sind abhängig vom Druck im
Steuerraum, auf den ein gedrosselter, hochdruckseitiger Zulauf
ausmündet und von dem ein gedrosselter und gesteuerter Ablauf
ausgeht. Ist der Ablauf geöffnet, so wird der Druck im
Steuerraum abgebaut und über den Steuerkolben ein Teil des
Steuerraumvolumens in den Ablauf verdrängt. Wesentlich größer als
diese in den Ablauf verdrängte Menge von auch als Steuermedium
eingesetzten Einspritzmedium ist die Leckage, die bei
geöffnetem Ablauf durch den Kurzschluss zwischen hochdruckseitigem
Zulauf und niederdruckseitigem Ablauf, ungeachtet der
beiderseitigen Drosselung als Steuerleckage, zustande kommt.
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Dies gilt bei zum Steuerraum freiliegenden Mündungen von Zu-
und Ablauf, ungeachtet dessen, welchen vom Steuerkolben nicht
überfahrenen bzw. nicht abgedeckten Wandbereichen des
Steuerraumes diese zugeordnet sind.
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Eine diesbezügliche Zuordnung ist der EP 0 907 018 A2 zu
entnehmen, bei der der zulaufseitige Öffnungsquerschnitt zum
Steuerraum dessen Stirnwand in Überdeckung zur Stirnseite des
Steuerkolbens zugeordnet ist, während der ablaufseitige
Öffnungsquerschnitt radial außerhalb des stirnseitigen Umfangs
des Steuerkolbens im vom Steuerkolben nicht übersteuerten
Bereich liegt, wobei das Steuerglied und die zugehörigen
Stelleinrichtungen des Steuerventiles entsprechend der
radialen Lage des ablaufseitigen Öffnungsquerschnittes radial zum
Steuerkolben angeordnet sind, um zu einer verkürzten und
gedrängten Bauweise des Einspritzinjektors zu kommen.
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Bei einem Einspritzinjektor der eingangs genannten und im
Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten Art liegt der
Zulauf auf den Steuerraum bezüglich seines
Öffnungsquerschnittes radial außerhalb des stirnseitigen Umfangs des
Steuerkolbens und es ist der ablaufseitige Öffnungsquerschnitt der
Stirnwand des Steuerraumes in Überdeckung zur Stirnseite des
Steuerkolbens zugeordnet, wobei der Steuerkolben bezüglich
seiner Stirnseite eine Überwölbung aufweist, die als Teil der
Anschlagbegrenzung in Überdeckung zum ablaufseitigen, der
Stirnwand zugeordneten Öffnungsquerschnitt liegt, so dass sich
über die Anschlagbegrenzung bei geöffnetem Steuerventil und
druckentlastetem Steuerraum für den Steuerkolben eine die
Verbindung zwischen Zu- und Ablauf mehr oder minder absperrende
Lage ergibt. Verbunden ist mit einer derartigen Lösung auf
Grund der flachen Überwölbung der Stirnseite des
Steuerkolbens, dass ein wesentlicher Teil der stirnseitigen
Querschnittsfläche in Verbindung mit der Umstellung des
Steuerventiles von seiner Öffnungslage in die Absperrlage nicht für
eine unmittelbare Druckbeaufschlagung zur Verfügung steht, so
dass sich, entsprechend zur verzögerten Verstellung des
Steuerkolbens, die Verstellung des angesteuerten
Ventilschließgliedes, so beispielsweise der Düsennadel, in Schließrichtung
verzögert, wobei eine steuertechnische Berücksichtigung dieser
Gegebenheiten durch entsprechende Ansteuerung des
Steuerventiles schwierig ist, da bereits geringe geometrische Änderungen
in der Anschlagbegrenzung, bzw. in den durch diese Art der
Anschlagbegrenzung entstehenden kleinen Spalträumen größere
Auswirkungen auf das Ansprechverhalten des Steuerkolbens haben,
so dass eine stabile, zeitgenaue Steuerung der Schließbewegung
des angesteuerten Ventilschließgliedes erschwert, wenn nicht
unmöglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Einspritzinjektor der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden,
dass ausgehend vom Steuerventil und dessen Ansteuerung die
Verstellung des Steuerkolbens und damit die Schließbewegung
des Ventilschließgliedes zeitgenau und auch, bezogen auf
angemessene Betriebszeiten, stabil eingeleitet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem Einspritzinjektor der
eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruches 1 erreicht, wobei durch die Lage der
Anschlagbegrenzung in einer stirnseitigen Randzone des Steuerkolbens und die
Ausmündung des Zulaufes auf einen durch die Anschlagbegrenzung
umgrenzten Spaltraum eine vorgegebene Beaufschlagungsfläche
für das zulaufseitig eingebrachte, unter hohem Druck stehende
und als Steuermedium eingesetzte Einspritzmedium gegeben ist
mit der Folge, dass beim Aufsteuern des Steuerventiles und
Verlagerung des Steuerkolbens gegen die Stirnwand der
anschlagbegrenzt umgrenzte Raum mit zunehmender Annäherung des
Steuerkolbens gegen die Stirnwand ein Druckkissen bildet, das
durch Anschluss an die Zulaufseite, und damit an die
Hochdruckseite, in seinem Volumen aufgefüllt wird, bei
gleichzeitiger zunehmender Drosselung über die Anschlagbegrenzung, so
dass die Anschlagbegrenzung quasi einen Quetschspalt bildet,
über den zwar eine wesentliche Verringerung der im Kurzschluss
vom Zulauf zum Ablauf fließenden Leckmenge erreicht wird, der
aber, insbesondere in Anbetracht der kurzen Steuerzeiten, als
Leckspalt eine gewisse Durchtrittsmenge zulässt. Damit ist die
Ausgangsposition dafür geschaffen, dass beim Schließen des
Steuerventiles in Anbetracht der Ausmündung des Zulaufes auf
den durch die Anschlagbegrenzung umgrenzten Spaltraum eine
schlagartige Beaufschlagung der Stirnfläche des Steuerkolbens
erreicht wird, was eine zeitgenaue Steuerung der
Schließbewegung des Ventilschließgliedes ermöglicht, wobei die
geschilderte Quetschspaltbindung gleichzeitig sicherstellt, dass die
Anschlagbegrenzung in der Funktion einer wegbegrenzenden
Dichtgrenze mit empfindlichen, aber hochbeanspruchten
Sitzflächen - in Analogie zur Sitzfläche der Düsennadel einer
Einspritzdüse - im Regelfall nicht oder nur gering beansprucht
ist, so dass langzeitig gleichbleibende, stabile
Arbeitsverhältnisse auch unter geometrischen Gesichtspunkten
gewährleistet sind. Grundsätzlich ist eine, wenn auch
querschnittskleine Kurzschlussverbindung nötig, bzw. eine nur momentane, also
sehr kurzzeitige Abdichtung im Rahmen der Erfindung zulässig,
da andernfalls eine vollständige Abdichtung über die
Dichtgrenze bei geöffnetem Steuerventil gegeben wäre, eine solche
vollständige Abdichtung aber eine Reaktion des Kolbens auf
Vorgaben des Steuerventils verhindern würde.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann der Spaltraum von einer
stirnseitigen Vertiefung des Steuerkolbens und/oder einer
stirnwandseitigen Vertiefung gebildet sein, wobei die
Abgrenzung des Spaltraumes gegen die Anschlagbegrenzung verlaufend
oder auch stufenartig ausgebildet sein kann, wodurch sich,
abgesehen von fertigungstechnischen Möglichkeiten, auch die
Strömungsverhältnisse hinsichtlich der Quetschspaltbildung
beeinflussen lassen.
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Des Weiteren erweist es sich als zweckmäßig, wenn zwischen
Steuerkolben und aufnehmender Bohrung im der
Anschlagbegrenzung benachbarten Axialbereich ein ringförmiger Freiraum
vorgesehen wird und wenn der Ablauf mit seinem
Öffnungsquerschnitt diesem Freiraum zugeordnet wird, wobei der Freiraum
bevorzugt durch eine Erweiterung der Bohrung zur Aufnahme des
Steuerkolbens im axialen, der Stirnwand zugeordneten
Endbereich gebildet wird, aber auch durch eine gewisse
Durchmesserreduzierung des Steuerkolbens angrenzend an dessen Stirnfläche
gebildet sein kann. Dieser Freiraum in Form eines Ringraumes
lässt sich erfindungsgemäß zur Quetschspaltbildung dadurch
nutzen, dass seine stirnseitige Begrenzung axial gegen die
Stirnwand abgesetzt ist und eine kleine Stufe bildet, so dass
der Kolben in seiner oberen, der Stirnwand benachbarten
Grenzlage im Bereich der Dichtgrenze in axialer Überdeckung zur
Stufe liegt, womit sich eine besonders intenvise Dämpfung beim
Einfahren in diese obere Grenz- und/oder Anschlaglage des
Steuerkolbens ergibt.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus den Ansprüchen, ferner wird die Erfindung nachstehend
anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematisierte Gesamtdarstellung eines
Einspritzinjektors im Schnitt zur Erläuterung von
dessen Gesamtaufbau und der Funktion des
Steuerventils, und
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Fig. 2 und 3 stark schematisierte und vergrößerte
Ausschnittsdarstellungen eines Steuerventils in erfindungsgemäßer
Ausgestaltung, wobei Fig. 2 das Steuerventil in
seiner Öffnungslage und Fig. 3 in seiner Schließlage
zeigt.
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Der in der schematisierten Gesamtdarstellung gemäß Fig. 1
gezeigte Einspritzinjektor 1 besteht im Wesentlichen aus einem
Düsenteil 2 und einem Steuer- und Stellerteil 3, das
funktionell auch den Düsenhalter bildet und dem der
Versorgungsanschluss, symbolisch dargestellt durch den Pfeil 4 - für das
unter Hochdruck stehende Einspritzmedium, insbesondere Diesel
oder Schweröl, zugeordnet ist. Zur Rücklaufseite ist der
entsprechende rücklaufseitige Anschluss durch den Pfeil 5
symbolisiert.
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Das Steuer- und Stellerteil 3 umfasst einen Magnetsteller 6,
über den das Steuerventil 7 angesprochen wird, das das vom
Magnetsteller 6 beaufschlagte Ventilglied 8 umfasst, über das
die Druckbeaufschlagung eines Steuerraumes 9 gesteuert wird.
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Der Steuerraum 9 ist in der Darstellung gemäß Fig. 1
einerseits, bei modularem Aufbau des Injektors, von der Stirnwand
10 einer Zwischenplatte 11 überdeckt und andererseits von
einer Bohrung 12 und einem in dieser geführten, die Düsennadel
15 beaufschlagenden Steuerkolben 13 begrenzt. Die Bohrung 12
ist in der Darstellung gemäß Fig. 1 in einer Hülse 14
vorgesehen, die auf dem Steuerkolben 13 geführt ist, der seinerseits
koaxial mit einer Düsennadel 15 verbunden ist. Die Düsennadel
15 bildet das Ventilglied eines Hauptstromventiles, dessen
Sitz dem Düsenkörper 16 zugeordnet ist, der gleichzeitig auch
die Führung für die Düsennadel 15 bildet und einen Druckraum
17 aufweist, auf den die hochdruckseitige Versorgung mit
Einspritzmedium über die strichliert angedeutete
Leitungsverbindung 18 erfolgt. Die Düsennadel 15 liegt in der dargestellten
Schließlage dichtend im Düsensitz 19 an und ist über den im
Druckraum 17 anstehenden Druck durch Beaufschlagung ihrer
Druckschulter 20 in Öffnungsrichtung belastet. In
Gegenrichtung ist die Düsennadel 15 über die Feder 21 beaufschlagt,
sowie durch den im Steuerrraum 9 anstehenden Druck, wenn, wie
in Fig. 1 strichliert angedeutet, der Steuerraum 9 durch den
gedrosselten, strichliert angedeuteten Zulauf 22 aus der
hochdruckseitigen Leitungsverbindung 18 gespeist ist und der
ebenfalls strichliert dargestellte und gedrosselte Ablauf 23 über
das Ventilglied 8 in seiner durch die Leitung 24 angedeuteten
Verbindung zum Rücklauf (Pfeil 5) gesperrt ist. Wird das
Ventilglied 8 durch Bestromung des Magnetstellers 6 in eine in
Fig. 1 nicht dargestellte Öffnungsstellung überführt, so ist
der Ablauf 23 mit der Leitung 24 verbunden und es wird der
Steuerraum 9 druckentlastet, so dass die unter anderem über
die Druckschulter 20 in Öffnungsrichtung beaufschlagte
Düsennadel 15 vom Düsensitz 19 abhebt und die Einspritzung
freigibt.
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Entsprechend der geschilderten Anordnung mit gedrosseltem,
hochdruckseitigem Zulauf 22 und gedrosseltem und gesteuertem
Ablauf 23 zur Niederdruckseite wird bei Freigabe der
Verbindung des Ablaufes 23 zum Rücklauf gemäß Pfeil 5 verbunden mit
dem Druckabbau im Steuerraum 9 das Steuerraumvolumen durch die
mit dem Öffnen der Düsennadel 15 verbundene, gleich gerichtete
Hubbewegung des Steuerkolbens 13 verringert und ein
entsprechendes Volumen auf den Rücklauf 5 abgedrängt. Im Weiteren
bleibt die mit dem Öffnen des Ventilgliedes 8 geschaffene
Kurzschlussverbindung, ungeachtet der Drosselung im Zulauf 22
und im Ablauf 23, offen, bis das Ventilglied 8 umgesteuert
wird. Die offene Durchlaufverbindung bedingt erhebliche
Leckverluste.
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Fig. 2 und 3 veranschaulichen in einer stark vereinfachten
Schemadarstellung ausschnittsweise eine erfindungsgemäße
Ausgestaltung des Bereiches A, wobei ungeachtet baulicher
Abweichungen für entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen wie in
Fig. 1 verwendet sind und wobei die diesbezüglich
geschilderten Funktionen und Ausgestaltungen nicht an eine Gestaltung
des Injektors 1 gemäß Fig. 1 gebunden sind, so beispielsweise
an den modularen Aufbau des Injektors 1 oder dergleichen.
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So ist mit 8 das Ventilglied des Steuerventiles bezeichnet,
und mit 13 der Steuerkolben. Der Steuerkolben 13 ist
hubbeweglich in der Bohrung 12 geführt, und grenzt mit der Bohrung 12
und der die Bohrung 12 überdeckenden Stirnwand 10 den
Steuerraum 9 ab, wobei der Steuerraum 9 angrenzend an die Stirnwand
10 im Durchmesser durch eine radiale Erweiterung 27 der
Bohrung 12 vergrößert ist, so dass ein ringförmiger Freiraum,
insbesondere ein zylindrischer Ringraum um das der Stirnwand
10 gegenüberliegende, stirnseitige Ende des Steuerkolbens 13
gegeben ist. Im radialen Überdeckungsbereich zur Stirnseite 28
des Kolbens 13 liegt der Öffnungsquerschnitt 29 des Zulaufes
22 auf den Steuerraum 9. Im Zulauf 22 liegt eine Drossel 30.
Der Ablauf 23 weist einen steuerraumseitigen
Öffnungsquerschnitt 31 auf. Dem Ablauf 23 ist eine Drossel 32 zugeordnet,
die im Ausführungsbeispiel durch eine Bohrung in einer
Sitzplatte 33 gebildet ist, die von dem im Ausführungsbeispiel mit
einer flachen Sperrfläche 34 versehenen Ventilglied 8 in
dessen Schließlage abgedeckt und verschlossen wird.
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Zwischen dem Steuerkolben 13 und der Stirnwand 10 wird bei
Druckentlastung des Steuerraumes 9 und entsprechender
Hubverlagerung des Steuerkolbens 13 gegen die Stirnwand 10 eine
Anschlagbegrenzung 35 gebildet, die der Randzone 36 des
Steuerkolbens 13 im Übergang zwischen Stirnwand 10 und Stirnseite 28
zugeordnet ist, wobei diese beispielsweise dadurch gebildet
ist, dass innerhalb der Randzone 36, wie in Fig. 2 und 3
gezeigt, der Kolben 13 stirnseitig zurückgenommen ist. In
analoger Weise könnte eine entsprechende Ausbildung auch der
Stirnwand 10 zugeordnet sein. Die stirnseitige, gegenüber der
Randzone 36 axial zurückgenommene Ausbildung des Steuerkolbens 13
führt in der der Öffnungslage des Ventilgliedes 8
entsprechenden, in Fig. 2 dargestellten oberen Grenzlage des
Steuerkolbens 13 zur Bildung eines durch die gegebenenfalls
schneidenförmige, durch den Rand des Kolbens 13 gebildete
Anschlagbegrenzung 35 randumschlossenen flachen Spaltraumes 37, dessen
Tiefe in den Figuren überzeichnet dargestellt ist und der
radial nach außen gestuft oder verlaufend in die Randzone 36
übergeht.
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Diese Ausgestaltung hat in Verbindung mit der Ausmündung
(Öffnungsquerschnitt 29) des Zulaufes 22 auf den von der
Anschlagbegrenzung 35 umschlossenen Ringraum zur Folge, dass bei
Öffnung des Ablaufes 23 über das Ventilglied 8 entgegen dem
Rücklauf (Pfeil 5) und die auf Grund der Druckbeaufschlagung in
der Düsennadel 15 in Öffnungsrichtung erfolgende Hubbewegung
des Steuerkolbens 13 gegen die Stirnwand 10 der Steuerkolben
13 gegen ein durch den nach wie vor offenen Zulauf 22
gespeistes Druckpolster anläuft, so dass auch bei der angestrebten,
nahezu schlagartigen Öffnungsbewegungen der Düsennadel 15
diese in der Endphase gedämpft abgefangen wird, da die
Anschlagbegrenzung 35 die Funktion eines Quetschspaltes hat.
Entsprechend dieser Funktion bildet die Anschlagbegrenzung 35 im
Regelfall auch keine absolute Dichtgrenze, sondern mehr einen
Drosselspalt, der zunächst die Leckage bei geöffnetem
Ventilglied wesentlich reduziert. Darüber hinaus wird dadurch aber
auch sichergestellt, dass beim Schließen des Ventilgliedes 8
das Spaltvolumen nahezu schlagartig auf das Druckniveau des
Zulaufes 22 angehoben wird, wobei die erfindungsgemäße
Ausgestaltung auch die Voraussetzung dafür bietet, dass die
Stirnfläche 25 des Steuerkolbens 13 ohne merkbare Zeitverzögerung
vollständig beaufschlagt wird. Zudem verhindert die
erfindungsgemäße Lösung, dass in der Öffnungsphase des
Ventilgliedes 8 das zwischen Stirnwand 10 und Stirnfläche 25
abströmende, unter Hochdruck stehende Einspritzmedium - entsprechend
dem hydrodynamischen Paradoxon - zu einem Anhaften des
Steuerkolbens 13 mit seiner Stirnfläche 25 an der Stirnwand 10
führt, was sich beim Umsteuern des Ventilgliedes 8 von der
Öffnungs- in die Schließlage verzögernd auf das angestrebte,
nahezu schlagartige Schließen der Düsennadel 15 durch eine
entsprechende Verlagerung des Steuerkolbens 13 auswirken
würde.
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Durch die Erfindung wird somit mit einfachen Mitteln eine
Lösung geschaffen, die sowohl die Leckage reduziert als auch die
Betriebssicherheit durch Verschleißverminderung erhöht.
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Die angestrebte "Quetschspaltbildung" und Dämpfungsfunktion
lässt sich im Rahmen der Erfindung auch dadurch erreichen bzw.
verbessern, dass der ringförmige, durch die radiale
Erweiterung 27 gebildete Freiraum nicht bis an die Stirnwand 10
durchgezogen ist, so dass eine Ringstufe 38 entsteht, in die
der Steuerkolben 13 beim Anfahren seiner oberen Endlage
eintaucht. Hierdurch ergibt sich trotz nur geringer axialer
Überlappung ein radial schmaler Durchströmspalt, und eine
entsprechende Dämpfung. Die beispielhaft in Fig. 3 angedeutete
Ringstufe 38 ist zur besseren Erkennbarkeit abweichend vom in Fig.
2 und Fig. 3 schematisch dargestellten, die Zylinderbohrung 12
aufnehmenden Körper schraffiert, wird zweckmäßigerweise aber
einstückig mit diesem Körper ausgebildet, so beispielsweise
bezogen auf eine Übersichtsdarstellung gemäß Fig. 1, einstückig
mit der Zwischenplatte 11.