DE10006319A1

DE10006319A1 - Einspritzventil

Info

Publication number: DE10006319A1
Application number: DE2000106319
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Erhardt; Stephan Krell
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2000-02-12
Filing date: 2000-02-12
Publication date: 2001-08-16

Abstract

Bei einem Einspritzventil mit einer durch einen Aktor betätigten, eine axial verschiebbare Düsennadel aufweisenden, nach außen öffnenden Einspritzdüse soll ein zuverlässiger und reproduzierbarer Einspritzvorgang des sich in einer Kraftstoffkammer befindlichen Kraftstoffs gewährleistet werden. DOLLAR A Hierzu ist die Düsennadel zumindest teilweise auf einem Hubkolben angeordnet; bei einer Betätigung der Düsennadel wird der Weg des Hubkolbens und damit der Öffnungsweg der Düsennadel durch eine Ausformung auf der Oberseite der Kraftstoffkammer definiert begrenzt. DOLLAR A Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Ottomotors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Ver brennungsraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1. Ein derartiges Einspritzventil ist aus der DE 195 00 706 A1 bekannt. Um den Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine einzusprit zen, werden zunehmend Einspritzventile eingesetzt, denen der von einer Kraftstoff pumpe bereitgestellte Kraftstoff unter hohem Druck zugeführt wird. Über eine Kraft stoffleitung gelangt der Kraftstoff an die Einspritzdüse, wobei die Injektion des Kraft stoffs in den Verbrennungsraum über die Betätigung einer Düsennadel der Ein spritzdüse entweder mittels einer nach außen öffnenden Einspritzdüse ("A-Düse") oder einer nach innen öffnenden Einspritzdüse ("I-Düse") erfolgt. Zur Betätigung der Düsennadel sind Aktoren vorgesehen (bsp. piezoelektrische Aktoren oder magneto striktive Aktoren), die in der Regel mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden; die Düsennadel kann entweder direkt vom Aktor betätigt werden oder indi rekt vom Aktor betätigt werden.

In der gattungsbildenden DE 195 00 706 A1 ist die Düsennadel mit einem oberhalb der Düsennadel angeordneten, die Bewegung des Aktors übertragenden Hubkolben verbunden; über diesen Hubkolben wird die Düsennadel nach Maßgabe der am Ak tor angelegten elektrischen Spannung und des in der Kraftstoffleitung herrschenden Kraftstoffdrucks ausgelenkt, was jedoch bei unterschiedlichem Kraftstoffdruck und/oder Toleranzen des Einspritzventils und/oder Schwankungen der Systemei genschaften aufgrund der undefinierten Auslenkung der Düsennadel Probleme ver ursachen kann, insbesondere aber auch zu unterschiedlichen Mengen des in den Verbrennungsraum eingespritzten Kraftstoffs führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 anzugeben, mit dem ein zuverlässiger und reproduzier barer Einspritzvorgang gewährleistet wird, insbesondere mit dem bei jedem Ein spritzvorgang eine definierte Menge Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Brenn kraftmaschine eingebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Pa tentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patent ansprüchen.

Beim vorgestellten Einspritzventil wird der Hub (Öffnungsweg) der sich nach außen öffnenden und zumindest in einem Teilstück direkt auf dem Hubkolben angeordne ten Düsennadel beim Öffnen der Düsennadel durch eine an der dem Hubkolben zugewandten Oberseite der Kraftstoffkammer (in diese mündet die Kraftstoffleitung oberhalb des Einspritzventils) ausgebildete Ausformung begrenzt; durch diese einen Anschlag für die Bewegung des Hubkolbens bildende Ausformung wird der Öff nungsweg der Düsennadel definiert und reproduzierbar vorgegeben. Die Düsennadel kann auf dem Hubkolben mit einer hohen Genauigkeit angeordnet werden (bsp. durch Aufpressen oder Aufkleben der Düsennadel auf dem Hubkolben), so daß der Öffnungsweg (Hub) der Düsennadel und damit das Volumen des in den Verbren nungsraum eingespritzten Kraftstoffs exakt vorgegeben werden kann. Vorzugsweise wird die Düsennadel bei jedem Einspritzvorgang bis zum Anschlag (d. h. maximal) ausgelenkt und damit über die Bestromungsdauer des die Düsennadel betätigenden Aktors eine definierte Menge an Kraftstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt; bsp. kann die Düsennadel maximal 80 µm ausgelenkt werden, wodurch innerhalb einer Millisekunde ein Volumen von 70 mm^-3 in den Verbrennungsraum eingespritzt wird.

Zwischen dem die Düsennadel betätigenden Aktor und der Düsennadel der Ein spritzdüse ist vorzugsweise eine hydraulische Übersetzung angeordnet, die eine vom Hubkolben sowie von dem mit dem Aktor verbundenen Arbeitskolben (Aktorkolben) eingeschlossene, mit Kraftstoff als hydraulischer Flüssigkeit gefüllte Verstärkerkammer aufweist. Durch die hydraulische Übersetzung wird der Hub des Aktors mit maximal dem Übersetzungsverhältnis der hydraulischen Übersetzung vergrößert und damit der Einsatz eines kurzen und preisgünstigen Aktors ermöglicht.

Zur Gewährleistung eines Spiel- und Toleranzausgleichs bei sich ändernden Sy stemeigenschaften des Einspritzventils oder variierenden äußeren Bedingungen (bsp. Temperaturschwankungen) muß eine Verbindung zwischen dem in der Ver stärkerkammer befindlichen Reservoir an Kraftstoff und dem der Einspritzdüse be reitgestellten Kraftstoff vorgesehen werden; diese zur definierten Leckage von Kraftstoff dienende Verbindung zwischen der Verstärkerkammer und der Kraftstoff kammer kann entweder über den Drosselspalt zwischen dem Hubkolben und dem den Hubkolben führenden Hubkolbenzylinder oder bei einer an Oberseite und Un terseite abgedichteten Verstärkerkammer über definierte Bohrungen im Hubkolben zylinder realisiert werden.

Zur Verhinderung von Kavitation bei dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in der Verstärkerkammer (diese kann insbesondere bei der Bewegung von Hubkolben und Arbeitskolben und damit einer schnellen Volumenänderung des Kraftstoffs in der Kraftstoffkammer entstehen) kann auf der Oberseite des den Hubkolben führen den Hubkolbenzylinders an der Grenzfläche zur Verstärkerkammer ein Rückschlag ventil vorgesehen werden.

Da der Hub der Düsennadel bei der Montage von Hubkolben und Düsennadel exakt und ohne großen Aufwand eingestellt werden kann und beim Einspritzvorgang durch den Anschlag definiert begrenzt wird, kann ein Einspritzventil realisiert werden, das über einen weiten Temperaturbereich definiert und reproduzierbar öffnet und schließt, einen exakt definierten Hub besitzt, reproduzierbar und einfach gefertigt werden kann (es sind nur wenige Teile mit hoher Genauigkeit erforderlich); somit kann bei jedem Einspritzvorgang eine definierte Menge an Kraftstoff im gesamten Betriebsbereich des Einspritzventils in den Verbrennungsraum der Brennkraftma schine eingespritzt werden.

Das Einspritzventil wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zu sammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierbei zeigt die Figur in einer Schnittzeichnung die wesentlichen Komponenten des Einspritzventils zum Einsprit zen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Ottomotors.

Die Einspritzdüse 1 ist als nach außen öffnende Düse (A-Düse) ausgebildet, bei der die Düsennadel 2 außen am Ventilsitz 3 anliegt und diesen durchdringt. Die Dü sennnadel 2 wird über eine Ventilschließfeder 4 in den Ventilsitz 3 gepreßt, deren Federkraft größer als die auf die Düsennadel 2 (bedingt durch den in der Kraft stoffleitung 5 herrschenden maximalen hydrostatischen Druck) wirkende Kraft ist; somit wird die Einspritzdüse 1 durch die Ventilschließfeder 4 im spannungslosen Zustand des Aktors 6 verschlossen. Die Vorspannkraft der Ventilschließfeder 4 wird für die jeweilige Ausführung des Einspritzventils und der Einspritzdüse 1 so einge stellt, daß sowohl ein sicheres Verschließen der Einspritzdüse 1 im spannungslosen Zustand des Aktors 6 als auch die erforderliche Dynamik beim Einspritzvorgang er reicht wird. Der für den Betrieb des Einspritzventils benötigte Einspritzdruck des Kraftstoffs von bis zu 300 bar wird von einer dem Einspritzventil vorgeschalteten Kraftstoffpumpe bereitgestellt. Der Kraftstoff wird von der Kraftstoffpumpe vorzugs weise über ein Rail an einen Kraftstoffanschluß und über die Kraftstoffleitung 5 im Inneren des Einspritzventils bis an die Düsennadel 2 geführt; die Kraftstoffleitung 5 mündet in die zur Kraftstoffzuführung an die Einspritzdüse 1 bzw. Düsennadel 2 vor gesehene Kraftstoffkammer 8. Die Kraftstoffkammer 8 ist bsp. als Drallkammer mit zur Verwirbelung des Kraftstoffs dienenden tangentialen Rippen an der Mantelfläche ausgebildet; auf der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 ist eine ringförmige Aus formung 9 vorgesehen.

Die Düsennadel 2 ist kraftschlüssig auf dem Hubkolben 7 aufgebracht (bsp. aufge preßt), wobei beim Fügen von Düsennadel 2 und Hubkolben 7 eine sehr exakte Posi tionierung (und damit eine genaue Ausrichtung) der Düsennadel 2 ermöglicht wird. Der für den Einspritzvorgang notwendige Öffnungsweg (Hub) der Düsennadel 2 wird durch die an der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 angebrachte, einen Anschlag für den Hubkolben 7 bildende Ausformung 9 auf bsp. 80 µm begrenzt (maximaler Öffnungsweg der Düsennadel 2).

Der Hubkolben 7 ist über die mit Kraftstoff gefüllte Verstärkerkammer 10 mit dem Arbeitskolben 11 (Aktorkolben) kraftschlüssig verbunden bzw. gekoppelt; das Volu men der Verstärkerkammer 10 ist möglichst gering zu wählen, um die erforderliche Gesamtsteifigkeit des Einspritzventils zu gewährleisten. Falls die Durchmesser von Hubkolben 7 und Arbeitskolben 11 unterschiedlich gewählt werden, wird eine im wesentlichen aus dem Arbeitskolben 11 (Aktorkolben), dem Hubkolben 7 und der Verstärkerkammer 10 bestehende hydraulische Übersetzung (Hubübersetzung) rea lisiert. Durch das vom Verhältnis des Durchmessers (der Stirnfläche) des Hubkol bens 7 zum Durchmessers (zur Stirnfläche) des Arbeitskolbens 11 abhängige maxi male Übersetzungsverhältnis der hydraulischen Übersetzung wird der Hub der Dü sennadel 2 entsprechend vergrößert; bsp. wird ein Übersetzungsverhältnis von 2 : 1 erreicht und der Hub der Düsennadel 2 von 45 µm auf die gewünschten 80 µm ver größert.

Zur Realisierung eines Spiel- und Toleranzausgleichs ist zwischen der Verstärker kammer 10 und der Kraftstoffkammer 8 eine definierte Leckage vorgesehen, d. h. zwischen dem sich in der Verstärkerkammer 10 und dem in der Kraftstoffkammer 8 (an der Einspritzdüse 1 bzw. Düsennadel 2) befindlichen Kraftstoff soll zum Aus gleich des Volumens des sich in der Verstärkerkammer 10 befindlichen Kraftstoffs eine definierte Verbindung bestehen. Diese Leckage erfolgt beispielsweise über eine kleine Bohrung 12 im den Hubkolben 7 führenden Hubkolbenzylinder 14, die sehr genau gefertigt werden muß. Zur Verhinderung ungewollter Leckageverluste sind auf den beiden Kolben (Hubkolben 7, Arbeitskolben 11) bsp. aus PTFE bestehende Dichtungen 13 angebracht.

Zur Verhinderung von Kavitation beim in der Verstärkerkammer 10 befindlichen Kraftstoff ist im den Hubkolben 7 führenden Hubkolbenzylinder 14 ein Rückschlag ventil 18 angrenzend an die Verstärkerkammer 10 angeordnet.

Der Arbeitskolben 11 ist durch Aktorfedern 15 vorgespannt und kraftschlüssig mit dem Aktor 6 gekoppelt.

Als mit einer elektrischen Spannung beaufschlagter Aktor 6 ist bsp. ein piezoelektri scher Aktor 6 mit einer Länge von bsp. 40 mm vorgesehen, der sich proportional zur angelegten Spannung ausdehnt. Aufgrund der hydraulischen Übersetzung kann ein kurzer und damit kostengünstiger Aktor 6 (insbesondere ein kostengünstiger piezo elektrischer Aktor 6) realisiert werden.

Während eines Einspritzvorgangs wird der Aktor 6 (bsp. von einem Steuergerät) mit einer konstanten oder sich zeitlich ändernden Spannung beaufschlagt und hierdurch aktiviert; durch die Ausdehnung des Aktors 6 wird der Arbeitskolben 11 in Richtung Einspritzdüse 1 bewegt. Diese Bewegung wird auf die Verstärkerkammer 10 über tragen, wodurch der dort eingeschlossene Kraftstoff verdrängt wird. Nachdem die Vorspannkraft der Ventilschließfeder 4 kompensiert und der Kraftstoff in der Ver stärkerkammer 10 komprimiert ist, wird der Hubkolben 7 nach unten bewegt, wo durch die Düsennadel 2 vom Ventilsitz 3 abhebt und eine bestimmte Menge Kraft stoff proportional zur (Zeitdauer der) Bestromung des Aktors 6 in den entsprechen den Verbrennungsraum des Ottomotors eingespritzt wird. Der Öffnungsweg bzw. die Auslenkung der Düsennadel 2 wird dadurch begrenzt, daß der Spalt 16 zwischen Hubkolben 7 und der an der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 befindlichen Ausformung 9 geschlossen wird, d. h. daß der Hubkolben 7 gegen den durch die Ausformung 9 gebildeten Anschlag fährt. Nach dem Deaktivieren des Aktors 6 wer den die beiden Kolben (Arbeitskolben 11 bzw. Hubkolben 7) durch die Federkräfte der jeweils zugehörigen Feder (Aktorfeder 15 bzw. Ventilschließfeder 4) in ihre Aus gangslage zurückgestellt. Durch das Rückschlagventil 18 wird die Entstehung von Unterdruck in der Verstärkerkammer 10 und damit von Kavitation beim sich in der Verstärkerkammer 10 befindlichen Kraftstoff bei der Bewegung des Arbeitskolbens 11 und des Hubkolbens 7 verhindert, insbesondere beim Schließen der Einspritzdü se 1. Um eine hohe Dynamik im Betrieb des Einspritzventils (insbesondere beim Einspritzvorgang) zu erreichen, besitzen alle bewegten Bauteile des Einspritzventils (insbesondere Hubkolben 7, Arbeitskolben 11 und Düsennadel 2) eine geringe Mas se. Um die Leckageverluste an den beiden Kolben (Arbeitskolben 11 bzw. Hubkol ben 7) zu minimieren, können die Materialien der beiden Kolben (Arbeitskolben 11 bzw. Hubkolben 7) und der zugehörigen Zylinder (Arbeitskolbenzylinder 17 bzw. Hubkolbenzylinder 14) so gewählt werden, daß sie möglichst gleiche Wärmeausdeh nungskoeffizienten besitzen.

Claims

1. Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine, mit
einer eine axial verschiebbare Düsennadel (2) aufweisenden, nach außen öff nenden Einspritzdüse (1),
einem mit einer elektrischen Spannung beaufschlagten Aktor (6) zur Betätigung der Düsennadel (2),
einem mit der Düsennadel (2) gekoppelten Hubkolben (7),
einer Kraftstoffleitung (5), die in eine mit der Einspritzdüse (1) verbundene Kraft stoffkammer (8) mündet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Düsennadel (2) zumindest teilweise auf dem Hubkolben (7) angeordnet ist,
und daß die Kraftstoffkammer (8) auf der dem Hubkolben (7) zugewandten Oberseite (19) eine Ausformung (9) aufweist, so daß bei einer Betätigung der Düsennadel (2) der Hub des Hubkolbens (7) und damit der Öffnungsweg der Dü sennadel (2) begrenzt ist.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff kammer (8) auf der dem Hubkolben (7) zugewandten Oberseite (19) einen die Ausformung (9) bildenden umlaufenden Ring aufweist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen nadel (2) auf dem Hubkolben (7) aufgepreßt ist.

4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffkammer (8) als Drallkammer mit tangentialen Rippen an der Man telfläche ausgebildet ist.

5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Aktor (6) und der Düsennadel (2) eine hydraulische Übersetzung mit einer vom Hubkolben (i) und einem Arbeitskolben (11) eingeschlossenen, mit Kraftstoff gefüllten Verstärkerkammer (10) angeordnet ist.

6. Einspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ver stärkerkammer (10) und der Kraftstoffkammer (8) eine eine Leckage von Kraft stoff ermöglichende Verbindung vorgesehen ist.

7. Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Verstärkerkammer (10) und der Kraftstoffkammer (8) als Dros selspalt zwischen dem Hubkolben (7) und dem den Hubkolben (7) führenden Hubkolbenzylinder (14) realisiert ist.

8. Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Verstärkerkammer (10) und der Kraftstoffkammer (8) über eine Bohrung (12) im den Hubkolben (7) führenden Hubkolbenzylinder (14) realisiert ist, und daß der Hubkolben (7) und der Arbeitskolben (11) durch Dichtungen ge genüber der Verstärkerkammer (10) abgedichtet sind.

9. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im den Hubkolben (7) führenden Hubkolbenzylinder (14) angrenzend an die Ver stärkerkammer (10) ein Rückschlagventil (18) angeordnet ist.