DE10007175A1 - Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, mit einem Servoventil (12) zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und mit einem Steuerraum (4), der über eine Zulaufdrossel (2) mit einem Kraftstoffzulauf in Verbindung steht und der über eine Ablaufdrossel (11) mit einem drucklosen Kraftstoff-Rücklauf (13) in Verbindung bringbar ist. Um ein Einspritzventil bereitzustellen, daß eine gleichmäßige Kleinstmengeneinspritzung gewährleistet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Öffnungs- bzw. Schließgeschwindigkeit über das Verhältnis von Zulauf- (16) und Ablaufdurchmesser (17) der Drosseln (2, 11) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine nach dem O­ berbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Einspritzventil ist beispielsweise aus der EP-A-0 192 241 bekannt. Solche Einspritzventile sind zur Steuerung der Fluidströme mit Servoventilen versehen.

Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche Ein­ spritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme (für Dieselmoto­ ren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) bekannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Kraftstoff mit einer Hoch­ druckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen Druckspeicher befördert, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern mit Kraftstoff versorgt werden. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird dabei in der Regel über elektromagnetisch oder piezoelektrisch betriebene Aktoren gesteuert.

Zu diesem Zweck sind die Einspritzventile bei solchen Syste­ men mit Servoventilen ausgerüstet, die hydraulisch das Öffnen und Schließen der Düsennadel des Einspritzventils steuern, das heißt insbesondere den Beginn und das Ende des Einspritz­ vorgangs zeitlich festlegen. Das Servoventil beeinflußt dazu in Verbindung mit Steuerdrosseln vor allem die Geschwindig­ keit, mit der das Einspritzventil öffnet und schließt.

Aus verbrennungstechnischen Gründen soll die Geschwindigkeit, mit der das Einspritzventil öffnet, verschieden sein von der Geschwindigkeit, mit der das Einspritzventil schließt. Das Einspritzventil soll z. B. bei Common-Rail-Systemen für Die­ selmotoren zu Beginn der Einspritzung für eine bessere Vermi­ schung des Kraftstoffs mit der Luft kontrolliert langsam öff­ nen, wohingegen das Einspritzventil am Ende des Einspritzvor­ gangs schnell schließen muß, um eine Rußbildung zu verhin­ dern.

Ferner soll es möglich sein, um optimale verbrennungsergeb­ nisse zu erzielen, kleinste Kraftstoffmengen zur Voreinsprit­ zung (Piloteinspritzung) vor der eigentlichen Einspritzung zuzuführen.

Servoventile für Common-Rail-Systeme sind in der Regel als 2/2-Wegeventile oder 3/2-Wegeventile ausgeführt.

Die Ausführung als 2/2-Wegeventil mit einer Zulaufdrossel und einer Ablaufdrossel hat den Nachteil, daß sich die Öffnungs- und Schließvorgänge des Einspritzventils durch die Ausgestal­ tung des Kraftstoffzulaufs und des Kraftstoffablaufs nur in­ nerhalb sehr enger Grenzen verändern lassen.

Die Ausführungsform als 3/2-Wegeventil, bei der der Zulauf über eine Zulaufdrossel und eine Ablaufdrossel erfolgt, er­ möglicht ein schnelleres Öffnen des Einspritzventils als dies beim 2/2-Wegeventil der Fall ist. Durch die Ausgestaltung der Zulaufdrossel läßt sich bei diesen Servoventilen der Schließ­ vorgang des Einspritzventils verlangsamen. Bei Einspritzven­ tilen für Verbrennungsmotoren ist es jedoch im Gegensatz dazu üblicherweise wünschenswert, das Öffnen des Einspritzventils zu verlangsamen, während das Einspritzventil schnell schlie­ ßen soll.

Aus der EP-A-0 192 241 ist ein Servoventil zur Steuerung von Fluidströmen bekannt, bei dem der in einer ersten Fluidkammer auf den Ventilkörper des Servoventils ausgeübte Druck das Öffnen und Schließen des Servoventils bewirkt. Die Betätigung des Servoventils hat das Öffnen bzw. Schließen eines separaten Fluidkanals zur Folge. Dieser Fluidkanal führt von einem Hauptzylinder, der Druck auf das Fluid ausübt, zu Nebenzylin­ dern, die durch das unter Druck stehende Fluid betätigt wer­ den. Diese bekannte Anordnung, bei der der Hauptzylinder ein Hauptbremszylinder eines Kraftfahrzeugs ist und die Nebenzy­ linder Radbremszylinder darstellen, soll dazu dienen, das der Fluidkanal eines Antiblockiersystems in rascher Folge verzö­ gerungsfrei geöffnet und geschlossen werden kann.

Die für optimale Verbrennungsergebnisse erforderliche Ein­ spritzung von Kleinstmengen über den gesamten Raildruckbe­ reich läßt sich mit diesen bekannten Ausgestaltungsformen der Einspritzventile nicht oder zumindest nicht ausreichend re­ produzierbar erzielen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil dahingehend auszugestalten, daß es eine ver­ besserte Kleinstmengeneinspritzung ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Einspritz­ ventils sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zulauf- und Ab­ laufdrossel des Einspritzventils werden die Durchflußkennli­ nien der Drosseln derart beeinflußt, daß sich ein schnelleres Schließen und langsameres Öffnen der Düsennadel erzielen läßt, was sich beides positiv auf die Kleinstmengeneinsprit­ zung auswirkt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Einspritzventils beispielhaft schematisch dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Einspritzventils ge­ mäß dem Stand der Technik mit einem 2/2-Wegeventil als Servoventil;

Fig. 2 schematisch die Ausgestaltung einer düsenförmig aus­ gebildeten Zulaufdrossel eines erfindungsgemäßen Ein­ spritzventils;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Ka­ vitations-Umschlagpunktes (KUP) von der Formgebung des Zu- und Ablaufdurchmessers einer Drossel und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Durchflusses der Zulaufdrossel von der geometrischen Form der Drossel.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst der Aufbau und die Arbeits­ weise eines herkömmlichen Einspritzventils mit einem 2/2- Wegeventil als Servoventil erläutert.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird der Kraftstoff mit System­ druck von einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher über eine Hochdruckbohrung und eine mit einer Zulaufdrossel 2 ver­ sehene Zulaufbohrung 3 einem Steuerraum 4 im Einspritzventil­ gehäuse 5 zugeführt. Im Steuerraum 4 wirkt der dort vorlie­ gende Druck auf das hintere Ende eines axial beweglich gela­ gerten und geführten Düsennadel 6, die dazu dient, mit einer am vorderen Ende angeordneten Düsennadelspitze 7 Einspritzlö­ cher 8 im Einspritzventilgehäuse 5 zu öffnen und zu ver­ schließen, die zum Brennraum des Verbrennungsmotors führen.

Die Einspritzlöcher 8 stehen bei geöffnetem Einspritzventil mit einer Düsenkammer 9 in Verbindung, die ihrerseits über die Hochdruckbohrung 1 mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist. Wenn sowohl im Steuerraum 4 als auch in der Düsenkammer 9 der volle Systemdruck anliegt, wird die Düsennadel 6 auf­ grund der größeren Wirkfläche im Steuerraum 4 nach unten gedrückt, so daß die Einspritzlöcher 8 verschlossen werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform eines Einspritzventils gemäß dem Stand der Technik führt vom Steuerraum 4 eine Boh­ rung 10 im Einspritzventilgehäuse 5 mit einer Ablaufdrossel 11 zu einem in das Einspritzventilgehäuse 5 integrierten Ser­ voventil 12 in Form eines 2/2-Wegeventils. Vom Servoventil 12 führt ein druckloser Kraftstoff-Rücklauf 13 zum nicht darge­ stellten Kraftstofftank. Das Servoventil 12 schaltet über ei­ nen Stößel 14, der von einem elektromagnetischen und/oder piezoelektrischen Aktor 15 angesteuert wird.

Das Servoventil 12 hat die Aufgabe, den Druck zu steuern, der im Steuerraum 4 zum Öffnen und Schließen des Einspritzventils auf die axial bewegliche Düsennadel 6 ausgeübt wird.

Wenn das Servoventil 12 geschlossen ist, steht im Steuerraum 4 im wesentlichen der volle Systemdruck an, so daß die Düsen­ nadel 6 nach unten gedrückt wird und die Düsennadelspitze 7 am vorderen Ende der Düsennadel 6 die Einspritzlöcher 8 ver­ schließt, die in den Verbrennungsraum führen. Wird der Aktor 15 des Servoventils 12 elektrisch angesteuert, übt der Stößel 14 eine Kraft auf das federbelastete Servoventil 12 aus, in dessen Folge sich das Servoventil 12 öffnet. Bei offenem Ser­ voventil 12 stellt sich zwischen Hochdruckspeicher, Steuer­ raum 4, Servoventil 12 und Kraftstoff-Rücklauf 13 eine stati­ onäre Strömung ein, die an den einzelnen Drosseln, der Zu­ laufdrossel 2 und der Ablaufdrossel 11, zu einem definierten Druckabfall führt. Die als zylindrische Bohrungen ausgebilde­ ten Zulauf- und Ablaufdrosseln 2 und 11 sind so bemessen, daß sich dabei der Druck im Steuerraum 4 verringert. Durch diese Druckminderung nimmt die auf die Düsennadel 6 wirkende Kraft ab, während der Druck in der Düsenkammer 9 gleich dem System­ druck bleibt, so daß das Einspritzventil durch die in der Dü­ senkammer 9 auf die Düsennadel 6 wirkende Kraft hydraulisch geöffnet wird. Durch diese Verschiebung der Düsennadel 6 wird die Verbindung der Düsenkammer 9 mit den Einspritzlöchern 8 wieder hergestellt und der Kraftstoff wieder in den Brennraum eingespritzt.

Diese bekannte Ausführungsform eines Einspritzventils mit ei­ nem 2/2-Wegeventil als Servoventil 12 hat den Nachteil, daß sich die Öffnungs- und Schließvorgänge nur innerhalb sehr en­ ger Grenzen unabhängig voneinander beeinflussen lassen.

Überraschenderweise wurde herausgefunden, daß sich die Ge­ schwindigkeit des Öffnungs- und Schließvorgangs durch die Va­ riation des Verhältnisses zwischen dem Zulaufdurchmesser 16 und dem Ablaufdurchmesser 17 der einzelnen Drosseln 2 und 11 (Fig. 2) einstellen und verändern läßt. Während die üblichen Drosselbohrungen einen zylindrisch ausgebildet einen konstan­ ten Durchmesser aufweisen, hat sich herausgestellt, daß durch die Formgebung der Drosselbohrung als zylindrische, düsenför­ mige oder diffusorförmige Bohrung die Durchflußkennlinie maß­ geblich verändern läßt.

Um optimale Verbrennungsergebnisse zu erzielen, das heißt ei­ ne minimale Abgasemission zu erzeugen, ist es notwendig, kleinste Kraftstoffmengen von bis zu 1 mm³ über den gesammten Raildruckbereich einzuspritzen.

Um andererseits niedrige Verbrennungsgeräusche zu erzielen, ist es notwendig möglichst niedrige Raildrücke (Mindest­ öffnungsdrücke) erreicht werden, bei denen noch eine reprodu­ zierbare Einspritzung möglich ist.

Fig. 2 zeigt eine düsenförmig ausgebildete Zulaufdrossel 2, bei der das Verhältnis vom Zulaufdurchmesser 16 zum Ablauf­ durchmesser 17 größer 1 ist, das heißt, daß sich der Quer­ schnitt der Zulaufdrossel 2 in Richtung der durch den Pfeil 18 gekennzeichneten Durchflußrichtung verringert. Durch die düsenförmige Ausgestaltung der Zulaufdrossel 2 wird bei höhe­ rem Druck der Durchfluß erhöht, was wiederum ein schnelleres Schließen des Einspritzventils ermöglicht.

Im Gegensatz zu der voranstehend beschriebenen Ausgestaltung der Zulaufdrossel 2 als düsenförmige Drossel wird vorgeschla­ gen die Ablaufdrossel 11 mit einem in Durchflußrichtung zu­ nehmendem Querschnitt diffusorartig auszubilden, wobei das Verhältnis von Zulaufdurchmesser 16 zum Ablaufdurchmesser 17 nunmehr kleiner 1 ist. Dadurch wird der Punkt (Kavitations- Umschlagpunkt, KUP), bei dem der Kraftstoffdurchfluß durch die Ablaufdrossel 11 unabhängig ist von der Druckdifferenz zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Ablaufdrossel, bei ei­ ner geringeren Druckdifferenz erreicht.

Das Verhältnis von Zulaufdurchmesser 16 zum Ablaufdurchmesser 17 der Zulaufdrossel 2 und/oder der Ablaufdrossel 11 beträgt 0,7 bis 1,3.

Das Verhältnis von Zulaufdurchmesser 16 zum Ablaufdurchmesser 17 der Zulaufdrossel 2 beträgt vorzugsweise etwa 1,3 : 1.

Das Verhältnis von Zulaufdurchmesser zum Ablaufdurchmesser der Ablaufdrossel beträgt vorzugsweise etwa 0,7 : 1.

Fig. 3 zeigt den Einfluß der Drosselform auf den Kavitati­ ons-Umschlagpunkt (KUP). Da an der Ablaufdrossel 11 ein mög­ lichst frühzeitiger Eintritt in die Kavitation benötigt wird, um einen konstanten Abfluß unabhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Vordruck im Vorraum und dem Gegendruck im Ab­ laufraum zu erzielen, ist hier die diffusorartige Ausgestal­ tungsform zu bevorzugen, da sich hier der KUP zu den niedri­ gen Gegendruckwerten hin verschiebt, wie dies der Punkt KUP" in Fig. 3 zeigt.

Da hingegen an der Zulaufdrossel 2 ein möglichst spätes Ein­ treten der Kavitation gefordert wird, um einen großen Kraftstoffdurchfluß zu ermöglichen, ergibt sich aus Fig. 3 die düsenförmige Ausgestaltung für den Querschnitt der Zu­ laufdrossel 2.

Zusätzlich zu der Ausbildung der Durchmesser der Drosseln 2 und 11 läßt sich die Einströmbedingung in die Zulaufdrossel 2 durch eine entsprechende Verrundung der Einlaufkante verbes­ sern, was sich insbesondere vorteilhaft bei steigenden Raildrücken auswirkt. Da die Kleinstmengeneinspritzung desto schwieriger wird, je größer der Raildruck wird, wirkt sich die Verrundung der Einlaufkante positiv auf die Kleinstmen­ geneinspritzung aus. Die Düsenform der Zulaufdrossel 2 zusam­ men mit der Verrundung der Einlaufkante bewirken ein schnel­ les Schließen und langsames Öffnen der Düsennadelspitze 7, wie dies für optimale Verbrennungsverhältnisse gefordert wird.

Fig. 4 zeigt die Durchflußmenge der Zulaufdrossel 2 in Ab­ hängigkeit der Querschnittsform der Drossel. Wie aus der gra­ phischen Darstellung ersichtlich, ist die Düsenform bei nied­ rigen Raildrücken nur wenig wirksam, wodurch sich eine stei­ lere Öffnungsflanke ergibt, die wiederum für ein stabiles Öffnen bei niedrigen Drücken erforderlich ist.

Durch die Variation der Drosselquerschnitte der Zulaufdrossel 2 und der Ablaufdrossel 11 ist es möglich, den Durchfluß durch die Drosseln und die Druckdifferenz über die Drossel so einzustellen, daß bei einer Absenkung des Mindestöffnungs­ drucks eine gleichmäßig gute Kleinstmengeneinspritzung über den gesamten Raildruckbereich erzielt wird.

Durch Einstellen eines vorgebbaren Kavitationsumschlagpunktes mit Hilfe der Drosselgeometrie bei der Zulaufdrossel 2 und der Ablaufdrossel 11 ist ein "digitales Ventil" realisierbar, bei dem der Kraftstoffluß durch die Drosseln 2,11 im Wesent­ lichen nur von der Drosselgeometrie und insbesondere unahb­ hängig oder vorgebbar abhängig von den variablen Druckver­ hältnissen im Einspritzventil ist.

Claims (5)

1. Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschine, mit einem Servoventil (12) zur Steu­ erung der Kraftstoffeinspritzung und mit einem Steuerraum (4), der über eine Zulaufdrossel (2) mit einem Kraftstoffzu­ lauf in Verbindung steht und der über eine Ablaufdrossel (11) mit einem drucklosen Kraftstoff-Rücklauf (13) in Verbindung bringbar ist, wobei der im Steuerraum (4) herrschende Druck auf eine bewegliche Düsennadel (6) wirkt, der mit einer Dü­ sennadelspitze (7) in Wirkverbindung steht, die bei der Bewe­ gung der Düsennadel (6) Einspritzlöcher (8) freigibt oder verschließt, wobei das Servoventil (12) von einem Aktor (15) betätigt wird und zwischen einer die Ablaufdrossel (11) mit dem drucklosen Kraftstoff-Rücklauf (13) in Verbindung brin­ gende Offenstellung und einer diese Verbindung versperrenden Schließstellung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der die Düsennadel (6) die Ein­ spritzlöcher (8) freigibt oder verschließt über das Verhält­ nis von Zulaufdurchmesser (16) und Ablaufdurchmesser (17) der Zulaufdrossel (2) und/oder der Ablaufdrossel (11) einstell­ bar ist.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zulaufdrossel (2) düsenförmig ausgebildet ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufdrossel (11) diffuso­ rartig ausgebildet ist.

4. Einspritzventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ hältnis von Zulaufdurchmesser (16) zum Ablaufdurchmesser (17) der Zulaufdrossel (2) und/oder der Ablaufdrossel (11) 0,7 bis 1, 3 beträgt.

5. Einspritzventil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ laufkante der Zulaufdrossel (2) abgerundet ausgebildet ist.