DE10007733A1

DE10007733A1 - Einspritzventil

Info

Publication number: DE10007733A1
Application number: DE2000107733
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Erhardt; Stephan Krell
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2000-02-19
Filing date: 2000-02-19
Publication date: 2001-08-23

Abstract

Bei einem Einspritzventil mit einer durch einen Aktor betätigten, eine axial verschiebbare Düsennadel aufweisenden Einspritzdüse soll ein zuverlässiger und reproduzierbarer Einspritzvorgang des sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoffs und ein störungsfreier Dauerbetrieb des Einspritzventils gewährleistet werden. DOLLAR A Hierzu ist zwischen dem Aktor und der Düsennadel zur Abdichtung des sich unter Hochdruck befindlichen Kraftstoffs ein metallisches Wellrohr angeordnet. DOLLAR A Einspritzventil zum Einspritzen 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 48 526 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 oder indirekt vom Aktor betätigt wer den.

In der gattungsbildenden DE 195 48 526 A1 mit einer nach außen öffnenden Ein spritzdüse ("A-Düse") ist der Bereich des Einspritzventils mit sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff (der Hochdruckbereich), insbesondere die zur Bereit stellung des Kraftstoff an die Düsennadel dienende Kraftstoffkammer, über eine als Dichtungsring ausgebildete Dichtung gegenüber dem Aktor (dem Niederdruckbe reich) abgedichtet. Im Betrieb des Einspritzventils kann dieser Dichtungsring die Abdichtung des sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoffs nur bedingt und aufgrund von Verschleiß nur kurzfristig gewährleisten, was insbesondere im Dauerbetrieb des Einspritzventils bei einer hohen Anzahl an Einspritzvorgängen Probleme verursachen 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 auf einfache Weise ein zuverlässi ger und reproduzierbarer Einspritzvorgang und ein störungsfreier Betrieb des Ein spritzventils über die erforderliche Lebensdauer gewährleistet wird.

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 annähernd druckausgeglichenen Einspritzventil ist die Abdich tung des sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoffs, insbesondere des sich in der Kraftstoffkammer und der Kraftstoffleitung befindlichen Kraftstoffs, gegenüber dem Aktor mittels einer als metallisches Wellrohr ausgebildeten Dichtung realisiert; hierdurch wird ein gegenüber dem Hochdruckbereich völlig abgedichteter (kraft stoffloser) Niederdruckbereich gebildet. Der Niederdruckbereich kann mit einem Fluid (einer Gas oder Flüssigkeit) ausgefüllt sein, vorzugsweise wird der Nieder druckbereich mit Öl ausgefüllt. Das in axialer Richtung leicht verschiebbare, beim Einspritzvorgang aber nicht scheuernde oder reibende metallische Wellrohr ist zwi schen der Düsennadel bzw. der Kraftstoffkammer und dem Aktor angeordnet, vor zugsweise auf einem sich in axialer Richtung von der Kraftstoffkammer in Richtung Aktor erstreckenden Trägerteil aufgebracht; insbesondere umgibt das metallische Wellrohr das Trägerteil im dessen dem Aktor zugewandten oberen Bereich. Das me tallische Wellrohr wird zusammen mit dem Trägerteil annähernd spannungsfrei in das Einspritzventil zwischen der Kraftstoffkammer und dem Aktor eingebaut. Das metallische Wellrohr ist an seinem oberen, dem Aktor zugewandten Ende mit dem Trägerteil fest verbunden, bsp. durch Kleben, Löten oder Bördeln, vorzugsweise durch Verschweißen. Das Trägerteil dient gleichzeitig zur Aufnahme der Düsennadel, die auf dem Trägerteil kraftschlüssig oder formschlüssig angeordnet ist. Zur Entlastung der Verbindungsstelle von metallischem Wellrohr und Trägerteil (bsp. der Schweißnaht) und zur radialen Führung des Trägerteils ist auf dem oberen, dem Ak tor zugewandten Ende des metallischen Wellrohrs bzw. Trägerteils eine Abdeckung als Kopfstück angeordnet (bsp. auf das metallische Wellrohr aufgepreßt); über diese Abdeckung erfolgt die kraftschlüssige Kopplung zwischen dem Trägerteil und damit der auf diesem Trägerteil kraftschlüssig oder formschlüssig angeordneten Düsenna del einerseits sowie dem Aktor andererseits. Bei der Verbindung von Düsennadel und Trägerteil wird die Position der Düsennadel auf dem Trägerteil sehr genau vor gegeben und gleichzeitig eine Vorspannung der Düsennadel durch eine das Träger teil im unteren Bereich umschließende Ventilfeder vorgenommen.

Zur Gewährleistung eines Temperatur- und Toleranzausgleichs bei sich ändernden Systemeigenschaften des Einspritzventils oder variierenden äußeren Bedingungen (bsp. Temperaturschwankungen), insbesondere im gesamten im Betrieb des Ein spritzventils vorkommenden Temperaturbereich, ist auf der Oberseite des Aktors, also entgegengesetzt zu der dem metallischen Wellrohr bzw. zu der der Düsennadel zugewandten Unterseite des Aktors ein Ventilspielausgleich angeordnet; dieser vor zugsweise hydraulische Ventilspielausgleich ist dort positioniert, um die im Betrieb des Einspritzventils bewegten Massen gering zu halten. Der (hydraulische) Ventil spielausgleich besitzt eine mit einer (hydraulischen) Flüssigkeit (bsp. Öl) befüllte Druckkammer und eine über einen ringförmigen Drosselspalt mit der Druckkammer verbundene Ausgleichsleitung in der Art eines Bypass; die Druckkammer weist eine möglichst große Querschnittsfläche sowie ein möglichst kleines Volumen auf, so daß sowohl die durch den Aktor hervorgerufene Druckerhöhungen als auch die Leckageverluste und die Kompression der hydraulischen Flüssigkeit in der Druck kammer gering sind.

Bei einer Aktivierung des Aktors (bei einer Beaufschlagung des Aktors mit einer vor gegebenen Spannung), bewegt sich die Düsennadel nach Kompression der Flüssig keit in der Druckkammer und Kompensation der Vorspannkraft der Ventilfeder in die vorgegebene Richtung (bsp. bei einer A-Düse mit einer sich nach außen öffnenden Einspritzdüse nach außen), wodurch die Einspritzöffnung der Düsennadel vom Ven tilsitz abhebt und ein Öffnungsspalt entsteht. Der Hub (Öffnungsweg) der Düsenna del wird beim Öffnen der Düsennadel durch eine an der der Einspritzöffnung abgewandten (bzw. an der dem Trägerteil zugewandten) Oberseite der Kraftstoffkammer (in diese mündet die Kraftstoffleitung oberhalb des Einspritzventils) ausgebildete Ausformung begrenzt; durch diese einen Anschlag für die Bewegung des Hubkol bens bildende Ausformung wird der Öffnungsweg der mit dem Trägerteil verbunde nen Düsennadel definiert und reproduzierbar vorgegeben, d. h. die Auslenkung der Düsennadel wird beendet, wenn der Spalt zwischen dem Trägerteil und der Ausfor mung geschlossen wird. Vorzugsweise wird die Düsennadel bei jedem Einspritzvor gang bis zum Anschlag (d. h. maximal) ausgelenkt und damit über die Bestromungs dauer 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. Nach der Deaktivierung des Aktors wird die Düsennadel wieder in ihre ursprüngliche Position zurückbewegt und damit der Öffnungsspalt zwischen Düsennadel und Ventilsitz geschlossen; gleichzeitig werden die Leckageverluste an hydraulischer Flüssigkeit im hydraulischen Ventilspielaus gleich durch ein Rückschlagventil oder über den sich oberhalb der Druckkammer befindlichen ringförmig ausgebildeten Drosselspalt ausgeglichen.

Die Abdichtung zwischen dem sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff (dem Hochdruckbereich) und dem Aktor des Einspritzventils (dem Niederdruckbereich) kann durch das metallische Wellrohr mit hoher Sicherheit und ohne großen Aufwand erfolgen; durch diese exakte, annähernd verschleißfreie und zuverlässige Dichtung kann ein dauerhafter und zuverlässiger Betrieb des Einspritzventils erreicht werden. Da beim Einspritzvorgang keine Reibung zwischen metallischem Wellrohr und ande ren Bauteilen auftritt, arbeitet diese Dichtung annähernd verschleißfrei; dabei kann das metallische Wellrohr so ausgebildet werden, daß das Einspritzventil annähernd druckausgeglichen ist (wobei der statische Druck im Kraftstoff vorzugsweise schlie ßend auf die Düsennadel wirkt), so daß sowohl eine hohe Dynamik beim Einspritz vorgang als auch eine hohe Betriebssicherheit erreicht wird.

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 sennadel 2 wird über eine Ventilfeder 4 in den Ventilsitz 3 gepreßt, deren Feder kraft klein gehalten werden kann; somit wird die Einspritzdüse 1 durch die Ventilfe der 4 im spannungslosen Zustand des Aktors 6 verschlossen. Die Vorspannkraft der Ventilfeder 4 wird für die jeweilige Ausführung des Einspritzventils und der Einspritz düse 1 so eingestellt, daß ein sicheres Verschließen der Einspritzdüse 1 im span nungslosen Zustand des Aktors 6 erreicht wird. Der für den Betrieb des Einspritzven tils benötigte Einspritzdruck des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs 11 von bis zu 300 bar wird von einer dem Einspritzventil vorgeschalteten Kraftstoffpumpe be reitgestellt. Der Kraftstoff 11 wird von der Kraftstoffpumpe vorzugsweise über ein Rail an einen Kraftstoffanschluß und über die Kraftstoffleitung 5 im Inneren des Ein spritzventils bis an die Düsennadel 2 geführt; die Kraftstoffleitung 5 mündet in die zur Kraftstoffzuführung an die Einspritzdüse 1 bzw. Düsennadel 2 vorgesehene Kraftstoffkammer 8. Die Kraftstoffkammer 8 ist bsp. als Drallkammer mit zur Ver wirbelung des Kraftstoffs dienenden tangentialen Strömungskanälen ausgebildet; an der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 ist eine bsp. ringförmige Ausformung 9 vorgesehen.

Die Düsennadel 2 ist kraftschlüssig oder formschlüssig auf dem Trägerteil 7 aufge bracht (bsp. aufgepreßt), wobei beim Fügen von Düsennadel 2 und Trägerteil 7 eine sehr exakte Positionierung (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 ange brachte, einen Anschlag für das Trägerteil 7 bildende Ausformung 9 auf bsp. 80 um begrenzt (maximaler Öffnungsweg der Düsennadel 2). Das Trägerteil 7 besitzt eine am oberen Ende der Düsennadel 2 befindliche Ausformung 10 in der Art eines Fe dertellers; mit dieser Ausformung wird die Ventilfeder 4 vorgespannt. Das Trägerteil 7 ist in dem sich nach der Ausformung 10 in Richtung Aktor 6 erstreckenden oberen Bereich von einem metallischen Wellrohr 12 (Faltenbalg) umgeben, das als Dichtung gegenüber dem sich in der Kraftstoffleitung 5 und in der Kraftstoffkammer 8 befind lichen unter Hochdruck stehenden Kraftstoff 11 fungiert. Das bsp. aus Stahl beste hende metallische Wellrohr 12 mit einer Länge von bsp. 20 mm und einem Innen durchmesser von bsp. 3 mm wird am unteren Ende 17 in die Halterung 13 (bsp. einen Stahlzylinder) eingebracht, bsp. durch Kleben, Löten oder Bördeln, vorzugs weise durch Einschweißen; die Halterung 13 wird zusammen mit dem metallischen Wellrohr 12 in das Gehäuse des Einspritzventils am Kopfstück 25 eingebracht, bsp. eingepreßt; das spannungsfreie metallische Wellrohr 12 wird am oberen Ende 18 mit dem Trägerteil 7 formschlüssig verbunden, bsp. mit dem Trägerteil 7 verschweißt. Die Verbindungsstelle von metallischem Wellrohr 12 und Trägerteil 7 am oberen Ende 18 des metallischen Wellrohrs 12 wird von einer bsp. in Form einer Kappe ausgebildeten Abdeckung 14 umgeben, die einerseits zum Schutz dieser Verbin dungsstelle und andererseits zur Übertragung der vom Aktor 6 hervorgerufenen Be wegung auf das Trägerteil 7 und damit auf die Düsennadel 2 bzw. Einspritzdüse 1 sowie zur radialen Führung des Trägerteils 7 dient. Die Abdeckung 14 ist in einen Führungskolben 16 eingebracht. Im Führungskolben 16 ist mindestens eine als Aus gleichsbohrung 27 dienende axiale Bohrung eingebracht, durch die eine Kompressi on des sich im Niederdruckbereich 24 außerhalb des metallischen Wellrohrs 12 befindlichen Fluids (insbesondere der den Niederdruckbereich 24 ausfüllenden Flüs sigkeit, bsp. des den Niederdruckbereich 24 ausfüllenden Öls) vermieden wird.

Das Trägerteil 7 ist durch die Ventilfeder 4 vorgespannt und über die Abdeckung 14 kraftschlüssig mit dem Aktor 6 gekoppelt. Als mit einer elektrischen Spannung be aufschlagter Aktor 6 ist bsp. ein piezoelektrischer Aktor 6 mit einer Länge von bsp. 70 mm vorgesehen, der sich proportional zur an den Aktor 6 angelegten Spannung ausdehnt.

Zur Realisierung eines Temperatur- und Toleranzausgleichs ist an der der Einspritz düse 1 bzw. der Düsennadel 2 abgewandten Oberseite 20 des Aktors 6 oberhalb des Aktors 6 ein hydraulischer Ventilspielausgleich 21 vorgesehen, der eine bsp. mit Öl als hydraulischer Flüssigkeit gefüllte Druckkammer 22, einen Ausgleichskolben 23 und eine Ausgleichsleitung 28 (Bypass) aufweist, durch die aus dem Druckraum 22 verdrängte hydraulische Flüssigkeit über einen ringförmig ausgebildeten Dros selspalt 29 auf die Unterseite des Ventilspielausgleichs 21 zurückfließt. Die im Betrieb des Einspritzventils auftretenden Leckageverluste an hydraulischer Flüssigkeit werden bsp. über das Rückschlagventil 26 ausgeglichen. Durch die Vorgabe der Querschnittsfläche (der Stirnfläche) der Druckkammer 22 kann die bei einer Bewe gung des Aktors 6 hervorgerufene Druckerhöhung und damit die Kompression der sich in der Druckkammer 22 befindlichen hydraulischen Flüssigkeit beeinflußt wer den; durch Wahl einer großen Querschnittsfläche (Stirnfläche) sowie eines möglichst kleinen Volumens der Druckkammer 22 können Kompression und Leckageverluste der hydraulischen Flüssigkeit gering gehalten 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 nach Kompensation der Vor spannkraft der Ventilfeder 4 und nach Kompression der hydraulischen Flüssigkeit in der Druckkammer 22 das Trägerteil 7 nach unten bewegt, wodurch die Düsennadel 2 vom Ventilsitz 3 abhebt und über den hierdurch entstehenden Öffnungsspalt eine bestimmte Menge Kraftstoff 11 proportional zur (Zeitdauer der) Bestromung des Aktors 6 in den entsprechenden Verbrennungsraum des Ottomotors eingespritzt wird. Der Öffnungsweg bzw. die Auslenkung der Düsennadel 2 wird dadurch be grenzt, daß der Spalt zwischen dem Trägerteil 7 und der an der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 befindlichen Ausformung 9 geschlossen wird, d. h. daß das Trä gerteil 7 gegen den durch die Ausformung 9 gebildeten Anschlag fährt. Nach dem Deaktivieren des Aktors 6 werden das Trägerteil 7 und der Aktor 6 durch die Feder kräfte der jeweils zugehörigen Feder (Ventilfeder 4 bzw. Aktorfeder 15) in ihre Aus gangslage zurückgestellt. Durch das metallische Wellrohr 12 wird der sich im Hoch druckbereich befindliche Kraftstoff 11 abgekapselt, d. h. es wird ein Übertreten von Kraftstoff 11 in den Niederdruckbereich 24 bei einer Bewegung des Aktors 6, des Trägerteils 7 und der Düsennadel 2 verhindert. Um eine hohe Dynamik im Betrieb des Einspritzventils zu erreichen, besitzen alle bewegten Bauteile des Einspritzven tils (insbesondere Trägerteil 7, Abdeckung 14, Führungskolben 16, Aktorfeder 15 und Düsennadel 2) eine geringe Masse. Um die Leckageverluste und die Kompres sion der hydraulischen Flüssigkeit in der Druckkammer 22 des Ventilspielausgleichs 21 bei der Ausdehnung des Aktors 6 zu minimieren, besitzt die Druckkammer 22 eine große Querschnittsfläche von bsp. 100 mm² und eine geringe Bauhöhe von bsp. 1 mm.

Claims

1. Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff (11) unter hohem Druck in den Ver brennungsraum einer Brennkraftmaschine, mit
einer eine axial verschiebbare Düsennadel (2) aufweisenden Einspritzdüse (1), einem mit einer elektrischen Spannung beaufschlagten Aktor (6) zur Betätigung der Düsennadel (2),
einer Kraftstoffleitung (5), die in eine mit der Einspritzdüse (1) verbundene Kraft stoffkammer (8) mündet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktor (6) gegenüber dem sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff (11) mittels eines zwischen der Kraftstoffkammer (8) und dem Aktor (6) ange ordneten metallischen Wellrohrs (12) abgedichtet ist.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Wellrohr (12) auf einem sich in axialer Richtung zwischen der Kraftstoffkammer (8) und dem Aktor (6) erstreckenden Trägerteil (7) aufgebracht ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (7) in dem dem Aktor (6) zugewandten oberen Bereich vom metallischen Wellrohr (12) umgeben ist.

4. Einspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das metal lische Wellrohr (12) am dem Aktor (6) zugewandten oberen Ende (18) mit dem Trägerteil (7) formschlüssig verbunden ist.

5. Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Wellrohr (12) am dem Aktor (6) zugewandten oberen Ende (18) mit dem Träger teil (7) verschweißt ist.

6. Einspritzventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbin dungsstelle von metallischem Wellrohr (12) und Trägerteil (7) von einer mit dem Aktor (6) kraftschlüssig gekoppelten Abdeckung (14) umgeben ist.

7. Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (14) in einen Führungskolben (16) eingebracht ist.

8. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Wellrohr (12) am dem Aktor (6) abgewandten unteren Ende (17) in eine Halterung (13) eingebracht ist.

9. Einspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Wellrohr (12) am dem Aktor (6) abgewandten unteren Ende (17) in die Halterung (13) eingeschweißt ist.

10. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffkammer (8) auf der dem Aktor (6) zugewandten Oberseite (19) eine Ausformung (9) aufweist, so daß bei einer Bewegung des Trägerteils (7) der Hub der Düsennadel (2) begrenzt ist.

11. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffkammer (8) als Drallkammer mit tangential angeordneten Strömungskanälen ausgebildet ist.

12. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite (20) des Aktors (6) ein mit dem Aktor (6) gekoppelter Ventilspielausgleich (21) vorgesehen ist, der eine mit einer hydraulischen Flüs sigkeit gefüllte Druckkammer (22)und einen Ausgleichskolben (23) aufweist.

13. Einspritzventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkam mer (22) über einen ringförmigen Drosselspalt (29) mit einer Ausgleichsleitung (28) in Verbindung steht.

14. Einspritzventil nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Aus gleichskolben (23) ein Rückschlagventil (26) vorgesehen ist.

15. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (1) eine nach außen öffnende Düsennadel (2) aufweist.