DE10015740C2 - Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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 192 241 A1 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 gefördert, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern mit Kraftstoff versorgt werden. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird dabei in der Regel elektronisch 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.

Als Servoventile für Common-Rail-Systeme werden in der Regel 2/2-Wegeventile oder 3/2-Wegeventile verwendet.

Bei den die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit des Ein­ spritzventils beeinflussenden Steuerdrosseln handelt es sich um eine Zulaufdrossel und eine Ablaufdrossel, wobei die Zu­ laufdrossel im Bereich zwischen der von dem Hochdruckspeicher kommenden Hochdruckbohrung und dem Steuerraum angeordnet ist, in dem der eigentliche Düsenkörper axial beweglich gelagert ist, und die Ablaufdrossel in einer Bohrung angeordnet ist, die den Steuerraum mit dem Servoventil verbindet.

In der Regel liegt über eine von dem Kraftstoff durchflossene Drossel ein Druckgefälle vor, das heißt, dass der in Strö­ mungsrichtung vor der Drossel herrschende Vordruck sich von dem Gegendruck hinter der Drossel unterscheidet. Das Druckge­ fälle über eine Drossel wird unter anderem von dem Kavitati­ onsumschlagpunkt (KUP) bestimmt, der als das Druckgefälle re­ lativ zum Vordruck bestimmt ist, oberhalb von dem der Durch­ fluss durch die Drossel nicht mehr vom Gegendruck hinter der Drossel abhängt. Die Eigenschaft, dass ab einem bestimmten Differenzdruck der Massenstrom durch die Drossel nur noch vom Vordruck vor der Drossel und nicht mehr vom Gegendruck hinter der Drossel abhängt, ist für die bei Dieselmotoren verwende­ ten Common-Rail-Injektoren von Nutzen.

Da an der Ablaufdrossel ein möglichst frühzeitiger Eintritt in die Kavitation benötigt wird, um einen konstanten Abfluß zu erzielen, und an der Zulaufdrossel ein möglichst spätes Eintreten der Kavitation gefordert wird, ist es von Vorteil, wenn der Kavitationsumschlagpunkt in einem großen Umfang frei gewählt werden kann. Es besteht aber das Problem, dass bei einem gegebenen Durchfluss durch die Drossel der Kavitations­ umschlagpunkt bei einem möglichst geringen Druckgefälle ein­ zustellen ist. Der Nutzen von geringen Druckgefällen besteht bei pulsierenden Strömungen, die in der Einspritztechnik häu­ fig vorkommen, darin, dass dabei der Massenstrom pro Puls durch die Drossel deutlich weniger von Schwankungen des Ge­ gendrucks abhängt. Damit wird der Durchfluss reproduzierba­ rer.

Ein Einspritzventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, bei dem weiterhin der Kraftstoffdurchfluss durch die Zu­ laufdrossel auf mehrere Zulaufdrosseln aufgeteilt ist, ist beispielsweise aus der DE 195 29 826 C1 bekannt.

Die Verwendung insbesondere mehrerer parallel geschalteter Zulaufdrosseln an Stelle nur einer Zulaufdrossel offenbart zudem auch die US 5 842 640 A.

Darüber hinaus ist Gegenstand der nachveröffentlichten DE 100 07 175 A1, bei einem Injektor gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 die Zulaufdrossel düsenförmig und/oder die Ablaufdrossel diffusorförmig auszubilden.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass der Kavitationsumschlagpunkt (KUP) bei einem möglichst geringen Druckgefälle über die Drossel erzielt werden kann.

Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch die im Pa­ tentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

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

Durch das erfindungsgemäße Aufteilen des Durchmessers der Drosselbohrung der Zulaufdrossel und/oder der Ablaufdrossel auf mehrere Drosselbohrungen mit kleinerem Durchmesser, wobei die Drosselbohrungen der Zulaufdrossel (2) düsenförmig und/oder die Drosselbohrungen der Ablaufdrossel (11) diffu­ sorförmig ausgebildet sind, ist es möglich, den Kavitationsumschlagpunkt gezielt auf kleine Druckgefälle einzustellen, die mit einer einzelnen großen Drosselbohrung nicht einstellbar gewesen wären.

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 mit einem 2/2-Wegeventil als Servoventil;

Fig. 2 eine schematisch Detailansicht des eine Ablaufdros­ sel zeigenden Teils eines Ein­ spritzventils;

Fig. 3a einen Schnitt durch eine Drosselbohrung gemäß dem Stand der Technik und

Fig. 3b einen Fig. 3a entsprechenden Schnitt, jedoch die Drosselbohrungen eines erfindungsgemäßen Einspritz­ ventils darstellend.

Anhand von Fig. 1 werden zunächst der Aufbau und die Ar­ beitsweise eines Einspritzventils mit einem 2/2 Wegeventil als Servoventil erläutert.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird der Kraftstoff mit System­ druck von einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher über eine Hochdruckbohrung 1 und eine mit einer Zulaufdrossel 2 versehene Zulaufbohrung 3 einem Steuerraum 4 im Einspritzven­ tilgehäuse 5 zugeführt. Im Steuerraum 4 wirkt der dort vor­ liegende Druck auf das hintere Ende eines axial beweglich ge­ lagerten und geführten Düsenkörpers 6, der dazu dient, mit einer am vorderen Ende angeordneten Düsennadel 7 Einspritzlö­ cher 8 im Einspritzventilgehäuse 5 zu öffnen und zu ver­ schließen, die zum Brennraum eines 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 der Düsenkörper 6 auf­ grund der größeren Wirkfläche im Steuerraum 4 nach unten ge­ drückt, so dass die Einspritzlöcher 8 verschlossen werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform eines Einspritzventils führt vom Steuerraum 4 eine Bohrung 10 im Einspritzventilge­ häuse 5 mit einer Ablaufdrossel 11 zu einem in das Einspritz­ ventilgehäuse 5 integrierten Servoventil 12 in Form eines 2/2-Wegeventils. Vom Servoventil 12 führt ein druckloser Kraftstoff-Rücklauf 13 zum nicht dargestellten Kraftstoff­ tank. Das Servoventil 12 schaltet über einen Stößel 14, der von einem elektromagnetischen und/oder piezoelektrischen Ak­ tor 15 angesteuert wird.

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

Wenn das Servoventil 12 geschlossen ist, steht im Steuerraum 4 im wesentlichen der volle Systemdruck an, so dass der Dü­ senkörper 6 nach unten gedrückt wird und die Düsennadel 7 am vorderen Ende des Düsenkörpers 6 die Einspritzlöcher 8 ver­ schließt, die in den Brennraum führen.

Wird der Aktor 15 des Servoventils 12 elektrisch angesteuert, übt der Stößel 14 eine Kraft auf das federbelastete Servoven­ til 12 aus, in dessen Folge sich das Servoventil 12 öffnet. Bei offenem Servoventil 12 stellt sich zwischen Hochdruck­ speicher, Steuerraum 4, Servoventil 12 und Kraftstoff- Rücklauf 13 eine stationäre Strömung ein, die an den einzel­ nen Drosseln, der Zulaufdrossel 2 und der Ablaufdrossel 11, zu einem definierten Druckabfall führt. Die als zylindrische Bohrungen ausgebildeten Zulauf- und Ablaufdrosseln 2 und 11 sind so bemessen, dass sich dabei der Druck im Steuerraum 4 verringert. Durch diese Druckminderung nimmt die auf den Dü­ senkörper 6 wirkende Kraft ab, während der Druck in der Dü­ senkammer 9 gleich dem Systemdruck bleibt, so dass das Ein­ spritzventil durch die in der Düsenkammer 9 auf den Düsenkör­ per 6 wirkende Kraft hydraulisch geöffnet wird. Durch diese Verschiebung des Düsenkörpers 6 wird die Verbindung der Dü­ senkammer 9 mit den Einspritzlöchern 8 wieder hergestellt und der Kraftstoff wieder in den Brennraum eingespritzt.

Die Drosselbohrungen der Zulaufdrossel 2 sowie der Ablauf­ drossel 11 sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzventilen als einfache zylindrische Bohrungen ausge­ bildet, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist. Bei den von dem Kraftstoff durchflossenen Drosseln steht in Strömungsrichtung vor der Drossel der Vordruck P_vor und in Strömungsrichtung hinter der Drossel der Gegendruck P_geg an. Wenn der Gegendruck P_geg langsam von 0 auf den Vordruck P_vor erhöht wird, so ändert sich zunächst der Durchfluss durch die Drossel nicht. Erst ab Erreichen eines bestimmten Druckgefälles P_kup mit P_kup = P_vor - P_geg hängt der Durchfluss durch die Drossel vom Gegendruck P_geg ab. Dieser Punkt, ab dem diese Abhängigkeit beginnt, wird als Kavitationsumschlagpunkt (KUP) bezeichnet. Die Eigenschaft dass ab einem bestimmten Differenzdruck der Massenstrom nur noch vom Vordruck P_vor und nicht mehr vom Gegendruck P_geg ab­ hängt, ist insbesondere für die Anwendung in Common-Rail- Injektoren von großer Bedeutung.

Da an der Ablaufdrossel 11 ein möglichst frühzeitiger Ein­ tritt in die Kavitation benötigt wird, um einen konstanten Abfluß zu erzielen, und an der Zulaufdrossel 2 ein möglichst spätes Eintreten der Kavitation gefordert wird, ist es von Vorteil, wenn der Kavitationsumschlagpunkt in einem großen Umfang frei wählbar ist. Dabei besteht aber das Problem, bei gegebenem Durchfluss den Kavitationsumschlagpunkt bei einem möglichst geringen Druckgefälle einzustellen.

Der Nutzen eines Kavitationsumschlagpunktes bei einem gerin­ gen Druckgefälle liegt darin, dass dabei der Massenstrom der durch die Drosseln während des Schaltvorgangs deutlich weni­ ger von den Schwankungen des Gegendrucks P_geg und damit dem Strömungsquerschnitt des Ventils abhängt.

Bisher konnte der Kavitationsumschlagpunkt nur durch den Drosselbohrungsdurchmesser, die Länge der Drosselbohrung oder hydroerosive Verrundungen erzielt werden. Während die Ver­ kleinerung des Bohrungsdurchmessers den Nachteil mit sich bringt, dass auch der Massenstrom durch die Drosseln abnimmt, hat die Ausbildung der Verrundungen den Nachteil, dass diese das Druckgefälle, bei dem der Kavitationsumschlagpunkt liegt erhöhen.

Bei der in den Abbildungen Fig. 2 und 3b dargestellten Dros­ sel besteht die Drosselbohrung einer Drossel aus zwei paral­ lel zueinander angeordneten Drosselbohrungen, die einen jeweils gegenüber der bekannten Drosselbohrung reduzierten Boh­ rungsdurchmesser aufweisen. Durch die Erhöhung der Anzahl an Drosselbohrungen kann die Durchflussverminderung ausgeglichen werden, die durch die Reduzierung des Bohrungsdurchmessers bewirkt wird. Durch diese Ausbildung einer Mehrzahl von klei­ nen Drosselbohrungen, die jedoch den Durchfluss einer großen Drosselbohrung ermöglichen, kann der Kavitationsumschlagpunkt gezielt auf so kleine Druckgefälle eingestellt werden, wie dies bei der Ausbildung einer Drossel mit nur einer Drossel­ bohrung bei vorgegebenem Durchfluss nicht möglich ist.

Durch die Aufteilung der bekannten großen Drosselbohrungen auf mehrere Drosselbohrungen mit reduziertem Bohrungsdurch­ messer kann bei gleichbleibendem Durchfluss der Kavitations­ umschlagpunkt bei nur geringem Druckgefälle gezielt einge­ stellt werden.

Eine weitere Möglichkeit, das Durchflussverhalten einer Dros­ sel zu beeinflussen, ist, die Drossel nicht als zylindrische Bohrung, sondern als düsenförmige oder diffusorförmige Boh­ rung auszubilden.

Bei einer düsenförmig ausgebildeten Drosselbohrung ist der Zulaufdurchmesser größer als der Ablaufdurchmesser. Umgekehrt ist bei einer diffusorförmigen Drosselbohrung der Zulauf­ durchmesser kleiner als der Ablaufdurchmesser.

Die diffusorförmige Ausgestaltung der Drosselbohrung ist für die Ablaufdrossel 11 vorteilhaft, da sich hier der Kavitati­ onsumschlagpunkt zu den niedrigen Gegendruckwerten P_geg hin verschiebt. Dahingegen wird die düsenförmige Drosselbohrung für die Zulaufdrossel 2 bevorzugt, da sich aufgrund des höhe­ ren Drucks der Durchfluss erhöht, was wiederum ein schnelle­ res Schließen des Einspritzventils ermöglicht.

Claims (3)

1. Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Servoventil (12) zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und mit einem Steuerraum (4), der über eine Zulaufdrossel (2) und eine Zulaufbohrung (3) mit einem Kraftstoffzulauf in Verbindung steht und der ü­ ber eine Ablaufdrossel (11) mit einem drucklosen Kraftstoff- Rücklauf (13) in Verbindung bringbar ist, wobei der im Steu­ erraum (4) herrschende Druck auf einen beweglichen Düsenkör­ per (6) wirkt, der mit einer Düsennadel (7) in Wirkverbindung steht, die bei der Bewegung des Düsenkörpers (6) Einspritzlö­ cher (8) freigibt oder verschließt, wobei das Servoventil (12) einen Stößel (14) aufweist, der über einen Aktor (15) zwischen einer die Ablaufdrossel (11) mit dem drucklosen Kraftstoff-Rücklauf (13) in Verbindung bringende Offenstel­ lung und einer diese Verbindung versperrenden Schließstellung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kraftstoffdurchfluss durch die Zulaufdrossel (2) und/oder die Ablaufdrossel (11) auf mehrere Zulaufdrosseln (2) und/oder Ablaufdrosseln (11) mit einem jeweils kleineren Drosselbohrungsdurchmesser aufteilbar ist,
wobei die Drosselbohrungen der Zulaufdrossel (2) düsenförmig und/oder die Drosselbohrungen der Ablaufdrossel (11) diffu­ sorförmig ausgebildet sind.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die mehreren Zulaufdrosseln (2) bzw. Ablaufdrosseln (11) mit jeweils kleinerem Drosselboh­ rungsdurchmesser parallel zueinander ausgebildet sind.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffgesamtdurchfluss durch die mehreren Zulaufdrosseln (2) und/oder Ablaufdrosseln (11) mit kleinerem Drosselbohrungsdurchmesser dem Kraftstoffgesamtdurchfluss durch eine Zulaufdrossel (2) bzw. Ablauf­ drossel (11) mit nur einer Drosselbohrung entspricht.