DE10039544A1

DE10039544A1 - Einspritzventil

Info

Publication number: DE10039544A1
Application number: DE2000139544
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Erhardt; Stephan Krell
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2000-08-12
Filing date: 2000-08-12
Publication date: 2002-04-04

Abstract

Bei einem Einspritzventil mit einer durch einen Aktor betätigten, eine axial verschiebbare, nach außen öffnende Düsennadel aufweisenden Einspritzdüse soll ein zuverlässiger und reproduzierbarer Einspritzvorgang des sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoffs gewährleistet werden. DOLLAR A Hierzu ist im Bereich der Düsennadel ein als Nadelführung für die Düsennadel ausgebildeter Drallgeber angeordnet, der ein Homogenisieren des in den Verbrennungsraum eingespritzten Kraftstoffs bewirkt. 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.

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 und sich hierdurch entsprechend ausdehnen oder entspannen; die Düsen nadel kann entweder direkt oder indirekt vom Aktor betätigt werden.

Bei einer nach außen öffnenden Einspritzdüse ("A-Düse") kann zur Zentrierung bzw. Stabilisierung der Düsennadel bei geöffneter Einspritzdüse eine Nadelführung vorge sehen werden. Durch diese Nadelführung wird jedoch die Homogenität der Strö mung des der Einspritzdüse unter hohem Druck zugeführten Kraftstoffs und damit des in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine über die Einspritzöffnung eingespritzten Kraftstoffs beeinträchtigt, was sich wiederum negativ auf den Ver brennungsprozeß im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine auswirkt.

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 gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal im Kennzeichen des Pa tentanspruchs 1 gelöst.

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

Beim vorgestellten Einspritzventil wird durch einen im unteren Bereich der Düsen nadel, insbesondere unmittelbar oberhalb der Einspritzöffnung angeordneten Drall geber der Austritt des Kraftstoffs bei einer nach außen öffnenden Einspritzdüse ("A- Düse") homogenisiert; der Drallgeber wird hierbei mittels der Nadelführung für die Düsennadel realisiert, in deren Oberfläche tangential verlaufende Aussparungen eingebracht werden, die insbesondere als spiralförmige Vertiefungen ausgebildet sind. Die als Strömungskanäle für den Kraftstoff dienenden und dem Kraftstoff einen bestimmten Drall (ein bestimmtes Drehmoment) versetzenden Aussparungen kön nen durch Materialabtrag aus der Nadelführung herausgearbeitet werden, bsp. aus dem Material der (bsp. aus Stahl bestehenden) Nadelführung herauserodiert oder herausgefräst werden. Optional kann eine Verdrehsicherung für die Düsennadel vorgesehen werden, um das dem Kraftstoff vom Drallgeber aufgezwungene Drehmoment zu kompensieren bzw. abzufangen; die Verdrehsicherung ist bsp. zwi schen einem Trägerteil für die Düsennadel und einem Anschlag für die Auslenkung der Düsennadel angeordnet und bsp. durch mindestens einen im Anschlag veran kerten Bolzen und mindestens eine im Trägerteil angebrachte Bohrung oder umge kehrt durch einen im Trägerteil verankerten Bolzen und mindestens eine im An schlag angebrachte Bohrung realisiert.

Bei einer Aktivierung des Aktors (bei einer Beaufschlagung des Aktors mit einer vor gegebenen Spannung) bewegt sich die Düsennadel nach außen, wodurch die Ein spritzöffnung der Düsennadel vom Ventilsitz abhebt und ein Öffnungsspalt entsteht. Hierbei muß der der Einspritzdüse zugeführte Kraftstoff die auf der Oberfläche der Nadelführung eingebrachten Aussparungen (spiralförmigen Vertiefungen) passieren, wodurch direkt vor der Einspritzöffnung ein Drall im Kraftstoff erzeugt wird. Durch die Anordnung des Drallgebers unmittelbar vor der Einspritzöffnung der Düsennadel wird der hohlkegelförmige Strahl des in den Verbrennungsraum eingespritzten Kraft stoffs homogenisiert, d. h. die Strähnigkeit des Kraftstoffstrahls (Inhomogenität über den Umfang) vermindert. Nach der Deaktivierung des Aktors wird die Düsennadel wieder in ihre ursprüngliche Position zurückbewegt und damit der Öffnungsspalt zwischen Düsennadel und Ventilsitz geschlossen.

Durch die Kombination der Funktionen des Drallgebers und der Nadelführung in einer Komponente des Einspritzventils kann der Aufbau des Einspritzventils verein facht werden. Aufgrund der durch den Drallgeber erzielten Homogenität des in den Verbrennungsraum eingespritzten Kraftstoffs ist ein kleiner Hub der Düsennadel möglich, so daß auch die Mindestmenge des in den Verbrennungsraum eingespritz ten Kraftstoffs reduziert und somit das Teillastverhalten verbessert werden kann; weiterhin wird hierdurch der Verbrennungsprozeß des Kraftstoffs im Verbrennungs raum verbessert und somit eine Verbrauchs- und Abgasreduzierung erzielt.

Das Einspritzventil wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zu sammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben.

Hierbei zeigt

Fig. 1 in einer Schnittzeichnung die wesentlichen Komponenten des Einspritzven tils zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Ottomo tors.

Fig. 2 eine Detailansicht des Drallgebers.

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 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 Einspritzdüse 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 (typischerweise 50-200 bar) wird von einer dem Einspritzventil vorge schalteten Kraftstoffpumpe bereitgestellt. Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff 11 wird von der Kraftstoffpumpe vorzugsweise über ein Rail an einen Kraftstoffan schluß 13 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 vorgesehene Kraftstoffkammer 8. An der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 ist eine bsp. ringförmige Ausformung 9 vorge sehen. Im unteren Bereich 41 der Düsennadel 2 ist eine Nadelführung 36 vorgese hen. Gemäß der Fig. 2 sind auf der Oberfläche 40 der Nadelführung 36 zur Reali sierung des Drallgebers 42 tangentiale Aussparungen 38 herausgefräst, so daß spi ralförmige Vertiefungen als Strömungskanäle 39 gebildet werden, durch die der größte Teil des der Einspritzöffnung 37 der Düsennadel 2 zugeführten Kraftstoffs strömt.

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 µm begrenzt (maximaler Öffnungsweg der Düsennadel 2); der minimale Hub beträgt bsp. 40 µm und damit die Minimalmenge an eingespritztem Kraftstoff 3 mm³. Das Trägerteil 7 besitzt eine den unteren Bereich 17 begrenzende Ausformung 10 in der Art eines Federtellers; mit dieser Ausformung wird die Ventilfeder 4 vorgespannt. In dem sich nach der Ausformung 10 des Trägerteils 7 in Richtung Aktor 6 erstrecken den oberen Bereich 18 des Trägerteils 7, d. h. zwischen der Ventilfeder 4 und der Aktorfeder 15, ist eine zur Druckreduzierung des sich in der Kraftstoffleitung 5 und in der Kraftstoffkammer 8 befindlichen, unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs 11 dienende Drossel 14 vorgesehen; die Drossel 14 wird durch auf der Außenfläche (Mantelfläche) des Trägerteils 7 eingebrachte Aussparungen 27 und einem das Trägerteil 7 im Bereich der Aussparungen 27 umgebenden als Drosselführung ausge bildeten Drosselzylinder 16 gebildet. Das bsp. aus Stahl bestehende, im oberen Be reich 18 in der Form eines Zylinders ausgebildete Trägerteil 7 besitzt eine Außen durchmesser von bsp. 3 mm; auf einer Länge von bsp. 10 mm sind bsp. 8 umlau fende Nuten mit einer Tiefe von bsp. 0.2 mm als Aussparungen 27 in die Außenflä che (Mantelfläche) des Trägerteils 7 eingebracht. Das Trägerteil 7 wird im oberen Bereich 18 von dem als Drosselführung ausgebildeten Drosselzylinder 16 im Ab stand von bsp. 2 µm umschlossen, so daß bei einem Druckgefälle von bsp. 300 bar zwischen Hochdruckbereich 26 und Niederdruckbereich 24 ein Leckagestrom an Kraftstoff von bsp. 2 l/h bis 4 l/h vom Hochdruckbereich 26 mit sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff 11 (Druck bsp. 300 bar) zum Niederdruckbereich 24 mit sich unter niedrigem Druck befindlichen Kraftstoff 12 (Druck bsp. 5-10 bar) auftritt.

Nach dem Einsetzen von Düsennadel 2 und Trägerteil 7 in das Kopfstück 25 des Gehäuses des Einspritzventils wird die Düsennadel 2 mit dem Trägerteil 7 form schlüssig verbunden, bsp. auf das Trägerteil 7 aufgepreßt. Anschließend wird der Drosselzylinder 16 in das Kopfstück 25 eingebracht und dort bsp. eingeschweißt. Das durch die Ventilfeder 4 vorgespannte Trägerteil 7 ist direkt kraftschlüssig mit dem Aktor 6 gekoppelt; hierdurch wird die vom Aktor 6 hervorgerufene Bewegung direkt auf das Trägerteil 7 und damit auf die Düsennadel 2 bzw. Einspritzdüse 1 übertragen. Der Aktor 6 ist von einem als Kapselung gegenüber dem Kraftstoff 12 fungierenden Aktorgehäuse 28 umgeben. Als mit einer elektrischen Spannung be aufschlagter Aktor 6 ist bsp. ein piezoelektrischer Aktor 6 mit den Maßen Höhe × Breite × Tiefe von bsp. 80 mm × 7 mm × 7 mm vorgesehen, der sich proportional zur an den Aktor 6 angelegten Spannung ausdehnt.

Oberhalb des Aktors 6, d. h. an der der Einspritzdüse 1 bzw. der Düsennadel 2 ab gewandten Oberseite 20 des Aktors 6 ist ein Ventilspielausgleich 21 zur Realisie rung eines Temperatur- und Toleranzausgleichs vorgesehen, der eine mit dem sich unter niedrigem Druck stehenden Kraftstoff 12 gefüllte Druckkammer 22 (Kraft stoffdruck bsp. 5 bis 10 bar) und einen mit der Druckkammer 22 in Verbindung ste henden Ausgleichskolben 23 aufweist; der aus dem Druckraum 22 verdrängte Kraftstoff 12 wird über die Kraftstoff-Rückleitung 29 dem Kraftstofftank bzw. der Kraft stoffpumpe zur Verfügung gestellt.

Die im Betrieb des Einspritzventils auftretenden Leckageverluste an Kraftstoff 12 in der Druckkammer 22 werden über eine mit einem Rückschlagventil 35 gesicherte Kraftstoffzuführung aus dem Niederdruckbereich 24 (Aktor 6) oder über eine Dros selbohrung 30 ausgeglichen; gemäß der Fig. 1 wird der Kraftstoff 12 der Druck kammer 22 über die Drosselbohrung 30 zugeführt. Durch die Vorgabe der Quer schnittsfläche (der Stirnfläche) der Druckkammer 22 kann die bei einer Bewegung des Aktors 6 hervorgerufene Druckerhöhung und damit die Kompression der sich in der Druckkammer 22 befindlichen Kraftstoffs 12 beeinflußt werden; durch Wahl einer großen Querschnittsfläche (Stirnfläche) sowie eines möglichst kleinen Volu mens der Druckkammer 22 können Kompression und Leckageverluste des Kraft stoffs 12 gering gehalten werden. Zur Montage des Rückschlagventils 35 und zur Abdichtung des Druckraums 22 ist ein bsp. als Stopfen ausgebildeter Verschluß 31 vorgesehen. Die Vorspannfeder 32 dient zur Vorspannung des Rückschlagventils 35. Zwischen der Druckkammer 22 und der Kraftstoff-Rückleitung 29 ist eine Entlüf tungsdrossel 33 zur Entlüftung der Druckkammer 22 vorgesehen. Der Stecker 34 dient zur Abdichtung des Niederdruckbereichs 24 sowie zur Kontaktierung des Ak tors 6.

Während eines Einspritzvorgangs wird der Aktor 6 (bsp. von einem Steuergerät) mit einer konstanten oder zeitlich sich ändernden Spannung beaufschlagt und hierdurch aktiviert; infolge der Bestromung wird durch die Ausdehnung des Aktors 6 nach der Kompensation der Vorspannkraft der Ventilfeder 4 (Federkraft bsp. 150 N) und der Bewegung des Ausgleichskolbens 23 das Trägerteil 7 nach unten bewegt, wodurch die Düsennadel 2 vom Ventilsitz 3 abhebt und über den hierdurch entstehenden Öffnungsspalt der Einspritzöffnung 37 eine bestimmte Menge an sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff 11 proportional zur (Zeitdauer der) Bestromung des Aktors 6 in den entsprechenden Verbrennungsraum des Ottomotors eingespritzt wird. Durch die gleichzeitig aufgrund der Ausgestaltung ihrer Oberfläche 40 (Ausbil dung von spiralförmigen Vertiefungen 38 als Strömungskanäle 39) als Drallgeber 42 fungierende Nadelführung 36 wird dem Kraftstoff 11 ein Drall versetzt und somit der hohlkegelförmige Strahl des eingespritzten Kraftstoffs 11 homogenisiert, wodurch auch der Verbrennungsprozeß im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine ver bessert wird und die Minimalmenge an in den Verbrennungsraum der Brennkraftma schine eingespritzten Kraftstoffs 11 gering gehalten werden kann (bsp. beträgt diese Minimalmenge 3 mm³). Der Öffnungsweg bzw. die Auslenkung der Düsennadel 2 wird dadurch begrenzt, 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 Trägerteil 7 gegen den durch die Ausformung 9 gebildeten Anschlag fährt.

Nach dem Deaktivieren des Aktors 6 (der Aktor 6 wird entladen bzw. entstromt) werden die Düsennadel 2 bzw. das Trägerteil 7 sowie der Aktor 6 durch die Feder kräfte der jeweils zugehörigen Feder (Ventilfeder 4, Aktorfeder 15) in ihre Aus gangslage zurückgestellt. Bei der Entstromung des Aktors 6 nimmt durch die Kon traktion des Aktors 6 die Kontaktkraft zwischen Aktor 6 und Ausgleichskolben 23 des Ventilspielausgleichs 21 schlagartig stark ab, wobei der Ausgleichskolben 23 des Ventilspielausgleichs 21 nach einigen Schwingungen in seine Ausgangslage zurückkehrt.

Durch die Drossel 14 wird der Druck des sich im Hochdruckbereich 26 befindlichen Kraftstoffs 11 gegenüber dem sich im Niederdruckbereich 24 befindlichen Kraftstoff 12 stark reduziert, bsp. von 300 bar auf 5 bar. Um eine hohe Dynamik im Betrieb des Einspritzventils zu erreichen, besitzen alle bewegten Bauteile des Einspritzven tils (insbesondere Trägerteil 7, Aktorfeder 15 und Düsennadel 2) eine geringe Mas se. Um die Leckageverluste und die Kompression des Kraftstoffs 12 in der Druck kammer 22 des Ventilspielausgleichs 21 bei der Ausdehnung des Aktors 6 zu mini mieren, 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, nach außen öffnende Düsennadel (2) aufwei senden Einspritzdüse (1),
und mit einem mit einer elektrischen Spannung beaufschlagten Aktor (6) zur Be tätigung der Düsennadel (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich der Düsennadel (2) ein als Nadelführung (36) für die Düsennadel (2) ausgebildeter Drallgeber (42) angeordnet ist.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadelführung (36) im unteren Bereich (41) der Düsennadel (2) oberhalb der Einspritzöffnung (37) angeordnet ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche (40) der Nadelführung (36) als tangentiale Strömungskanäle (39) ausgebildete Vertiefungen (38) angeordnet sind.

4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (38) aus der Oberfläche (40) der Nadelführung (36) herausero diert sind.

5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen aus der Oberfläche (40) der Nadelführung (36) herausgefräst sind.

6. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine ein Verdrehen der Düsennadel (2) verhindernde Sicherung vorgesehen ist.

7. Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherung zwischen einem Trägerteil (7) für die Düsennadel (2) und einem Anschlag (9) für die Auslenkung der Düsennadel (2) angeordnet ist.

8. Einspritzventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Siche rung durch mindestens einen im Anschlag (9) für die Auslenkung der Düsenna del (2) verankerten Bolzen und mindestens eine im Trägerteil (7) angebrachte Bohrung realisiert ist.