DE10042231B4

DE10042231B4 - Einspspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zur Steuerung des Öffnungs-und Schließvorgangs einer Düsennadel eines Einspritzventils

Info

Publication number: DE10042231B4
Application number: DE10042231A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bloching; Reda Rizk; Willibald Dr. Schuerz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: WO2002018779A1; EP1313945B1; DE10042231A1; DE50104321D1; EP1313945A1

Abstract

Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend:
einen Düsenkörper (6), der mit einer Düsennadel (7) in Wirkverbindung steht, wobei die Düsennadel (7) bei einer Bewegung des Düsenkörpers (6) Einspritzbohrungen (8) freigibt oder schließt,
ein Steuerventil (3) zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung,
einen Steuerraum (15), indem der axial bewegliche Düsenkörper (6) vorgesehen ist, wobei der Düsenkörper (6) von einem Druck im Steuerraum (15) in Schließrichtung der Düsennadel (7) beaufschlagbar ist, wobei der Druck im Steuerraum (15) zum Öffnen der Düsennadel (7) durch Öffnen des Steuerventils (3) absenkbar und zum Schließen der Düsennadel (7) durch Schließen des Steuerventils (3) erhöhbar ist,
eine Feder (16), die den Düsenkörper (6) in Schließrichtung der Düsennadel (7) vorspannt,
eine Düsendruckkammer (5), wobei die Düsennadel (7) von dem Druck in der Düsendruckkammer (5) in Öffnungsrichtung beaufschlagbar ist, wobei die Düsendruckkammer (5) zum Öffnen der Düsennadel (7) durch Öffnen des Steuerventils...

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche Einspritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme (für Dieselmotoren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) bekannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe 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 elektromagnetisch gesteuert.
Zu diesem Zweck sind die Einspritzventile bei solchen Systemen mit als Servoventilen ausgebildeten Steuerventilen ausgerüstet, die hydraulisch das Öffnen und Schließen der Düsennadel des Einspritzventils steuern, das heißt insbesondere den Beginn und das Ende des Einspritzvorgangs zeitlich festlegen. Das Servoventil beeinflußt vor allem die Geschwindigkeit, mit der das Einspritzventil öffnet und schließt.
Da bei Dieselmotoren der Kraftstoff mit einem Druck von bis über 1500 bar in eine Brennkammer des Motors eingespritzt wird, werden an die Einspritzventile sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Dichtheit gestellt. Bei den aus der Praxis bekannten Common-Rail-Injektoren stellt die Leckage, sowohl die Dauerleckage als auch die Schaltleckage, einen deutlichen Leistungsverlust dar. Diese Leckagen treten insbesondere im Bereich des Steuerventils zur Steuerung der Kraftstoffein spritzung und im Bereich des Steuerraums auf, in dem ein mit der Düsennadel in Wirkverbindung stehender Düsenkörper axialbeweglich gelagert ist. Eine Leckagestelle bildet hierbei die Düsennadelführung, deren Dichtspalt ständig dem Druckgefälle zwischen Raildruck und Leckagedruck ausgesetzt ist. Bei den bekannten Einspritzventile wurede versucht, die Dauerleckage durch Verkleinerung der Dichtspalte zu verringern.

Aus der EP 1 036 931 A2 ist ein druckgesteuerter Injektor bekannt, bei dem eine Hubsteuerung in Form einer Druckbeaufschlagung bzw. Entlastung eines die Düsennadel in Schließrichtung beaufschlagenden Steuerraum vorgesehen ist. Das Steuerventil dieses Injektors weist an seinem unteren Ende einen Druckausgleichsraum auf, besteht aus einem Kolben mit Stufen und ist mehrteilig aufgebaut. Das Erzeugen des Drucks im Steuerraum bzw. die Druckerhöhung im Steuerraum und das Aufheben des Drucks im Steuerraum bzw. die Druckabsenkung im Steuerraum geschieht dadurch, dass der Steuerraum mit der vom Hochdruckspeicher kommenden Hochdruckleitung verbunden wird bzw. davon getrennt wird.

Aus der US 5,397,055 A ist ein Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, mit einem Steuerventil zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und mit einem Steuerraum, in dem ein axial beweglicher und über eine Feder vorgespannter Düsenkörper angeordnet ist, der mit einer Düsennadel in Wirkverbindung steht. Die Düsennadel gibt bei der Bewegung des Düsenkörpers Einspritzbohrungen frei oder verschließt diese, wobei über das Steuerventil der Druck in dem Steuerraum beeinflussbar ist und wobei das Steuerventil und der Steuerraum so miteinander gekoppelt sind, dass das Schließen des Steuerventils eine Druckerhöhung im Steuerraum bewirkt und das Öffnen des Steuerventils eine Druckabsenkung im Steuerraum bewirkt.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, mit welchem das Öffnen und Schließen einfacher und schneller erfolgen kann und darüber hinaus die damit verbundenen Dauer- und Schaltleckagen weitestgehend minimiert werden können.

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Einspritzventils werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die erfindungsgemäße Druckregulierung des Drucks im Steuerraum mit Hilfe des Stufenkolbens ist es möglich, einerseits den Schließvorgang der Düsennadel durch Druckbeaufschlagung zu beschleunigen und andererseits sicherzustellen, daß das Öffnen der Düsennadel nur gegen die Vorspannkraft der den Düsenkörper belastenden Feder erfolgt.

Da der Druck im Steuerraum nur zum Schließen der Düsennadel anliegt, nachfolgend bei geöffnetem Steuerventil aber wieder ganz abgebaut wird, ist es möglich, Dauerleckagen so gut wie ganz abzubauen und das Auftreten von Schaltleckagen stark zu verringern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Einspritzventils schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzventils und
2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzventils.
Wie aus den Abbildungen ersichtlich, wird der Kraftstoff mit Systemdruck von einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher über eine Hochdruckbohrung 1 dem Einspritzventilgehäuse 2 zugeführt.
Im Einspritzventilgehäuse 2 ist ein Steuerventil 3 angeordnet, über das der dem Einspritzventilgehäuse 2 zugeführte Kraftstoff mittels einer Leitung 4 einer Düsendruckkammer 5 zuführbar ist. In der Düsendruckkammer 5 wirkt der vorliegende Druck den vorderen Bereich eines axial beweglich im Einspritzventilgehäuse 2 gelagerten und geführten Düsenkörpers 6, der dazu dient, mit einer am vordersten Ende angeordneten Düsennadel 7 Einspritzbohrungen 8 im Einspritzventilgehäuse 2 zu öffnen und zu schließen, die zum Brennraum eines Verbrennungsmotors führen.
Die Einspritzbohrungen 8 stehen somit bei geöffnetem Einspritzventil mit der Düsendruckkammer 5 in Verbindung, die ihrerseits über die Leitung 4, das Steuerventil 3 und die Hochdruckbohrung 1 mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist.
Das Steuerventil 3 dient als Schaltorgan zwischen dem Betriebsdruck (Raildruck) in einer Ventilkammer 9 des Steuerventils 3 und der Düsendruckkammer 5. In der geschlossenen Stellung sitzt das Steuerventil 3 durch die Wirkung des Raildrucks und der Vorspannkraft einer Feder 10 abdichtend auf einem Ventilsitz 11. Das Steuerventil 3 schaltet über einen Stößel 12, der von einem durch den Pfeil 13 nur angedeuteten Aktor angesteuert wird.
Das Ansteuern des Stößels 12 führt ausgehend von der in den Abbildungen dargestellten geschlossenen Stellung der Steuerventile 3 dazu, daß die Steuerventile 3 gegen den Raildruck in der Ventilkammer 9 und die Vorspannkraft der Feder 10 geöffnet werden. Beim Öffnen der Steuerventile 3 pflanzt sich der Raildruck in eine Ringkammer 14 und durch die Leitung 4 bis in die Düsendruckkammer 5 fort.
Der Raildruck in der Düsendruckkammer 5 bewirkt ein Verschieben des Düsenkörpers 6 entgegen der Vorspannkraft einer in einem Steuerraum 15 angeordneten, den Düsenkörper 6 belastenden Feder 16, so daß die Düsennadel 7 die Einspritzbohrungen 8 freigibt und das Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Um zu ermöglichen, daß das Öffnen des Düsenkörpers 6 nur gegen die Vorspannkraft der Feder 16 erfolgt und nicht auch noch gegen den in dem Steuerraum 15 herrschenden Druck, wird gleichzeitig mit dem Öffnen des Steuerventils 3 und somit der Einleitung des Raildrucks in die Düsendruckkammer 5 der Druck im Steuerraum 15 abgebaut. Zu diesem Zweck weist das Steuerventil 3 einen Druckausgleichsraum 17 auf. Bei den in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen ist der Druckausgleichsraum 17 dadurch ausgebildet, daß die Steu erventile 3 einen mit Bereichen unterschiedlichen Durchmessers versehenen Stufenkolben 18 aufweisen.
Bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform erfolgt das Öffnen und Schließen der Düsennadel 7 wie folgt:
Sobald das Steuerventil 3 öffnet, gelangt Kraftstoff unter Raildruck über die Ringkammer 14 und die Leitung 4 in die Düsendruckkammer 5, wo der Raildruck auf den Düsenkörper 6 wirkt. Da der Durchmesser des D₁ des Stufenkolbens 18 größer ist als der Durchmesser D₂ des Stufenkolbens 18 entspannt sich mit dem Öffnen des Steuerventils 3 gleichzeitig der Druck im Steuerraum 15 sowie einer Kammer 19 des Steuerventils 3, so daß dem Öffnen der Düsennadel 7 ausschließlich die Vorspannkraft der im Steuerraum 15 angeordneten Feder 16 entgegenwirkt.
Das Schließen des Steuerventils 3 erfolgt durch Absteuern des Aktors, wodurch das Steuerventil 3 unter der Vorspannkraft der Feder 10 schließt. Die Verschiebung des Stufenkolbens 18 bewirkt dabei einen Druckaufbau in der Kammer 19 sowie im Steuerraum 15. Da gleichzeitig mit dem Schließen des Steuerventils 3 der Raildruck in der Düsendruckkammer 5 zusammenbricht, schließt die Düsennadel 7 unter Wirkung der auf den Düsenkörper 6 wirkenden Vorspannkraft der Feder 10 sowie des Drucks im Steuerraum 15. Der Druckaufbau in der Kammer 19 sowie im Steuerraum 15 wird zusätzlich über ein Ventil 20 geregelt.
Diese Ausgestaltung stellt somit sicher, daß das Schließen der Düsennadel 7 unter Mitwirkung des zusätzlichen Drucks im Steuerraum 15 schnell und ohne Verzögerung erfolgt, während beim Öffnen der Düsennadel 7 der Druck im Steuerraum 15 abgebaut wird, so daß das Öffnen nur gegen die Vorspannkraft der Feder 10 erfolgt. Die kurzen Schaltzeiten sowie der Umstand, daß der Druck in der Kammer 19 sowie im Steuerraum 15 nicht permanent anliegt sorgen dafür, daß Dauerleckagen nicht auftreten und Schaltleckagen weitestgehend minimiert werden.
Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform erfolgt das Öffnen und Schließen der Düsennadel 7 wie folgt:
Sobald das Steuerventil 3 öffnet, gelangt Kraftstoff unter Raildruck über die Ringkammer 14 und die Leitung 4 in die Düsendruckkammer 5, wo der Raildruck auf den Düsenkörper 6 wirkt. Wie aus 2 ersichtlich, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Stufenkolben 18 zweiteilig ausgebildet. Sobald Kraftstoff mit Raildruck in die Leitung 4 strömt, strömt gleichzeitig Kraftstoff mit Raildruck über eine Bohrung 21 zum zweiten Teil des Stufenkolbens 18 und verlagert diesen entgegen der Vorspannkraft einer zusätzlichen Feder 22. Da der Durchmesser des D₁ des Stufenkolbens 18 größer ist als der Durchmesser D₂ des Stufenkolbens 18 entspannt sich mit dem Öffnen des Steuerventils 3 gleichzeitig der Druck im Steuerraum 15 sowie in der Kammer 19 des Steuerventils 3, so daß dem Öffnen der Düsennadel 7 ausschließlich die Vorspannkraft der im Steuerraum 15 angeordneten Feder 16 entgegenwirkt.
Das Schließen des Steuerventils 3 erfolgt durch Absteuern des Aktors, wodurch das Steuerventil 3 unter der Vorspannkraft der Feder 10 schließt. Die Verschiebung des Stufenkolbens 18 bewirkt dabei einen Druckaufbau in der Kammer 19 sowie im Steuerraum 15, da gleichzeitig mit dem Schließen des Steuerventils 3 der Raildruck in der Düsendruckkammer 5 sowie über die Bohrung 21 auf den Stufenkolben 18 zusammenbricht. Die Düsennadel 7 schließ somit unter Wirkung der auf den Düsenkörper 6 wirkenden Vorspannkraft der Feder 10 sowie des Drucks im Steuerraum 15.
Auch diese Ausgestaltung stellt somit sicher, daß das Schließen der Düsennadel 7 unter Mitwirkung des zusätzlichen Drucks im Steuerraum 15 schnell und ohne Verzögerung erfolgt, wäh rend beim Öffnen der Düsennadel 7 der Druck im Steuerraum 15 abgebaut wird, so daß das Öffnen nur gegen die Vorspannkraft der Feder 10 erfolgt. Die kurzen Schaltzeiten sowie der Umstand, daß der Druck in der Kammer 19 sowie im Steuerraum 15 nicht permanent anliegt sorgen dafür, daß Dauerleckagen nicht auftreten und Schaltleckagen weitestgehend minimiert werden.

Claims

Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend: einen Düsenkörper (6), der mit einer Düsennadel (7) in Wirkverbindung steht, wobei die Düsennadel (7) bei einer Bewegung des Düsenkörpers (6) Einspritzbohrungen (8) freigibt oder schließt, ein Steuerventil (3) zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, einen Steuerraum (15), indem der axial bewegliche Düsenkörper (6) vorgesehen ist, wobei der Düsenkörper (6) von einem Druck im Steuerraum (15) in Schließrichtung der Düsennadel (7) beaufschlagbar ist, wobei der Druck im Steuerraum (15) zum Öffnen der Düsennadel (7) durch Öffnen des Steuerventils (3) absenkbar und zum Schließen der Düsennadel (7) durch Schließen des Steuerventils (3) erhöhbar ist, eine Feder (16), die den Düsenkörper (6) in Schließrichtung der Düsennadel (7) vorspannt, eine Düsendruckkammer (5), wobei die Düsennadel (7) von dem Druck in der Düsendruckkammer (5) in Öffnungsrichtung beaufschlagbar ist, wobei die Düsendruckkammer (5) zum Öffnen der Düsennadel (7) durch Öffnen des Steuerventils (3) mit einer Hochdruckleitung (1) verbindbar ist und zum Schließen der Düsennadel (7) durch Schließen des Steuerventils (3) von der Hochdruckleitung (1) trennbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (3) mit einem Stufenkolben (18) in Wirkverbindung steht, welcher entsprechend einer Differenzfläche zwischen einem ersten Abschnitt mit einem Durchmesser D1 und einem zweiten Abschnitt mit einem Durchmesser D2 beim Öffnen des Steuerventils (3) Kraftstoff aus dem Steuerraum (15) herausfördert und beim Schließen des Steuerventils (3) Kraftstoff in den Steuerraum (15) hineinfördert.
Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkolben (18) zur Absenkung des Drucks im Steuerraum (15) bei geöffnetem Steuerventil (3) zumindest einen Druckausgleichsraum (17) aufweist.
Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Öffnen und Schließen des Steuerventils (3) eine Verlagerung des Stufenkolbens (18) im Druckausgleichsraum (17) eine Druckveränderung bewirkt.
Einspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichne, dass die Verlagerung des Stufenkolbens (18) durch das Steuerventil (3) erfolgt, welches über einen Aktor geöffnet und geschlossen werden kann.
Einspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerung des Stufenkolbens (18) durch Verbindung eines an der Stirnseite des Stufenkolbens (18) beaufschlagenden Raumes über eine Bohrung (21) mit einer Leitung (4) erfolgen kann, die vom Steuerventil (3) zur Düsendruckkammer (5) verläuft.