-
Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil und ein Fluidzuführsystem
mit zumindest einem Einspritzventil. Fluidzuführsysteme mit Einspritzventilen werden
vielfach eingesetzt zum Zumessen von Kraftstoff in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine. Zur Einhaltung gesetzlicher Beschränkungen
von Schadstoffemissionen aus Brennkraftmaschinen wird Kraftstoff
zunehmend unter sehr hohem Druck in den Brennraum der Brennkraftmaschine
zugemessen. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen
kann der Kraftstoff mit 2000 bar beaufschlagt werden.
-
Zum
Zumessen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine
wird das Einspritzventil angesteuert. Das Ansteuern des Einspritzventils führt zu einer
hydraulischen Kopplung von Kraftstoff führenden Komponenten in dem
Fluidzuführsystem, die
zu einem Zeitpunkt der Ansteuerung mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt
sind. Die Folge ist ein Druckausgleich zwischen den Kraftstoff führenden
Komponenten höheren
und niederen Drucks, bei dem der Kraftstoff starken Beschleunigungen ausgesetzt
sein kann. Dies kann zu einer Ausbreitung von Druckwellen mit hoher
Amplitude sowie zu Kavitation des Kraftstoffs in dem Einspritzventil
und dem Fluidzuführsystem
führen.
Kavitation verursacht Erosion in dem Einspritzventil und dem Fluidzuführsystem.
Die Ausbreitung von Druckwellen kann einen Einfluss auf die in den
Brennraum der Brennkraftmaschine zugemessene Einspritzmenge des
Kraftstoffs haben.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil und ein Fluidzuführsystem
zu schaffen, welche eine lange Lebensdauer aufweisen und einen zuverlässigen und
reproduzierbaren Betrieb gewährleisten.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die
Erfindung zeichnet sich gemäß einem ersten
Aspekt aus durch ein Einspritzventil mit einem Einlasskanal, der
ausgebildet ist zur hydraulischen Kopplung mit einem Hochdruckspeicher.
Ein Rücklaufkanal
ist ausgebildet zur hydraulischen Kopplung mit einem Niederdruckspeicher.
Ein Einspritzbereich ist ausgebildet zum Zumessen von Fluid. Ein
Ventil mit einem Ventilglied ist ausgebildet zur Steuerung der hydraulischen
Kopplung des Einlasskanals mit dem Einspritzbereich und zur hydraulischen
Kopplung des Einlasskanals mit dem Rücklaufkanal, wobei der Rücklaufkanal
eine hydraulische Widerstandseinheit umfasst. Dies ermöglicht eine
wirksame Vermeidung von Kavitation eines Fluids in dem Einspritzventil,
insbesondere nach Ansteuerung eines in dem Einspritzventil angeordneten
Stellantriebs.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist die hydraulische Widerstandseinheit
nahe an dem Ventil angeordnet. Dies ermöglicht eine Verringerung des
Druckwelleneinflusses des Fluids auf die dem Brennraum einer Brennkraftmaschine
zugemessene Einspritzmenge und damit die Reduzierung der Einspritzmengensensibilität.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Rücklaufkanal
zumindest zwei hydraulische Widerstandseinheiten. Dies ermöglicht eine wirksame
Verringerung von Druckwellen in dem Rücklaufkanal und damit in dem
Einspritzventil.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die hydraulischen Widerstandseinheiten
derart beabstandet angeordnet und dazu ausgebildet, dass sie vorgegebene
Frequenzen von Druckschwingungen des Fluids in dem Rücklaufkanal dämpfen und
in vorgegebene andere Frequenzbereiche transformieren. Dadurch ergibt
sich eine sehr wirksame Verringerung von beispielsweise für den Menschen
wahrnehmbaren Schallemissionen.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Fluidzuführsystem
mit zumindest einem Einspritzventil, das einen Einlasskanal, einen
Rücklaufkanal
und einen Einspritzbereich umfasst. Der Rücklaufkanal ist hydraulisch
gekoppelt mit einer Fluidleitung, die eine hydraulische Widerstandseinheit
umfasst und ausgebildet ist zur hydraulischen Kopplung des Rücklaufkanals
mit einem Niederdruckspeicher. Dies ermöglicht eine wirksame Vermeidung
von Kavitation des Fluids in der Fluidleitung und in dem mit der
Fluidleitung hydraulisch gekoppelten Einspritzventil.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts ist die hydraulische
Widerstandseinheit nahe an dem Rücklaufkanal
angeordnet. Dies ermöglicht
eine Verringerung von Druckwellen eines Fluids in der Fluidleitung.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts umfasst
die Fluidleitung zumindest zwei hydraulische Widerstandseinheiten.
Dies ermöglicht
eine wirksame Verringerung von Druckwellen in der Fluidleitung und
in dem mit der Fluidleitung hydraulisch gekoppelten Einspritzventil.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts sind die
hydraulischen Widerstandseinheiten derart beabstandet angeordnet
und dazu ausgebildet, dass sie vorgegebene Frequenzen von Druckschwingungen
eines Fluids in der Fluidleitung dämpfen oder in vorgegebene andere Frequenzbereiche
transformieren. Dadurch ergibt sich eine sehr wirksame Verringerung
von beispielsweise für
den Menschen wahrnehmbaren Schallemissionen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das hydraulische
Widerstandselement eine Stufenbohrung. Dies hat den Vorteil, dass
die hydraulische Widerstandseinheit einfach herzustellen ist.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
erste Ausführungsform
eines Fluidsystems einer Brennkraftmaschine,
-
2 eine
zweite Ausführungsform
des Fluidsystems der Brennkraftmaschine,
-
3a und 3b eine
vergrößerte Schnittansicht
eines Ausschnitts aus einem Einspritzventil in einer Geschlossenstellung
und das zugehörige Einspritzventil,
-
4a und 4b eine
vergrößerte Schnittansicht
eines Ausschnitts aus dem Einspritzventil in einer Offenstellung
und das zugehörige
Einspritzventil.
-
Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
-
1 zeigt
ein Fluidzuführsystem 2 in
einer ersten Ausführungsform,
das ausgebildet ist zum Zumessen von Fluid. Das Fluidzuführsystem 2 kann beispielsweise
eingesetzt werden in einer Brennkraftmaschine 4 zum Zumessen
von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine 4.
Bei der Brennkraftmaschine 4 kann es sich beispielsweise um
eine Diesel-Brennkraftmaschine
handeln.
-
Der
Kraftstoff wird vorrätig
gehalten in einem Niederdruckspeicher 6. Aus dem Niederdruckspeicher 6 kann
der Kraftstoff mittels einer Fluidpumpe 8 entnommen und
einer Hochdruckpumpe 10 zugeführt werden. In der Hochdruckpumpe 10 wird
der Kraftstoff mit Druck beaufschlagt, in der Diesel-Brennkraftmaschine
beispielsweise mit 2000 bar. Anschließend wird der Kraftstoff einem
Hochdruckspeicher 12 zugeführt.
-
Der
Hochdruckspeicher 12 ist hydraulisch gekoppelt mit vier
Einspritzventilen 14a, 14b, 14c und 14d (14a–14d).
Eine Ausbildung des Hochdruckspeichers 12 mit zumindest
zwei hydraulischen Kopplungen zu jeweils einem Einspritzventil 14a–14d ist
auch bekannt als „Common-Rail”.
-
Das
Einspritzventil 14a–14d umfasst
einen Einlasskanal 16 (in 3A bis 4B exemplarisch 14a),
der mit dem Hochdruckspeicher 12 hydraulisch gekoppelt
ist, einen Rücklaufkanal 18,
der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Niederdruckspeicher 6 über eine
Fluidleitung 22 sowie einen Einspritzbereich 20,
aus dem Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine 4 zugemessen
wird. Die Fluidleitung 22 umfasst eine hydraulische Widerstandseinheit 24e.
In der Fluidleitung 22 können beispielsweise auch mehrere
hydraulische Widerstandseinheiten 24e angeordnet sein.
-
2 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
Fluidzuführsystems 2.
In der zweiten Ausführungsform
des Fluidzuführsystems 2 ist
die hydraulische Widerstandseinheit 24a, 24b, 24c und 24d (24a–24d)
jeweils in dem Einspritzventil 14a–14d angeordnet. Die
hydraulische Widerstandseinheit 24a–24d kann beispielsweise
jeweils in dem Rücklaufkanal 18 des
Einspritzventils 14a–14d angeordnet
sein (in 3A und 4A exemplarisch 14a). In
dem Einspritzventil 14a–14d können beispielsweise
auch jeweils mehrere hydraulische Widerstandseinheiten 24a–24d angeordnet
sein.
-
Das
Einspritzventil 14a–14d befindet
sich in einer Geschlossenstellung und wechselt bei einer Ansteuerung
in eine Offenstellung. In der Geschlossenstellung fließt kein
Kraftstoff durch den Einspritzbereich 20. In der Offenstellung
des Einspritzventils 14a–14d wird dem Einspritzventil 14a–14d mit
Druck beaufschlagter Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 12 zugeführt und
zumindest teilweise über
den Einspritzbereich 20 zugemessen, beispielsweise in den
Brennraum der Brennkraftmaschine 4. Ein geringer Teil des
zugeführten
Kraftstoffs wird über
den Rücklaufkanal 18 und
die Fluidleitung 22 in den Niederdruckspeicher 6 zurückgeführt.
-
Die 3a und 3b zeigen
eine Vergrößerung eines
Ausschnitts aus einem Längsschnitt des
Einspritzventils 14a (exemplarisch für 14a–14d) und
das zugehörige
Einspritzventil 14a (exemplarisch für 14a–14d)
in einer Geschlossenstellung. Das Einspritzventil 14a umfasst
ein Gehäuse 26 mit
einer Ausnehmung 28. In dem Gehäuse 26 sind der Einlasskanal 16 und
der Rücklaufkanal 18 angeordnet.
-
In
der Ausnehmung 28 des Gehäuses 26 ist ein Festkörperaktuator 30 angeordnet
und dazu ausgebildet, bei der Ansteuerung des Einspritzventils 14a ein
Ventilglied 32 in einem Ventil 34 axial einer Längsachse
L in Richtung des Einspritzbereichs 20 zu verschieben,
um das Ventil 34 zu öffnen.
Das Ventilglied 32 ist dazu ausgebildet, den Vorraum 36 hydraulisch
mit einem Absteuerraum 37 zu koppeln, der hydraulisch mit
dem Rücklaufkanal 18 gekoppelt
ist. Das Ventilglied 32 ist mechanisch gekoppelt mit einem
ersten axialen Ende einer Rückstellfeder 38,
die in einem Vorraum 36 angeordnet ist. Die Rückstellfeder 38 ist
an einem weiteren axialen Ende mechanisch gekoppelt mit dem Gehäuse 26 und
ist in dem Vorraum 36 derart angeordnet, dass sie unter
Vorspannung steht. Wirkt der Festkörperaktuator 30 nicht
auf das Ventilglied 32, dann ist das Ventilglied 32 wegen
der Rückstellfeder 38 geschlossen.
-
Der
Vorraum 36 ist hydraulisch gekoppelt über ein Drosselelement 40a mit
einem Hochdruckraum 42. Der Hochdruckraum 42 ist
hydraulisch gekoppelt mit der Ausnehmung 28 und, über ein
weiteres Drosselelement 40b, mit dem Einlasskanal 16.
In der Ausnehmung 28 ist längs der Längsachse L ein Kolben 44 mit
einer ersten Stirnfläche 45a und
einer weiteren Stirnfläche,
die nicht gezeigt ist, angeordnet. Der Kolben 44 ist so
ausgebildet, dass er entlang der Längsachse L axial beweglich
ist. An seiner weiteren Stirnfläche
ist der Kolben 44 mechanisch gekoppelt mit einem ersten
axialen Ende einer Einspritznadel 46, die entlang der Längsachse
L axial beweglich in der Ausnehmung 28 angeordnet und dazu
ausgebildet ist, an einem weiteren axialen Ende in dem Einspritzbereich 20 eine
Einspritzdüse 48 zu öffnen oder
zu schließen.
In der in 3b gezeigten Geschlossenstellung
des Einspritzventils 14a ist die Einspritzdüse 48 durch
die Einspritznadel 46 verschlossen. Die Einspritznadel 46 ist
hydraulisch gekoppelt mit einer Kavität 50 des Einlasskanals 16.
-
In
der Geschlossenstellung des Einspritzventils 14a stehen
der Vorraum 36, der Hochdruckraum 42 und die Ausnehmung 28 mit
dem Kolben 44 unter dem gleichen Druck wie der hydraulisch
mit den Hochdruckspeicher 12 gekoppelte Einlasskanal 16. In
dem Absteuerraum 37 herrschen die gleichen Druckverhältnisse
wie in dem Rücklaufkanal 18,
in der Fluidleitung 22 und in dem Niederdruckspeicher 6.
Der Druck in dem Einlasskanal 16 ist bei Betrieb der Brennkraftmaschine 4 sehr
viel größer als
der Druck in dem Absteuerraum 37 und in dem Rücklaufkanal 18.
Der Druck in der Ausnehmung 28 wirkt auf den Kolben 44 und
resultiert in einer axial entlang der Längsachse L in Richtung des
Einspritzbereichs 20 wirkenden Rückstellkraft Fr.
-
Der
in dem Einlasskanal 16 wirkende Druck verursacht durch
die hydraulische Kopplung mit der Einspritznadel 46 an
der Kavität 50 eine
Stellkraft Fs, die axial entlang der Längsachse L in Richtung des Festkörperaktuators 30 wirkt.
Der Druck in der Ausnehmung 28 ist gleich groß dem Druck
in der Kavität 50.
Da insbesondere die erste Stirnfläche 45a des Kolbens 44 in
der Ausnehmung 28 größer ist
als eine Wirkfläche
in der hydraulisch mit der Einspritznadel 46 gekoppelten
Kavität 50,
ist die Rückstellkraft
Fr größer als
die Stellkraft Fs. Die Einspritznadel 46 hält die Einspritzdüse 48 daher
verschlossen.
-
Die 4a und 4b zeigen
eine Vergrößerung eines
Ausschnitts aus einem Längsschnitt des
Einspritzventils 14a (exemplarisch für 14a–14d) und
das zugehörige
Einspritzventil 14a (exemplarisch für 14a–14d)
in einer Offenstellung.
-
Durch
die Ansteuerung des Festkörperaktuators 30 wird
das Ventilglied 32 axial verschoben, so dass das Ventil 34 öffnet. Es
kommt zu einem Druckabfall in dem Vorraum 36, der zeitverzögert über das Drosselelement 40a und
das weitere Drosselelement 40b an den Hochdruckraum 42 und
die Ausnehmung 28 beziehungsweise an den Einlasskanal 16 weitergegeben
wird. Folglich findet eine Reduzierung des Druckunterschiedes statt
zwischen der Ausnehmung 28, dem Hochdruckraum 42 und
dem Vorraum 36 einerseits und dem Absteuerraum 37 andererseits.
Die auf den Kolben 44 wirkende Rückstellkraft Fr verringert
sich, bis sie kleiner ist als die Stellkraft Fs, so dass durch die
Stellkraft Fs die Einspritznadel 46 und der Kolben 44 in
Richtung des Festkörperaktuators 30 axial
verschoben werden. Die Einspritzdüse 48 wird geöffnet, so
dass Kraftstoff aus dem Einlasskanal 16 beispielsweise
dem Brennraum zugemessen wird. Durch die hydraulische Kopplung des
Vorraums 38 über
das Drosselelement 40a und das weitere Drosselelement 40b mit
dem Einlasskanal 16 sinkt der Druck in der Kavität 50 ebenfalls
ab, wenn auch langsamer und mit einer Zeitverzögerung.
-
Wird
das Ventilglied 32 wieder geschlossen, dann steigt der
Druck in der Ausnehmung 28, dem Hochdruckraum 42 und
dem Vorraum 36 an. Dies erhöht die auf den Kolben 44 wirkende
Rückstellkraft Fr,
bis diese erneut größer ist
als die Stellkraft Fs und der Kolben 44 daher die Einspritznadel 46 axial
in Richtung des Einspritzbereichs 20 verschiebt, so dass
sich das Einspritzventil 14a anschließend erneut in einer Geschlossenstellung
befindet.
-
Durch
den Druckunterschied beim Öffnen des
Ventils 34 zwischen der Ausnehmung 28, dem Hochdruckraum 42 und
dem Vorraum 36 einerseits und dem Absteuerraum 37 und
dem Rücklaufkanal 18 andererseits,
fließt
Kraftstoff über
den Absteuerraum 37 in den Rücklaufkanal 18 und
von dort weiter in die Fluidleitung 22 bis in den Niederdruckspeicher 6.
Der Druckunterschied kann sehr groß sein und der Druckausgleich
zumindest zwischen dem Vorraum 36 und dem Absteuerraum 37 vollzieht sich
innerhalb kurzer Zeit. Dies führt
zu einer großen
Beschleunigung des Kraftstoffs in dem Absteuerraum 37,
dem Rücklaufkanal 18 und
der Fluidleitung 22. Es breiten sich Druckwellen des Kraftstoffs
in dem Einspritzventil 14a und der Fluidleitung 22 aus,
die einen Einfluss auf die dem Brennraum zugemessene Einspritzmenge
haben können.
Ferner kann es zu Kavitation kommen.
-
Kavitation
entsteht bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit
des Kraftstoffs, beispielsweise bei Schallgeschwindigkeit. Es kommt
zu einer Bildung von Dampfblasen, die in einem Bereich geringerer
Strömungsgeschwindigkeit
implodieren und dabei Schall erzeugen sowie Beschädigungen
an dem Einspritzventil 14a und der Fluidleitung 22 hervorrufen.
-
Die
hydraulische Widerstandseinheit 24e beziehungsweise 24a–24d bewirkt
einen schnellen Druckanstieg in der Fluidleitung 22 beziehungsweise in
dem Rücklaufkanal 18 und
verlangsamt ein Abströmen
des Kraftstoffs in den Niederdruckspeicher 6. Dadurch werden
auftretende Druckwellen des Kraftstoffs stark abgeschwächt. Ferner
wird eine Zeitdauer, innerhalb derer Kavitationen auftreten, stark
verringert. Durch das Verringern der Kavitationszeit werden einerseits
Beschädigungen
an dem Fluidzuführsystem 2 entgegengewirkt
und andererseits das Erzeugen von Schallemissionen auf einfache
Weise stark gedämpft.
Die hydraulische Widerstandseinheit 24a–d trägt dazu bei einen Druckabfall
in dem Vorraum 36 und dem Absteuerraum 37 zu verlangsamen,
wenn das Ventilglied 32 geöffnet ist, wobei dies besonders
wirkungsvoll bei der zweiten Ausführungsform ist. Bei einem Schließen des
Ventilglieds 32 erreicht der Druck dadurch schneller einen
stabilen Ausgangszustand. Dies ermöglicht eine mehrfache zuverlässige und
reproduzierbare Ansteuerung des Einspritzventils 14a–d innerhalb
von sehr kurzen Zeitabständen,
beispielsweise innerhalb eines Verbrennungszyklus der Brennkraftmaschine 4.
-
In
der ersten Ausführungsform
ist die hydraulische Widerstandseinheit 24e bevorzugt sehr
nahe dem Einspritzventil 14a–14d angeordnet. In
der zweiten Ausführungsform
ist die hydraulische Widerstandseinheit 24a–24d bevorzugt
sehr nahe dem Ventil 34 angeordnet.
-
Die
hydraulische Widerstandseinheit 24a–24e wird besonders
einfach durch eine Stufenbohrung hergestellt. Dazu erfolgt vorzugsweise
zuerst eine Pilotbohrung. Die Bohrungen können dann beispielsweise hydroerosiv
verrundet werden. Bei einem hydroerosiven Verrunden bewirken in
einem Fluid befindliche Partikel das Verrunden der vorgegebenen
Bereiche. Die hydraulische Widerstandseinheit 24e beziehungsweise 24a–24d kann
jedoch auch als Einsetzteil in der Fluidleitung 22 beziehungsweise
dem Rücklaufkanal 18 eingesetzt
sein.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Fluidzuführsystems 2 sind
mindestens jeweils zwei hydraulische Widerstandseinheiten 24e beziehungsweise 24a–24d in
der Fluidleitung 22 beziehungsweise in dem Rücklaufkanal 18 angeordnet,
was in den Figuren nicht gezeigt ist. Durch eine geeignete Dimensionierung
der hydraulischen Widerstandseinheiten 24a–24e und
eine geeignete Beabstandung der hydraulischen Widerstandseinheiten 24a–24e können vorgegebene
Frequenzen von Druckschwingungen des Kraftstoffs gezielt gedämpft werden
oder in vorgegebene andere, vorzugsweise für den Menschen nicht hörbare, Frequenzbereiche
transformiert werden. Dabei wirken die hydraulischen Widerstandseinheiten 24e beziehungsweise 24a–24d im Zusammenspiel
mit der Fluidleitung 22 beziehungsweise dem Rücklaufkanal 18 als
Resonatoren und reflektieren jeweils Druckwellen mit einer vorgegebenen
Wellenlänge,
so dass die entsprechende Welle dissipiert.