DE102009002840A1

DE102009002840A1 - Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff

Info

Publication number: DE102009002840A1
Application number: DE102009002840A
Authority: DE
Inventors: Ralph Engelberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2010-11-11
Also published as: KR101711851B1; RU2011149359A; US8960573B2; JP5490222B2; JP2012526226A; CN102414431A; EP2427649A1; BRPI1011824A2; WO2010127887A1; EP2427649B1; KR20120014139A; CN102414431B; US20120074245A1; RU2538146C2; ES2424089T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend einen Ventilkörper (2), eine nach außen öfffnende Ventilnadel (3), welche im Ventilkörper (2) in einem mit Kraftstoff gefüllten Druckraum (4) angeordnet ist, dem Kraftstoff unter Druck zugeführt wird, ein Rückstellelement (20), welches die Ventilnadel (3) in eine Ausgangsposition zurückführt, einen elektromagnetischen Aktor (6), der in einem Aktorraum (9) angeordnet ist, um die Ventilnadel (3) zu betätigen, und eine Membran (13), die im Aktorraum (9) angeordnet ist und den Aktorraum (9) in einen ersten kraftstoffgefüllten Bereich (5) und einen zweiten kraftstofffreien Bereich (18) fluiddicht unterteilt und die Ventilnadel (3) in einen einspritzseitigen Teil (3a) und einen aktorseitigen Teil (3b) unterteilt, wobei der einspritzseitige Teil (3a) der Ventilnadel (3) einen Druckausgleichskolben (10) umfasst, der den Druckraum (4) von dem ersten kraftstoffgefüllten Bereich (5) des Aktorraums (9) trennt, und wobei der Aktor (6) im zweiten kraftstofffreien Bereich (18) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, die insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung im Schichtladebetrieb einsetzbar ist.
Vorrichtungen zum Einspritzen vom Kraftstoff für Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung werden beim Stand der Technik im Allgemeinen als Hochdruckeinspritzventile mit nach außen öffnenden Ventilnadeln ausgeführt, die von Piezoaktoren betätigt und für die erforderlichen hochdynamischen Schaltzeiten mit aufwendigen Endstufen gesteuert werden. Hohe Anforderungen an die Materialqualität und Fertigungstoleranzen der einzelnen Bauteile dieser Einspritzventile führen zu langen Bearbeitungs-Prüf- und Fertigungszeiten und daraus resultierenden hohen Herstellkosten dieser Einspritzventile.
Von daher sind diese Hochdruckeinspritzventile des Standes der Technik nur unzureichend geeignet, um eine einfache und kostengünstig herstellbare Vorrichtung zum Einspritzen vom Kraftstoff für Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung im Schichtladebetrieb bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit den Merkmalen des Anspruch 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass diese sowohl einen einfacheren und damit kostengünstigeren Aufbau aufweist, als auch unkritischer hinsichtlich der benötigten Fertigungs- und Lagetoleranzen der einzelnen Bauteile ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff eine mehrteilige, nach außen öffnende Ventilnadel und eine Membran aufweist, die einen Aktorraum in einen ersten kraftstoffgefüllten Bereich und einen zweiten kraftstofffreien Bereich fluiddicht unterteilt und gleichzeitig die Ventilnadel in einen einspritzseitigen Teil und einen aktorseitigen Teil unterteilt. Durch einen Druckausgleichskolben, der am einspritzseitigen Teil der Ventilnadel angeordnet ist, wird dabei ein mit Kraftstoff gefüllter Druckraum vom ersten kraftstoffgefüllten Bereich des Aktorraums getrennt. Weil der Aktor hierbei im zweiten kraftstofffreien Bereich des Aktorraums angeordnet ist, kann ein kostengünstiger elektromagnetischer Aktor eingesetzt werden, der die gewünschten hochdynamischen Schaltzeiten erreichen kann. Ferner ist die vorteilhafte Verwendung von speziellen weichmagnetischen Werkstoffen im Aktor möglich, da die Aktorbauteile keiner korrosiven Wirkung des Kraftstoffs ausgesetzt sind.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Druckausgleichskolben mit geringem Spiel in einer zylindrischen Bohrung eines Ventilkörpers verschiebbar angeordnet und mit einem Dichtspalt versehen. Dadurch kann eine einfache und betriebssichere Reduzierung des im Druckraum anliegenden Kraftstoffdrucks zum angrenzenden ersten Bereich des Aktorraums erreicht werden.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kraftstoff-Rücklaufleitung vom ersten Bereich des Aktorraums zu einem Kraftstoff-Vorratsbehälter auf. Hierdurch liegt im ersten kraftstoffgefüllten Bereich des Aktorraums im Wesentlichen der im Kraftstoff-Vorratsbehälter vorliegende Umgebungsdruck an, der auch auf die diesem Bereich zugewandte Seite der Membran einwirkt.
Da vorteilhafterweise auch im zweiten kraftstofffreien Bereich des Aktorraums und somit auf der anderen Membranseite lediglich Umgebungsdruck herrscht, kann aufgrund einer nicht vorhandenen bzw. nur geringen Druckbelastung eine einfache und kostengünstige, insbesondere dünne Ausführung der Membran eingesetzt werden.
Weiterhin bevorzugt ist am aktorseitigen Teil der Ventilnadel ein Anker angeordnet. Hierdurch wird ein einfacher, und kostengünstiger Aufbau des Aktors mit einer minimierten Anzahl von Bauteilen und kompaktem Einbauvolumen erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Aktor eine Freiwegfeder, deren Federkraft so ausgelegt ist, dass der aktorseitige Teil der Ventilnadel auch bei nicht betätigtem Aktor immer an der Membran anliegt. Hierdurch werden eine übermäßige Beanspruchung und eine daraus resultierende verminderte Dauerhaltbarkeit der Membran vermieden und der Anker liegt in einer definierten Startposition.
Vorzugsweise ist das Rückstellelement so ausgelegt, dass der einspritzseitige Teil der Ventilnadel auch bei nicht betätigtem Aktor, d. h. geschlossener Ventilnadel, immer an der Membran anliegt. Hierdurch werden ein Abheben des Druckausgleichskolbens an der Membran und eine Stoßbeanspruchung auf die Membran vermieden, was wiederum zu einer erhöhten Haltbarkeit bzw. Lebensdauer der Membran beiträgt. Besonders bevorzugt liegen in jedem Betriebszustand der Einspritzvorrichtung der aktorseitige und der einspritzseitige Teil immer an der Membran an.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der einspritzseitige Teil der Ventilnadel zweiteilig mit einer Nadel und dem Druckausgleichskolben ausgebildet. Hierdurch wird die separate Fertigung und Bearbeitung dieser Bauteile mit den jeweils erforderlichen Maßtoleranzen ermöglicht, was zu einer weiteren Kostenersparnis beiträgt.
Vorzugsweise sind ein der Membran zugewandtes Ende des Druckausgleichskolbens und ein der Membran zugewandtes Ende des aktorseitigen Teils der Ventilnadel jeweils abgerundet ausgebildet. Hierdurch wird eine homogene Auflage dieser Enden insbesondere in einem verschobenen, d. h. ausgebeulten Zustand der Membran sichergestellt und eine Beschädigung der Membran, z. B. durch scharfe Kanten von nicht abgerundeten Endbereichen des Druckausgleichskolbens und des aktorseitigen Teils der Ventilnadel, vermieden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme von 1 eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus der schematischen Schnittdarstellung von 1 ersichtlich, umfasst die Vorrichtung 1 zum Einspritzen von Kraftstoff einen Ventilkörper 2 sowie eine nach außen öffnende Ventilnadel 3, die aus einem einspritzseitigen Teil 3a und einem aktorseitigen Teil 3b gebildet ist. Der einspritzseitige Teil 3a der Ventilnadel 3 umfasst eine Nadel 31 und einen Druckausgleichskolben 10, die in einem Druckraum 4 angeordnet sind, dem Kraftstoff über eine Zulaufleitung 19 unter Druck zugeführt wird. Der Druckausgleichskolben 10 ist in einer zylindrischen Bohrung 16 des Ventilkörpers 2 mit geringem Spiel verschiebbar angeordnet.
Im Druckraum 4 ist ferner ein Rückstellelement 20 angeordnet, das sich zwischen dem Ventilkörper 2 und der der Nadel 31 abstützt und die Ventilnadel 3 nach der Betätigung in eine Ausgangsposition zurückführt.
In einem Aktorraum 9 ist ein elektromagnetischer Aktor 6 angeordnet, der eine Spule 8 und einen Anker 7, vorzugsweise vom Typ eines hier dargestellten Flachankers, umfasst, der am aktorseitigen Teil 3b der Ventilnadel 3 befestigt ist.
Im Aktorraum 9 ist ferner eine Membran 13 angeordnet, die am Ventilkörper 2 befestigt ist und einerseits die Ventilnadel 3 in den einspritzseitigen Teil 3a und den aktorseitigen Teil 3b unterteilt, sowie andererseits den Aktorraum 9 in einen ersten kraftstoffgefüllten Bereich 5 und einen zweiten kraftstofffreien Bereich 18 fluiddicht unterteilt. Der erste Bereich 5 des Aktorraums 9 ist zumindest teilweise mit Kraftstoff gefüllt, der über einen auf der Oberfläche des Druckausgleichskolbens 10 ausgebildeten Dichtspalt 17 infolge des höheren Drucks vom Druckraum 4 in den ersten kraftstoffgefüllten Bereich 5 eintritt.
Wie aus der 1 ferner ersichtlich ist, sind ein der Membran 13 zugewandtes Ende 10a des Druckausgleichskolbens 10 und ein der Membran 13 zugewandtes Ende 15 des aktorseitigen Teils 3b der Ventilnadel 3 jeweils abgerundet ausgebildet. Dadurch werden Beschädigungen der Membran 13 verhindert, die durch ggf. ausgebildete Absätze oder Kanten auf den Endbereichen dieser Bauteile beim Verschieben bzw. Ausbeulen der Membran 13 während der Betätigung der Vorrichtung 1 verursacht werden würden.
Wie in 1 dargestellt, zweigt eine Kraftstoff-Rücklaufleitung 14 aus dem ersten kraftstoffgefüllten Bereich 5 des Aktorraums 9 ab. Durch diese Kraftstoff-Rücklaufleitung 14 wird der Kraftstoff in einen hier nicht dargestellten Kraftstoff-Vorratsbehälter zurückgeführt, der sich durch den Dichtspalt 17 des Druckausgleichskolbens 10 infolge des Druckabbaus vom Druckraum 4 zum ersten Bereich 5 ansammelt. Da im Kraftstoff-Vorratsbehälter und demzufolge auch im ersten Bereich 5 des Aktorraums 9 Umgebungsdruck herrscht, erfolgt die Kraftstoff-Rückführung aus dem ersten kraftstoffgefüllten Bereich 5 des Aktorraums 9 in den Kraftstoff-Vorratsbehälter drucklos. Da im zweiten kraftstofffreien Bereich 18 des Aktorraums 9 ebenfalls Umgebungsdruck herrscht, liegt auf beiden Seiten der Membran 13 im Wesentlichen der gleiche Druck an. Somit herrscht an der Membran 13 ein Druckgleichgewicht.
Im Aktorraum 9 ist ferner eine Freiwegfeder 12 zwischen dem Anker 7 und einem Abschlusselement 21 angeordnet und stützt das aktorseitige Teil 3b der Ventilfeder 3 mit dem daran fixierten Anker 7 an einem Abschlusselement 21 ab. Eine elektrische Anschlussleitung 22 für den Aktor 6 ist durch das Abschlusselement 21 hindurch nach außen geführt. Die Freiwegfeder 12 ist so ausgelegt, dass der aktorseitige Teil 3b der Ventilfeder 3 auch bei nicht betätigtem Aktor 6 an der Membran 13 anliegt. Darüber hinaus ist die Geometrie so ausgelegt, dass der einspritzseitige Teil 3a der Ventilnadel 3 auch bei nicht betätigtem Aktor 6 (geschlossene Ventilnadel) an der Membran 13 anliegt. Durch das beidseitige Anliegen der aktorseitigen und einspritzseitigen Teile 3a, 3b der Ventilnadel 3 in jedem Betriebszustand wird eine quasi starre Bauteilekombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Betätigung der Ventilnadel 3 erreicht. Hierbei kann ein nach dem Zusammenbau ggf. vorhandener geringer radialer Versatz oder ein geringer Winkelversatz an der Membran 13 zwischen den aktorseitigen und einspritzseitigen Teilen 3a, 3b der Ventilnadel 3 toleriert werden, da dieser keinen Einfluss auf die einwandfreie und betriebssichere Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 hat.
Durch die oben beschriebene Anordnung und Auslegung der einzelnen Bauteile ist eine hinsichtlich der Maß- und Lagetoleranzen einfachere und schnellere Fertigung erreichbar, da der Aktor 6 mit dem aktorseitigen Teil 3b der Ventilnadel 3 und der einspritzseitige Teil 3a der Ventilnadel 3 mit dem umgebenden Ventilkörper 2 getrennt voneinander hergestellt und geprüft werden können. Dies hat sowohl einen insgesamt geringeren Prüf- und Fertigungsaufwand als auch ein geringeres Risiko von Ausschussteilen zur Folge und trägt zu einer beachtlichen Kostenersparnis bei den Herstellkosten dieser Hochdruckeinspritzventile bei.

Claims

Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend – einen Ventilkörper (2), – eine nach außen öffnende Ventilnadel (3), welche im Ventilkörper (2) in einem mit Kraftstoff gefüllten Druckraum (4) angeordnet ist, dem Kraftstoff unter Druck zugeführt wird, – ein Rückstellelement (20), welches die Ventilnadel (3) in eine Ausgangsposition zurückführt, – einen elektromagnetischen Aktor (6), der in einem Aktorraum (9) angeordnet ist, um die Ventilnadel (3) zu betätigen, und – eine Membran (13), die im Aktorraum (9) angeordnet ist und den Aktorraum (9) in einen ersten kraftstoffgefüllten Bereich (5) und einen zweiten kraftstofffreien Bereich (18) fluiddicht unterteilt, und die Ventilnadel (3) in einen einspritzseitigen Teil (3a) und einen aktorseitigen Teil (3b) unterteilt, – wobei der einspritzseitige Teil (3a) der Ventilnadel (3) einen Druckausgleichskolben (10) umfasst, der den Druckraum (4) von dem ersten kraftstoffgefüllten Bereich (5) des Aktorraums (9) trennt, und wobei der Aktor (6) im zweiten kraftstofffreien Bereich (18) angeordnet ist.
Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichskolben (10) in einer zylindrischen Bohrung (16) des Ventilkörpers (2) mit geringem Spiel angeordnet ist und einen Dichtspalt (17) zum Abbau des Drucks vom Druckraum (4) zum ersten Bereich (5) des Aktorraums (9) aufweist.
Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoff-Rücklaufleitung (14) vom ersten Bereich (5) des Aktorraums (9) zu einem Kraftstoff-Vorratsbehälter abzweigt.
Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten der Membran (13) im ersten kraftstoffgefüllten Bereich (5) und im zweiten kraftstofffreien Bereich (18) der gleiche oder im Wesentlichen der gleiche Druck anliegt.
Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anker (7) am aktorseitigen Teil (3b) der Ventilnadel (3) angeordnet ist.
Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (6) ferner eine Freiwegfeder (12) umfasst, welche so ausgelegt ist, dass der aktorseitige Teil (3b) der Ventilnadel (3) auch bei nicht betätigtem Aktor (6) an der Membran (13) anliegt.
Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (20) so ausgelegt ist, dass der einspritzseitige Teil (3a) der Ventilnadel (3) auch bei nicht betätigtem Aktor (6) an der Membran (13) anliegt.
Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einspritzseitige Teil (3a) der Ventilnadel (3) zweiteilig mit einer Nadel (31) und dem Druckausgleichskolben (10) gebildet ist.
Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichskolben (10) ein der Membran (13) zugewandtes abgerundetes Ende (10a) und der aktorseitige Teil (3b) der Ventilnadel (3) ein der Membran (13) zugewandtes abgerundetes Ende (15) aufweisen.