-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für eine
Brennkraftmaschine mit einem Magnetventil zur Steuerung der Offen-
oder Schließstellung einer Ventilnadel, über welche
die Kraftstoffzufuhr zum Brennraum der Brennkraftmaschine steuerbar
ist. Das Magnetventil umfasst hierzu einen Elektromagneten und einen
mit einem Ventilglied verbundenen, innerhalb eines Ventilraumes
angeordneten, beweglichen Anker. Des Weiteren betrifft die Erfindung
ein Kraftstoffeinspritzsystem, das wenigstens ein solches Einspritzventil
umfasst.
-
In
einem Kraftstoffeinspritzsystem dienen Kraftstoffeinspritzventile
bzw. Kraftstoffinjektoren der Einspritzung von unter hohem Druck
stehenden Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Zuvor wird der Kraftstoff üblicherweise über eine Kraftstoffhochdruckpumpe
des Kraftstoffeinspritzsystems auf einen Druck von bis zu 2000 bar
verdichtet und einer gemeinsamen Hochdruckspeicherleitung („Common
Rail”), die ebenfalls Bestandteil des Einspritzsystems
ist, zugeführt. Über die gemeinsame Hochdruckspeicherleitung
gelangt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff zu den Injektoren,
von wo aus er in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt
wird. Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in der
Regel über eine Aktor-Einheit, die beispielsweise einen
Piezo-Aktor oder ein Magnetventil umfassen kann, und eine Baueinheit
mit dem Einspritzventil bildet. Ein Kraftstoffinjektor mit einem
Magnetventil als Drucksteller ist zum Beispiel aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 029 969
A1 bekannt.
-
Bei
der Weiterentwicklung von Einspritzsystemen wird insbesondere der
Einhaltung der allgemein geforderten hohen Schadstoffgrenzwerte
Beachtung geschenkt. Um diese zu erfüllen, werden bereits
Einspritzsysteme entwickelt, deren Systemdruck deutlich über
2000 bar liegt. Darüber hinaus werden schnell schaltende
Einspritzventile für derart hohe Einspritzdrücke
bereit gestellt. Mit der Erhöhung des Einspritzdruckes
sowie mit der Steigerung der Schaltdynamik geht jedoch ein Temperaturanstieg
im Ventilraum des Einspritzventils einher, der die Funktionsfähigkeit
der Aktor-Einheit, insbesondere die eines Magnetventils, gefährden
kann. Denn an die Temperaturbeständigkeit der Bauteile
eines Magnetventils werden bereits aufgrund der hohen Ströme der
Magnetspule von bis zu 30 A und der damit verbundenen Heizwirkung
hohe Anforderungen gestellt. Als besonders temperaturempfindliche
Bauteile sind beispielsweise der Spulenträger oder die
Beschichtung des Spulendrahtes anzusehen. Zugleich führt ein
Temperaturanstieg im Ventilraum zu einem höheren Gasgehalt,
wodurch ebenfalls die Funktionsfähigkeit des Einspritzventils
beeinträchtigt werden kann.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzventil
der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass es auch für
Einspritzdrücke über 2000 bar geeignet ist, ohne dass
dabei die vorstehend genannten Nachteile auftreten.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Zur
Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffeinspritzventil mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben. Ferner
wird ein Kraftstoffeinspritzsystem beansprucht, das ein solches
Einspritzventil umfasst.
-
Das
vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzventil weist ein Magnetventil
zur Steuerung der Offen- oder Schließstellung einer Ventilnadel
auf, über welche die Kraftstoffzufuhr zum Brennraum der
Brennkraftmaschine steuerbar ist. Das Magnetventil umfasst einen
Elektromagneten und einen mit einem Ventilglied verbundenen, über
den Elektromagneten bewegbaren Anker, der innerhalb eines Ventilraumes
angeordnet ist.
-
Erfindungsgemäß ist
zur Kühlung des Magnetventils ein Kraftstoff als Kühlmedium
einsetzender Kühlkreislauf vorgesehen, wobei der Kraftstoff
einem Vorratstank entnehmbar ist, mit dem das Magnetventil über
jeweils einen am Magnetventil ausgebildeten Zulauf und Ablauf hydraulisch
verbindbar ist. Durch Ausbildung eines Kühlkreiskaufes
kann die Temperatur im Ventilraum deutlich gesenkt werden. Denn
als Kühlmedium steht außerhalb des Kraftstoffeinspritzventils
bevorrateter Kraftstoff zur Verfügung, der eine geringere
Temperatur aufweist, als beispielsweise der Kraftstoff, der im Einspritzventil
als Hydraulikfluid Verwendung findet. Bei Einspritzdrücken über
2000 bar kann beispielsweise die Temperatur des Hydraulikfluids
weit über 200°C liegen und damit die maximal zulässige
Temperatur kritischer Bauteile überschreiten. Indem eine
Vermischung des zugeführten „kalten” Kraftstoffs
mit dem vorhandenen „heißen” Kraftstoff
angestrebt wird, stellt sich im Ventilraum eine Gleichgewichtstemperatur
ein, die für die kritischen Bauteile des Magnetventils
unbedenklich ist. Darüber hinaus findet ein regelmäßiger
Austausch der Hydraulikflüssigkeit statt, so dass auch
ein erhöhter Gasgehalt abgebaut wird.
-
Weiterhin
ist vorgesehen, dass der Ventilraum an den Kühlkreislauf
angeschlossen ist, so dass über den zirkulierenden Kraftstoff
zugleich eine Spülung, insbesondere eine Zwangsspülung,
des Ventilraumes bewirkbar ist. Dadurch ist zum Einen sicher gestellt,
dass aus dem Hochdruckbereich zurück in den Ventilraum
gelangendes, heißes Hydraulikfluid nicht im Ventilraum
verbleibt, sondern abtransportiert wird. Zum Anderen ist gewährleistet, dass
der Gasgehalt im Ventilraum weitestgehend konstant gehalten wird.
Mit einer Zwangsspülung werden die im Wesentlichen temperaturbedingten Gasanteile
heraus gespült und ein Anstieg der Fluidtemperatur wirksam
verhindert.
-
Der
zur Förderung des als Kühlmedium dienenden Kraftstoffes
erforderliche Druck wird vorzugsweise über eine Vorförderpumpe
bewirkt, die in den Kühlkreislauf eingebunden ist. Vorteilhafterweise
ist die Vorförderpumpe zwischen dem Zulauf des Magnetventils
und dem Vorratstank angeordnet. Das heißt, dass vorteilhafterweise
der Zulauf des Kühlkreislaufes an die Druckseite der Vorförderpumpe angeschlossen
ist, während der Kraftstoff des Rückkreislaufes
direkt über den Ablauf zurück in den Vorratstank
gelangt. Dabei wird der Kraftstoff des Kühlkreislaufes
vom Tank durch den Ventilraum hindurch und wieder zurück
in den Tank gepumpt. Auf diese Weise ist eine konstante Kühlung
des Ventilraumes sichergestellt. Die Kraftstoffvorförderpumpe
ist derart eingestellt, dass der Kühlkreislauf einen Niederdruckkreislauf
darstellt.
-
Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur
hydraulischen Verbindung des am Magnetventil ausgebildeten Zulaufes
und/oder des am Magnetventil ausgebildeten Ablaufes mit dem Vorratstank
wenigstens ein mit dem Magnetventil verbindbares Steckelement vorgesehen.
Vorzugsweise sind sowohl der Zulauf, als auch der Ablauf mit dem
Steckelement verbunden. Am Steckelement selbst sind weiterhin vorzugsweise
wenigstens zwei weitere Anschlüsse vorgesehen, über
welche das Steckelement wiederum zulauf- und ablaufseitig mit dem
Vorratstank verbindbar ist. Der Einsatz eines Steckelementes ermöglicht
eine besonders einfache Art der Verbindung, so dass ein entsprechender Kühlkreislauf
leicht herstellbar ist.
-
Das
Steckelement ist zudem bevorzugt T-förmig ausgebildet und
weist getrennte Strömungspfade für den zulaufenden
und den ablaufenden Kraftstoff auf. Die beiden getrennten Strömungspfade
stehen über den Ventilraum hydraulisch miteinander in Verbindung,
so dass ein Kreislauf ausgebildet wird.
-
Zur
hydraulischen Verbindung mit dem Magnetventil weist das Steckelement
vorzugsweise wenigstens eine radiale Bohrung und/oder eine axiale Bohrung
auf, wobei die Bohrungen jeweils an einem gemeinsamen Schenkel des
vorzugsweise T-förmigen Steckelementes angeordnet sind.
Zur hydraulischen Verbindung wird dieser Schenkel dann in eine entsprechende
Ausnehmung des Magnetventils gesetzt, so dass eine radiale Bohrung
in den am Magnetventil ausgebildeten Zulauf mündet und
der am Magnetventil ausgebildete Ablauf über eine axiale Bohrung
des Schenkels angeschlossen wird. Somit sind die Strömungspfade
sicher getrennt. Alternativ kann die Anschluss auch umgekehrt erfolgen,
so dass der am Magnetventil ausgebildete Ablauf mit einer radialen
und der Zulauf mit einer axialen Bohrung des Steckelementes hydraulisch
verbunden ist. Innerhalb des Schenkels des T-Profils werden die
Strömungspfade über eine Mittelwand getrennt.
-
Zur
Ausbildung des Kühlkreislaufes ist weiterhin bevorzugt
wenigstens eine Kraftstoff führende Nut außen
am Magnetkern des Elektromagneten vorgesehen. Diese Nut kann radial
und/oder axial verlaufend angeordnet sein. Dies hängt unter
anderem davon ab, welche Lage und Ausrichtung der Zulauf bzw. der
Ablauf besitzt, je nach dem, ob die Nut zulaufenden oder ablaufenden
Kraftstoff führen soll. Beispielsweise kann der Magnetkern
eine topfförmige Gestaltung aufweisen und bodenseitig in
Verbindung mit dem T-förmigen Steckelement stehen, so dass
eine radiale Bohrung des Steckelementes zunächst in eine
radial über die Bodenseite des Magnetkerns geführte
Nut mündet. Diese Nut kann bis nach radial außen
geführt sein und von hier aus axial über die Außenumfangseite
des Magnetkerns verlaufen, bis sie in den Ventilraum mündet.
Vorzugsweise wird eine solche Nut zulaufseitig genutzt.
-
Weiterhin
vorzugsweise ist zur Ausbildung des Kühlkreislaufes zudem
wenigstens eine Kraftstoff führende radial und/oder axial
verlaufende Bohrung im Magnetkern vorgesehen, die bevorzugt ablaufseitig
genutzt wird. Wird jedoch die vorstehend beschriebene Nut bereits
ablaufseitig genutzt, dient die Bohrung der Führung von
zulaufendem Kraftstoff. Denn wie bereits erwähnt kann der
Anschluss des Zulaufes und des Ablaufes wahlweise über
eine radiale oder axiale Bohrung des Steckelementes erfolgen.
-
Bevorzugt
ist zur Ausbildung des Kühlkreislaufes ferner wenigstens
eine radial und/oder axial verlaufende Kraftstoff führende
Bohrung im Anker vorgesehen, damit der Ventilraum beispielsweise
mit einer radial und/oder axial verlaufenden Bohrung des Magnetkerns
verbindbar ist. Der vorzugsweise plattenförmige Anker kann
auch mehrere Ausnehmungen, beispielsweise in Form einer Perforation,
aufweisen, über welche eine hydraulische Verbindung des
Ventilraumes mit wenigstens einer als Ablauf dienenden Bohrung oder
Nut am Magnetkern herstellbar ist.
-
Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil erweist
sich jedoch nicht nur für Einspritzsysteme als geeignet,
die einen Systemdruck von 2000 bar überschreiten, sondern
auch für bestehende Systeme, bei denen der Systemdruck
noch unter 2000 bar liegt. Denn der vorgeschlagene Kühlkreislauf
ermöglicht eine vielfach getaktete Einspritzung mit besonders
kurzen Schaltzyklen, da eine Überhitzung der Magnetspule
aufgrund der entsprechend höheren elektrischen Ströme
nicht zu befürchten ist. Somit muss eine Mehrfacheinspritzung
nicht auf wenige Einspritzungen limitiert werden. Weiterhin kann
ein temperaturbedingter Leistungsabfall des Elektromagneten wirksam
verhindert werden. Die vorstehend genannten Vorteile kommen insbesondere
bei Kraftstoffinjektoren mit servobetriebenen Magnetventilen deutlich
zum Tragen.
-
Des
Weiteren wird ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine
mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil
vorgeschlagen. Vorzugsweise umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem
mehrere Kraftstoffeinspritzventile der vorstehend genannten Art,
die, bevorzugt über die Strömungspfade eines Steckelements,
parallel und/oder in Reihe geschaltet sind. Eine Kombination aus
Parallel- und Reihenschaltung ist ebenfalls denkbar.
-
Eine
Parallelschaltung entspricht weitestgehend der vorstehend bereits
beschrieben Einzelschaltung. Das heißt, dass der Zulauf
und der Ablauf eines jeden Einspritzventiles in direkter Verbindung mit
dem Vorratstank steht, so dass der zur Kühlung vorgesehene
Kraftstoff direkt dem Vorratstank entnommen werden kann.
-
Bei
einer Reihenschaltung werden dagegen mehrere Einspritzventile hintereinander
geschaltet. Das heißt, dass der zur Kühlung vorgesehen
Kraftstoff dem Ablauf des jeweils vorgeschalteten Einspritzventils
entnommen wird, so dass dieser bereits erwärmt ist und
eine geringer Kühlleistung bewirkt. Als vorteilhaft erweist
sich jedoch der einfache Aufbau einer solchen Reihenschaltung. Daher
kann eine Kombination aus Parallel- und Reihenschaltung je nach
Anzahl der verschalteten Injektoren sinnvoll sein.
-
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
Einspritzventils werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Diese zeigen:
-
1 einen
Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes
Einspritzventil im Bereich des Magnetventils und
-
2 einen
Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes
Einspritzventil im Bereich des Magnetventils.
-
Das
Kraftstoffeinspritzventil der 1 umfasst
ein Gehäuseteil 21, in welcher ein Magnetventil 1 zur
Betätigung einer Ventilnadel 2 gehalten ist, über deren
Offen- bzw. Schließstellung die Kraftstoffzufuhr zum Brennraum
er Brennkraftmaschine steuerbar ist. Die Betätigung der
Ventilnadel 2 erfolgt über den jeweils eingestellten
Hydraulikdruck eines Steuerraumes 22, über welchen
die Ventilnadel 2 mit einem Schließdruck beaufschlagbar
ist. Wird ein Druckabfall im Steuerraum 22 bewirkt, kann
die Ventiladel 2 eine Offenstellung einnehmen, in der die
Freigabe wenigstens einer Einspritzöffnung erfolgt, über
welche die Einspritzung vorgenommen werden kann. Um einen Druckabfall
im Steuerraum 22 zu bewirken, wird ein Ventilglied 4 des
Magnetventils 1 in eine Offenstellung bewegt, so dass über
eine Abflussdrossel 23 Hydraulikfluid aus dem Steuerraum 22 in
einen als Niederruckraum ausgebildeten Ventilraum 6 abfließen
kann, in welchem das Ventilglied 4 aufgenommen ist. Bei
dem Beispiel der 1 bildet das Ventilglied 4 eine
bauliche Einheit mit einem plattenförmigen Anker 5,
der über den Elektromagneten 3 derart bewegbar
ist, dass das Ventilglied 4 in eine Offenstellung oder
eine Schließstellung überführt werden kann.
-
Bei
einer Ansteuerung des Elektromagneten 3 wird eine Magnetkraft
auf den Anker 5 ausgeübt, über welche
der Anker 5 einschließlich Ventilglied 4 entgegen
der Druckkraft einer Ventilschließfeder 24 in
Richtung Magnetkern 17 des Elektromagneten 3 bewegt
wird. Dabei wird das Ventilglied 4 aus seinem Ventilsitz 25 gehoben.
Die Hubbewegung des Ventilgliedes 4 wird durch einen am
Magnetkern 17 ausgebildeten Hubanschlag 26 begrenzt.
Der Anschlages 26 kann entweder mit einer amagnetischen
Edelstahlscheibe oder einer Chrombeschichtung versehen sein. Bei
einer Absteuerung des Elektromagneten 3 bricht die Magnetkraft
zusammen und die Ventilschließfeder 24 drückt
das Ventilglied 4 in den Ventilsitz 25 zurück,
so dass die Verbindung zum Steuerraum 22 abgesperrt ist. Über
eine Zulaufdrossel 27 einströmender Kraftstoff
kann somit einen Anstieg des Steuerdruckes im Steuerraum 22 bewirken,
der die Ventilnadel 2 in eine Schließstellung überführt.
-
Das
Magnetventil des Einspritzventils der 1 ist „druckausgeglichen”,
das heißt, dass in Schließstellung des Ventilgliedes 4 keine
hydraulischen Kräfte am Ventilglied 4 angreifen.
Im Unterschied dazu weist das Einspritzventil der 2 ein Magnetventil 1 auf,
das nicht „druckausgeglichen” ist. Denn das Ventilglied 4 wird
in Schließstellung vom im Ventilraum 6 herrschenden
hydraulischen Druck beaufschlagt. Der Ventilsitz 25 ist
bei dem Ausführungsbeispiel der 2 zudem
kegelförmig ausgebildet, um mit einem teilkugelförmigen
Schließkörper des Ventilgliedes 4 zusammenzuwirken.
Der nachfolgend näher beschriebene Aufbau des erfindungsgemäß vorgesehenen
Kühlkreislaufes 7 ist bei beiden dargestellten
Ausführungsbeispielen jedoch nahezu identisch, weshalb
die nachfolgenden Ausführungen für beide Ausführungsbeispiele
Gültigkeit besitzen.
-
Das
Magnetventil 1 weist einen mit einem Vorratstank 8 verbindbaren
Kühlkreislauf 7 auf, bei dem Kraftstoff aus dem
Vorratstank 8 als Kühlmedium eingesetzt wird.
Hierzu sind am Magnetventil 1 wenigstens ein Zulauf 9 und
ein Ablauf 10 ausgebildet. Um den erforderlichen Förderdruck
zu bewirken, ist zwischen Zulauf 9 und Vorratstank 8 eine
Vorförderpumpe 11 angeordnet, deren Förderdruck
eine Zwangsspülung des an den Kühlkreislauf 7 angeschlossenen
Ventilraums 6 ermöglicht. Die hydraulische Verbindung
des Zulaufes 9 und des Ablaufes 10 mit dem Vorratstank 8 wird
am Magnetventil 1 selbst über ein T-förmiges
Steckelement 12 hergestellt, dessen mittig angeordneter
Schenkel, in dem zwei getrennte Strömungspfade 13, 14 ausgebildet
sind, in eine zentrale Ausnehmung des Magnetventils 1 einsetzbar
ist. Bei den beiden dargestellten Ausführungsbeispielen
ist die Ausnehmung des Magnetventils 1 ist im Bodenbereich
eines topfförmigen Magnetkerns 17 ausgebildet.
Der in diese Ausnehmung einsetzbare Schenkel des Steckelementes 12 weist zwei
Anschlussbohrungen 15, 16 auf, von denen die eine
radial und die andere axial verläuft. Die radiale Bohrung 15 ist
vorliegend dem Zulauf 9 des Magnetventils zugeordnet und
die axiale Bohrung 16 dem Ablauf 10. Die Zuordnung
kann jedoch auch umgekehrt erfolgen, solange gewährleistet
ist, dass ein Kreislauf mit getrennten Strömungspfaden 13, 14 ausgebildet
wird, die über den ventilraum 6 in Verbindung
miteinander stehen.
-
Der
Zulauf 9 setzt sich in einer am Magnetkern 17 ausgebildeten,
zunächst radial verlaufenden Nut 18 im Bodenbereich
des Magnetkerns 17 fort, die entlang des Außenumfangs
des Magnetkerns 17 axial geführt ist, um schließlich
in den Ventilraum 6 zu münden. Um den Ventilraum 6 mit
dem Ablauf 10 zu verbinden weist der plattenförmige
Anker 5 eine Bohrung 20 auf, die ihre Fortsetzung
in einer axialen Bohrung 19 des Magnetkerns 17 findet,
an welche die axiale Bohrung 16 des T-förmigen
Steckelementes 12 anschließt. Der Kreislauf ist
geschlossen.
-
Zur
Kühlung des Magnetventils 1 wird dem Ventilraum 6 „kalter” Kraftstoff
aus dem Vorratstank 8 über die Vorförderpumpe 11 zugeführt.
Dort vermischt sich der „kalte” Kraftstoff mit
dem vorhandenen „heißen” Kraftstoff,
wobei die Temperatur im Ventilraum 6 herunter gekühlt
wird. Zugleich wird eine „kalt/heiße” Kraftstoffmischung
in entsprechender Menge aus dem Ventilraum 6 wieder dem
Vorratstank 8 zugeführt. Die Vorförderpumpe 11 stellt
dabei einen ausreichenden Förderdruck sicher, so dass der
Ventilraum 6 über den Kühlkreislauf 7 eine Zwangsspülung
erfährt. Dadurch kann die Temperatur im Ventilraum 6 dauerhaft
abgesenkt werden.
-
Der
erfindungsgemäße Gedanke lässt sich sehr
einfach in bereits bestehenden Serienprodukten umsetzen. Dabei ist
die Erfindung insbesondere für die Anwendung bei Nutzfahrzeugen
interessant, weil hier in der Regel besonders hohe Systemdrücke
vorherrschen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102007029969
A1 [0002]
