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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es vorzugsweise zur Einspritzung von Kraftstoff direkt einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
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Stand der Technik
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Kraftstoffeinspritzventile, wie sie für die Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in Brennräume von Brennkraftmaschinen Verwendung finden, weisen zumeist einen Düsenkörper auf, in dem ein Druckraum ausgebildet ist. In den Druckraum wird Kraftstoff unter hohem Druck eingeleitet und durch eine oder mehrere Einspritzöffnungen in den Brennraum eingebracht. Zur Steuerung der Einspritzung dient eine Düsennadel, die im Druckraum längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Düsennadel eine Dichtfläche aufweist, die zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen mit einer Sitzfläche zusammenwirkt, wobei auch nur eine einzige Einspritzbohrung vorgesehen sein kann. Bei den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen, wie sie beispielsweise aus der
DE 10 2009 045 486 A1 bekannt sind, weist die Düsennadel eine im Wesentlichen konische Dichtfläche auf, die mit einem ebenfalls konischen Ventilsitz zusammenwirkt.
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Zur Bewegung der Düsennadel in ihrer Längsrichtung werden im Stand der Technik in aller Regel hydraulische Kräfte eingesetzt, da aufgrund des hohen Einspritzdruckes von bis zu 2500 bar bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen eine direkte Bewegung der Düsennadel entgegen den hydraulischen Kräften durch Magnet- oder Piezoaktoren ausscheidet. Die Düsennadel wird hierbei durch den hydraulischen Druck in einem Steuerraum in ihrer Schließstellung, d.h. in Anlage an der Sitzfläche gehalten. Wird der Druck im Steuerraum abgesenkt, so bewegt sich die Düsennadel – angetrieben durch den hydraulischen Druck im Druckraum – von der Sitzfläche weg und gibt einen Durchflussquerschnitt frei, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum zu den Einspritzöffnungen fließen kann. Durch erneutes Erhöhen des Druckes im Steuerraum wird die Düsennadel wieder in ihre Schließstellung, d.h. in Anlage an die Sitzfläche gedrückt.
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Um eine schnelle Steuerung der Düsennadel zu erreichen sind Ansätze bekannt, die Düsennadel kraftausgeglichen zu gestalten, d.h. dass sich die hydraulischen Kräfte in Längsrichtung auf die Düsennadel weitgehend gegeneinander wegheben, so dass in Längsrichtung keine resultierende hydraulische Kraft auf die Düsennadel wirkt. Aus der
DE 10 2007 032 741 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem die Düsennadel zumindest in ihrer geöffneten Stellung weitgehend kraftausgeglichen ist. Dies erlaubt zwar ein schnelles Schließen der Düsennadel, jedoch bleibt das Problem, dass zu Beginn der Einspritzung die Düsennadel nicht durch direkte Wirkung von Magnet- oder Piezoaktoren aus ihrer Schließstellung bewegt werden kann. Ein Kraftausgleich der Düsennadel sowohl im geschlossenen als auch im geöffneten Zustand ist so nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Düsennadel direkt mit einem Elektromagneten bewegt werden kann, was eine schnelle Bewegung der Düsennadel und eine genaue Steuerung von Einspritzbeginn und Einspritzende ermöglicht, auch bei mehreren schnell aufeinanderfolgenden Kraftstoffeinspritzungen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Sitzfläche als eine ebene Fläche ausgebildet ist, die die Eintrittsöffnungen der Einspritzöffnungen umgibt, so dass die Einspritzöffnungen direkt an deren Eintrittsöffnungen abgedichtet werden. Dadurch wird ein Großteil der Dichtfläche, die an der Düsennadel ausgebildet ist, vom Kraftstoffdruck im Druckraum beaufschlagt, so dass insgesamt nahezu ein Kraftausgleich der Düsennadel in Längsrichtung erreicht wird. Die für die Bewegung der Düsennadel notwendigen Kräfte lassen sich durch den Elektromagneten aufbringen, wobei die Düsennadel einstückig mit einem Magnetanker ausgebildet ist oder fest mit diesem verbunden ist, wobei der Magnetanker mit dem Elektromagneten zusammenwirkt.
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Die Sitzfläche ist in vorteilhafter Weise als ebene Kreisringfläche ausgebildet. Dies erlaubt, insbesondere in Verbindung mit einer Dichtfläche an der Düsennadel, die als ebene Stirnfläche ausgebildet ist, eine einfache Abdichtung auch einer Vielzahl von Einspritzöffnungen, so dass die Gesamtzahl der Einspritzöffnungen gegenüber den heutigen Einspritzventilen nicht reduziert werden muss.
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Sind mehrere Kreisringflächen vorhanden, so sind diese so voneinander beabstandet, dass der Kraftstoff frei dazwischen fließen kann, wodurch alle Einspritzöffnungen während der Einspritzung mit ausreichend Kraftstoff unter Einspritzdruck versorgt werden.
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Das der Dichtfläche abgewandte Ende der Düsennadel mündet vorteilhafterweise in einen Magnetanker, der mit dem Elektromagneten zusammenwirkt. Über die Ausgestaltung des Magnetankers lässt sich die Magnetkraft auf die Düsennadel bestimmen und ihr maximaler Hub.
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Die Spule des Elektromagneten kann im Hochdruck angeordnet sein, ist also direkt dem Druck im Druckraum ausgesetzt. Dies erlaubt eine unmittelbare Wirkung auf den Magnetanker und damit einen schnellen Kraftaufbau zum Öffnen der Düsennadel. Es kann in vorteilhafterweise aber auch vorgesehen sein, dass die Spule gegen den Druck im Druckraum abgedichtet ist und die Magnetkraft nicht direkt, sondern nur durch Magnetisierung des Eisenkerns des Elektromagneten auf die Düsennadel wirkt. Die Anordnung im Niederdruck bewirkt eine höhere Festigkeit der Spule, und diese kann mit geringeren Kosten gefertigt werden.
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Zeichnungen
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
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1 einen Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei die Darstellung der der 1 entspricht,
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3 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des mit III bezeichneten Ausschnitts der 1 und
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4 im Längsschnitt das brennraumseitige Ende des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil schematisch im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Düsenkörper 2 und einen Haltekörper 4 umfasst, die unter Zwischenlage einer Abstandshülse 5 und eines Eisenkerns 6 eines Elektromagneten 35 mittels einer Spannmutter 7 gegeneinander verspannt sind, wobei in der Zeichnung nur der unmittelbar an den Eisenkern 6 grenzende Teil des Haltekörpers 4 dargestellt ist. Im Düsenkörper 2 ist ein Druckraum 3 ausgebildet, in den über eine im Haltekörper 4 ausgebildete Hochdruckbohrung 25, durch den Eisenkern 6 und die Abstandshülse 5 von einer hier nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckquelle Kraftstoff eingeleitet werden kann. Im Druckraum 3 ist eine kolbenförmige Düsennadel 10 längsverschiebbar angeordnet, deren brennraumseitige Stirnfläche flach geschliffen ist und die so eine ebene Dichtfläche 18 bildet, die mit mehreren Sitzflächen 20 zusammenwirkt. Die Sitzflächen 20 sind als ebene Kreisringflächen ausgebildet, die im Düsenkörper 2 ausgebildete Eintrittsöffnungen 111 mehrerer Einspritzöffnungen 11 umgeben, wie 3 in einer perspektivischen Darstellung des mit III bezeichneten Ausschnitts von 1 zeigt. Die kreisringförmigen Sitzflächen 20 sind dabei in einer Ebene angeordnet, so dass bei Anlage der Dichtfläche 18 an den Sitzflächen 20 sämtliche Einspritzöffnungen 11 verschlossen und gegen den Kraftstoff im Druckraum 3 abgedichtet werden. Die Düsennadel 10 ist im Druckraum 3 in einem Führungsabschnitt 23 geführt, wobei der Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen 11 durch mehrere Anschliffe 24 an der Düsennadel 10 sicher gestellt ist.
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Die Düsennadel 10 geht an ihrem der Dichtfläche 18 abgewandten Ende in einen Magnetanker 35 über, der die übrige Düsennadel 10 in radialer Richtung nach außen deutlich überragt. Die Düsennadel 10 ist dabei entweder einstückig mit dem Magnetanker 35 ausgebildet oder mit diesem fest verbunden. Zwischen dem Magnetanker 35 und dem Haltekörper 4 ist eine Schließfeder 15 unter Druckvorspannung angeordnet, die eine Schließkraft in Richtung der Einspritzöffnungen 11 auf die Düsennadel 10 ausübt und das Schließen der Düsennadel 10 bewirkt. Darüber hinaus sorgt die Düsennadel 10 dafür, dass die Einspritzöffnungen 10 auch bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine verschlossen werden.
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Der Elektromagnet 30 umfasst neben dem Eisenkern 6 eine Spule 32, die als Drahtwickelspule ausgeführt ist. Die Spule 32 ist über zwei elektrische Anschlüsse 33, 34 und über Leitungen 40 mit einer Spannungsquelle 42 verbunden, über die ein Strom in die Spule 32 eingeleitet werden kann. Die Spannungsquelle 42 ist dabei beispielsweise ein mit Spannung versorgtes Steuergerät, mit dem sich gemäß den Anforderungen an die Einspritzung ein Strom in präziser zeitlicher Regelung durch die Spule 32 leiten lässt, wodurch ein die Spule umgebendes Magnetfeld entsteht, das durch den Magnetkern 6 verstärkt und gerichtet wird. Der Spule 32 ist direkt gegenüber dem Magnetanker 35 angeordnet, so dass dieser bei Bestromung der Spule 32 angezogen und damit die Düsennadel 10 insgesamt eine Öffnungsbewegung von der Sitzfläche 20 weg ausführt. Die Öffnungsbewegung der Düsennadel 10 wird solange fortgesetzt, bis der Magnetanker 35 an der Spule 32 bzw. am Eisenkern 6 zur Anlage kommt. Da im gesamten Druckraum 3 beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzventil ein hoher Kraftstoffdruck herrscht, ist auch die Spule 32 diesem Druck ausgesetzt.
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Der Druckraum 3 ist mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt, wenn das Kraftstoffeinspritzventil in Betrieb ist, so dass die Düsennadel 10 allseitig vom Kraftstoffdruck beaufschlagt wird. Da auch auf die Dichtfläche 18 und auf die den Einspritzöffnungen 11 abgewandte Stirnseite der Düsennadel 10 eine hydraulische Kraft durch den Kraftstoff im Druckraum 3 wirkt, ist die Düsennadel 10 als ganzes weitgehend auch in Längsrichtung kraftausgeglichen, das heißt, dass allenfalls eine geringe resultierende hydraulische Kraft in Längsrichtung wirkt. Da die Sitzflächen 20 nur eine sehr geringe Fläche haben, wirken sie sich auf die hydraulische Kräftebilanz praktisch nicht aus. Die Schließfeder 15 braucht nur eine geringe Kraft auszuüben, um die Düsennadel 10 nach Ende der Bestromung des Elektromagneten 30 wieder in ihre Schließstellung zu drücken.
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Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Elektromagnet 30 bestromt. Das Magnetfeld, das dadurch entsteht, zieht den Magnetanker 35 und damit die Düsennadel 10 von der Sitzfläche 20 weg und gibt damit die Eintrittsöffnungen 111 frei, worauf Kraftstoff aus dem Druckraum 3 in die Einspritzöffnungen 11 fließt und gelangt durch diese schließlich in einen Brennraum der Brennkraftmaschine, wobei der Kraftstoff wegen des hohen Drucks beim Austritt aus den Einspritzöffnungen 11 fein zerstäubt wird. Die Öffnungsbewegung der Düsennadel 10 setzt sich solange fort, bis der Magnetanker 35 an der Spule 32 oder am Eisenkern 6 zur Anlage kommt. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Spulenstrom abgeschaltet und die Düsennadel 10 bewegt sich angetrieben durch die Kraft der Schließfeder 15 wieder in Richtung der Sitzfläche 20 bzw. der Sitzflächen 20, so dass die Einspritzöffnungen 11 wieder verschlossen werden.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in derselben Darstellung wie in 1, wobei hier nur die Anordnung des Elektromagneten 30 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel geändert ist. Es wird deshalb auf die Darstellung der Bauteile verzichtet, die identisch mit denen in 1 gezeigten sind. Die Spule 32 des Elektromagneten 30 ist hier nicht dem Druck im Druckraum 3 ausgesetzt, sondern ist zwischen dem Eisenkern 6 und der Spannmutter 7 angeordnet und damit im Niederdruck. Die Abdichtung gegenüber dem Druckraum 3 erfolgt zum einen durch den Eisenkern 6 selbst und zum anderen durch die Abstandshülse 5', die zwischen dem Eisenkern 6 und dem Düsenkörper 2 eingespannt ist. Durch die Magnetisierung des Eisenkerns 6 bei Stromdurchfluss der Spule 32 wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 35 ausgeübt, wodurch die Düsennadel 10, wie schon beim ersten Ausführungsbeispiel, aus ihrer Schließstellung gezogen wird. Die Schließfeder 15 übt auch hier die schließende Kraft auf die Düsennadel 10 aus. Der Kraftstoffstrom durch die Hochdruckbohrung 25 in Richtung des Druckraums wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine Verbindungsbohrung 26 sichergestellt, die im Düsenkörper 2 ausgebildet ist. Die Führung der Düsennadel 10 erfolgt durch einen Führungsabschnitt 14, der im Druckraum 3 ausgebildet ist.
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4 zeigt in einem Querschnitt schematisch den Aufbau der Einspritzöffnungen 11 und der dazugehörigen Sitzflächen 20. Jede Einspritzbohrung 11 weist eine Eintrittsöffnung 111 auf, die innerhalb des Druckraums 2 angeordnet ist. Jede Eintrittsöffnung 111 ist von einer kreisringförmigen Sitzfläche 20 umgeben, deren Außendurchmesser nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser der Einspritzöffnungen 11. Wenn die Einspritzöffnungen 11 einen Durchmesser von beispielsweise 100 µm aufweisen, können die Sitzflächen 20 aus Kreisringflächen zusammengesetzt sein, deren Außendurchmesser beispielsweise 300 µm beträgt und die somit eine ebene Kreisringfläche bilden, deren Dicke 100 µm beträgt. Die Größe der Sitzflächen 20 muss an die wirkenden Kräfte angepasst werden, so dass es zu keinen plastischen Verformungen in diesem Bereich kommt.
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Das mit dem Brennraum in Verbindung stehende und mit Kraftstoff gefüllte Volumen beschränkt sich bei dem hier gezeigten Einspritzventil auf das Volumen der Einspritzöffnungen 11. Während des Verbrennungsvorgangs im Brennraum entstehen hohe Temperaturen, durch die auch ein Teil des Kraftstoffs, mit dem die Einspritzöffnungen 11 gefüllt sind, verbrennt. Da dieser Kraftstoff jedoch nicht zerstäubt ist, verbrennt er nur unvollständig und strömt mit dem Abgasstrom aus dem Brennraum. Das hier mit dem Brennraum in Verbindung stehende Volumen ist jedoch äußerst klein, da der typische Durchmesser einer Einspritzöffnung 11, die in der Regel als zylindrische Bohrung ausgeführt ist, nur etwa 150 µm beträgt bei einer Länge von etwa 1 mm. Die Kohlenwasserstoffemissionen sind somit auf ein Minimum reduziert und müssen nicht durch eine aufwendige Abgasnachbehandlung aus dem Abgas entfernt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045486 A1 [0002]
- DE 102007032741 A1 [0004]
