DE102011089360A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Gehäuse (1), das einen Düsenkörper (2) und einen Haltekörper (4) umfasst, wobei in dem Gehäuse (1) ein Druckraum (2) mit einer darin längsbewegbar angeordneten Düsennadel (10) ausgebildet ist. Die Düsennadel (10) wirkt mit einer Dichtfläche (18) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (11) mit einer Sitzfläche (20) zusammen, wobei die wenigstens eine Einspritzöffnung (11) eine Eintrittsöffnung (111) im Druckraums (2) aufweist. Im Gehäuse (1) ist darüber hinaus ein Elektromagnet (35) angeordnet. Die Sitzfläche (20) bildet eine ebene Fläche, die die Eintrittsöffnung (111) der wenigstens einen Einspritzöffnung (11) umgibt, wobei das der Dichtfläche (18) abgewandte Ende der Düsennadel (110) mit dem Elektromagneten (35) zusammenwirkt und dabei einen magnetischen Tauchanker bildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es vorzugsweise zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
  • Stand der Technik
  • 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 Einspritzöffnung 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.
  • Zur Bewegung der Düsennadel in ihrer Längsrichtung werden im Stand der Technik zumeist hydraulische Kräfte eingesetzt, da aufgrund des hohen Einspritzdruckes von bis zu 2500 bar, wie er bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen Verwendung findet, 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.
  • Um eine schnelle Steuerung der Düsennadel zu erreichen sind Ansätze bekannt, die Düsennadel kraftausgeglichen zu gestalten, das heißt, dass sich die hydraulischen Kräfte in Längsrichtung auf die Düsennadel weitgehend gegeneinander wegheben und 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 hier das Problem, dass zu Beginn der Einspritzung die Düsennadel nicht allein mit Hilfe von Aktoren aus ihrer Schließstellung bewegt werden kann. Ein Kraftausgleich der Düsennadel sowohl im geschlossenen als auch im geöffneten Zustand ist so nicht möglich.
  • Offenbarung der Erfindung
  • 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 erreicht, 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 praktisch ein Kraftausgleich der Düsennadel in Längsrichtung erreicht wird. Die für die Bewegung der Düsennadel notwendigen Kräfte lassen sich durch den Elektromagneten aufbringen, wobei das brennraumabgewandte Ende der Düsennadel als Tauchanker dient.
  • 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 bekannten Einspritzventilen nicht reduziert werden muss. 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.
  • Das der Dichtfläche abgewandte Ende der Düsennadel ragt vorteilhafterweise in den Elektromagneten und bildet so den Tauchanker. Der Elektromagnet umfasst dazu eine Spule, die die Düsennadel umgibt, so dass im Bereich der Düsennadel ein Magnetfeld erzeugt wird, durch welches die Düsennadel in die Spule gezogen wird, wenn ein entsprechender Strom durch die Spule fließt.
  • Um die Wirkung des Tauchankers zu verstärken kann das Ende der Düsennadel, das in den Elektromagneten ragt, als Permanentmagnet ausgebildet sein, wobei der Permanentmagnet vorteilhafterweise als Dipolmagnet ausgebildet ist. Je nach Orientierung des äußeren, vom Elektromagneten erzeugten Magnetfeldsund des magnetischen Feldes des Permanentmagneten bewegt sich die Düsennadel in Längsrichtung in ihre Öffnungs- oder Schließstellung.
  • Zeichnungen
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
  • 1 einen Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei die Darstellung der in 1 entspricht,
  • 3 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des mit III bezeichneten Ausschnitts der 1 und
  • 4 im Längsschnitt das brennraumseitige Ende des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 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 Drosselscheibe 5 und eines Eisenkerns 6 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 eine Verbindungsbohrung 26 in der Drosselscheibe 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 Ringflächen 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 ringförmigen Sitzflächen 20 sind dabei in einer gemeinsamen 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. Zwischen einem Absatz an der Düsennadel 10 und der Drosselscheibe 5 ist eine Schließfeder 15 unter Druckvorspannung angeordnet, die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist und die Düsennadel 10 umgibt. Durch die Schließfeder 15 wird die Düsennadel 10 mit einer Vorspannungskraft gegen die Sitzfläche 20 gedrückt, damit die Einspritzöffnungen 11 auch bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine verschlossen bleiben.
  • Eine kreisringförmige Sitzfläche 20 ergibt sich, wenn die Einspritzöffnung 11 senkrecht zum Grund des Druckraums 2 verläuft. Wird die Einspritzöffnung 11 jedoch schräg ausgeführt, wie z.B. in 2 gezeigt, so ist zumindest die Eintrittsöffnung 111 kein Kreis, sondern eine Ellipse. Die Außenkontur der Sitzfläche 20 kann in diesem Fall entweder ebenfalls elliptisch ausgeführt sein, oder aber kreisförmig. In letzterem Fall ist die Sitzfläche 20 eine Fläche mit kreisförmiger Außenkontur und einer elliptischen Innenkontur.
  • Der Eisenkern 6 ist Teil eines Elektromagneten 35, der darüber hinaus eine Spule 37 umfasst, die die Längsachse des Kraftstoffeinspritzventil umgibt und die mit elektrischen Anschlüssen 38, 39 verbunden ist, die von isolierenden Hülsen 44 umgeben sind. Die elektrischen Anschlüsse 38, 39 sind mit Leitungen 40 verbunden, über die ein Strom gespeist aus einer Spannungsquelle 42 durch die Spule geleitet werden kann. Die Spannungsquelle 42 besteht dabei beispielsweise aus einem mit Spannung versorgten Steuergerät, so dass der Spulenstrom zur Steuerung der Einspritzung präzise und mit sehr kurzen Schaltzeiten ein- und ausgeschaltet werden kann. Auch die Polung des Elektromagneten 35 lässt sich so einstellen.
  • Das der Dichtfläche 18 gegenüberliegenden Düsennadelende 110 ragt durch eine Öffnung in der Drosselscheibe 5 bis in den im Eisenkern 6 ausgebildeten Spulenraum 36, wobei die Spule 37 durch eine unmagnetische Hülse 43 gegen den Spulenraum 36 abgedichtet ist. Die unmagnetische Hülse 43 dient auch dazu, einen magnetischen Kurzschluss des Elektromagneten 35 zu verhindern. Der Kraftstoff, der durch die Hochdruckbohrung 25 in das Kraftstoffeinspritzventil eingespeist wird, fließt in den Spulenraum 36 und umgibt damit das Düsennadelende 110.
  • Der Druckraum 3 ist mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt, wenn das Kraftstoffeinspritzventil in Betrieb ist, so dass die Düsennadel 10 vom Kraftstoffdruck allseitig 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 in Längsrichtung kraftausgeglichen, das heißt, dass allenfalls eine geringe resultierende Kraft in Längsrichtung wirkt. Da die Sitzflächen 20 nur eine sehr kleine Fläche haben, wirken sie sich auf die Kräftebilanz praktisch nicht aus.
  • Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Elektromagnet bestromt. Das Magnetfeld, das innerhalb des Spulenraums 36 entsteht, zieht die Düsennadel 10 von der Sitzfläche 20 weg und gibt damit die Eintrittsöffnungen 111 frei, und Kraftstoff fließt aus dem Druckraum 3 in die Einspritzöffnungen 11 und wird von dort in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Öffnungsbewegung der Düsennadel 10 setzt sich entweder solange fort, bis diese mit ihrem Düsennadelende 110 an der Drosselscheibe 5 zur Anlage kommt, oder aber die Düsennadel 10 wird ballistisch betrieben, das heißt, dass sich die Bewegungsrichtung umkehrt, noch ehe die Düsennadel 10 an der Drosselscheibe 5 angelangt ist. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Spulenstrom durch die Spule 37 und damit auch das Magnetfeld umpolt, welches nun dem Feld des Permanentmagneten entgegengerichtet ist, was zu einem beschleunigten Schließen der Düsennadel 10 führt. Alternativ kann der Spulenstrom auch einfach abgeschaltet werden, so dass die Düsennadel 10 allein durch die Kraft der Schließfeder 15 geschlossen wird.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil in derselben Darstellung wie in 1, wobei nur die Düsennadel abgeändert wurde. Es wird damit auf die Darstellung der Bauteile verzichtet, die identisch bereits in 1 gezeigt sind. Die Düsennadel 10 weist an ihrem Düsennadelende 110 einen Permanentmagneten 12 auf, der so gestaltet ist, dass er mit einem Teil seiner Ausdehnung in den Elektromagneten 35 hineinragt. Der Permanentmagnet 12 ist dabei als Dipolmagnet ausgebildet, wobei ein Pol das Ende der Düsennadel 10 bildet. Der Permanentmagnet 12 bildet so ein äußeres Magnetfeld aus, das je nach Richtung des Spulenstroms dem Feld des Elektromagneten 35 gleich- oder entgegengerichtet ist. Durch das zusätzliche Magnetfeld des Permanentmagneten 12 wird die Kraft auf die Düsennadel 10 verstärkt, so dass die Bewegung der Düsennadel 10 mit geringerem Strom erfolgen kann. Dies erlaubt kürzere Schaltzeiten und damit schnellere Öffnungs- und Schließvorgänge.
  • 4 zeigt in einem Querschnitt schematisch den Aufbau der Einspritzöffnungen 11 und der dazugehörigen Sitzflächen 20. Jede Einspritzöffnung 11 weist eine Eintrittsöffnung 111 auf, die innerhalb des Druckraums 2 angeordnet ist. Jede Eintrittsöffnung 111 ist von einer ringförmigen 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 Ringflächen 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009045486 A1 [0002]
    • DE 102007032741 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Kraftstoffeinspritzventil mit einem Gehäuse (1), das einen Düsenkörper (2) und einen Haltekörper (4) umfasst, wobei in dem Gehäuse (1) ein Druckraum (2) mit einer darin längsbewegbar angeordneten Düsennadel (10) ausgebildet ist, und die Düsennadel (10) mit einer Dichtfläche (18) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (11) mit einer Sitzfläche (20) zusammenwirkt, wobei die wenigstens eine Einspritzöffnung (11) eine Eintrittsöffnung (111) im Druckraums (2) aufweist, und mit einem Elektromagneten (35), der im Gehäuse (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche (20) eine ebene Fläche bildet, die die Eintrittsöffnung (111) der wenigstens einen Einspritzöffnung (11) umgibt, und dass das der Dichtfläche (18) abgewandte Ende der Düsennadel (110) mit dem Elektromagneten (35) zusammenwirkt und dabei einen magnetischen Tauchanker bildet.
  2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche (20) als ebene Kreisringfläche ausgebildet ist, die die Eintrittsöffnung (111) der wenigstens einen Einspritzöffnung (11) umgibt.
  3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche (20) eine Außenkontur und eine Innenkontur aufweist, wobei die Innenkontur elliptisch ausgebildet ist und die Außenkontur elliptisch oder kreisförmig ausgebildet ist.
  4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Einspritzöffnungen (11) im Düsenkörper (2) ausgebildet sind und die Düsennadel (10) mit ihrer Dichtfläche (18) an allen Sitzflächen (20) gleichzeitig anliegt, wenn die Düsennadel (20) die Einspritzöffnungen (11) verschließt.
  5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (10) eine ebene Stirnfläche aufweist, die die Dichtfläche (18) bildet.
  6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringförmigen Sitzflächen (20) voneinander beabstandet sind.
  7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Dichtfläche (18) abgewandte Ende der Düsennadel (10) in den Elektromagneten (35) ragt.
  8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (35) eine Spule (37) umfasst, die die Düsennadel (10) umgibt.
  9. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das der Dichtfläche (18) abgewandte Ende der Düsennadel (110) als Permanentmagnet (12) ausgebildet ist.
  10. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (12) ein Dipolmagnet ist.
  11. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (12) zumindest teilweise innerhalb des Elektromagneten (35) angeordnet ist.
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