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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in Brennräume von selbstzündenden schnelllaufenden Brennkraftmaschinen verwendet wird.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil aus, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 198 27 267 A1 bekannt ist. Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil wird Kraftstoff unter hohem Druck über Einspritzöffnungen, die im Kraftstoffeinspritzventil ausgebildet sind, direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Zur Steuerung dient eine kolbenförmige Düsennadel, die längsverschiebbar im Kraftstoffeinspritzventil angeordnet ist und die vom Kraftstoffdruck in einem Druckraum umgeben ist. Die Düsennadel wirkt dabei mit einem Düsensitz zusammen und öffnet und schließt durch ihre Längsbewegung die Einspritzöffnungen, durch die der verdichtete Kraftstoff im Druckraum in den jeweiligen Brennraum eingespritzt wird.
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Zur Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel dient der Druck in einem Steuerraum. Dazu ist die Düsennadel mit ihrem düsensitzabgewandten Ende in einer Bohrung eines Ventilstücks aufgenommen, so dass durch die Wand der Bohrung, den Grund der Bohrung und die Stirnseite der Düsennadel ein Steuerraum begrenzt wird. Dieser Steuerraum ist mit dem Druckraum über eine Zulaufdrossel verbunden und über eine Ablaufdrossel mit einem Niederdruckraum verbindbar. Die Ablaufdrossel wird durch ein Steuerventil geöffnet oder geschlossen, so dass Kraftstoff aus dem Steuerraum in den Niederdruckraum abfließen kann, wenn das Steuerventil geöffnet ist. Durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum wird eine hydraulische Kraft in Richtung des Düsensitzes auf die Düsennadel ausgeübt und drückt die Düsennadel gegen den Düsensitz, so dass die Einspritzöffnungen verschlossen werden. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird das Steuerventil geöffnet und Kraftstoff fließt aus dem Steuerraum in den Niederdruckraum, worauf sich der Druck im Steuerraum verringert, bis die Düsennadel, angetrieben durch den Kraftstoffdruck im Druckraum, vom Düsensitz abhebt und die Einspritzöffnungen freigibt.
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Das Ventilstück, das mit einem hülsenförmigen Abschnitt in den Druckraum ragt, in dem die die Düsennadel aufnehmende Bohrung ausgebildet ist, muss, um dem Druck im Steuerraum stand zu halten und eine stabile Führung der Düsennadel zu gewährleisten, eine relativ große Wandstärke im Bereich der Düsennadelführung aufweisen. Darüber hinaus muss das Ventilstück im Bereich der Führung der Düsennadel noch von einem ausreichenden Kraftstoffvolumen umgeben sein, damit der Kraftstoff einerseits ungehindert zur Zulaufdrossel strömen kann und sich andererseits ringsum den hülsenförmigen Absatz der Kraftstoffdruck des Druckraums voll aufbauen kann. Der radiale nach innen gerichtete Druck auf die hülsenförmige Verlängerung des Ventilstücks ist zur Abdichtung zwischen dem Ventilstück und der Düsennadel erforderlich, damit der Druckraum nur über die Zulaufdrossel und nicht über den Spalt zwischen dem Ventilstück und der Düsennadel kontrolliert befüllt wird. Diese Anforderungen bedingen einen relativ großen Durchmesser des Druckraums im Bereich der Düsennadelführung, was einer Verschlankung des Injektors enge Grenzen setzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein kompakter Aufbau des Kraftstoffeinspritzventils insbesondere im Bereich des Steuerventils und der Düsennadelführung ermöglicht wird. Hierzu weist das Kraftstoffeinspritzventil ein Gehäuse auf, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist mit einer darin längsverschiebbar angeordneten kolbenförmigen Düsennadel. Die Düsennadel wirkt mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung zusammen. Darüber hinaus ist im Druckraum ein Führungszapfen ausgebildet, der am düsensitzabgewandten Ende des Druckraums in diesen hineinragt. Die Düsennadel weist an ihrem düsensitzabgewandten Ende eine Ausnehmung auf, die den Führungszapfen aufnimmt, so dass die Düsennadel auf dem Führungszapfen bei ihrer Längsbewegung geführt ist. Durch die Ausbildung des Führungszapfens, der in die Ausnehmung der Düsennadel hineinragt, erübrigt sich eine Außenführung der Düsennadel, was einen entsprechend kompakten Aufbau des Kraftstoffeinspritzventils im Bereich dier Führung ermöglicht.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung wird durch die Ausnehmung und den Führungszapfen ein Steuerraum begrenzt. Über diesen Steuerraum wird ein hydraulischer Druck auf die Düsennadel ausgeübt, der diese in Längsrichtung mit einer Schließkraft beaufschlagt. Hierbei kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass der Druckraum düsensitzabgewandt durch ein Ventilstück begrenzt wird, wobei der Führungszapfen einstückig mit dem Ventilstück ausgebildet ist. In vorteilhafterweise ist dabei der Steuerraum über eine Zulaufdrossel mit dem Druckraum verbunden, wobei die Zulaufdrossel in der Düsennadel ausgebildet ist. Dieser kompakte und platzsparende Aufbau lässt sich darüber hinaus in vorteilhafterweise dazu benutzen, die Zulaufdrossel mit Hilfe des Führungszapfens bei der Öffnungshubbewegung der Düsennadel zu verschließen, so dass während der Öffnungsphase des Kraftstoffeinspritzventils kein oder nur noch wenig Kraftstoff in den Steuerraum nachfließt und von dort in den Niederdruckraum des Kraftstoffeinspritzventils.
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Zur Absteuerung des Kraftstoffs im Steuerraum kann es darüber hinaus in vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass im Führungszapfen eine Ablaufbohrung ausgebildet ist, über die die Verbindung mit dem Niederdruckraum herstellbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist am düsensitzabgewandten Ende des Druckraums eine Schalthülse angeordnet, an der der Führungszapfen angeformt ist. In der Schalthülse ist dabei in vorteilhafterweise auch die Ablaufbohrung ausgebildet, über die der Steuerraum mit dem Niederdruckraum verbindbar ist. Die Schalthülse dient dazu, die Zulaufdrossel, über die der Druckraum mit dem Steuerraum verbindbar ist, während der Öffnungsphase des Kraftstoffeinspritzventils zu verschließen. Dazu begrenzt die Schalthülse in vorteilhafterweise einen weiteren Steuerraum, der über eine Verbindungsbohrung mit einem Niederdruckraum verbindbar ist und über den ein Steuerdruck auf die Schalthülse ausübbar wird. Je nach Druck im weiteren Steuerraum bewegt sich die Schalthülse und verschließt die Zulaufdrossel, so dass die Absteuermenge des Kraftstoffs, die beim Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils aus dem Steuerraum in den Niederdruckraum abfließt, begrenzt wird. In vorteilhafterweise ist dabei der weitere Steuerraum mit dem Steuerraum über die Ablaufbohrung hydraulisch verbunden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel im Bereich der Ausnehmung radial vom Kraftstoff im Druckraum umgeben. Dies führt zu einer radial nach innen gerichteten hydraulischen Kraft auf die Düsennadel, die zu einer Abdichtung zwischen der Wand der Ausnehmung in der Düsennadel und dem Führungszapfen führt, so dass über diesen Spalt nur wenig Kraftstoff in den Steuerraum einfließen kann.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung und Zeichnung entnehmbar.
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Zeichnungen
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
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1 im Längsschnitt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils und
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei hier nur der Bereich der Führung der Düsennadel, also der düsensitzabgewandte Bereich des Kraftstoffeinspritzventils, dargestellt ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils im Längsschnitt dargestellt. Hierbei ist der dem Brennraum abgewandte Bereich und der dem Brennraum zugewandte Bereich des Kraftstoffeinspritzventils detailliert dargestellt, während der dazwischenliegende Bereich der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Injektorkörper 2 und einen Düsenkörper 3 umfasst.
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Der Düsenkörper 3 ist dabei über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Spannvorrichtung flüssigkeitsdicht gegen den Injektorkörper 2 verspannt. Im inneren des Injektorkörpers 2 und des Düsenkörpers 3 ist ein Druckraum 5 ausgebildet, der über einen Hochdruckzulauf 6, der als Bohrung im Injektorkörper 2 ausgebildet ist, mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Der Kraftstoff wird durch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Hochdrucksystem zur Verfügung gestellt, das eine Kraftstoffhochdruckpumpe umfasst. Im Druckraum 5 ist eine kolbenförmige Düsennadel 7 längsverschiebbar angeordnet. Die Düsennadel 7 wirkt mit einem am brennraumseitigen Ende des Einspritzventils ausgebildeten Düsensitz 8 zusammen, der in diesem Ausführungsbeispiel als konische Fläche ausgebildet ist. Der Düsensitz 8 geht in eine Sackbohrung über, von der mehrere Einspritzöffnungen 10 ausgehen, über die Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Bei Anlage der Düsennadel 7 auf dem Düsensitz 8 werden die Einspritzöffnungen 10 gegen den Druckraum 5 hydraulisch abgedichtet, während dann, wenn die Düsennadel 7 vom Düsensitz 8 abgehoben hat, Kraftstoff aus dem Druckraum 5 über das Sackloch in die Einspritzöffnungen 10 strömt und von dort ausgespritzt wird.
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Der Druckraum 5 wird brennraumabgewandt von einem Ventilstück 12 begrenzt, das mittels einer Spannmutter 13 gegen einen Absatz im Injektorkörper 2 verspannt und damit ortsfest im Einspritzventil angeordnet ist. Das Ventilstück 12 weist einen Führungszapfen 15 auf, der in den Druckraum 5 hineinragt. Die Düsennadel 7 weist an ihrem düsensitzabgewandten Ende eine Ausnehmung 17 auf, die hier als Sackbohrung ausgeführt ist und die den Führungszapfen 15 aufnimmt. Hierbei ist der Durchmesser der Ausnehmung 17 und des Führungszapfens 15 so aufeinander abgestimmt, dass zwischen dem Führungszapfen 15 und der Ausnehmung 17 nur ein enger Spalt verbleibt, der zwar eine Bewegung der Düsennadel 7 ermöglicht, jedoch eine Kraftstoffströmung durch diesen Spalt weitgehend unterbindet.
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Durch die Ausnehmung 17 und den Führungszapfen 15 wird innerhalb der Düsennadel 7 ein Steuerraum 20 begrenzt, der über eine Zulaufdrossel 22 mit dem Druckraum 5 verbunden ist. Die Zulaufdrossel 22 ist dabei als Bohrung innerhalb der Düsennadel 7 ausgebildet und erlaubt einen gedrosselten Zulauf von Kraftstoff aus dem Druckraum in den Steuerraum 20. Im Ventilstück 12 und im Führungszapfen 15 ist eine Ablaufbohrung 23 ausgebildet, die den Steuerraum 20 mit einem Steuerventil 25 verbindet. Das Steuerventil 25 ist dabei innerhalb eines Leckageraums 28 angeordnet und ermöglicht, die Verbindung der Ablaufbohrung 23 mit dem Niederdruckraum 28 zu öffnen oder zu schließen. Das Steuerventil 25 ist dabei vorzugsweise als elektrisch betätigtes Ventil ausgebildet, beispielsweise als Magnet- oder Piezoventil. Innerhalb der Ablaufbohrung 23 ist außerdem eine Ablaufdrossel 24 ausgebildet, so dass der Kraftstoffablauf aus dem Steuerraum 20 in den Niederdruckraum 28 nur mit einer gedrosselten Rate erfolgt.
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Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung befindet sich das Steuerventil 25 in seiner Schließstellung, so dass der Steuerraum 20 vom Niederdruckraum 28 hydraulisch getrennt ist. Die Düsennadel 7 befindet sich Anlage am Düsensitz 8 und verschließt die Einspritzöffnungen 10. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird das Steuerventil 25 geöffnet, so dass Kraftstoff aus dem Steuerraum 20 in den Niederdruckraum 28 abfließt. Durch das Abströmen des Kraftstoffs sinkt der Kraftstoffdruck im Steuerraum 20 sofort ab und es erniedrigt sich entsprechend die hydraulische Kraft auf die Stirnseite der Düsennadel 7. Durch den hydraulischen Druck im Druckraum 5 wirkt kontinuierlich eine Öffnungskraft auf die Düsennadel 7. Sobald diese Öffnungskraft die kontinuierlich sinkende Schließkraft durch den Druck im Steuerraum 20 überwiegt, hebt die Düsennadel 7 vom Düsensitz 8 ab und Kraftstoff fließt aus dem Druckraum 5 zu den Einspritzöffnungen 10. Je nach Ausgestaltung und Lage der Zulaufdrossel 22 kann es vorgesehen sein, dass der Führungszapfen 15 die Zulaufdrossel 22 im Laufe der Öffnungshubbewegung der Düsennadel 7 verschließt. Dadurch strömt während der Öffnungsphase des Kraftstoffeinspritzventils kein zusätzlicher Kraftstoff in den Steuerraum 20, so dass die Absteuermenge, die notwendig ist, um den Druck im Steuerraum 20 zu reduzieren, auf ein sehr geringes Maß reduziert wird. Sobald das Steuerventil 25 wieder schließt, drückt der über die Zulaufdrossel 22 in den Steuerraum 20 strömende Kraftstoff die Düsennadel 7 zurück in ihre Schließstellung. Sobald die Düsennadel 7 die Anlage am Düsensitz 8 erreicht hat, stellen sich die Druckverhältniss zu Beginn der Einspritzung wieder im Steuerraum 20 und im sonstigen Bereich des Kraftstoffeinspritzventils ein.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, wobei hier im Längsschnitt nur der obere Bereich des Kraftstoffeinspritzventils dargestellt ist. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel das Ventilstück 12 scheibenförmig dargestellt, wird aber ebenfalls durch die Spannmutter 13 in seiner Lage fixiert. Der Führungszapfen 15 ist hier Teil einer Schalthülse 29, die weitgehend rotationssymetrisch ausgebildet ist und die brennraumabgewandt im Druckraum 5 beweglich angeordnet ist und deren Zweck hauptsächlich die Abschaltung der Zulaufdrossel bei geöffnetem Steuerventil 25 ist. Die Schalthülse 29 wird in einer gestuften Führungsbohrung 35 im Ventilstück 12 geführt, in die sie mit einem Führungsabschnitt 31 hineinragt. Durch die Führungsbohrung 35 und den Führungsabschnitt 31 wird in diesem Ausführungsbespiel ein weiterer Steuerraum 30 begrenzt, der über eine Verbindungsbohrung 36 im Ventilstück 12 mit dem Niederdruckraum 28 über das Steuerventil 25 verbindbar ist. Der weitere Steuerraum 30 ist über die Ablaufbohrung 23‘, die entlang der Längsachse der Schalthülse 29 ausgebildet ist, mit dem Steuerraum 20 verbunden, der sich auch hier innerhalb der Düsennadel 7 befindet. In dieser Ablaufbohrung 23’ ist eine Ablaufdrossel 24 ausgebildet. Die Zulaufdrossel 22‘ ist in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb der Schalthülse 29 ausgebildet und als Radialbohrung ausgeführt, die in die Ablaufbohrung 23‘ mündet. Zur Schaltung der Zulaufdrossel 22‘ wirkt die Schalthülse 29 mit einem Dichtsitz 33 zusammen, der am Ventilstück 12 ausgebildet ist.
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Die Funktionsweise ist wie folgt: Wie schon bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel befindet sich auch hier die Düsennadel 7 zu Beginn der Einspritzung in Anlage am Düsensitz 8, während das Steuerventil 25 in seiner Schließstellung ist, wie dies in 2 dargestellt ist. Die Schalthülse 29 befindet sich dann in Anlage an einem Absatz 34, der im Injektorkörper 2 ausgebildet ist. Da die Schalthülse 29 an ihrer Außenfläche gestuft ausgebildet ist, ist zwischen der Schalthülse 29 und Wand der gestuften Führungsbohrung 35 im Ventilstück 12 ein Ringraum 38 ausgebildet, von dem die Zulaufdrossel 22‘ in die Ablaufbohrung 23‘ mündet. Der Ringraum 38 ist dabei über eine in der Schalthülse 29 ausgebildete Bohrung 32 mit dem Druckraum 5 verbunden. Der Spalt am Dichtsitz 33 ist aufgesteuert, so dass im Ringraum 38 derselbe Druck herrscht, wie im Druckraum 5. Wird nun das Steuerventil 25 geöffnet, so strömt Kraftstoff über die Verbindungsbohrung 36 aus dem weiteren Steuerraum 30 in den Niederdruckraum 28 ab. Der erniedrigte Druck im weiteren Steuerraum 30 führt dazu, dass die Schalthülse 29 in Längsrichtung von der Düsennadel 7 wegbewegt wird, bis sie am Dichtsitz 33 anlangt und die Verbindung zwischen dem Ringraum 38 und dem Druckraum 5 unterbricht. Dadurch wird auch die Verbindung der Zulaufdrossel 22‘ zur Ablaufbohrung 23‘ mit dem Druckraum 5 unterbunden, so dass auf diesem Weg kein Kraftstoff in die Ablaufbohrung 23‘ strömen kann. Wegen der Ablaufbohrung 23‘, in der sich auch hier eine Ablaufdrossel 24 befindet, erniedrigt sich sehr rasch auch der Druck im Steuerraum 20, was – wie oben bereits geschildert – zum Abheben der Düsennadel 7 vom Düsensitz 8 führt. Während des gesamten Einspritzvorgangs bleibt damit die Zulaufdrossel 22‘ verschlossen. Bei der Beendigung der Einspritzung fährt sowohl die Schalthülse 29, als auch die Düsennadel 7 wieder in ihrer Ausgangsstellung zurück, so dass über die Bohrung 32 und die Zulaufdrossel 22‘ der Steuerraum 20 und der weitere Steuerraum 30 wieder mit dem hohen Kraftstoffdruck, wie er im Druckraum 5 herrscht, befüllt werden.
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Durch die gezeigten Ausführungsbeispiele ist es also möglich ein sehr kompaktes Kraftstoffeinspritzventil zu bauen. Den größten Bauraum nimmt normalerweise der Bereich des Steuerventils und der Nadelführung ein, so dass durch diese Konstruktion eine Verschlankung des Kraftstoffinjektors ermöglicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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