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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine.
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Aufgrund von immer strenger werdenden gesetzlichen Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, ist es erforderlich, verschiedene Maßnahmen vorzunehmen, die zum Senken der Schadstoffemissionen beitragen. Ein möglicher Ansatzpunkt hierbei ist es, den Betrieb von Einspritzventilen der Brennkraftmaschine zu optimieren.
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Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Einspritzventil zu beschreiben, welches einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine offenbart. Das Einspritzventil weist einen Injektorkörper mit einem Fluidzulauf und einem Fluidablauf auf. Weiterhin weist das Einspritzventil einen Düsenkörper mit einer mit dem Fluidzulauf hydraulisch gekoppelten Ausnehmung auf, in welcher eine Düsennadel axial beweglich angeordnet ist. Die Düsennadel unterbindet in einer Schließstellung einen Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung des Düsenkörpers und gibt diesen ansonsten frei. Das Einspritzventil weist weiterhin einen Steuerraum auf, der hydraulisch mit dem Fluidzulauf sowie der Düsennadel gekoppelt ist. Das Einspritzventil weist zudem ein Steuerventil mit einem Ventilkörper und einem Ventilraum auf. Der Ventilraum ist hydraulisch mit dem Steuerraum gekoppelt. Abhängig von einer Schließstellung des Ventilkörpers ist der Ventilraum mit dem Fluidablauf hydraulisch koppelbar. Weiterhin ist ein Aktor vorgesehen, der mit dem Ventilkörper zum Betätigen des Steuerventils koppelbar ist. Der Ventilkörper ist zusätzlich mit dem Steuerraum derart direkt gekoppelt, dass eine Kraftkomponente, welche von einem in dem Steuerraum vorherrschenden Druck abhängt, auf den Ventilkörper übertragbar ist.
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Typischerweise ist der Steuerraum über eine Drossel mit dem Ventilraum hydraulisch gekoppelt. Dies trägt dazu bei, dass beim Öffnen oder Schließen des Steuerventils im Regelfall im Steuerraum ein wesentlich höherer Druck vorherrscht, als in dem Ventilraum. Durch die direkte, zusätzliche Kopplung des Ventilkörpers mit dem Steuerraum kann ein präzises Schließen des Steuerventils, beispielsweise nach Entladen des Aktors, gesteuert werden. Unter der direkten Kopplung ist eine Kopplung ohne zwischengeschaltete Drossel oder dergleichen zu verstehen. Dadurch wird die Kraftkomponente nahezu ungedämpft auf den Ventilkörper übertragen. Weiterhin ermöglicht die direkte Kopplung des Ventilkörpers mit dem Steuerraum, dass eine hohe Schließkraft zum Schließen des Ventils erreicht werden kann. Des Weiteren wird durch die direkte Kopplung zu einer hohen Einspritzgenauigkeit und präzisen Steuerbarkeit des Einspritzventils beigetragen. Insbesondere lässt sich eine Einspritzmenge des Fluids, die von der Bewegung der Düsennadel abhängig ist, besonders gut steuern. Weiterhin können Toleranzen bei der Düsennadelbewegung durch die direkte Kopplung des Steuerraums mit dem Ventilkörper ausgeglichen werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das Einspritzventil ein mechanisches Koppelelement zum Übertragen der Kraftkomponente auf, wobei ein dem Ventilraum zugeordnetes Ende des Koppelelements mit den Ventilkörper mechanisch zusammenwirkt und ein dem Ventilkörper abgewandtes Ende des Koppelelements hydraulisch mit dem Steuerraum gekoppelt ist. Bevorzugt ist das mechanische Koppelelement als Bolzen oder Pin ausgebildet. Mittels des mechanischen Koppelelements lässt sich die Kraftkomponente auf dem Ventilkörper übertragen, wobei eine besonders hohe hydraulische Steifigkeit erreicht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das mechanische Koppelelement in einer den Steuerraum und den Ventilraum verbindenden Bohrung axial bewegbar angeordnet. Dies stellt eine sichere Führung des Koppelelements beim Übertragen der Kraftkomponente auf den Ventilkörper dar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Koppelelement derart in die Bohrung eingepasst, dass ein sich ausbildender Dichtspalt zwischen der Bohrung und dem Koppelelement im dynamischen Betrieb des Einspritzventils im Wesentlichen einen Fluidaustausch zwischen dem Steuerraum und dem Ventilraum unterbindet. Bevorzugt beträgt der Dichtspalt in etwa 1 µm. Dadurch ergibt sich ein Paarungsspiel zwischen dem Koppelelement und der Bohrung, so dass kein Klemmen des Pins erfolgt. Für hochdynamische Bewegungen, wie dies die Bewegung des Aktors zum Betätigen des Steuerventils darstellt, ist der Dichtspalt nahezu dicht. Dadurch ist die hydraulische Kopplung zwischen Steuerraum und Ventilraum beispielsweise nur durch eine Ablaufdrossel zwischen Steuerraum und Ventilraum definiert. Mit anderen Worten ist in dem dynamischen Betrieb des Einspritzventils ein Fluidaustausch zwischen dem Steuerraum und dem Ventilraum unterbunden, insbesondere im Wesentlichen unterbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Dichtspalt in etwa 0,5 µm bis 5 µm. Bevorzugt beträgt der Dichtspalt in etwa 0,5 µm bis 1,5 µm. Besonders bevorzugt beträgt der Dichtspalt in etwa 1,0 µm. Dadurch ist die oben beschriebene Funktion gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die übertragbare Kraftkomponente abhängig von einer dem Steuerraum zugewandten Fläche des Koppelelements. Insbesondere ist die Kraft abhängig von einer Querschnittsfläche des Koppelelements. Durch geeignete Wahl der Fläche ist somit die zu übertragende Kraftkomponente präzise einstellbar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Einspritzventil ein Federelement auf, welches eine Kraft auf den Ventilkörper in einer Schließrichtung des Steuerventils ausübt. Bei dem Federelement handelt es sich bevorzugt um eine Druckfeder. Das Federelement trägt zu einem sicheren Schließen des Steuerventils bei. Insbesondere stellt das Federelement sicher, dass das Steuerventil auch bei einem drucklosen Einspritzventil sicher geschlossen ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Aktor ausgebildet, ein Messsignal zu erzeugen, das repräsentativ für die Kraftkomponente ist. Aus diesem Messsignal können Informationen eines Öffnungsbeginns und eines Schließens der Düsennadel ermittelt werden, da sich zu diesem Zeitpunkt charakteristische Änderungen des im Steuerraum vorherrschenden Drucks ergeben. Mittels diesem Messsignal kann beispielsweise die Einspritzmengengenauigkeit besonders gut bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Aktor zum Betätigen des Ventilkörpers hydraulisch mit dem Ventilkörper gekoppelt. Insbesondere ist ein in den Ventilkörper integrierter hydraulischer Spielausgleich vorgesehen. Trotz der hydraulischen Kopplung des Aktors mit dem Ventilkörper ist durch die direkte Kopplung des Steuerraums mit dem Ventilkörper eine ausreichende Schließkraft am Ventilkörper zum Schließen des Steuerventils sichergestellt.
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Weitere Vorteile und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren beschrieben.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Einspritzventils,
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2 eine vergrößerte Schnittansicht des Einspritzventils und
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3 eine erste Diagrammdarstellung dreier Spannungsverläufe eines Aktors zum Zeitpunkt eines Öffnens einer Düsennadel,
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4 eine zweite Diagrammdarstellung eines Nadelhubverlaufs zum Zeitpunkt eines Öffnens einer Düsennadel,
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5 eine dritte Diagrammdarstellung dreier Spannungsverläufe des Aktors zum Zeitpunkt eines Schließens einer Düsennadel und
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6 eine vierte Diagrammdarstellung dreier Nadelhubverläufe zum Zeitpunkt eines Schließens einer Düsennadel.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Einspritzventils 1. Das Einspritzventil 1 hat einen Injektorkörper 2, in welchem ein Fluidzulauf 3 ausgebildet ist. Der Fluidzulauf 3 ist mit einem Krafthochdruckspeicher, wie beispielsweise einem sogenannten Common-Rail, hydraulisch gekoppelt und wird somit mit einem unter Druck stehenden Kraftstoff versorgt. Bei dem Druck handelt es sich beispielsweise um bis zu 2500 bar oder höher. Der Begriff „Fluid“ kann einen Kraftstoff bzw. Brennstoff, beispielsweise einen Diesel- oder Benzinkraftstoff, umfassen. Der Begriff kann allerdings auch andere Stoffe, beispielsweise organische Verbindungen wie Harnstoff, umfassen.
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Das Einspritzventil 1 hat einen Düsenkörper 4, in welchem eine Ausnehmung 5 ausgebildet ist. In der Ausnehmung 5 ist eine Düsennadel 6 axial beweglich bezüglich einer Längsachse der Düsennadel 6 angeordnet. Die Düsennadel 6 sitzt in einer Schließstellung nahe einer Spitze des Düsenkörpers 4 auf einem zugehörigen Nadelventilsitz auf und verhindert einen Fluidfluss durch eine oder mehrere Einspritzöffnungen 7. Hebt die Düsennadel 6 von dem Nadelventilsitz ab, so ist ein Fluidfluss freigegeben. Die Düsennadel 6 ist über eine Düsenfeder 20 vorgespannt. Der Düsenkörper 4 ist über eine Düsenspannmutter 18 mit dem Injektorkörper 2 mechanisch gekoppelt. Weiterhin ist eine Brennraumdichtung 19 vorgesehen.
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Die Ausnehmung 5 und die Düsennadel 6 sind hydraulisch über eine Düsenblende 22 mit dem Fluidzulauf 3 gekoppelt. Die Düsenblende 22 ist in eine Drosselplatte 17 eingebracht.
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Das Einspritzventil 1 weist weiterhin einen Steuerraum 8 auf, welcher hydraulisch über eine Zulaufdrossel 21 der Drosselplatte 17 mit dem Fluidzulauf 3 gekoppelt ist. Der Steuerraum 8 ist weiterhin hydraulisch mit der Düsennadel 6 gekoppelt. Der Steuerraum 8 ist zudem mit einem Ventilraum 11 eines Steuerventils 9 hydraulisch über eine Ablaufdrossel 23 der Drosselplatte 17 gekoppelt. Das Steuerventil 9 ist in einer Ventilplatte 16 angeordnet und wird als Servoventil bezeichnet. Das Steuerventil 9 hat einen Ventilkörper 10, der in dem Ventilraum 11 axial beweglich angeordnet ist. In einer Schließstellung des Steuerventils 9 sitzt der Ventilkörper 10 auf einem zugehörigen Ventilsitz auf und unterbindet einen Fluidfluss aus dem Ventilraum 11 zu einem Fluidablauf (nicht dargestellt). Der Fluidablauf ist mit einem Niederdruckbereich, wie beispielsweise mit einem Kraftstofftank, hydraulisch gekoppelt.
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Das Einspritzventil 1 weist einen Aktor 12 auf, welcher als Piezoaktor ausgebildet ist. Alternativ können auch andere Materialien, wie ein magnetostriktives Material, für den Aktor 12 verwendet werden. Der Aktor 12 ist in den Injektorkörper 2 integriert und hat eine Aktorkopfplatte 13 sowie eine Aktorbodenplatte 14. Über die Aktorkopfplatte 13 ist der Aktor 12 mit dem Injektorkörper 2 mechanisch gekoppelt. Über die Aktorbodenplatte 14 ist der Aktor 12 mit dem Steuerventil 9, insbesondere mit dem Ventilkörper 10 zum Betätigen dieses koppelbar.
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Der Aktor 12 ist von einer Wellenfeder 15 umgeben, welche diesen vorspannt. Die Wellenfeder 15 dichtet den Aktor 12 selbst gegenüber dem Fluid ab.
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Zu Beginn eines Einspritzvorgangs ist das Einspritzventil 1 geschlossen. Über den Fluidzulauf 3 sind die Ausnehmung 5, der Steuerraum 8 und der Ventilraum 11 vollständig mit Fluid unter hohem Druck gefüllt. Durch ein Kräfteverhältnis, das auf dem Ventilkörper 10 des Steuerventils 9 wirkt, befindet sich der Ventilkörper 10 in der Schließposition. Durch ein weiteres Kräfteverhältnis befindet sich die Düsennadel 6 ebenfalls in der Schließposition.
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Wird der Aktor 12 mit Spannung beaufschlagt, so dehnt sich der Aktor 12 und betätigt das Steuerventil 9. Dadurch wird das Steuerventil 9 geöffnet und der Druck im Ventilraum 11 sinkt ab. Beispielsweise sinkt der Druck um 90% ab auf beispielsweise 200 Bar. Durch diesen Druckabfall fließt Fluid über die Ablaufdrossel 23 in den Ventilraum 11 ab. Gleichzeitig fließt weniger Fluid über die Zulaufdrossel 21 in den Steuerraum 8 nach, so dass der Druck in dem Steuerraum 8 sinkt, jedoch weniger stark als im Vergleich zu dem Ventilraum 11. Beispielsweise sinkt der Druck auf 1300 bis 1400 Bar. Dies sorgt dafür, dass das auf die Düsennadel 6 wirkende Kräfteverhältnis verändert wird, so dass die Düsennadel 6 von ihrem zugehörigen Nadelventilsitz abhebt und Fluid durch die Einspritzöffnungen 7 austritt.
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Wird der Aktor 12 entladen, schließt das Steuerventil 9 wieder, wobei der Ventilkörper 10 wieder in seinen Ventilsitz gedrückt wird. Dadurch baut sich der Druck im Ventilraum 11, in dem Steuerraum 8 sowie in der Ausnehmung 5 wieder auf. Das auf die Düsennadel 6 wirkende Kräfteverhältnis sorgt dafür, dass die Düsennadel 6 wieder in ihre Schließposition bewegt wird.
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Um zum Schließen des Steuerventils 9 eine ausreichend hohe Schließkraft zu gewährleisten, ist der Ventilkörper 10 zusätzlich direkt mit dem Steuerraum 8 gekoppelt. Dies wird unter Zuhilfenahme der 2 beschrieben.
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2 zeigt eine schematische, vergrößerte Schnittansicht der Ventilplatte 16 mit dem Steuerventil 9 und der Drosselplatte 17. Weiterhin ist der Steuerraum 8 teilweise dargestellt. Der Ventilkörper 10 ist über ein mechanisches Koppelelement 24, welches als Stift ausgebildet ist, direkt mit dem Steuerraum 8 gekoppelt. Hierzu ist das Koppelelement 24 in eine Bohrung 29 axial beweglich eingepasst. Die Bohrung 29 verbindet den Ventilraum 11 mit dem Steuerraum 8. Mit einem dem Ventilkörper 10 zugewandten Ende 25 ist der Ventilkörper 10 mechanisch koppelbar mit dem Koppelelement 24. Ein dem Ventilkörper 10 abgewandtes Ende 26 ist dem Steuerraum 8 zugewandt. Der Ventilkörper 10 ist von dem Koppelelement 24 getrennt. Dies ermöglicht es, dass sich der Ventilkörper 10 sowie auch das Koppelelement 24 axial, insbesondere axial zueinander, ausrichten können.
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Durch die direkte Koppelung mittels des Koppelelements 24 kann insbesondere eine zusätzliche Schließkraft am Ventilkörper 10 zum Schließen des Steuerventils 9 erzielt werden. Beim Schließen der Düsennadel 6 baut sich der Druck in dem Steuerraum 8 schneller auf als in dem Ventilraum 11. Dies liegt daran, dass der Steuerraum 8 mit dem Ventilraum 11 über die Ablaufdrossel 23 hydraulisch gekoppelt ist. Mittels des Koppelelements 24 wird nun eine Kraftkomponente direkt auf den Ventilkörper 10 übertragen. Die Kraftkomponente hängt von dem Druck in dem Steuerraum 8 und von einem Querschnitt der dem Steuerraum 8 zugewandten Fläche des Koppelelements 24, insbesondere dessen Querschnittsfläche, ab. Die übertragbare Kraftkomponente trägt dazu bei, dass das Steuerventil 9 sicher geschlossen wird. Mittels des Koppelelements 24 und dessen Querschnittsfläche lässt sich auf einfache Art und Weise die Schließkraft zum Schließen des Steuerventils 9 präzise einstellen.
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Zwischen der Bohrung 29 und dem Koppelelement 24 ist ein Dichtspalt 30 mit etwa 1 µm vorgesehen. Somit wird ein Paarungsspiel zwischen Bohrung 29 und Koppelelement 24 eingestellt, welches bewirkt, dass im dynamischen Betrieb des Einspritzventils 1 nahezu kein Kraftstoff über den Dichtspalt 30 in den Ventilraum 11 abfließen kann. Somit ist der Dichtspalt 30 im dynamischen Betrieb nahezu dicht.
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Zusätzlich ist ein Federelement 28 vorgesehen, welches an einem Federteller 27 angreift und eine Kraft auf dem Ventilkörper 10 in Schließrichtung des Steuerventils 9 ausübt. Das Federelement 28 dient dazu, das Steuerventil 9 auch bei einem drucklosen Einspritzventil 1 sicher zu schließen.
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Wie weiter anhand von 2 im Folgenden beschrieben wird, ist anstelle einer leerhubbehafteten mechanischen Kopplung zwischen dem Aktor 12 und dem Ventilkörper 10 eine hydraulische Kopplung mit einem in dem Ventilkörper 10 integrierten Spielausgleich vorgesehen. Der Aktor 12 ist über einen Koppelstift 31 hydraulisch mit dem Ventilkörper 10 zur Betätigung des Ventilkörpers 10 gekoppelt. Hierzu ist in den Ventilkörper 10 eine zentrale Bohrung eingebracht, in welcher der Koppelstift 31 eingepasst ist. Der Koppelstift 31 begrenzt in der zentralen Bohrung mit dem Ventilkörper 10 ein Koppelvolumen 32. Zwischen dem Koppelstift 31 und dem Ventilkörper 10 ist wiederum ein Dichtspalt ausgebildet, welcher analog zu oben in etwa 1 µm beträgt.
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Im Ausführungsbeispiel finden sich auf etwa der halben Höhe des Ventilkörpers 10 zwei radiale Bohrungen 33, welche den Ventilraum 11 mit dem Dichtspalt zwischen dem Koppelstift 31 und dem Ventilkörper 10 verbinden. Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 1 beziehungsweise des Steuerventils 9 liegt im Ventilraum 11 Hochdruck an, welcher über die radialen Bohrungen 33 und den Dichtspalt in das Koppelvolumen 32 übertragen wird. Dieser Druck bewirkt, dass der Koppelstift 31 stets in Richtung der Aktorbodenplatte 14 des Aktors 12 gedrückt wird und an dieser anliegt. Damit ist ein spielfreier Kontakt zwischen dem Aktor 12 und dem Ventilkörper 10 gewährleistet. Bewegungen mit sehr geringer Dynamik, wie beispielsweise die Temperaturausdehnung und der Verschleiß, können durch Änderung des Koppelvolumens 32 ausgeglichen werden. Für hochdynamische Bewegungen jedoch, wie bei dem Einspritzvorgang, ist der Dichtspalt 30 nahezu dicht und somit die Kopplung zwischen dem Ventilkörper 10 und dem Koppelstift 31 steif.
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Bei einer derartigen hydraulischen Kopplung des Ventilkörpers 10 mit dem Aktor 12 ist besonders von Vorteil, dass der Ventilkörper 10 auch direkt über das Koppelelement 24 mit dem Steuerraum 8 gekoppelt ist. Aufgrund des beschriebenen Kraftübertrags auf den Ventilkörper 10 mittels des Koppelelements 24 ist trotz des hydraulischen Spielausgleichs stets sichergestellt, dass der Ventilkörper 10 dicht schließt und somit kein Fluid über den Ventilsitz abfließen kann.
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Aus der mittels des Koppelelements 24 übertragenen Kraftkomponente, lässt sich auf eine Information eines Öffnungsbeginns und eines Schließens der Düsennadel 6 schließen. Zu diesen Zeitpunkten ergeben sich charakteristische Änderungen des in dem Steuerraum 8 vorherrschenden Druckes. Durch die entsprechende Kopplung des Ventilkörpers 10 mit dem Aktor 12 wird die zu dem Druck im Steuerraum 8 proportionale Kraftkomponente auf den Aktor 12 rückgekoppelt. Dadurch erzeugt der Aktor 12 ein Messsignal, welches abgegriffen werden kann. Dies ist in den schematischen Diagrammdarstellungen der 3 bis 6 gezeigt.
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In der in 3 gezeigten Diagrammdarstellung ist eine an dem Aktor 12 anliegende Spannung U in Volt (V) gegenüber einer Zeit t in Millisekunden (ms) aufgetragen. Es sind drei Spannungsverläufe beim Öffnen der Düsennadel 6 abgebildet. Jeder Spannungsverlauf entspricht einem leicht variierten Einspritzventil 1, wobei Düsenparameter wie Ventilsitzdurchmesser oder dergleichen verändert sind. Unabhängig von den unterschiedlichen Düsenparametern ergibt sich jeweils ein charakteristischer Verlauf, aus welchem exakt der Zeitpunkt des Nadelöffnens ermittelt werden kann. 4 zeigt eine zu 3 korrelierende zweite schematische Diagrammdarstellung, wobei ein Nadelhub n in Millimeteren (mm) gegenüber der Zeit t in Millisekunden (ms) aufgetragen ist. Unter dem Nadelhub wird eine axiale Bewegung des Düsennadel 6 verstanden. Dargestellt sind drei Nadelhubverläufe zum Zeitpunkt des Öffnens der Düsennadel 6, aus den Spannungsverläufen ermittelt worden sind und gegenüber der Zeit aufgetragen sind.
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Analog dazu zeigen die 5 und 6 weitere Diagrammdarstellungen mit Spannungsverläufen und Nadelhubverläufen zum Zeitpunkt eines Schließens der Düsennadel 6.
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Aufgrund der Kopplung mittels dem Koppelelement 24 können somit durch Rückkopplung des in dem Steuerraum 8 vorherrschenden Druckes auf den Aktor 12 Sensorsignale abgeleitet werden, welche der präzisen Regelung der Einspritzmenge dienen. Insgesamt wird somit eine Einspritzmengenstabilität des Einspritzventils 1 verbessert im dynamischen Betrieb eines Motors.
