-
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es beispielsweise zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffeinspritzventile bekannt, wie sie beispielsweise zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung finden. Dabei wird Kraftstoff, der von einer Hochdruckpumpe verdichtet worden ist, unter hohem Druck direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Zur Dosierung des Kraftstoffs dient dabei eine Düsennadel, die längsverschiebbar in einem Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist. Diese gibt durch ihre Längsbewegung eine oder mehrere Einspritzöffnungen frei, durch die der verdichtete Kraftstoff in den Brennraum austreten kann. Bedingt durch den hohen Druck des Kraftstoffs wird der Kraftstoff dabei fein zerstäubt, so dass eine effektive Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum erfolgt.
-
Die Bewegung der Düsennadel wird gesteuert durch einen wechselnden Druck in einem Steuerraum. Der Steuerraum begrenzt die den Einspritzöffnungen abgewandte Stirnseite der Düsennadel, so dass durch den Druck im Steuerraum eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel ausgeübt wird, die diese gegen einen Düsensitz drückt. Hydraulische Kräfte in einem Druckraum, der die Düsennadel umgibt und der im Betrieb mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt ist, übt eine hydraulische Öffnungskraft auf die Düsennadel aus, die dem Schließdruck durch den hydraulischen Druck im Steuerraum entgegengerichtet ist. Wird der Druck im Steuerraum abgesenkt, so überwiegt der öffnende hydraulische Druck auf die Düsennadel, die sich daraufhin vom Düsensitz wegbewegt die Einspritzöffnungen freigibt.
-
Zur Einstellung des Drucks im Steuerraum dient ein Steuerventil, das beispielsweise als Magnetventil ausgebildet ist, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 025 614 A1 bekannt ist. Das dort offenbarte Steuerventil ist folgendermaßen aufgebaut: Eine Ablauföffnung ist in einem den Steuerraum begrenzenden Ventilstück ausgebildet, über die Kraftstoff aus dem Steuerraum in einen Niederdruckbereich abfließen kann, was den Druck im Steuerraum absenkt. Zum Öffnen und Verschließen der Ablauföffnung dient ein Magnetanker, der mittels eines Elektromagneten bewegt werden kann. Dabei werden die Elemente innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils mittels einer Magnetfeder fixiert, welche den Elektromagneten über eine Hülse oder ein anderes Spannelement gegen das Ventilstück drückt. Dadurch bleiben die Teile während des Betriebs an Ort und Stelle, lassen sich aber trotzdem leicht montieren.
-
Der maximale Hub des Magnetankers wird durch den Abstand des Ventilstücks zum Elektromagneten bestimmt und hat aus zwei Gründen eine große Bedeutung. Zum einen muss der Magnetanker eine gewisse Strecke durchfahren können, damit die Ablauföffnung einen genügend großen Ablaufquerschnitt freigibt und damit eine schnelle Druckabsenkung im Steuerraum ermöglicht. Zum anderen bestimmt der Abstand des Elektromagneten zum Magnetanker die auf den Magnetanker wirkende magnetische Kraft und damit die Dynamik des Öffnungsvorgangs, wenn der Elektromagnet aus seiner Schließstellung heraus betätigt wird. Bei den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen mit einem solchen Magnetventil kann es jedoch dazu kommen, dass das Ventilstück durch den Druck im Steuerraum leicht verformt wird. Dadurch bewegt sich der Sitz des Magnetankers am Ventilstück in Richtung des Elektromagneten und verkürzt so den maximalen Hub des Magnetankers. Entsprechend ändert sich die Dynamik des Steuerventils und damit auch die Einspritzdynamik des Kraftstoffeinspritzventils, was sich nachteilig auf die Steuerbarkeit und damit auf den Verbrennungsverlauf auswirken kann.
-
Vorteile der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist dem gegenüber den Vorteil, dass der maximale Hub des Magnetankers über die gesamte Lebensdauer konstant ist und sich insbesondere nicht durch den Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs ändert. Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil einen Magnetanker auf, der mit einem an einem Ventilstück ausgebildeten Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer Ablauföffnung zusammenwirkt, wobei der Magnetanker durch einen Elektromagneten vom Ventilsitz wegbewegt werden kann. Das Ventilstück begrenzt seinen Steuerraum, in den die Ablauföffnung mündet und der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist, wobei durch den Druck im Steuerraum eine hydraulische Kraft auf das Ventilstück im Bereich der Ablauföffnung in Richtung des Magnetankers ausgeübt wird. Zwischen dem Magnetanker und dem Ventilstück ist ein Spannelement angeordnet, dass gegen das Ventilstück vorgespannt ist und im Bereich der Ablauföffnung eine Kraft auf das Ventilstück in Richtung des Steuerraums ausübt.
-
Durch die Kraft, die das Spannelement auf das Ventilstück im Bereich der Ablauföffnung ausübt, geschieht bei einer Verformung des Ventilstücks im Bereich der Ablauföffnung folgendes: Das Ventilstück wölbt sich durch den Druck im Steuerraum in Richtung des Magnetankers und drückt dabei das Spannelement ebenfalls in Richtung des Elektromagneten. Durch das Spannelement wird auch der Elektromagnet in die gleiche Richtung bewegt, so dass insgesamt der Abstand zwischen dem Elektromagneten und dem Ventilstück konstant bleibt, unabhängig davon, wie stark das Ventilstück durch den Innendruck im Steuerraum verformt wird. Damit bleibt der Maximalhub des Magnetankers stets konstant, auch bei einer starken Verformung des Ventilstücks, und damit bleibt auch die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils stets die gleiche.
-
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Spannelement als Lochscheibe ausgebildet, die eine mittige, vom Magnetanker durchsetzte Öffnung aufweist. Auf diese Weise lässt sich der Magnetanker in seiner Form, so wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, weiter betreiben und das Spannelement lässt sich in einfacher Art und Weise ausbilden, um den gewünschten Effekt zu erhalten.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ventilsitz ringscheibenförmig ausgebildet und umgibt dabei die Ablauföffnung. Ein solcher Ventilsitz lässt sich leicht ausbilden und erlaubt eine rotationssymmetrische Ausbildung des Steuerventils.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Spannelement durch eine Hülse gegen das Ventilstück vorgespannt, wobei sich die Hülse mit ihrem anderen Ende am Elektromagneten abstützt. Dadurch wird bei einer Bewegung des Spannelements in Richtung des Elektromagneten dieser auf konstantem Abstand zum Spannelement gehalten, so dass sich bei einer Verformung des Ventilstücks sowohl das Ventilstück selbst als auch der Elektromagnet in gleicher Weise in eine Richtung bewegen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Elektromagnet durch eine Magnetfeder in Richtung des Ventilstücks vorgespannt. Dies sichert einerseits die Position des Elektromagneten innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils und erlaubt anderseits eine einfache und kostengünstige Montage.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Magnetanker durch eine Ankerfeder gegen den Ventilsitz vorgespannt. Dadurch ist die Beweglichkeit des Magnetankers sichergestellt, da er durch den Elektromagneten in die andere Richtung bewegbar ist. Besonders platzsparend und gut zu fertigen ist dabei die Anordnung der Ankerfeder innerhalb des Elektromagneten, so dass insgesamt ein kompakter Aufbau des Magnetventils erreicht wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt das Spannelement auf einem kreisringförmigen Bereich am Ventilstück auf, wobei der kreisringförmige Bereich den Ventilsitz und die Ablauföffnung umgibt und dadurch lässt sich die Kraft nahe der Ablauföffnung und symmetrisch zum Ventilsitz in das Ventilstück einbringen, so dass eine Verformung des Ventilstücks durch den Innendruck im Steuerraum zu einer Translation des Spannelements führt und nicht zu einem Verkippen.
-
Besonders vorteilhaft ist darüber hinaus, den Ventilsitz als Flachsitz auszubilden, da dadurch eine gute Bewegbarkeit des Spannelements und auch des Elektromagneten sichergestellt ist.
-
Figurenliste
-
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils schematisch im Längsschnitt dargestellt. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist,
- 2 das gleiche Kraftstoffeinspritzventil, hier ebenfalls in schematischer Darstellung, wobei nur die wesentlichen Teile dargestellt sind und der Einfluss des Innendrucks im Steuerraum auf die Verformung der angrenzenden Bauteile überhöht dargestellt ist,
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils,
- 4 in der gleichen Darstellung wie 3 die Auswirkungen einer Verformung des Ventilstücks durch den Innendruck im Steuerraum und
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils, wobei nur der Bereich des Spannelements dargestellt ist.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Kraftstoffeinspritzventil schematisch im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Teile des Kraftstoffeinspritzventils dargestellt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 2, einen Haltekörper 3 und einen Düsenkörper 5 umfasst, die in dieser Reihenfolge durch nicht gezeigte Spannvorrichtungen gegeneinander flüssigkeitsdicht verspannt sind. Im Haltekörper 3 ist eine Bohrung 7 ausgebildet, die sich bis in den Düsenkörper 5 erstreckt und in der eine kolbenförmige Düsennadel 8 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 8 wirkt dabei mit einem im Düsenkörper 5 ausgebildeten Düsensitz 9 zusammen, so dass bei Anlage der Düsennadel 8 am Düsensitz 9 Einspritzöffnungen 10, die am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 5 ausgebildet sind, gegenüber einem Druckraum 6 verschlossen werden, der die Düsennadel 8 im Bereich des Düsenkörpers 5 umgibt. Der Druckraum 6 ist dabei mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt, der von einer nicht näher gezeigten Hochdruckpumpe verdichtet und dem Kraftstoffeinspritzventil zugeführt wird.
-
Durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 6 wird eine in Öffnungsrichtung, d.h. vom Düsensitz 9 weg gerichtete Öffnungskraft auf die Düsennadel 8 ausgeübt, der jedoch eine hydraulische Schließkraft entgegenwirkt, die durch den Kraftstoffdruck in einem Steuerraum 12 erzeugt wird. Der Steuerraum 12 wird dabei durch die dem Düsensitz 9 abgewandte Stirnseite der Düsennadel 8 begrenzt und gegenüberliegend von einem Ventilstück 15. Der Steuerraum 12 ist über eine nicht gezeigte Zuleitung mit dem Druckraum 6 verbunden, so dass er über diese Zuleitung stets mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Die hydraulischen Kräfte auf die Düsennadel 8 durch den Druck im Druckraum 6 und im Steuerraum 12 sind so bemessen, dass bei gleichem Druck im Steuerraum 12 und im Druckraum 6 die Düsennadel 8 hydraulisch gegen den Düsensitz 9 gedrückt wird und dadurch die Einspritzöffnungen 10 verschließt.
-
Zur Regulierung des Drucks im Steuerraum 12 dient ein Steuerventil 14. Das Steuerventil 14 umfasst dabei einen Magnetanker 18, der in einem in Ventilkörper 2 ausgebildeten Ablaufraum 16 längsverschiebbar angeordnet ist. Der Magnetanker 18 wirkt mit einem Ventilsitz 19 zum Öffnen und Schließen einer Ablauföffnung 20 zusammen, wobei der Ventilsitz 19 am Ventilstück 15 ausgebildet ist und ringscheibenförmig die Mündung der Ablauföffnung 20 in den Ablaufraum 16 umgibt, so dass bei Auflage des Magnetankers 18 am Ventilsitz 19 die Ablauföffnung 20 gegenüber dem Ablaufraum 16 verschlossen wird. Zur Bewegung des Magnetankers 18 dient ein Elektromagnet 24, der einen Magnetkern 25 mit einer darin ausgebildeten Magnetspule 26 umfasst. Wird die Magnetspule 26 bestromt, so übt der Elektromagnet 24 eine anziehende Kraft auf den Magnetanker 18 aus, so dass dieser vom Ventilsitz 19 in Richtung des Elektromagneten 24 weggezogen wird. Die Bewegung des Magnetankers 18 erfolgt dabei gegen die Kraft einer Ankerfeder 22, die in einer Ausnehmung im Elektromagnet 24 angeordnet ist. Die Ankerfeder 22 sorgt auch dafür, dass sich der Magnetanker 18 bei unterbrochener Bestromung der Magnetspule 26 wieder zurück in seine Schließstellung bewegt, d.h. in Anlage an den Ventilsitz 19.
-
Der axialer Abstand zwischen dem Elektromagnet 24 und dem Ventilstück 15 markiert den Maximalhub H des Magnetankers 18. Um diesen konstant zu halten ist zwischen dem Elektromagneten 24 bzw. dem Magnetkern 25 und dem Ventilstück 15 eine Hülse 28 angeordnet, deren axiale Länge den Maximalhub H letztlich festlegt. Um den Elektromagneten 24 an Ort und Stelle zu halten ist eine Magnetfeder 27 vorgesehen, die den Elektromagneten 24 über die Hülse 28 gegen das Ventilstück 15 vorspannt. Wird jetzt der Elektromagnet 24 bestromt, so zieht dieser den Magnetanker 18 vom Ventilsitz 19 weg und gibt die Ablauföffnung 20 frei. Dadurch sinkt der Druck im Steuerraum 12, da Kraftstoff über die Ablauföffnung 20 in den Ablaufraum 16 abströmt und die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 8 entsprechend nachlässt. Diese wird deshalb durch hydraulische Kräfte im Druckraum 6 vom Düsensitz 9 weg bewegt und gibt die Ablauföffnungen 10 frei, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 6 über die Einspritzöffnungen 10 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung des Elektromagneten 24 beendet, so dass die Ankerfeder 22 den Magnetanker 18 zurück in Anlage an den Ventilsitz 19 drückt, der die Ablauföffnung 20 erneut verschließt. Der sich durch den nachlaufenden Kraftstoff im Steuerraum 12 wieder aufbauende Kraftstoffdruck drückt die Düsennadel 8 zurück in ihre Schließstellung an den Düsensitz 9, so dass die Einspritzöffnungen 10 wieder verschlossen werden.
-
Die bei der normalen Kraftstoffeinspritzung verwendeten Kraftstoffdrücke sind sehr hoch und betragen zeitweise 2000 bar (200 MPa) oder noch deutlich darüber. Dadurch kommt es zu einer kleinen, aber dennoch merklichen Verformung des Ventilstücks 15 durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum 12, da auf der dem Steuerraum 12 abgewandten Seite des Ventilstücks 15 im Ablaufraum 16 stets nur ein sehr niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Dadurch verformt sich das Ventilstück 15, wie in der 2 anhand der gestrichelten Linie dargestellt, so dass der Ventilsitz 19 um eine Strecke h in Richtung des Elektromagneten 24 verschoben wird. Damit verringert sich auch der Maximalhub H des Magnetankers 18 um diese Strecke h, da auch der Abstand des Magnetankers 18 zum Elektromagneten 24 bei geschlossenem Steuerventil verkleinert wird. Da die magnetische Kraft auf den Magnetanker 18 sehr empfindlich gegenüber dem Abstand zum Elektromagneten 24 ist, ist jetzt die magnetische Kraft auf den Magnetanker 18 erhöht, was die Öffnungsdynamik bei Bestromung des Elektromagneten 26 ändert. Dies bedingt eine andere Einspritzdynamik und damit eine Änderung von Menge und Einspritzzeitpunkt.
-
In 3 ist ein erstes erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt, wobei nur der Bereich des Steuerventils im Detail dargestellt ist. Der Aufbau des Steuerventils 14 ist bis auf die nachfolgend erläuterten Details identisch zum Aufbau, wie er aus dem Stand der Technik bekannt und in den 1 und 2 gezeigt ist. Statt einer Hülse 28, die den Elektromagneten 24 direkt am Ventilstück 15 abstützt, ist zwischen dem Elektromagneten 25 und dem Ventilstück 15 ein Spannelement 30 vorgesehen. Das Spannelement 30 wird über die Hülse 28 am Elektromagneten 24 abgestützt und liegt auf der anderen Seite in einem kreisringförmigen Bereich, der den Ventilsitz 19 umgibt, am Druckstück 15 an. Dadurch wird die Spannkraft, die über die Magnetfeder 27 auf den Elektromagneten 24, die Spannhülse 28 und das Spannelement 30 übertragen wird, im Bereich der Ablauföffnung 20 auf das Ventilstück 15 ausgeübt. Kommt es jetzt durch den Druck im Steuerraum 12 zu einer Verformung des Ventilstücks 15, so ergibt sich der Zustand, wie er in 4 dargestellt ist. Das Ventilstück 15 verformt sich, wie auch schon in 2 gezeigt, in Richtung des Elektromagneten 24 vor allem im Bereich der Ablauföffnung 20 und verschiebt dadurch den Ventilsitz 19 in Richtung des Elektromagneten 24. Wegen des Spannelements 30 wird auch dieses um die Strecke h in Richtung des Elektromagneten 24 bewegt, so dass über die Hülse 28 auch der Elektromagnet 24 gegen die Kraft der Magnetfeder 27 um die Strecke h bewegt wird. Damit bleibt letztlich der Abstand zwischen dem Ventilsitz 19 und dem Elektromagneten 24 konstant und damit auch der Maximalhub H des Magnetankers 18. Wird bei einer solchen Verformung der Elektromagnet 24 bestromt, so ist der Abstand zwischen dem Elektromagneten 24 und dem Magnetanker 18 ebenso groß wie ohne diese Verformung. Damit bleiben auch die magnetischen Kräfte gleich und damit das Öffnungsverhalten des Steuerventils 14. Durch diese Unabhängigkeit vom Einspritzdruck lässt sich ein solches Steuerventil 14 auch bei sehr hohen Einspritzdrücken einsetzen, die zu einer starken Verformung des Ventilstücks 15 führen. Die Strecke h, die der Ventilsitz 19 dabei bewegt wird, beträgt typischerweise einige Mikrometer.
-
Um sicherzustellen, dass das Spannelement 30 nur im Bereich einer Kreisringscheibe, die die Ablauföffnung 20 umgibt, auf dem Ventilstück 15 aufsetzt, ist der Bereich des Ventilsitzes 19 erhaben ausgebildet und ragt über die ansonsten flache, dem Ablaufraum 16 zugewandte Seite des Ventilstücks hinaus. In 5 ist dazu eine alternative Ausführungsform dargestellt. Dabei ist das Ventilstück 15 auf der dem Ablaufraum 16 zugewandten Seite komplett flach geschliffen. Um trotzdem die Kräfte im Bereich der Ablauföffnung 20 auszuüben, weist das Spannelement 30 einen Überstand auf, so dass die axialen Kräfte nur im Bereich der Ablauföffnung 20 auf das Ventilstück 15 ausgeübt werden. Die Funktionalität dieses Ausführungsbeispiels ist ansonsten identisch zu dem in 3 und 4 gezeigten.
-
Die Ausbildung des Spannelements 30 als Lochscheibe ist die einfachste Möglichkeit, wie ein solches Spannelement bei einem hier gezeigten Elektromagneten realisierbar ist. Es ist jedoch auch eine andere Form des Spannelements 30 denkbar, die dafür sorgt, dass die Kraft, die auf den Elektromagneten 24 über eine Magnetfeder 24 oder eine andere Vorrichtung ausgeübt wird, nur im Bereich der Ablauföffnung 20 auf das Ventilstück 15 ausgeübt wird.
-
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 102007025614 A1 [0004]
