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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Das vorgeschlagene Einspritzventil ist vorzugsweise ein Mono-Fuel-Injektor, insbesondere ein Common-Rail-Injektor zum Einspritzen von Dieselkraftstoff.
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Stand der Technik
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Ein Common-Rail-Injektor der vorstehend genannten Art weist eine hin- und herbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung auf. Zur Steuerung der Hin- und Herbewegung der Düsennadel wird ein Steuerdruck in einem Steuerraum verändert, der auf die Düsennadel eine in Schließrichtung wirkende hydraulische Druckkraft ausübt. Andernends liegt an der Düsennadel zumindest Brennraumdruck an. Wird der Steuerdruck im Steuerraum abgesenkt, so dass das Kräfteverhältnis zu einer resultierenden Kraft führt, die in Öffnungsrichtung wirkt, hebt die Düsennadel von einem Dichtsitz ab und gibt die mindestens eine Einspritzöffnung frei. Zum Schließen der Düsennadel wird der Steuerdruck im Steuerraum wieder angehoben.
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Die Hin- und Herbewegungen der Düsennadel können beispielsweise nur ballistisch, das heißt nur durch hydraulische Kräfte realisiert werden. Einspritzmengen im ballistischen Arbeitsbereich reagieren jedoch sehr sensitiv auf Toleranzen und Verschleiß. Die Folge sind unstabile und driftende Motorbetriebsdaten.
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Alternativ kann der Öffnungshub der Düsennadel durch einen mechanischen Hubanschlag begrenzt werden. Dieser ist in der Regel so konzipiert, dass bei Volllast der Brennkraftmaschine die benötigte Einspritzmenge mit möglichst geringen Verlusten über den Dichtsitz der Düsennadel strömen kann. Kleinere Einspritzmengen, insbesondere Kleinstmengen, sind nicht oder nur schwer darstellbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine anzugeben, das - vorzugsweise lastabhängig - die Einspritzung großer als auch kleiner Mengen ermöglicht. Insbesondere soll das Einspritzventil eine gezielte Steuerung des Einspritzratenverlaufs ermöglichen, um eine zusätzliche Optimierungsstellgröße für die Motorbetriebsdaten zu schaffen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, das eine in einem Düsenkörper aufgenommene, hin- und herbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung umfasst. Das brennraumferne Ende der Düsennadel begrenzt dabei einen mit Kraftstoff beaufschlagbaren Steuerraum. Erfindungsgemäß liegt der Düsennadel am Steuerraum ein hin- und herbeweglicher Anschlagkörper gegenüber, der einen weiteren Steuerraum begrenzt, der über eine erste Ablaufdrossel mit dem ersten Steuerraum verbunden und über eine schaltbare weitere Ablaufdrossel mit einem Niederdruckbereich verbindbar ist.
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Der Anschlagkörper bildet bevorzugt einen Hubanschlag für die Düsennadel aus. Dadurch, dass der Anschlagkörper hin- und herbeweglich ist, verändert sich mit der Lage des Anschlagkörpers auch der Hubanschlag der Düsennadel. Der Hubanschlag ist somit variabel. Da der Anschlagkörper einen zweiten Steuerraum begrenzt, der über eine Ablaufdrossel mit dem der Düsennadel zugeordneten ersten Steuerraum verbunden ist, werden auch die Hin- und Herbewegungen des Anschlagkörpers hydraulisch gesteuert. Der Anschlagkörper kann sich dabei allein oder gemeinsam mit der Düsennadel bewegen. Gleiches gilt analog für die Düsennadel, wobei die Lage des Anschlagkörpers den Hub der Düsennadel bestimmt.
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Mit Öffnen der schaltbaren zweiten Ablaufdrossel strömt Kraftstoff aus dem zweiten Steuerraum ab. Zugleich strömt über die erste Ablaufdrossel Kraftstoff aus dem ersten Steuerraum in den zweiten Steuerraum. Von der Auslegung der Drosselquerschnitte hängt nun ab, ob die Düsennadel einen kleinen oder einen großen Hub ausführt. Der Hub der Düsennadel kann somit an die jeweils benötigten Einspritzmengen angepasst werden, so dass die Einspritzrate lastabhängig geformt werden kann. Insbesondere kann dadurch, dass die Einspritzdüse an zwei Positionen, das heißt bei kleinen und bei großen Einspritzmengen linear betrieben werden kann, eine Einspritzrate in Form eines „Boots“ realisiert werden.
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Das vorgeschlagene Einspritzventil ermöglicht auf diese Weise stabile Kleinstmengen einerseits und eine gezielte Steuerung des Einspritzratenverlaufs andererseits. Die gezielte Steuerung des Einspritzratenverlaufs wiederum kann als eine zusätzliche Stellgröße zur Optimierung der Motorbetriebsdaten genutzt werden, um beispielsweise den Kraftstoffverbrauch zu senken.
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Bevorzugt ist die erste Ablaufdrossel, über welche die beiden Steuerräume verbunden sind, im Anschlagkörper ausgebildet. Kraftstoff aus dem ersten Steuerraum gelangt somit über die Ablaufdrossel direkt in den zweiten Steuerraum. Vorzugsweise ist der Anschlagkörper zur Ausbildung der ersten Ablaufdrossel von einer gestuften Durchgangsbohrung durchsetzt. Die Durchgangsbohrung kann zugleich einen Teil des zweiten Steuerraums ausbilden. Der abströmende Kraftstoff wird somit auf direktem Wege bei geöffneter zweiter Ablaufdrossel in den Niederdruckbereich abgeführt.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Düsennadel an ihrem brennraumfernen Ende von einer Dichthülse umgeben, die mittels der Federkraft einer Feder gegen den Anschlagkörper axial vorgespannt ist. Die Dichthülse begrenzt somit gemeinsam mit der Düsennadel und dem Anschlagkörper den ersten Steuerraum. Ferner ermöglicht die Dichthülse eine Hubbewegung der Düsennadel unabhängig von einer Hubbewegung des Anschlagkörpers. Vorzugsweise ist das der Dichthülse abgewandte Ende der Feder unmittelbar oder mittelbar an der Düsennadel abgestützt. Die Feder kann somit zugleich als Schließfeder für die Düsennadel genutzt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Anschlagkörper an seinem brennraumfernen Ende von einer Dichthülse umgeben ist, die mittels der Federkraft einer Feder gegen ein vorzugsweise plattenförmiges Körperbauteil des Einspritzventils axial vorgespannt ist. Der zweite Steuerraum wird demnach durch den Anschlagkörper, das Körperbauteil und die weitere Dichthülse begrenzt. Ferner lässt die Dichthülse eine Hubbewegung des Anschlagkörpers zu. Vorzugsweise ist das dem Körperbauteil abgewandte Ende der Feder unmittelbar oder mittelbar am Anschlagkörper abgestützt. Der Anschlagkörper kann beispielsweise einen Ringbund aufweisen, an dem die Feder abgestützt ist.
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Die beiden Steuerräume sind vorzugsweise über mindestens eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckbereich verbunden, so dass Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich in den bzw. die Steuerräume nachströmt, um nach einer Druckabsenkung eine erneute Druckanhebung zu erzielen. Beispielsweise kann jedem Steuerraum eine Zulaufdrossel zugeordnet sein, so dass beide Steuerräume jeweils direkt über eine Zulaufdrossel mit Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich beaufschlagt werden. Es kann aber auch nur eine Zulaufdrossel vorgesehen sein, die entweder am ersten Steuerraum oder am zweiten Steuerraum angeordnet ist. Die mindestens eine Zulaufdrossel kann beispielsweise als Radialbohrung in einer Dichthülse ausgebildet sein.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Düsenkörper mehrere Einspritzöffnungen ausgebildet sind, die in mehreren Spritzlochreihen angeordnet sind, wobei die Düsennadel eine erste Spritzlochreihe und eine auf dem brennraumnahen Ende der Düsennadel verschiebbar angeordnete Hülse eine weitere Spritzlochreihe steuert. Durch zeitlich versetztes Freigeben der Spritzlochreihen kann ebenfalls die Einspritzmenge beeinflusst werden. Beispielsweise kann der Hub der Düsennadel durch den Anschlagkörper in der Weise begrenzt werden, so dass die Düsennadel öffnet und die erste Spritzlochreihe freigibt, aber die zweite Spritzlochreihe durch die Hülse weiterhin verschlossen bleibt. Auf diese Weise kann eine Strahloptimierung für kleine Einspritzmengen erreicht werden, welche beispielsweise bei Gasmotoren zur optimalen Zündung des Brenngases benötigt werden. Die Hülse gibt vorzugsweise die zweite Spritzlochreihe erst frei, wenn durch eine Bewegung des Anschlagkörpers die Düsennadel ihren Hub fortsetzen kann und dabei die Hülse mitführt.
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Die Hülse bildet bevorzugt einen Dichtsitz für die Düsennadel aus. Stromaufwärts des Dichtsitzes begrenzt die Hülse gemeinsam mit der Düsennadel einen Hochdruckraum, der über eine in der Hülse ausgebildete Bohrung mit einer im Düsenkörper ausgebildeten Hochdruckbohrung verbunden ist. Öffnet die Düsennadel, bewegt sie sich relativ zur Hülse, so dass Kraftstoff aus dem Hochdruckraum über den Dichtsitz in Richtung der im Düsenkörper ausgebildeten ersten Spritzlochreihe abströmen kann.
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Damit die Hülse nicht bereits der anfänglichen Bewegung der Düsennadel folgt und die zweite Spritzlochreihe freigibt, wird vorgeschlagen, dass die Hülse mittels der Federkraft einer Feder gegen einen im Düsenkörper ausgebildeten Dichtsitz vorgespannt ist. Die Feder kann andernends an der Düsennadel abgestützt sein.
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Zur Realisierung einer Mitnehmerfunktion wird vorgeschlagen, dass eine an der Hülse ausgebildete ringförmige Anschlagfläche mit einer an der Düsennadel ausgebildeten ringförmigen Anschlagfläche zusammenwirkt. Hat die Düsennadel einen bestimmten Hub durchfahren, gelangt die Anschlagfläche der Düsennadel zur Anlage an der Anschlagfläche der Hülse und hebt diese aus ihrem Dichtsitz. Somit wird bei fortgesetztem Hub der Düsennadel auch die zweite Spritzlochreihe freigegeben. Auf diese Weise sind große Einspritzmengen realisierbar, die insbesondere bei Volllast der Brennkraftmaschine benötigt werden.
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Vorteilhafterweise ist das Einspritzventil ein Common-Rail-Injektor zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Dieselkraftstoff kann in diesem Fall als Kraftstoff und als Steuermedium verwendet werden, so dass nur ein Medium vorgehalten werden muss.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Einspritzventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Einspritzventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform im Bereich der Düse.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein Einspritzventil 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum 2 einer Brennkraftmaschine zu entnehmen. Das Einspritzventil 1 weist einen Düsenkörper 3 auf, in dem eine hin- und herbewegliche Düsennadel 4 zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen 5 aufgenommen ist. An ihrem brennraumfernen Ende ist die Düsennadel 4 von einer Dichthülse 13 umgeben, die mittels der Federkraft einer Feder 14 gegen einen Anschlagkörper 7 axial vorgespannt ist. Die Düsennadel 4, die Dichthülse 13 und der Anschlagkörper 7 begrenzen gemeinsam einen Steuerraum 6. Der Steuerraum 6 ist über eine Ablaufdrossel 9, die innerhalb einer Durchgangsbohrung 12 des Anschlagkörpers 7 ausgebildet ist, mit einem weiteren Steuerraum 8 verbunden. Der weitere Steuerraum 8 wird durch den Anschlagkörper 7, eine weitere Dichthülse 15 und ein plattenförmiges Körperbauteil 17 begrenzt wird, gegen das die Dichthülse 15 mittels der Federkraft einer Feder 16 axial vorgespannt ist. Im plattenförmigen Körperbauteil 17 ist eine weitere Ablaufdrossel 10 ausgebildet, über welche der zweite Steuerraum 8 und damit auch der erste Steuerraum 6 mit einem Niederdruckbereich verbindbar sind (nicht dargestellt). Die zweite Ablaufdrossel 10 ist über ein Steuerventil (nicht dargestellt) schaltbar, so dass hierüber der Steuerdruck in den Steuerräumen 6, 8 veränderbar ist, um die Düsennadel 4 zu öffnen. Zugleich sind beide Steuerräume 6, 8 über jeweils eine Zulaufdrossel 18, 19 mit einem Hochdruckbereich 20 verbunden, der über einen Zulaufkanal 11 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff befüllt wird.
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In der dargestellten Ausführung sind die Drosseldurchflüsse und druckbeaufschlagten Flächen derart gewählt, dass sich bei Öffnen der schaltbaren zweite Ablaufdrossel 10 in Abhängigkeit vom Systemdruck ein Steuerdruck im ersten Steuerraum 6 einstellt, welcher ein Kräfteverhältnis ausbildet, das zum Öffnen der Düsennadel 4 führt. Dabei bewegt sie sich um den Hub H1 nach oben. Der Anschlagkörper 7 verharrt währenddessen in seiner Position. Erst bei längerem Offenhalten der zweiten Ablaufdrossel 10 bewegt sich der Anschlagkörper 7 ebenfalls nach oben, so dass sich zum Hub H1 der Düsennadel ein Hub H2 hinzuaddiert, denn die Düsennadel 4 folgt dem Anschlagkörper 7. Somit gibt die Düsennadel 4 einen größeren Querschnitt frei.
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In Abwandlung der dargestellten Ausführungsform kann eine Trennung zwischen Hub H1 und Hub H2 auch über den Systemdruck realisiert werden.
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Den gewünschten Optimierungen folgend hängt es von der Auslegung der hydraulisch wirksamen Flächen und der Drosseldurchflüsse ab, ob sich in einer ersten Hubstufe die Düsennadel 4 nur bis zum Anschlagkörper 7 bewegt (Hub H1 ), um sich dann in einer zweiten Hubstufe gemeinsam mit dem Anschlagkörper 7 in Richtung des plattenförmigen Körperbauteils 17 zu bewegen (Hub H2 ) oder, ob sich in einer ersten Hubstufe die Düsennadel 4 und der Anschlagkörper 7 gemeinsam in Richtung Körperbauteil 17 bewegen (Hub H2 ) und anschließend in einer zweiten Hubstufe sich die Düsennadel 4 allein in Richtung des Anschlagkörpers 7 bewegt (Hub H1 ).
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Der maximale Hub der Düsennadel 4 ist die Summe der Hübe H1 und H2 . Der Hub H1 ist durch einen Hubanschlag 31 am Anschlagkörper 7 vorgegeben und der Hub H2 durch einen Hubanschlag 30 am plattenförmigen Körperbauteil 17. Gemäß einer Ausführungsvariante kann bzw. können der Hub H1 und/oder der Hub H2 auch ballistisch betrieben werden.
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Der 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Einspritzventil 1 zu entnehmen, von dem jedoch nur der Bereich der Düse dargestellt ist. Im Übrigen kann das Einspritzventil 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 gestaltet sein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist das brennraumnahe Ende der Düsennadel 4 von einer Hülse 21 umgeben, die axial verschiebbar auf der Düsennadel 4 gelagert ist. Die Hülse 21 bildet zugleich einen Dichtsitz 22 für die Düsennadel 4 aus. Hebt die Düsennadel 4 vom Dichtsitz 22 ab, wird eine Verbindung eines Hochdruckraums 23 mit einem im Düsenkörper 3 ausgebildeten Sackloch 32 hergestellt, von dem aus eine erste Spritzlochreihe ausbildende Einspritzöffnungen 5 abgehen. Über diese wird dann Kraftstoff eingespritzt. Der einzuspritzende Kraftstoff wird dem Hochdruckraum 23 über eine Bohrung 24 in der Hülse 21 zugeführt, die den Hochdruckraum 23 mit einer im Düsenkörper 3 ausgebildeten Hochdruckbohrung 25 verbindet.
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Während des anfänglichen Öffnens der Düsennadel 4 verharrt die Hülse 21 in ihrer Position. Denn die Hülse 21, die eine zweite Spritzlochreihe steuert, wird mittels der Federkraft einer Feder 26 gegen einen Dichtsitz 27 gedrückt, so dass die Hülse 21 die zweite Spritzlochreihe verschließt. Erst bei fortgesetztem Hub der Düsennadel 4 gelangt eine ringförmige Anschlagfläche 29 der Düsennadel 4 zur Anlage an einer ringförmigen Anschlagfläche 28 der Hülse 21, so dass diese von der Düsennadel 4 mitgeführt wird. Die Hülse 21 wird aus dem Dichtsitz 27 gehoben, so dass die Hülse 21 einen Querschnitt freigibt, über den mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff aus der Hochdruckbohrung 25 in Richtung der Einspritzöffnungen 5 der zweiten Spritzlochreihe strömt. Da nunmehr beide Spritzlochreihen freigegeben sind, werden große Mengen Kraftstoff eingespritzt. Ob und/oder wann die Hülse 21 die Einspritzöffnungen 5 der zweiten Spritzlochreihe freigibt, kann über den Hub der Düsennadel 4 bzw. über den Anschlagkörper 7 eingestellt werden.
