DE10327189A1

DE10327189A1 - Ventil oder Düse, insbesondere Kraftstoff-Einspritzdüse, für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10327189A1
Application number: DE2003127189
Authority: DE
Inventors: Heinz Lauterbach; Christian Heinen; Uwe Iben; Klaus Reymann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-13

Abstract

Ein Ventil oder eine Düse, insbesondere eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, besitzt ein im Wesentlichen formsteif ausgebildetes Ventil- oder Düsengehäuse (10), das an seinem Ende mindestens eine Flüssigkeits-Austrittsöffnung (12, 13) aufweist. Ferner ist ein innerhalb des Ventil- oder Düsengehäuses (10) angeordneter, steuerdruckbetätigter Ventil- oder Düsenkörper (16) zur Öffnung und Schließung der Flüssigkeits-Austrittsöffnung(en) (12, 13) vorgesehen. Des Weiteren besitzt das Ventil oder die Düse einen Steuerraum und ein Servoventil zur Erzeugung bzw. Variierung des im Steuerraum zur Betätigung des Ventil- oder Düsenkörpers (16) benötigten Steuerdrucks, wobei der Ventil- oder Düsenkörper (16) innerhalb des Ventil- oder Düsengehäuses (10) unter Bildung eines zylindrischen Spalts (20) zentriert angeordnet ist und der zylindrische Spalt (20) unter konstant hohem Flüssigkeitsdruck (Systemdruck) steht. DOLLAR A Eine wesentliche Besonderheit besteht darin, dass der als solcher gegenüber dem Ventil- oder Düsengehäuse (10) axial unverschieblich angeordnete Ventil- oder Düsenkörper (16) als Hohlprofil mit im Verhältnis zur verformungssteifen Wandung des umgebenden Ventil- oder Düsengehäuses (10) elastisch verformbarer Wandung (18) ausgebildet und der Innenraum (21) des Ventil- oder Düsenkörpers (16) von dem jeweils im Steuerraum herrschenden Flüssigkeitsdruck beaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil oder eine Düse, insbesondere eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, mit einem im Wesentlichen formsteif ausgebildeten Ventil- oder Düsengehäuse, das an seinem Ende mindestens eine Flüssigkeits-Austrittsöffnung aufweist, ferner mit einem innerhalb des Ventil- oder Düsengehäuses angeordneten, steuerdruckbetätigten Ventil- oder Düsenkörper zur Öffnung und Schließung der Flüssigkeits-Austrittsöffnung(en), ferner mit einem Steuerraum und mit einem Servoventil zur Erzeugung bzw. Variierung des im Steuerraum zur Betätigung des Ventil- oder Düsenkörpers benötigten Steuerdrucks, wobei der Ventil- oder Düsenkörper innerhalb des Ventil- oder Düsengehäuses unter Bildung eines zylindrischen Spalts zentriert angeordnet ist und der zylindrische Spalt unter konstant hohem Flüssigkeitsdruck (Systemdruck) steht.
Bei Hochdruckspeicher-Einspritzsystemen (sog. Common-Rail) erfolgt die Bewegung der Düsennadel – zum Öffnen und Schließen der Düsenöffnung – durch eine hydraulisch angesteuerte Stößelstange. Im Common-Rail liegt – systembedingt – ein konstant hoher Kraftstoffdruck vor. Aus diesem Hochdruckreservat wird sowohl die Kraftstoff-Einspritzung wie auch der Hydraulikkreis zur Bewegung der Stößelstange gespeist.

Zum diesbezüglichen Stand der Technik wird – beispielsweise – die DE 197 27 896 A1 genannt. Beim Gegenstand dieser Druckschrift wird das Öffnen und Schließen der Düsennadel durch Änderungen des Drucks im Steuerdruckraum bewirkt.

Zu diesem Zweck ist ein Magnetventil vorgesehen, das eine Ablauföffnung des Steuerdruckraumes öffnen und schließen kann. Wenn das Magnetventil geschlossen ist, wird von dem im Steuerdruckraum herrschenden Druck eine Kraft auf das Druckstück ausgeübt, welche die Düsennadel entgegen einer Öffnungskraft geschlossen hält, die von dem die Düsennadel umgebenden Kraftstoff auf diese ausgeübt wird. Wenn das Magnetventil geöffnet wird, sinkt auf Grund des dann aus dem Steuerdruckraum abfließenden Druckmediums der Druck ab, so dass die auf das Druckstück ausgeübte Kraft kleiner wird als die auf die Düsennadel ausgeübte Öffnungskraft, wodurch die Düsennadel von einem zugeordneten Ventilsitz abhebt. Es wird dann Kraftstoff in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eingespritzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bei der Betätigung des Ventil- oder Düsenkörpers, im Falle eines Kraftstoff-Einspritzsystems, der Düsennadel, auftretenden Trägheitskräfte zu verringern und damit trägheitsbedingte Zeiteffekte (Hub zu Hubstreuungen) zu reduzieren.

Vorteile der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Ventil oder einer Düse der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, dass der als solcher gegenüber dem Ventil- oder Düsengehäuse axial unverschieblich angeordnete Ventil- oder Düsenkörper als Hohlprofil mit im Verhältnis zur verformungssteifen Wandung des umgebenden Ventil- oder Düsengehäuses elastisch verformbarer Wandung ausgebildet und der Innenraum des Ventil- oder Düsenkörpers von dem jeweils im Steuerraum herrschenden Flüssigkeitsdruck beaufschlagt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung sind den Patentansprüchen 2 – 8 zu entnehmen.

Durch die Erfindung gelingt es zum einen, die bewegte Masse des Ventil- oder Düsenkörpers, z.B. der Düsennadel bei einem Kraftstoffeinspritzsystem, wesentlich zu verringern, weil nicht mehr der gesamte Ventil- oder Düsenkörper betätigt zu werden braucht.

Es wird lediglich ein Teilabschnitt desselben bewegt, nämlich der Schließkörper. Damit werden die sich auf die Ventil- bzw. Düsenbetätigung nachteilig auswirkenden Massenträgheitskräfte entsprechend reduziert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das System – da ja weniger bewegte Teile als beim bisherigen Stand der Technik (s.o.) benötigt werden – im Aufbau einfacher ist, was sich (auch) hinsichtlich einer (wünschenswerten) Kosteneinsparung günstig erweist.

Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im Folgenden detailliert beschrieben wird. Es zeigt (jeweils schematisch):
1 – im vertikalen Längsschnitt (Schnitt I – I in 2) – den unteren (düsenaustrittsseitigen) Bereich einer Kraftstoff-Einspritzdüse, im Zustand eines geschlossenen Düsenaustritts,
2 einen Schnitt längs der Linie II – II in 1,
3 den Gegenstand von 1 und 2 in Schnittdarstellung entsprechend 1 (Schnitt III – III in 4), jedoch im geöffneten Zustand des Düsenaustritts, und
4 einen Schnitt längs der Linie IV – IV in 3.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Es bezeichnet 10 insgesamt ein Düsengehäuse einer Kraftstoff-Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, z.B. einen Dieselmotor. Das rohrförmig/zylindrische Düsengehäuse 10 ist dickwandig und damit im Wesentlichen formsteif ausgebildet und besitzt einen konisch zulaufenden Austrittsbereich 11 mit zwei Düsenaustrittsöffnungen 12, 13. (Prinzipiell besteht aber keine Beschränkung hinsichtlich der Anzahl der Austrittsöffnungen.) Die Längsmittelachse des Düsengehäuses 10 ist mit 14 beziffert.
Eine Besonderheit besteht darin, dass die mit 15 bezeichnete Konusspitze des Austrittsbereichs 11 kugelförmig abgerundet gestaltet ist und keine Düsenaustrittsbohrung aufweist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Düsenaustrittsöffnungen 12, 13 vielmehr im Bereich der Kegelmantelfläche. Sie können senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht oder auch schräg hierzu eingearbeitet sein, was z.B. durch Bohren, Laserbohren oder Erodieren erfolgt sein kann.
Dargestellt ist also eine sog. Sitzlochdüse. Bei dieser Düsenart sind die Austrittsöffnungen nahe dem Ventilsitz, unterhalb desselben, angeordnet. Die Erfindung ist aber auch anwendbar auf sog. Sacklochdüsen, bei denen die Austrittsöffnungen im sog. Sacklochbereich, d.h. im halbkugelförmigen Unterteil des Düsengehäuses, liegen. Beide Düsenvarianten haben ihre spezifischen Vorteile. So zeichnen sich Sitzlochdüsen durch ein geringeres Totvolumen und geringere HC-Emissionen aus, Sacklochdüsen dagegen durch höhere Festigkeit des Kegelsitzes und eine bessere Strahlgüte.
Innerhalb des Düsengehäuses 10 und konzentrisch zu diesem ist ein rohrtörmig/zylindrischer Düsenkörper 16 angeordnet, der einen in der Form dem Austrittsbereich 11 des Düsengehäuses 10 angeglichenen konischen Endabschnitt 17 aufweist, welcher mit den Austrittsöffnungen 12, 13 zusammenwirkt und somit als Schließkörper fungiert. Der konische Schließkörper 17 ist massiv und damit weitestgehend verformungssteif ausgebildet.
In einem sich an den Schließkörper 17 oberhalb anschließenden Bereich 18 dagegen besteht der Düsenkörper 16 aus einem dünnwandigen elastisch/flexiblen Material, z.B. einem für die Elastizitätsanforderungen modifizierten Metallblech (denkbar sind axialgerichtete Einfräsungen), einem rohrförmigen Elastomer oder einem Verbund aus Metall und Elastomer (mit Längsrippen aus Metall). Ein derartig konzipierter Düsenkörper 16 besitzt nicht nur die erforderliche Elastizität senkrecht zu seiner Oberfläche, sondern auch die notwendige „Stauchbarkeit" in Umfangsrichtung sowie auch die erforderliche Elastizität bei Zugbeanspruchung in Axialrichtung.
Die im Vorstehenden geschilderten wesentlichen Besonderheiten ermöglichen eine elastische Verformung des rohrzylindrischen Düsenkörperbereichs 18, wie sie insbesondere aus 3 ersichtlich ist.
Oberhalb des dünnwandigen Düsenkörperbereichs 18 schließt sich ein weiterer rohrzylindrischer Düsenkörperabschnitt 19 an, der jedoch – wie 1 und 3 erkennen lassen – aus dickwandigem, keine nennenswerten elastischen Verformungen zulassenden Material besteht.
An seinem oberen Ende (nicht gezeigt) ist der Düsenkörper 16 an dem Düsengehäuse 10 fixiert, so dass er gegenüber diesem insgesamt nicht axial verschiebbar ist. Eine Besonderheit besteht jedoch darin, dass der Düsenkörper 16 gegenüber dem Düsengehäuse 10 unter Bildung eines zylindrischen Spalts 20 zentriert ist (s. insbesondere 1 und 2). Hierzu können z.B. fluiddurchlässige Distanzscheiben (nicht dargestellt) verwendet werden, die in dem zylindrischen Spalt 20 einerseits an der Innenwand des Düsengehäuses 10, andererseits an der Außenwand des Düsenkörpers 16 befestigt werden können.
Der zylindrische Spalt 20 steht unter konstant hohem Druck (Systemdruck), z.B. dem im Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Systems herrschenden Hochdruck. Der – mit 21 bezeichnete – Innenraum des Düsenkörpers 16 dagegen ist einem variablen Druck ausgesetzt, der dem jeweils im Steuerraum (nicht dargestellt) herrschenden Druck entspricht.
Das Öffnen und Schließen der Austrittsöffnungen 12, 13 und damit der Kraftstoff-Einspritzvorgang wird nun wie folgt gesteuert.
Die Abmessungen von Düsengehäuse 10 und Düsenkörper 16 sind so aufeinander abgestimmt, dass dann, wenn der Innendruck (Steuerdruck) im Düsenkörper 16 dem im zylindrischen Spalt 20 herrschenden Druck (Systemdruck) entspricht, die Austrittsöffnungen 12, 13 durch den konischen Schließkörper 17 verschlossen sind. Dieser Zustand der Düse ist in 1 veranschaulicht. Es kann kein Kraftstoff aus dem zylindrischen Spalt 20 zu den Austrittsdüsen 12, 13 gelangen.
Wird nun der Druck im Steuerraum und damit im Innenraum 21 des Düsenkörpers 16 über ein Servoventil, z.B. Magnetventil (nicht dargestellt), wie bei Common-Rail-Systemen üblich, abgesenkt, so überwiegt der im zylindrischen Spalt 20 herrschende Druck und bewirkt eine elastische Verformung des dünnwandigen Bereichs 18 des Düsenkörpers 16 radial nach innen (s. insbesondere 3). Infolge der hierdurch entstehenden konkaven Wölbung des Düsenkörperbereichs 18 erfährt der Düsenkörper 16 insgesamt eine Längenverkürzung, die ein Abheben des Schließkörpers 17 von der konischen Innenwandung des Düsengehäuses 10 in Pfeilrichtung 22 bewirkt. Durch einen sich hierbei bildenden konischen Spalt 23 kann nunmehr der unter konstantem Hochdruck (Systemdruck) stehende Kraftstoff aus dem zylindrischen Spalt 20 zu den Austrittsöffnungen 12, 13 gelangen und den Einspritzvorgang vollziehen.
Zur (Wieder-)Herstellung des – aus 1 ersichtlichen – geschlossenen Düsenzustands wird der Druck im Steuerraum und damit im Innenraum 21 des Düsenkörpers 16 auf den im zylindrischen Spalt 20 herrschenden Druck (Systemdruck) erhöht. Der elastisch verformbare Teil 18 des Düsenkörpers 16 nimmt daraufhin wieder zylindrische Form an (s. 1). Der Düsenkörper 16 verlängert sich dadurch insgesamt entsprechend, so dass der Schließkörper 17 die Austrittsöffnungen 12, 13 dichtend abzudecken vermag.

Claims

Ventil oder Düse, insbesondere Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, mit einem im Wesentlichen formsteif ausgebildeten Ventil- oder Düsengehäuse (10), das an seinem Ende mindestens eine Flüssigkeits-Austrittsöffnung (12, 13) aufweist, ferner mit einem innerhalb des Ventil- oder Düsengehäuses (10) angeordneten, steuerdruckbetätigtem Ventil- oder Düsenkörper (16) zur Öffnung und Schließung der Flüssigkeits-Austrittsöffnung(en) (12, 13) ferner mit einem Steuerraum und mit einem Servoventil zur Erzeugung bzw. Variierung des im Steuerraum zur Betätigung des Ventil- oder Düsenkörpers (16) benötigten Steuerdrucks, wobei der Ventil- oder Düsenkörper (16) innerhalb des Ventil- oder Düsengehäuses (10) unter Bildung eines zylindrischen Spalts (20) zentriert angeordnet ist und der zylindrische Spalt (20) unter konstant hohem Flüssigkeitsdruck (Systemdruck) steht, dadurch gekennzeichnet, dass der als solcher gegenüber dem Ventil- oder Düsengehäuse (10) axial unverschiebllich angeordnete Ventil- oder Düsenkörper (16) als Hohlprofil mit im Verhältnis zur verformungssteifen Wandung des umgebenden Ventil- oder Düsengehäuses (10) elastisch verformbarer Wandung (18) ausgebildet und der Innenraum (21) des Ventil- oder Düsenkörpers (16) von dem jeweils im Steuerraum herrschenden Flüssigkeitsdruck beaufschlagt ist.
Ventil oder Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrartig ausgebildete Ventil- oder Düsenkörper (16) gegenüber dem ebenfalls rohrförmigen Ventil- oder Düsengehäuse (10) durch fluiddurchlässige Distanzscheiben zentriert ist, die in dem sich zwischen Ventil- oder Düsenkörper (16) und Ventil- oder Düsengehäuse (10) erstreckenden zylindrischen Spalt (20) angeordnet sind.
Ventil oder Düse nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ventil- oder Düsenkörper (16) an seinem mit der (den) Flüssigkeits-Austrittsöftnung(en) (12, 13) des Ventil- oder Düsengehäuses (10) zusammenwirkenden Ende einen im Wesentlichen formsteifen Schließkörper (17) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (18) des Ventil- oder Düsenkörpers (16) im Anschluss an das von der (den) Flüssigkeits-Austrittsöffnungen) (12, 13) abgewandte (obere) Ende des Schließkörpers (17) elastisch verformbar ausgebildet ist.
Ventil oder Düse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventil- oder Düsenkörper (16) nur auf einem mittleren Teil (18) seiner Längserstreckung eine elastisch verformbare Wandung aufweist.
Ventil oder Düse nach einem oder mehreren der vorstehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventil- oder Düsenkörper (16) zumindest auf einem (mittleren) Teil (18) seiner Längserstreckung, eine gegenüber der Wandung des Ventil- oder Düsengehäuses (10) vergleichsweise dünne Wandstärke besitzt.
Ventil oder Düse nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das die Flüssigkeits-Austrittsöftnung(en) (12, 13) enthaltende (untere) Ende (11) des Ventil- oder Düsengehäuses (10) außen und innen konisch verjüngt und dass der mit der (den) Flüssigkeits-Austrittsöftnung(en) (12, 13) zusammenwirkende Schließkörper (17) des Ventil- oder Düsenkörpers (16) entsprechend konisch ausgebildet ist.
Ventil oder Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil- oder Düsengehäuse (10) an der Konusspitze (15) geschlossen ausgebildet ist und dass die Flüssigkeits-Austrittsöffnungen (12, 13) die Kegelmantelfläche (11) des Ventil- oder Düsengehäuses (10) unter einem Winkel durchsetzen.
Ventil oder Düse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Flüssigkeits-Austrittsöffnungen) enthaltende (untere) Ende des Ventil- oder Düsengehäuses ebenflächig, also als sog. Flachsitz, ausgebildet ist und dass der mit der (den) Flüssigkeits-Austrittsöffnung(en) zusammenwirkende Schließkörper des Ventil- oder Düsenkörpers eine entsprechend ebene Stirnfläche aufweist.