-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
aus, wie es aus der Schrift
DE 102 05 970 A1 bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil
weist eine Hohlnadel auf, die mit ihrem brennraumseitigen Ende mit
einem Ventilsitz zusammenwirkt, von dem wenigstens eine Einspritzöffnung abgeht.
Durch die Längsbewegung
der Hohlnadel wird die Einspritzöffnung
geschlossen oder geöffnet,
wobei die Längsbewegung
der Hohlnadel durch das Zusammenspiel einer Schließkraft und
einer Öffnungskraft
erfolgt. Die Öffnungskraft wird
hydraulisch durch Druckbeaufschlagung einer in einem Druckraum angeordneten
Druckfläche
erzeugt. Die Schließkraft
wird vorzugsweise ebenfalls hydraulisch erzeugt, indem in einem
Steuerraum ein entsprechender Druck auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite
der Hohlnadel wirkt. Die hydraulische Schließkraft kann hierbei auch mittelbar
auf die Hohlnadel wirken, indem eine Steuerhülse den Steuerraum begrenzt,
die ihrerseits auf der Hohlnadel aufliegt. Um den Druck im Steuerraum
einzustellen und damit die Öffnung
der Hohlnadel zu steuern ist ein Steuerventils vorgesehen, durch
welches Kraftstoff dem Steuerraum zugeleitet oder aus dem Steuerraum
abgeleitet werden kann.
-
In
der Hohlnadel ist eine Ventilnadel ebenfalls längsverschiebbar angeordnet,
die mit ihrem ventilsitzzugewandten Ende mit dem Ventilsitz zusammenwirkt
und dabei die Öffnung
wenigstens einer weiteren Einspritzöffnung steuert. Die Öffnungskraft
auf die Ventilnadel wird ebenfalls hydraulisch durch den Druck im Druckraum
erzeugt, während
die Schließkraft
durch den Druck in einem zweiten Steuerraum ausgeübt wird.
Dieser zweite Steuerraum ist entweder in der Hohlnadel oder in der
mit der Hohlnadel zusammenwirkenden Steuerhülse ausgebildet.
-
Das
bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist hierbei jedoch den Nachteil
auf, dass die Schließkraft auf
die Ventilnadel und damit der Druck im zweiten Steuerraum aufwendig
gesteuert werden muss. Entweder ist der zweite Steuerraum ebenfalls
mit dem Steuerventil so verbunden, dass dessen Druck mit Hilfe des
Steuerventils eingestellt werden kann, oder es ist ein zweites Steuerventil
vorzusehen, was zusätzliche
Kosten verursacht und weiteren Bauraum beansprucht. Solche Konstruktionen
sind kostenintensiv und müssen
an vielen Stellen abgedichtet werden.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass eine Steuerung von zwei koaxial geführten Ventilnadeln
in einfacher Weise und unter Ausnutzung von bekannten und bewährten Steuerungsmitteln möglich ist.
Hierfür
wird die Ventilnadel, die in der Hohlnadel geführt ist, mittels einer Schließfeder mit einer
Schließkraft
beaufschlagt, wobei sich die Schließfeder an der Steuerhülse abstützt. Die Schließkraft wird
also ausschließlich
durch eine Schließfeder
erzeugt, so dass die Ventilnadel in der bekannten Weise durch eine
entsprechende Druckbeaufschlagung einer Druckfläche bewegt werden kann.
-
Durch
die weiteren Ansprüche
sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
-
In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schließfeder in
einem in der Steuerhülse
ausgebildeten inneren Federraum angeordnet, der zur Ventilnadel
hin offen ist. Besonders vorteilhaft ist diese Ausgestaltung, wenn
dieser innere Federraum über
eine Öffnung
in der Steuerhülse
mit einem äußeren Federraum
verbunden ist, in dem eine äußere Schließfeder angeordnet
ist und der mit einer Leckageleitung verbunden ist. Auf diese Weise
bleibt in beiden Federräumen
stets ein niedriger Kraftstoffdruck erhalten, der keine zusätzlichen,
störenden
Kräfte auf
die Ventilnadeln ausübt.
-
In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen ist im Kraftstoffeinspritzventil
ein Steuerventil vorgesehen, mit dessen Hilfe der Kraftstoffdruck
im Steuerraum eingestellt werden kann. Hierzu ist das Steuerventil
entweder als 3/2- oder 2/2-Wegeventil
ausgebildet, wobei das 3/2-Wegeventil den zusätzlichen Vorteil aufweist,
dass der Druckaufbau nach Beendigung der Einspritzung deutlich beschleunigt
wird und die Ventilnadel entsprechend schnell schließt. Dagegen
ist ein 2/2-Wegeventil im allgemeinen einfacher ausgebildet und
entsprechend kostengünstiger.
-
Zeichnung
-
In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt.
Es zeigt
-
1 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
mit schematisch dargestellten peripheren Komponenten und
-
2 zeigt den zeitlichen Verlauf
von Nadelhub, Einspritzrate und der Kraft auf die Ventilnadel bei
verschiedenen Einspritzdrücken.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
-
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
im Längsschnitt
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf,
das einen Ventilkörper 3,
einen Steuerkörper 5,
eine Drosselscheibe 7 und einen Haltkörper 9 umfasst, die
in dieser Reihenfolge aneinander anliegen und durch eine in der
Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung aufeinander gepresst werden.
Im Ventilkörper 3 ist
eine Bohrung 15 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem konischen Ventilsitz 27 begrenzt wird. Vom
Ventilsitz 27 gehen äußere Einspritzöffnungen 30 und
innere Einspritzöffnungen 32 ab,
die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in der Brennkraftmaschine in
den Brennraum derselben münden.
In der Bohrung 15 ist eine Hohlnadel 17 längsverschiebbar
angeordnet, die in einem ventilsitzabgewandten Abschnitt der Bohrung 15 dichtend
geführt
ist. Zwischen der Hohlnadel 17 und der Wand der Bohrung 15 ist
ein Druckraum 24 ausgebildet, der bis zum Ventilsitz 27 reicht und
der über
einen im Gehäuse 1 verlaufenden
Zulaufknal 35 mit einem Hoch druckraum 11 verbunden ist.
Im Hochdruckraum 11, der Teil einer Kraftstoffpumpe oder
ein Hochdrucksammelraum sein kann, wird stets ein vorgegebener Kraftstoffdruck
aufrecht erhalten, so dass dieser Druck auch im Druckraum 24 herrscht
und der damit auch dem nötigen
Einspritzdruck entspricht.
-
Ausgehend
vom geführten
Abschnitt der Hohlnadel 17 verjüngt sich diese dem Ventilsitz 27 zu unter
Bildung einer Druckschulter 22, auf deren Höhe der Zulaufkanal 35 in
den Druckraum 24 mündet.
An ihrem ventilsitzseitigen Ende geht die Hohlnadel 17 in eine
Ventildichtfläche 18 über, mit
der sie mit dem Ventilsitz 27 so zusammenwirkt, dass bei
Anlage der Hohlnadel 17 der Druckraum 24 gegen
die äußeren Einspritzöffnungen 30 verschlossen
wird und nach Abheben vom Ventilsitz 27 Kraftstoff aus
dem Druckraum 24 zwischen der Ventildichtfläche 28 und
dem Ventilsitz 27 hindurch den Einspritzöffnungen 30 zufließt und durch
diese in den Brennraum eingespritzt wird.
-
Im
Steuerkörper 5 ist
eine Durchgangsbohrung 41 ausgebildet, in der eine Steuerhülse 40 längsverschiebbar
angeordnet ist. Die Steuerhülse 40 liegt
mit ihrem ventilsitzseitigen Ende an der Hohlnadel 17 auf,
so dass sie sich synchron mit dieser in der Durchgangsbohrung 41 bewegt.
An den Ventilkörper 3 angrenzend
ist die Durchgangsbohrung 41 zu einem äußeren Federraum 37 erweitert,
in der eine äußere Schließfeder 47 in
Form einer Schraubendruckfeder unter Vorspannung angeordnet ist. Die äußere Schließfeder 47 stützt sich
mit ihrem einen Ende an einer ortsfesten Stützfläche 45 ab und an mit
ihrem anderen Ende an einem an der Steuerhülse 40 ausgebildeten
Absatz 44. Durch die Vorspannung der äußeren Schließfeder 47 ergibt
sich eine Kraft auf die Hohlnadel 17 in Richtung des Ventilsitzes 27,
so dass diese beim Fehlen weiterer Kräfte in ihrer Schließstellung
gehalten wird, das heißt
in Anlage am Ventilsitz 27.
-
In
der Hohlnadel 17 ist längsverschiebbar eine
kolbenförmige
Ventilnadel 20 angeordnet, die an ihrem ventilsitzseitigen
Ende eine Ventildichtfläche 29 aufweist,
mit der die Ventilnadel 20 mit dem Ventilsitz 27 zusammenwirkt.
Die Ventilnadel 20 weist nahe der Ventildichtfläche 29 eine
Druckfläche 23, die
bei geöffneter
Hohlnadel 17 vom Kraftstoffdruck des Druckraums 24 beaufschlagt
wird und dadurch eine Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 20 erfährt. Durch das Abheben der
Ventilnadel 20 vom Ventilsitz 27 werden die inneren
Einspritzöffnungen 32 frei gegeben,
so dass, falls auch die Hohlnadel 17 vom Ventilsitz 27 abgehoben
ist, Kraftstoff durch die inneren Einspritzöffnungen 32 und gleichzeitig
auch durch die äußeren Einspritzöffnungen 30 in
den Brennraum eingespritzt wird.
-
Die
Ventilnadel 20 geht an ihrem ventilsitzabgewandten Ende
in einen Federteller 50 über, der innerhalb eines in
der Steuerhülse 40 ausgebildeten
inneren Federraums 38 angeordnet ist. Der Federteller 50 kann
hierbei als separates Teil oder einstückig mit der Ventilnadel 20 ausgeführt sein.
Im inneren Federraum 38 ist eine innere Schließfeder 48 unter
Druckvorspannung angeordnet, die sich mit einem Ende am Federteller 50 und
mit ihrem anderen Ende an der Steuerhülse 40 abstützt. Dadurch
wird eine auf den Ventilsitz 27 gerichtete Schließkraft auf
die Ventilnadel 20 ausgeübt, die diese in ihrer Schließstellung hält. Der
innere Federraum 38 ist über eine Verbindungsbohrung 42 mit
dem äußeren Federraum 37 verbunden,
welcher über
eine Leckageleitung 60 mit einem in der Zeichnung nicht
dargestellten Leckölraum
verbunden ist. Dadurch bleibt der Druck im inneren Federraum 37 und
im äußeren Federraum 38 stets
niedrig, vorzugsweise auf Umgebungsdruck. Im inneren Federraum 38 ist
eine Mitnahmeschulter 52 ausgebildet, die bei Schließstellung
der Ventilnadel 20 und der Hohlnadel 17 einen
geringen axialen Abstand zum Federteller 50 aufweist. Befinden
sich jedoch die Ventilnadel 20 und die Hohlnadel 17 in Öffnungsstellung,
so wird die Ventilnadel 20 bei der Schließbewegung
der Hohlnadel 17 und damit der Steuerhülse 40 durch das Anliegen
der Mitnahmeschulter 52 am Federteller 50 mitgenommen
und in ihre Schließstellung
gedrückt.
-
Die
der Hohlnadel 17 abgewandte Stirnfläche 57 der Steuerhülse 40,
die Durchgangsbohrung 41 und die Drosselscheibe 7 begrenzen
einen Steuerraum 55, durch dessen Druck eine hydraulische Kraft
auf die Steuerhülse 40 in
Richtung der Hohlnadel 17 ausgeübt wird. Der Steuerraum 55 ist über eine
Zulaufdrossel 62 und eine in der Drosselscheibe 7 ausgebildete
Verbindungsnut 66 mit dem Zulaufkanal 35 verbunden,
so dass über
die Zulaufdrossel 62 stets Kraftstoff in den Steuerraum 55 nachfließt, solange
dort ein niedrigerer Druck herrscht als im Hochdruckraum 11 und
damit im Zulaufkanal 35. Der Steuerraum 55 ist
darüber
hinaus über
eine Ablaufdrossel 64 und eine Steuerleitung 69 mit
einem Steuerventil 70 verbunden, das über eine weitere Steuerleitung 68 auch
mit der Zulaufdrossel 62 verbunden ist. Weiterhin ist das
Steuerventil 70 mit einer Leckagelei tung 72 verbunden,
die in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum mündet, in
dem stets ein niedriger Druck herrscht, vorzugsweise Umgebungsdruck.
Das Steuerventil 70 ist als 3/2-Wegeventil ausgebildet,
das folglich zwei Schaltstellungen aufweist: in der dargestellten,
ersten Schaltstellung werden die Steuerleitung 68 und die
Steuerleitung 69 miteinander verbunden, während die
Leckageleitung 72 verschlossen wird. In der zweiten Schaltstellung
wird die Leckageleitung mit der Steuerleitung 69 und damit mit
der Ablaufdrossel 64 verbunden, während die Steuerleitung 68 verschlossen
wird.
-
Die
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt:
Je
nach Leistungserfordernis an die Brennkraftmaschine wird ein mehr
oder weniger hoher Druck im Hochdruckraum 11 eingestellt.
Für eine
geringe Leistungsanforderung genügt
ein relativ geringer Druck, der beispielsweise in der Größenordnung
von 30 bis 40 MPa liegt. Die Einspritzung beginnt, indem das Steuerventil 70 in
seine zweite Schaltposition gefahren wird, so dass der Steuerraum 55 mit
der Leckageleitung 72 verbunden wird. Dadurch wird der
Druck im Steuerraum 55 unter den Druck der Zulaufleitung 35 abgesenkt,
da die Zulaufdrossel 62 und die Ablaufdrossel 64 so
aufeinander abgestimmt sind, dass mehr Kraftstoff aus dem Steuerraum 55 abfließt als über die
Zulaufdrossel 62 nachfließen kann. Durch den hydraulischen
Druck auf die Druckschulter 22 der Hohlnadel 17 wird
diese vom Ventilsitz 27 abgehoben und die äußeren Einspritzöffnungen 30 freigegeben.
Bei diesem niedrigen Druck im Druckraum 24 reicht die hydraulische
Kraft auf die Druckfläche 23 nicht
aus, die Ventilnadel 20 gegen die Kraft der inneren Schließfeder 48 zu öffnen, so
dass diese in ihrer Schließstellung,
also in Anlage am Ventilsitz 27 bleibt. Zur Beendigung
der Einspritzung wird das Steuerventil 70 zurück in seine
erste Schaltstellung gebracht, bei der es die beiden Steuerleitungen 68, 69 miteinander
verbindet. Dadurch wird einerseits die Leckageleitung 72 verschlossen
und andererseits fließt
Kraftstoff, sowohl über
die Zulaufdrossel 62 als auch über die Ablaufdrossel 64,
in den Steuerraum 55, so dass dort sehr rasch wieder ein
hoher Kraftstoffdruck aufgebaut wird, der die Hohlnadel 17 in ihre
Schließstellung
drückt.
-
In 2 ist der Verlauf des Nadelhubs
h, der Einspritzrate R und der Kraft F auf die Ventilnadel 20 gegen
die Zeit aufgetragen, wobei die mit A bezeichnete Spalte den niedrigen
Einspritzdruck bezeichnet, B einen mittleren und C einen hohen Einspritzdruck. Die
oben beschriebene Funktion bei niedrigem Einspritzdruck entspricht
den Diagrammen in der A-Spalte: Der Nadelhub ha der
Hohlnadel 17 steigt bis zu einem Maximum und fällt nach
Betätigung
des Steuerventils 70 wieder ab, bis die Hohlnadel 17 geschlossen
ist. Die Einspritzrate R steigt rasch auf ein Plateau, da diese
nicht nur vom Hub der Hohlnadel 17, sondern auch vom Durchmesser
der äußeren Einspritzöffnungen 30 limitiert
wird. Die Schließkraft FS auf die Ventilnadel 20 wird durch
die sich bewegende Steuerhülse 40 kleiner,
da die innere Schließfeder 48 verlängert wird.
Die Öffnungskraft
Foe erreicht diese Schließkraft dennoch
nicht, so dass die Ventilnadel 20 geschlossen bleibt. Die
Hohlnadel 17 durchfährt
nicht ihren größtmöglichen
Hub: Durch das rasche Betätigen
des Steuerventils 70 bleibt die Hohlnadel 17 in
einem ballistischen Zustand und wird durch den wieder ansteigenden
Druck im Steuerraum 55 abgebremst, ehe sie an der Drosselscheibe 7 anlegen
kann.
-
Bei
einem mittleren Einspritzdruck im Hochdruckraum 11 bzw.
im Druckraum 24 wird die Hohlnadel 17 nach Betätigung des
Steuerventils 70 in der oben beschriebenen Weise geöffnet. In
der 2 ist der Verlauf
des Nadelhubs ha der Hohlnadel 17 ähnlich dem
im Beispiel A, jedoch ist der Anstieg aufgrund des höheren Drucks
im Druckraum 24 steiler. Durch die größere hydraulische Kraft auf
die Druckfläche 23 der
Ventilnadel 20 öffnet
nun auch diese gegen die Schließkraft
der inneren Schließfeder 48. Der
Hub der Ventilnadel 20 ist in 2 mit hi bezeichnet.
In dem Kraftdiagramm des Beispiels B der 2 ist das Öffnen der Ventilnadel 20 dadurch
zu erkennen, dass die Öffnungskraft
Foe die Schließkraft FS erreicht,
welche abfällt,
solange sich die Hohlnadel 17 bewegt. Die Einspritzrate
R steigt nach dem Öffnen der
Ventilnadel 20 sprunghaft an. Das Beendigen der Einspritzung
erfolgt wie beim niedrigen Einspritzdruck, jedoch wird die Ventilnadel 20 nicht
nur durch den sinkenden Druck auf die Druckfläche 23 und die innere
Schließfeder 48 bewegt,
sondern auch durch die Anlage der Mitnahmeschulter 52 am
Federteller 50.
-
Bei
einem hohen Einspritzdruck, der in 2 dem
Beispiel C entspricht, öffnen
die Hohlnadel 17 und die Ventilnadel 20 praktisch
gleichzeitig, da gleich nach dem Abheben der Hohlnadel 17 vom Ventilsitz 27 an
der Druckfläche 23 ein
sehr hoher Druck anliegt und damit eine große Kraft auf die Ventilnadel 20 wirkt.
Die Einspritzrate R zeigt zu Beginn noch eine leichte Stufe, die
durch das Öffnen
der Hohlnadel 17 zustande kommt, erreicht jedoch sehr rasch
ihren Maximalwert, der aufgrund des hohen Drucks höher liegt
als die maximale Einspritzrate des Beispiels B.
-
Statt
der Ausführung
des Steuerventils 70 als 3/2-Wegeventil kann es auch vorgesehen
sein, dieses statt dessen als 2/2-Wegeventil auszubilden, das die
Verbindung der Steuerleitung 69 zur Leckageleitung 72 öffnet oder
schließt.
Die Steuerleitung 68 kann in diesem Ausführungsbeispiel
entfallen. Die Öffnungsfunktion
bleibt gleich, jedoch erfolgt das Schließen der Ventilnadel 20 langsamer,
da der Druckausbau im Steuerraum 55 jetzt nur noch über die
Zulaufdrossel 62 erfolgt und damit etwas mehr Zeit in Anspruch
nimmt.
-
Vorzugsweise
wird das Steuerventil mit Hilfe eines Piezoaktors angetrieben, was
eine sehr kurze Schaltzeit erlaubt. Es ist jedoch auch möglich, ein elektromagnetisches
Steuerventil 70 einzusetzen.