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Die
Erfindung geht von einem Einspritzventil gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches
1 näher
definierten Art aus.
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Ein
derartiges Einspritzventil ist aus der
DE 102 05 970 A1 bekannt
und dient insbesondere zum Einspritzen von Diesel-Kraftstoff in einen
Brennraum einer Diesel-Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
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Das
aus der
DE 102 05
970 A1 bekannte Einspritzventil umfasst ein Ventilgehäuse, in
dem ein Düsenmodul
und ein Ventilsteuermodul angeordnet sind. Das Düsenmodul umfasst eine erste, äußere Düsennadel,
die mit einer ersten Lochreihe zusammenwirkt, und eine zweite, innere
Düsennadel,
die mit einer zweiten Lochreihe zusammenwirkt. Die zweite Düsenna del
ist koaxial zu der ersten Düsenadel
angeordnet und in einem die erste Düsennadel axial durchgreifenden
Kanal geführt.
Die Steuerung der Düsennadel
erfolgt mittels des Ventilsteuermoduls, und zwar derart, dass ein
in einem Ventilsteuerraum herrschender Fluiddruck derart verändert wird, dass
die beiden Düsennadeln
eine axiale Lageveränderung
erfahren und in Abhängigkeit
von dem in dem Ventilsteuerraum eingestellten Druck die mit der
ersten Düsennadel
zusammenwirkende Lochreihe und gegebenenfalls die mit der zweiten
Düsennadel
zusammenwirkende Lochreihe freigegeben werden. Der Ventilsteuerraum
ist einerseits über
eine so genannte Zulaufdrossel mit einer Kraftstoffzufuhrleitung und
andererseits über
eine so genannte Ablaufdrossel mit einem Ventilraum des Ventilsteuermoduls
verbunden. In dem Ventilraum ist ein mit mindestens einem Ventilsitz
zusammenwirkendes Ventilschließglied
angeordnet. Durch Öffnen
des Ventilschließglieds
wird der Ventilraum des Ventilsteuermoduls und damit auch der Ventilsteuerraum
entlastet, so dass zumindest eine der Düsennadeln öffnen kann.
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Das
Düsenmodul,
das eine so genannte Koaxial-Vario-Düse darstellt und das also zur
Steuerung von zwei Spritzloch- bzw.
Einspritzdüsenkreisen dient,
kann so ausgelegt sein, dass die innere Düsennadel erst öffnet, wenn
die äußere Düsennadel
an ihrem oberen Hubanschlag anschlägt. Durch dieses Konzept kann
eine so genannte bootförmige
Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine
erreicht werden. Die Düsennadeln
schließen,
wenn die von dem Steuerraum abzweigende Ablaufdrossel gesperrt wird
und über
die Zulaufdrossel eine Befüllung
des Ventilsteuerraums erfolgt. Daraus resultiert in dem Ventilsteuerraum
ein Druck überschuss,
sodass die Düsennadeln
zurück
auf ihren jeweiligen Nadelsitz gedrückt werden.
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Bei
dem bekannten Einspritzventil mit Koaxial-Vario-Düse sinkt
der in dem Ventilsteuerraum herrschende Druck schlagartig auf ein
niedriges Niveau, sobald die äußere Düsennadel
beim Öffnen
ihren Hubanschlag erreicht hat. Dies hat zur Folge, dass die innere
Düsennadel
sehr schnell öffnet.
Durch das schnelle Öffnen
der inneren Düsennadel
ergibt sich hinsichtlich der eingespritzten Kraftstoffmenge ein steiler
Mengensprung. Des Weiteren prellt die innere Düsennadel aufgrund ihrer hohen
Geschwindigkeit und ihrer geringen Dämpfung an ihrem oberen Hubanschlag
stark zurück.
Gleichzeitig prellt hierbei auch die äußere Düsennadel, da diese nur eine
schwache Dämpfung
erfährt.
Eine starke Dämpfung
der äußeren Düsennadel
würde zu
unzulässig
hohen Streuungen bezogen auf den Öffnungszeitpunkt der inneren Düsennadel
führen.
Ferner besteht das Problem, dass bei kurzen Ansteuerzeiten des Einspritzventils die
innere Düsennadel
ihren oberen Anschlag erreicht und die äußere Düsennadel bereits wieder geschlossen
wird, so dass die innere Düsennadel
zu schnell geschlossen wird. Ursache hierfür sind das starke Rückprellen
der inneren Düsennadel
und der sprunghafte Anstieg des Steuerdrucks in dem Ventilsteuerraum
durch das Schließen
der äußeren Düsennadel,
wodurch die Zulaufdrossel wieder freigegeben wird. Das Kennfeld
des Einspritzventils weist dann nach dem Mengensprung ein Plateau
auf, das undefinierbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Einspritzventil
mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei
dem der ersten Düsennadel
mindestens ein Mitnehmer zugeordnet ist, der ein Öffnen und
ein Schließen
der zweiten Düsennadel
bewirkt, hat den Vorteil, dass durch die somit erfolgende mechanische
Ansteuerung der zweiten Düsennadel
der Fluiddruck in dem Ventilsteuerraum beim Ansteuern der ersten
Düsennadel
und beim Ansteuern der ersten und der zweiten Düsennadel im Wesentlichen auf dem
gleichen Niveau bleibt. Aus diesen Gründen sind die herrschenden
Kräfteverhältnisse
beim Öffnen
der zweiten Düsennadel,
d. h. der inneren Düsennadel,
ausgeglichener als bei einer hydraulischen Ansteuerung der inneren
Düsennadel.
Auch öffnet die
innere Düsennadel
im Vergleich zu einer hydraulischen Ansteuerung langsamer. Das langsamere Öffnen der
inneren Düsennadel
führt wiederum
im Kennfeld des Einspritzventils zu einer geringeren Steigung im
Bereich des mit dem Öffnen
der inneren Düsennadel
verbundenen Mengensprungs zum Öffnungszeitpunkt
der inneren Düsennadel.
Ferner kann durch die mechanische Ansteuerung der inneren Düsennadel
der obere Hubanschlag der äußeren Düsennadel
beliebig gestaltet sein und insbesondere mit einer Dämpfung versehen
sein. Auch kann die innere Düsennadel
auf ihrer dem Ventilsteuerraum zugewandten Seite mit einer gegenüber dem
Stand der Technik vergrößerten Angriffsfläche versehen
sein, was wiederum eine gute Dämpfung
der inneren Düsennadel
bewirkt.
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Das
Einspritzventil nach der Erfindung kann insbesondere Bestandteil
eines Common-Rail-Einspritzsystems sein und zur Kraftstoffeinspritzung
in einen Brennraum einer Dieselbrennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
dienen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Einspritzventils
ist der Mitnehmer, der ein Öffnen
und ein Schließen
der zweiten Düsennadel
bewirkt, von einem Steuerkolben der ersten Düsennadel gebildet. Dieser Steuerkolben grenzt
mit seiner den Einspritzöffnungen
abgewandten Stirnseite an den Ventilsteuerraum und überträgt die auf
ihn ausgeübten
Kräfte
auf die erste Düsennadel.
Ab einem bestimmten, voreingestellten Hub wirkt der Steuerkolben
beim Öffnen
der ersten Düsennadel
auch auf die zweite Düsennadel.
Beim Schließen des
Einspritzventils wirkt der Steuerkolben vorzugsweise vom Beginn
an auf beide Düsennadeln.
Dadurch ist ausgeschlossen, dass die erste Düsennadel vor der zweiten Düsennadel
ihre Schließstellung
erreicht.
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Die
zweite Düsennadel,
d. h. die innere Düsennadel,
kann sowohl einteilig als auch mehrteilig ausgeführt sein. So hat die innere
Düsennadel
insbesondere bei Nutzung des Steuerkolbens der ersten Düsennadel
als Mitnehmer vorzugsweise einen Bereich verringerten Durchmessers, über den
die innere Düsennadel
in dem Steuerkolben der äußeren Düsennadel
geführt
ist. Der Bereich verringerten Durchmessers kann einem Druckstift
zugeordnet sein, der insbesondere pilzförmig ausgebildet ist und über eine lose
Verbindung an einem die zugeordneten Einspritzöffnungen steuernden Schließglied der
inneren Düsennadel
angreift. Wenn der Druckstift und das Schließglied einstückig ausgeführt oder
fest miteinander verbunden sind, kann auf die Ausbildung einer das Öff nen unterstützender
Druckstufe an der inneren Düsennadel
verzichtet werden.
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Der
Druckstift der inneren Düsennadel
kann mit einem Hubanschlag zusammenwirken, der von einer Ventilplatte
gebildet ist, in der eine Zulaufdrossel und eine Ablaufdrossel zur
Steuerung des Drucks in dem Ventilsteuerraum angeordnet sind. Bei
Konstruktion des Hubanschlags ist zu beachten, dass die Ablaufdrossel
bei geöffneter
innerer Düsennadel nicht
von dem Druckstift überdeckt
wird. Vielmehr sollte der Druckstift bzw. die innere Düsennadel
im geöffnetem
Zustand über
der Ablaufdrossel "schweben", so dass stets ein
kontinuierlicher Durchfluss durch die Ablaufdrossel erfolgen kann.
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Zur
Verbesserung der Dämpfung
der inneren Düsennadel
können
die Ablaufdrossel und die Zulaufdrossel auch jeweils außerhalb
des Hubanschlagbereichs der inneren Düsennadel in den Ventilsteuerraum
münden.
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Das
Ventilsteuermodul des Einspritzventils nach der Erfindung ist in
der Regel ventilartig ausgebildet und entweder mittels eines elektromagnetisch arbeitenden
Aktors oder mittels eines piezoelektrischen Aktors gesteuert.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
des Einspritzventils nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
prinziphaften Längsschnitt durch
ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Einspritzventil in Schließstellung;
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2 das
Einspritzventil nach 1, jedoch mit geöffneter äußerer Düsennadel;
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3 das
Einspritzventil nach 1, jedoch mit geöffneter äußerer Düsennadel
und geöffneter
innerer Düsennadel;
und
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4 das
Einspritzventil nach 1, jedoch mit geschlossener äußerer Düsennadel
und geschlossener innerer Düsennadel
unmittelbar nach dem Schließvorgang.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In
den 1 bis 4 ist ein Einspritzventil 1 dargestellt,
das Bestandteil eines so genannten Common-Rail-Einspritzsystems ist und zur Einspritzung
von Kraftstoff in einen Brennraum einer Diesel-Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeuges dient. Das Einspritzventil 1 umfasst
hierzu als wesentliche Baueinheiten ein hier nur prinziphaft dargestelltes, ventilartig
ausgebildetes Ventilsteuermodul 2 und ein Düsenmodul 3.
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Das
Düsenmodul 3 ist
als Koaxial-Vario-Düse
ausgebildet und weist hierzu eine Nadeleinheit auf, die aus einer äußeren Düsennadel 4 und
einer inneren, die äußere Düsennadel 4 durchgreifenden Düsennadel 5 gebildet
ist.
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Die äußere Düsennadel 4,
die axial verschiebbar in einem Ventilgehäuse 6 geführt ist,
dient zur Steuerung von ersten, zu dem Brennraum der Diesel-Brennkraftmaschine
führenden
Einspritzöffnungen
bzw. -düsen 7,
und die innere Düsennadel 5 dient
zur Steuerung von zweiten, ebenfalls zu dem Brennraum der Diesel-Brennkraftmaschine
führenden
Einspritzöffnungen
bzw. -düsen 8.
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Zur
Steuerung ist an der den Einspritzdüsen 7 und 8 abgewandten
Seite des Düsenmoduls 3 ein Ventilsteuerraum 9 ausgebildet,
der einerseits über einen
mit einer Zulaufdrossel 10 ausgebildeten Zulaufkanal 11 mit
einer Kraftstoffzufuhrleitung 12 und andererseits über einen
mit einer Ablaufdrossel 13 versehenen Ablaufkanal 14 mit
dem ventilartig ausgebildeten Ventilsteuermodul 2 verbunden
ist. Die Zulaufdrossel 10 und die Ablaufdrossel 13 sind
in einer Ventilplatte 15 ausgebildet, die den Ventilsteuerraum 9 stirnseitig
begrenzt.
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Die äußere Düsennadel 4 ist
radial von einem ringförmig
ausgebildeten Hochdruckraum 16 umgeben, in welchen ein
Kraftstoffzufuhrkanal 17 mündet, der über die Kraftstoffzufuhrleitung 12 mit
einer so genannten Common-Rail des Einspritzsystems verbunden ist,
mittels der mehrere Einspritzventile der dargestellten Art versorgt
werden. Der Druckraum 16 kann unter einem in Common-Rail-Systemen üblichen
Hochdruck von beispielsweise bis zu 1,6 kbar stehen.
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Im
oberen Bereich des Hochdruckraums 16 weist die äußere Düsennadel 4 eine
Druckschulter 17 auf, auf die ein das Öffnen der äußeren Düsennadel 4 unterstützender
Fluiddruck wirkt.
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Der äußeren Düsennadel 4 ist
des Weiteren ein Steuerkolben 18 zugeordnet, der mit seiner
den Einspritzdüsen 8 abgewandten
Stirnseite an den Ventilsteuerraum 9 grenzt und der mittels
einer Spiralfeder 19, die sich einerseits an dem Gehäuse 6 abstützt und
andererseits auf einen Ringbund 20 des Steuerkolbens 18 wirkt,
in Schließrichtung
der äußeren Düsennadel 4 vorgespannt.
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Die
innere Düsennadel 5 ist
in einem die äußere Düsennadel 4 axial
durchgreifenden Kanal 21 geführt und umfasst einen Druckstift 22,
der den Steuerkolben 18 axial durchgreift und in diesem
geführt
ist. Der Druckstift 22 hat einen geringeren Durchmesser
als der Bereich der inneren Düsennadel 5,
der in der äußeren Düsennadel 4 geführt ist, und
weist einen pilzförmigen
Endbereich 23 auf, der in den Steuerraum 9 ragt.
Der Druckstift 22 liegt in der in 1 dargestellten
Stellung lose an dem in der äußeren Düsennadel 4 geführten Bereich
der inneren Düsennadel 5 an.
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Zur
Abführung
einer Leckage weist der Steuerkolben 18 des Weiteren eine
Querbohrung 24 auf, die einen den Druckstift 22 umgebenden
Leckspalt mit einem Federraum 25 für die Spiralfeder 19 verbindet,
von dem eine Rücklaufleitung 26 abzweigt.
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Die
innere Düsennadel 5 hat
des Weiteren stromab der ihr zugeordneten Einspritzdüsen 8 eine Druckstufe 27,
auf die bei geöffneter
Düsennadel 4 ein
das Öffnen
der inneren Düsennadel 5 unterstützender
Fluiddruck wirkt.
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Das
Ventilsteuermodul 2 ist ventilartig ausgebildet und hat
zwei Schaltstellungen. In einer in den 1 und 4 dargestellten
Schaltstellung ist die Ablaufdrossel 13 gesperrt und in
der anderen Schaltstellung, die in den 2 und 3 dargestellt ist,
ist die Ablaufdrossel 13 freigegeben, so dass Kraftstoff
aus dem Ventilsteuerraum 9 abströmen kann, was zu einer Druckentlastung
desselben führt.
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Zu
seiner Betätigung
weist das Ventilsteuermodul 2 vorliegend einen nicht näher dargestellten piezoelektrischen
Aktor auf, der auf ein Ventilschließglied wirkt, das einen Fluidstrom
zwischen dem Steuerraum 9 des Düsenmoduls 3 und einer
Rücklaufleitung
des Ventilsteuermoduls 2 freigibt bzw. sperrt.
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Das
in den 1 bis 4 dargestellte Einspritzventil 1 arbeitet
in nachfolgend beschriebener Weise.
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In 1 ist
die Schließstellung
der beiden Düsennadeln 4 und 5 dargestellt,
in der über
die Einspritzdüsen 7 und 8 kein
Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Hierzu
ist das Ventilsteuermodul 2 in seiner Sperrstellung, so
dass über die
Ablaufdrossel 13 kein Kraftstoff aus dem Steuerraum 9 abströmen kann.
Vielmehr wird der in dem Steuerraum 9 herrschende Kraftstoffdruck über die Zulaufdrossel 10,
die einen geringeren Durchmesser als die Ablaufdrossel 13 hat,
der so genannte Rail-Druck bereitgestellt, der die äußere Düsennadel 4 und
die innere Düsennadel 5 über den
Ventilsteuerkolben 18 in Schließstellung hält, der in Schließstellung
an den beiden Düsennadeln 4 und 5 an
der jeweils den Einspritzdüsen 7 und 8 abgewandten
Stirnseite angreift. Der Druckstift 22 ist durch den in
dem Steuerraum herrschenden Fluiddruck gegen den in der äußeren Düsennadel
geführten
Bereich der inneren Düsennadel 5 gedrückt.
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Wenn
nun, wie in 2 dargestellt, das ventilartig
ausgebildete Ventilsteuermodul 2 betätigt wird, erfolgt eine Druckentlastung
des Steuerraums 9, wodurch der Ventilsteuerkolben 18 einen
axialen Versatz in der den Einspritzdüsen 7 und 8 abgewandten
Richtung erfährt.
Durch den an der Druckschulter 17 angreifenden Fluiddruck
folgt die äußere Düsennadel 4 dem
Ventilsteuerkolben 18, so dass die der äußeren Düsennadel 4 zugeordneten
Einspritzdüsen 7 freigegeben
werden und Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt
wird.
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Der
Ventilsteuerkolben 18 dient beim Öffnen über eine Mitnehmerkante 181 als
Mitnehmer für
den Druckstift 22 der inneren Düsennadel 5, so dass steuerraumseitig
keine Kraft mehr auf die innere Düsennadel 5 wirkt und
letztere durch den an der stirnseitig ausgebildeten Druckstufe 27 angreifenden
Fluiddruck öffnet.
Der Ventilsteuerkolben 18 wird weiter bis zu einem oberen
Anschlag 28 verfahren, und der Druckstift 22 wird,
wenn die Ansteuerung des Ventilsteuermoduls nicht vorher beendet
wird, mittels des über
die Druckstufe 27 auf die innere Düsennadel 5 wirkenden
Flu iddrucks soweit verfahren, bis der stirnseitige Endbereich 23 an
der Ventilplatte 15 anliegt. Der Druckstift 22 bzw.
dessen Endbereich 23 liegt dabei so an der Ventilplatte 15 an,
dass Kraftstoff durch die Abströmdrossel 13 strömen kann.
Diese Ventilstellung ist 3 zu entnehmen.
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Wenn
nun das Ventilsteuermodul 2 in Schließstellung gebracht wird, erhöht sich
der Steuerdruck in dem Steuerraum 9, so dass auf die Stirnseite
des Steuerkolbens 18 ein Fluiddruck wirkt, der zu einem
Schließen
der äußeren Düsennadel 4 führt. Hierbei
greift der Steuerkolben 18 in seiner Funktion als Mitnehmer über eine
Mitnehmerkante 182 auch an der den Einspritzdüsen 8 abgewandten
Stirnseite des in der äußeren Düsennadel 4 geführten Bereichs der
inneren Düsennadel 5 an,
so dass auch die innere Düsennadel 5 in
Sperrstellung gebracht wird und die dieser zugeordneten Einspritzdüsen 8 verschließt. Die
innere Düsennadel 5 und
die äußere Düsennadel 4 werden
damit im Wesentlichen zeitgleich in Schließstellung gebracht, wie 4 zu
entnehmen ist. Dabei hebt der Druckstift 22 beim Schließen der
Düsennadeln 4 und 5 von
dem in der äußeren Düsennadel 4 geführten Bereich
der inneren Düsennadel 5 ab.
Er erfährt
erst nach dem Verschließen der
Einspritzdüsen 7 und 8 einen
Versatz in seine in 1 dargestellte Ausgangslage,
wobei zum etwaigen Druckabbau in dem Zwischenraum zwischen dem Druckstift 22 und
dem von dem in der äußeren Düsennadel
geführten
Bereich der inneren Düsennadel 5 ein
hier nicht näher
dargestellter Entlastungskanal vorgesehen sein kann.