DE19516565A1 - Einspritzventil einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zur intermittierenden Brennstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solches Einspritzventil ist in der EP 426,205 A2 offenbart.

Einen wesentlichen Einfluß auf das Emissions-, Verbrauchs- und Leistungsverhalten eines Dieselmotors hat die Brennstoffeinspritz­ vorrichtung. Typisch für die heute noch weit verbreiteten pumpen­ gesteuerten Brennstoffeinspritzvorrichtungen ist die Abhängigkeit der Einspritzcharakteristik von der Motordrehzahl und -last. Der Einspritzzeitpunkt wird dabei bestimmt vom Druckimpuls, der vom nockenwellengetriebenen Pumpenkolben erzeugt wird und eine feder­ belastete Düsennadel öffnet. Somit ist bei derartigen Brennstoff­ einspritzvorrichtungen eine Variation der Einspritzcharakteristik unabhängig vom Drehzahl- und Lastniveau des Dieselmotors prinzip­ bedingt nicht möglich.

Erst mit der Entwicklung von Brennstoffeinspritzvorrichtungen die nach dem Prinzip der Speichereinspritzpumpe arbeiten, erlaubten eine flexiblere Einspritzcharakteristik. Bei denen aus der DE 32 27 742 C2 und EP 426,205 B1 bekannten Speichereinspritz­ pumpen wird der Brennstoff von einer motorunabhängigen Hochdruck­ pumpe auf Hochdruck gebracht und einem Hochdruckspeicher zuge­ führt, wovon er dann von einem elektronisch gesteuerten Einspritz­ ventil in den Brennraum des Dieselmotors eingespritzt wird. Auf­ grund der funktionellen und zeitlichen Trennung des Einspritz- und Pumpvorganges kann nun der Einspritzzeitpunkt und der Ein­ spritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl variiert werden, so daß die hierdurch erzielbare Leistungs- und Wirkungsgradoptimierung zu einer Reduzierung der Abgasemissionen führt.

Wesentliches Schlüsselelement bei der Zumessung der Einspritzmenge während eines zeitlich definierten Einspritzintervalles ist das Einspritzventil, das elektromagnetisch gesteuert Einspritzbeginn und -ende vorgibt. Eine präzise Funktion des Einspritzventils ist somit Voraussetzung für ein zeitlich exaktes Schließen und Öffnen der Düsennadel, die die Einspritzöffnungen zum Brennraum freigibt bzw. schließt und somit bei einem gegebenen Brennstoffdruck die er­ forderliche Brennstoffmenge je Einspritzintervall bemißt. Um mit geringen Steuerkräften die Schließ- und Öffnungsbewegung der Düsennadel zu steuern wird gemäß der EP 426,205 B1 die Düsennadel nicht unmittelbar vom Elektromagneten bewegt, sondern von einem in einem Steuerraum herrschenden Brennstoffdruck betätigt. Um die Düsennadel in ihrer Schließstellung zu halten, steht der Steuerraum über Kanäle mit dem unter Hochdruck stehenden Brenn­ stoffeinlaß des Einspritzventils in Leitungsverbindung. Soll die Düsennadel nun die Einspritzöffnungen frei geben, so wird der Steuerraum über eine Abflußöffnung drucklos gemacht, in dem ein Stellglied des Elektromagnetventils die Abflußöffnung freigibt. Während dieser Phase schließt ein Ventilkörper, der gegenüber dem Kolben federvorgepannt ist die Kanäle ab, da kanalseitig über die Abflußöffnung ebenfalls ein Druckabfall entsteht. Durch die Öffnungsbewegung der Düsennadel verdrängt der Kolben Brennstoff aus der Zwischenkammer über eine Leitungsverbindung im Ventil­ körper durch die Abflußöffnung. Je nach dem wie schnell der Brennstoff aus der Zwischenkammer über die Abflußöffnung ab­ fließen kann, erfolgt eine schnellere oder langsamere Öffnungs­ bewegung der Düsennadel. Die Schließbewegung der Düsennadel wird eingeleitet, indem das Stellglied die Abflußöffnung verschließt und somit ein Druckanstieg in den Kanälen erfolgt, der wiederum den Ventilkörper zur Öffnung der Kanäle veranlassen soll, so daß die Zwischenkammer über den Brennstoffeinlaß gefüllt wird und die Düsennadel in Schließstellung gedrückt wird. Da jedoch auch Brennstoff über die im Ventilkörper ausgebildete Leitungsver­ bindung in den Steuerraum nachfließen kann, erfolgt unter bestimmten Betriebszuständen eine unpräzise Öffnungsbewegung des Ventilkörpers was eine verzögerte Schließbewegung der Düsennadel zur Folge haben kann. Eine exakte Dosierung der Brenn­ stoffmenge läßt sich dann nicht mehr gewährleisten.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Einspritz­ ventil anzugeben, welches über den gesamten Betriebsbereich hinweg ein kontrolliertes Schließen und Öffnen der Einspritz­ öffnungen zum Brennraum ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Einspritzventil hat den Vorteil, daß durch Ausbildung eines Sperrventils in der Leitungsverbindung ein Brennstoffstrom nur noch aus dem Steuerraum heraus über die Leitungsverbindung zur Abflußöffnung erfolgen kann. Ein Einfließen von Brennstoff in den Steuerraum kann somit nur noch bei öffnendem Ventilkörper über die Kanäle erfolgen, wodurch eine funktionale Trennung der Brennstoffströme für die Schließ- und Öffnungsbewegung der Düsennadel ermöglicht wird. Da die Leitungsverbindung im Ventilkörper bei der Schließbewegung der Düsennadel bzw. beim Öffnen der Kanäle durch den Ventilkörper durch das Sperrventil geschlossen bleibt, kann die Leitungs­ verbindung in dieser Phase die Funktion des Ventilkörpers nicht mehr beeinflussen. Die Schließbewegung der Düsennadel wird somit ausschließlich für das Nachfließen von Brennstoff über die Kanäle in den Steuerraum kontrolliert. Somit wird eine exakte Bemessung der einzuspritzenden Brennstoffmenge gewährleistet. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 7.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a einen ausschnittsweisen Längsschnitt eines Einspritz­ ventils mit plattenförmigen Sperrventil im Ruhezustand,

Fig. 1b das Einspritzventil gemäß Fig. 1a während des Öffnungs­ vorganges,

Fig. 1c das Einspritzventil gemäß Fig. 1a beim Schließvorgang der Düsennadel,

Fig. 2a einen auszugsweisen Längsschnitt eines Einspritzventils mit einem außerhalb des Ventilkörpers gelegenen Sperr­ ventil,

Fig. 2b einen ausschnittsweisen Längsschnitt eines Einspritzventils mit Sperrventil in Kugelbauweise und

Fig. 3 einen ausschnittsweisen Längsschnitt eines Einspritzventils mit Darstellung der Düsennadel.

Der in den Fig. 1a bis 1c gezeigte Abschnitt eines elektro­ magnetisch betätigten Einspritzventils 1 dient zur Steuerung des Druckes innerhalb eines Steuerraums 2 der am Ende eines Kolbens 3 gelegen ist. Ober den auf den Kolben 3 wirkenden Druck erfolgt die Betätigung einer axial jenseits des Steuerraums 2 gelegenen Düsen­ nadel 4 in eine Offenstellung und in eine Schließstellung. In Fig. 3 ist die Düsennadel 4 in einer Schließstellung gezeigt, bei der sie gegen einen mit Einspritzöffnungen 5 versehenen Düsennadelsitz 6 angedrückt wird. In ihrer Offenstellung gibt die Düsennadel 4 die Einspritzöffnungen 5 frei, so daß Brennstoff über einen Brennstoff­ einlaß 7 des Einspritzventils 1 unter Hochdruck in den Brennraum einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Ausgelöst wird der Schließ- und Öffnungsvorgang von einem elektromagnetisch betätigten Stellglied 8, welches in koaxialer Verlängerung des Kolbens 3 bzw. der Düsennadel 4 im Ventilgehäuse 9 angeordnet ist und eine Abflußöffnung 10 schließt und öffnet. Des­ weiteren ist im Ventilgehäuse 9 zwischen dem Stellglied 8 und dem Kolben 3 ein gehäusefestes Ventilstück 11 vorgesehen, welches stellgliedseitig die Abflußöffnung 10 aufweist und kolbenseitig der Steuerraum 2 angrenzt. Eine koaxial zur Ventillängsachse L sich erstreckende Zwischenkammer 12 ist im Ventilstück 11 ausge­ bildet und endet einerseits in der Abflußöffnung 10 und mündet andererseits in den Steuerraum 2. Über eine erste Drosselbohrung 13a ist die Zwischenkammer 12 mit dem Brennstoffeinlaß 7 des Ventilgehäuses 9 verbunden, so daß der Steuerraum 2 über die Zwischenkammer 12 und über im Ventilstück 11 ausgebildete Kanäle 14 bei der Schließbewegung des Kolbens 3 mit Brennstoff gefüllt werden kann. Des weiteren soll die Drosselbohrung 13a durch eine ent­ sprechende Querschnittsgestaltung verhindern, daß über den Brenn­ stoffeinlaß 7 und über die Abflußöffnung 10 zu viel Kraftstoff abfließt, was eine unnötige Entleerung des nicht weiter dar­ gestellten Hochdruck-Brennstoffspeichers über welchen der Brenn­ stoffeinlaß 7 versorgt wird bedeuten würde. Des weiteren ist kolbenseitig am Zwischenventilstück 11 ein Ventilsitz 15 für einen im Steuerraum 2 axial beweglich geführten Ventilkörper 16 ausgebildet. Der Ventilkörper 16 wirkt mit dem Ventilsitz 15 zu­ sammen um die im Ventilsitz 15 mündenden Kanäle 14 und die Zwischen­ kammer 12 zum Steuerraum 2 hin zu schließen und zu öffnen. In seiner wie in Fig. 1a und 1b gezeigten Schließstellung wird der Ventil­ körper 16 durch eine am Kolben 3 anliegende Druckfeder 17 gegen den Ventilsitz 15 angedrückt. Um ein Abfließen des Brennstoffes aus dem Steuerraum 2 bei der Öffnungsbewegung des Kolbens 3 über die Zwischenkammer 12 und die Abflußöffnung 10 zu erlauben, ist im Ventilkörper 16 eine koaxiale Leitungsverbindung 18 mit zweiter Drosselbohrung 13b vorgesehen. In Ruhestellung und bei der Schließbewegung des Kolbens 3 bleibt die Leitungsverbindung 18 durch ein Sperrventil 19 gesperrt bzw. unterbrochen, so daß ein Nachfließen von Brennstoff aus der Zwischenkammer 12 über die Leitungsverbindung 18 und über die zweite Drosselbohrung 13b in den Steuerraum 2 unterbunden wird. In den Fig. 1a bis 1c ist das Sperrventil 19 als in Schließstellung federbelastete Ventil­ platte 20 im Ventilkörper 16 ausgeführt und spart somit durch Ausrichtung der Ventilplatte 20 quer zur Ventillängsachse an Bauhöhe. Die Ventilplatte 20 ist in einer radialen Ausweitung der Leitungsverbindung 18 axial beweglich geführt und weist einen radialen Spalt 21 auf, über den Brennstoff bei der Öffnungsbe­ wegung des Kolbens 3 vom Steuerraum 2 über die zweite Drossel­ bewegung 13b in die Zwischenkammer 12 abfließen kann. Ist der Druck, der zwischenraumseitig auf die Ventilplatte 20 wirkt größer als der steuerraumseitig wirkende so liegt die Ventilplatte 20 flächig auf einer Schließfläche 22 auf und schließt somit die zweite Drosselbohrung 13b ab. Für die Öffnungsbewegung des Kolbens 3 ist die Ausführung der zweiten Drosselbohrung 13b wesentlich, da diese den Volumenstrom aus dem Steuerraum 2 bestimmt und somit die Schnelligkeit der Öffnungsbewegung beeinflußt. Durch Ausbildung der Kanäle 14 als dritte Drosselbohrungen 13c kann durch Abstimmung mit der ersten Drosselbohrung 13a Einfluß auf die Schließge­ schwindigkeit des Kolbens 3 genommen werden, da über diese ein Wiederbefüllen des Steuerraums 2 mit Brennstoff erfolgt.

Der in Fig. 1b gezeigte Öffnungsvorgang läuft wie folgt ab: Das durch Magnetkraft angehobene Stellglied 8 gibt die Abfluß­ öffnung 10 frei, so daß über die Drosselbohrungen 13a und 13b der Brennstoff insbesondere aus dem Steuerraum 2 in ein druck­ loses Rücklaufsystem abfließen kann. Ein auf die Düsennadel 4 wirkender Brennstoffdruck erzeugt eine nach oben gerichtete Kraft, welche auf den Kolben übertragen wird und zur Ver­ drängungsbewegung des Kolbens 3 im Steuerraum 2 führt. Dabei fließt das vom Kolben 3 im Steuerraum 2 verdrängte Brennstoff­ volumen über die zweite Drosselbohrung 13b und über die Zwischen­ kammer 12 durch die Abflußöffnung 10 ab. Sobald die Düsennadel 4 von ihrem Düsennadelsitz 6 abhebt erfolgt die Einspritzung vom Brennstoff in den Brennraum.

Das Einspritzende wird herbeigeführt, indem der Elektromagnet abgeschaltet wird, so daß das Stellglied 8 die Abflußöffnung 10 wieder verschließt. Das bei der Öffnungsbewegung geöffnete Sperr­ ventil 19 wird nun durch den wieder ansteigenden Brennstoffdruck geschlossen, so daß eine zum Kolben 3 hin gerichtete Kraft den Ventilkörper 16 vom Ventilsitz 15 abheben und die Kanäle 14 sowie die Zwischenkammer 12 zum Steuerraum 2 hin freigeben. Der nun schnell ansteigende Druck im Steuerraum 2 bewirkt über den Kolben 3 eine Schließbewegung der Düsennadel 4. Sobald der Brennstoffdruck im Steuerraum 2 und in der Zwischenkammer 12 gleich ist, wird der Ventilkörper 16 von der Druckfeder 17 wieder auf den Ventilsitz 15 angedrückt, wie dies für die Ruhestellung in Fig. 1a gezeigt ist.

Fig. 2a zeigt eine alternative Ausführung des Einspritzventils 1′ bei dem die Leitungsverbindung 18′ zwischen Zwischenkammer 12′ und Steuerraum 2′ außerhalb des Ventilkörpers 16 ausgeführt ist. Hierzu umgeht die Leitungsverbindung 18′ den Ventilkörper 16′ gehäuseseitig und mündet im Steuerraum 2′ in einer zwischen Kolben 3′ und Ventilkörper 16′ gelegenen Stelle. Das Sperrventil 19′ ist mit einer federbelasteten Kugel ausgeführt, die den Brennstoff­ strom in Richtung zum Steuerraum 2 sperrt. Zur Einstellung der Öffnungsgeschwindigkeit des Kolbens 3′ ist die Leitungsver­ bindung 18′ mit einer kalibrierten zweiten Drosselbohrung 13b′ versehen.

Eine dritte Ausführung des Einspritzventils 1′′ zeigt die Fig. 2b, bei der das Sperrventil 19′′ im Gegensatz zur Ausführung nach den Fig. 1a bis 1c statt mit einer Ventilplatte 20 mit einer Kugel 23′′ als Schließglied versehen ist wodurch eine hohe Zuverlässigkeit des Sperrventils 19′′ gewährleistet ist. Demgegenüber gewähr­ leistet die Ausführung nach Fig. 2a eine sehr kompakte Gestaltung des Ventilkörpers 16′, da das Sperrventil 19′ außerhalb des Ventilkörpers 16′ ausgebildet ist.

Claims (8)

1. Einspritzventil zur intermittierenden Brennstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit

• - einer im Ventilgehäuse (9) zwischen einer Schließ- und Offenstellung axial verschieblich geführten Düsennadel (4), die in Schließstellung von einem Kolben (3) gegen einen mit Einspritzöffnungen (5) versehenen Düsennadelsitz (6) angedrückt wird,
• - einem Steuerraum (2), der über einen oder mehrere ab­ schließbare Kanäle (14) mit einem Brennstoffeinlaß (7) des Einspritzventils (1) leitungsverbunden ist, wobei der im Steu­ erraum (2) herrschende Brennstoffdruck den Kolben (3) in Schließstellung beaufschlagt,
• - einer in einem Ventilsitz (15) in den Steuerraum (2) münden­ den Zwischenkammer (12), die mit dem Brennstoffeinlaß (7) und mit dem Steuerraum (2) leitungsverbunden ist und eine von einem Stellglied (8) abschließbare Abflußöffnung (10) aufweist,
• - einem Ventilkörper (16), der einerseits vom Brennstoffdruck des Steuerraums (2) gegen einen mit den Kanalmündungen ver­ sehenen Ventilsitz (15) in eine Verschlußstellung des Ventil­ körpers (16) und andererseits vom in den Kanälen (14) und in der Zwischenkammer (12) herrschenden Brennstoffdruck in Öff­ nungsstellung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitungsverbindung (18) zwischen Steuerraum (2) und Zwischenkammer (12) ein den Brennstoffstrom zum Steuerraum (2) hin abschließendes Sperrventil (19) vorgesehen ist.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsverbindung (18) mit Sperrventil (19) im Ventilkörper (16) ausgebildet ist, so daß die Zwischenkammer (12) über eine ven­ tilsitzseitige Kammeröffnung mit dem Steuerraum (2) leitungsver­ bunden ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (19) ein plattenförmiges Schließglied auf­ weist.

4. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsverbindung (18) zwischen Steuerraum (2) und Zwischenkammer (12), den Ventilsitz (15) gehäuseseitig umgehend, ausgebildet ist.

5. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (19) als Kugelventil ausge­ führt ist.

6. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsverbindung (18) zwischen Steuer­ raum (2) und Zwischenkammer (12) eine Drossel (13b) zur Beeinflus­ sung der Öffnungsbewegung der Düsennadel (4) aufweist.

7. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Leitungsverbindung zwischen Brennstoffeinlaß (7) und Zwischenkammer (12) mit einer Drossel (13a) versehen ist, die einen gegenüber den Kanälen (14) reduzierten Brennstoffdurch­ laß bewirkt.

8. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (14) mit Drosseln (13c) zur Beein­ flussung der Schließbewegung der Düsennadel (4) versehen sind.