DE19859592C1 - Kraftstoffeinspritzventil - Google Patents
KraftstoffeinspritzventilInfo
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Abstract
Kraftstoffeinspritzventil für eine Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff aus einem zentralen Hochdruckspeicher (1) in Brennräumen einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Hochdruckspeicher (1) über eine Zulaufdrosselbohrung (10) mit einem Steuerraum (20) in Wirkverbindung steht, der das Öffnen und Verschließen der Einspritzdüse steuert, wobei der Steuerraum (20) über eine Ablaufdrosselbohrung (30) mit einem Schaltventil (40) kommuniziert. Die Zulaufdrosselbohrung (10) ist dabei gegenüber dem Steuerraum (20) exzentrisch ausgerichtet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil insbesondere zur
Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Verbrennungskraft
maschinen.
In Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung wird der Kraftstoff zur
Gemischbildung aus einer Hochdruckkammer über eine Einspritzdüse in den
Brennraum eingespritzt. Zum Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird bei
Common-Rail-Einspritzsystemen unter anderem auf das Servoprinzip zurückge
griffen. Die Einspritzdüse ist dabei Teil eines Servoventils. Durch ein Schaltven
til, welches elektrisch angesteuert wird, wird ein Volumenstrom geschaltet. Über
einen Druckteiler, der durch zwei Durchflußwiderstände gebildet wird, bewirkt
ein geöffnetes Schaltventil eine Öffnungsbewegung des Servoventils. Ein ge
schlossenes Schaltventil bewirkt eine Schließbewegung des Servoventils.
Für einen optimalen Verbrennungsprozeß in der Brennkammer ist es erforderlich,
den Zeitpunkt, die Dauer des Einspritzens, die gesamte eingespritzte Kraftstoff
masse und den zeitlichen Verlauf der Einspritzrate genauestens zu kontrollieren,
da die Brennraumgeometrie auf diese Parameter zur Minimierung des Kraftstoff
verbrauchs und der Abgasemmissionen genau abgestimmt ist.
Die EP 0 844 385 A1 offenbart ein Einspritzventil mit einem magnetischen
Schaltventil, das durch Öffnen oder Verschließen den Kraftstoffdruck in einem
Steuerraum 30 bestimmt und dadurch den Einspritzvorgang kontrolliert. Der
Steuerraum weist dabei eine vertikale Zulaufdrosselbohrung und eine vertikale
Ablaufdrosselbohrung auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffein
spritzventil mit einer Kombination aus Schaltventil und servohydraulischem Ven
til zu schaffen, bei der ein genau definierter Durchflußwiderstand des Schaltven
tils in einem möglichst großen Bereich unterschiedlicher Kraftstoffdrücke vor
handen ist. Dieser Durchflußwiderstand muß darüber hinaus die Eigenschaft auf
weisen, daß nur wenige Geometrieparameter seine Größe beeinflussen. Der genau
definierte Durchflußwiderstand des Schaltventils legt damit die Öffnungsge
schwindigkeit des Servoventils fest.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen gemäß An
spruchs 1 hat den Vorteil, daß der effektive Strömungsquerschnitt der durch das
Schaltventil erzeugten Öffnung die Ausbildung einer kavitierenden Drosselströ
mung unterstützt. Durch die exzentrische Position der Zulaufdrosselbohrung wird
im Steuerraum eine Rotation der Kraftstoffströmung verursacht. Diese Rotation,
die sich aufgrund der Impulserhaltung der Kraftstoffströmung nach Öffnen des
Schaltventils beim Durchströmen der Ablaufdrosselbohrung beschleunigt, führt zu
einer Absenkung des statischen Drucks in der Flüssigkeit und verstärkt damit die
Kavitationsneigung des Fluides beim Durchströmen der Ablaufdrosselbohrung.
Aufgrund der drallbehafteten Strömung innerhalb der Ablaufdrosselbohrung wird
die Kavitationsneigung auf einen weiten Druckbereich ausgedehnt. Schon bei
geringen Druckdifferenzen über die Ablaufdrosselbohrung hinweg und bei hohen
Drücken im Niederdruckbereich hinter der Ablaufdrosselbohrung treten Kavitati
onseffekte auf und bewirken, daß der effektive Öffnungsquerschnitt, der aus der
Kombination von Magnetventil 40 und Ablaufdrosselbohrung 30 gebildet wird,
nur noch von der Geometrie der Ablaufdrosselbohrung beeinflußt wird. Hierdurch
kann mit Hilfe der Größe der Ablaufdrosselbohrung ein exakt definierter Durch
flußquerschnitt eingestellt werden, ohne den Einfluß des Magnetventils 40 be
rücksichtigen zu müssen.
In den abhängigen Ansprüchen aufgeführte Maßnahmen definieren vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Kraftstof
feinspritzventils.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zulaufdrosselbohrung tangen
tial gegenüber dem Steuerraum ausgerichtet. Dadurch wird erreicht, daß alle Be
reiche der Strömung im Steuerraum in Rotation versetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist bei einem zylindrisch ausgebildeten
Steuerraum das Rotieren der Strömung nicht durch Kanten oder Ecken behindert.
Vorzugsweise sind die Zulaufdrosselbohrung und die Ablaufdrosselbohrung senk
recht zueinander ausgerichtet. Dadurch liegt die Rotationsachse der erzeugten
Strömung parallel zur Einströmrichtung des Kraftstoffs in die Ablaufdrosselboh
rung.
Die Erfindung ist anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform in
der folgenden detaillierten Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine Schnittansicht eines Schaltventils in Verbindung mit einer Zulauf
drosselbohrung, einem Steuerraum und einer Ablaufdrosselbohrung;
und
Fig. 2: eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1, die schematisch die
Rotation der Strömung im Steuerraum zeigt.
In Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch ein Schaltventil 40 mit einer Verbindung zu
einem Steuerraum 20 dargestellt, in welchem ein Kolben 50 beweglich angeord
net ist. Der Kolben 50 ist fest mit der Ventilnadel des eigentlichen Einspritzventils
verbunden. Über eine Zulaufdrosselbohrung 10 strömt der Kraftstoff von einer
zentralen Hochdruckversorgung 1 zu dem Steuerraum 20. Vorzugsweise an der
Stirnseite 21 des Steuerraumes 20 befindet sich eine Öffnung 22, die zu einer
Ablaufdrosselbohrung 30 führt. Damit ergibt sich eine bevorzugte rechtwinklige
Ausrichtung der Achsen der Zulaufdrosselbohrung 10 und der Ablaufdrosselboh
rung 30 zueinander.
Auf der dem Steuerraum 20 abgewandten Seite der Ablaufdrosselbohrung 30 ist
das Schaltventil 40 angeordnet, das - je nach Schaltposition - den Ausgang der
Ablaufdrosselbohrung 30 öffnet oder verschließt. Vom Schaltventil 40 fließt der
Kraftstoff zurück in den Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems.
Auf der der Stirnseite 21 gegenüberliegenden Seite des Steuerraums 20 befindet
sich der Steuerkolben 50, der mit der Düsennadel des eigentlichen Einspritzventils
verbunden ist. Bewegungen des Steuerkolbens 50 entsprechen Bewegungen der
Ventilnadel des eigentlichen Einspritzventils, welches den Brennraum vom Hoch
druckbereich 1 des Kraftstoffeinspritzsystems trennt. Bewegungen dieses Steuer
kolbens 50 (angedeutet durch den Doppelpfeil in Fig. 1) führen zu einem Öffnen
beziehungsweise Schließen der Kraftstoffzufuhr in den Brennraum. Das Schalt
ventil 40 wird elektrisch angesteuert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist die Zulaufdrosselbohrung 10 exzentrisch in be
zug auf den Steuerraum 20 angeordnet. Der Steuerraum 20 hat vorzugsweise eine
zylindrische Gestalt, d. h. der in Fig. 2 gezeigte Querschnitt entlang der strich
punktierten Linie A-A aus Fig. 1 ist kreisförmig. Bevorzugt entspricht die Orien
tierung der Längsachse der Zulaufdrosselbohrung 10 einer Tangente an den Kreis,
der durch den Querschnitt des Steuerraumes 20 gebildet wird.
Durch die exzentrische Orientierung der Zulaufdrosselbohrung 10 bildet sich
beim Einströmen des Kraftstoffs in den Steuerraum 20 eine Rotationsströmung 60
aus, deren Stromlinien in Fig. 2 schematisch durch Pfeile angedeutet sind. Die
Rotationsströmung 60 umfaßt bei der bevorzugten tangentialen Anordnung der Zu
laufbohrung 10 die gesamte Querschnittfläche des Steuerraums 20.
Wird das Schaltventil 40 geöffnet, tritt diese Rotationsströmung 60 in die Öffnung
der Ablaufdrosselbohrung 30 ein, die eine wesentlich kleinere Querschnittfläche
als der Steuerraum 20 aufweist. Durch das Abfließen des Fluides durch die Ab
laufdrosselbohrung 30 erhöht sich dabei aufgrund der Impulserhaltung die Dreh
geschwindigkeit der Rotationsströmung 60, so daß der statische Druck in der Strö
mung stark abnimmt. Dies erhöht die Neigung der Strömung zum Kavitieren im
Bereich der Ablaufdrosselbohrung 30. Das Einsetzen von Kavitationseffekten
führt dazu, daß der gesamte Durchflußwiderstand der Kombination aus Ablauf
drossel 30 und Schaltventil 40 nur noch von dem Durchflußwiderstand der Ab
laufdrossel 30 abhängig ist. Dies erleichtert die Einstellung der Größe des abflie
ßenden Volumenstroms. Da die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 50 di
rekt von dem abfließenden Volumenstrom abhängig ist, ergibt sich aufgrund der
Erhöhung der Kavitationsneigung der Strömung in der Ablaufdrosselbohrung 30
eine Erhöhung der Genauigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 50.
Da die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 50 der Bewegungsgeschwindig
keit der Ventilnadel des Einspritzventils entspricht, erhöht sich somit auch die
Genauigkeit der Bewegung des Einspritzventils und damit die Genauigkeit der
eingespritzten Kraftstoffmenge. Das bedeutet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit
der Ventilnadel des Einspritzventils, welche möglichst gleichmäßig erfolgen soll,
über die Dimensionierung bzw. Gestalt der Ablaufdrosselbohrung 30 zielgerichtet
einstellbar bzw. hinsichtlich der Einspritzbedingungen optimierbar ist.
Claims (5)
1. Kraftstoffeinspritzventil für eine Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff aus
einem zentralen Hochdruckspeicher (1) in einen Brennraum einer Verbren
nungskraftmaschine,
- a) wobei der Hochdruckspeicher (1) über eine Zulaufdrosselbohrung (10) mit einem Steuerraum (20) in Verbindung steht,
- b) wobei der Druck in dem Steuerraum (20) das Öffnen und Verschließen ei ner Einspritzdüse steuert,
- c) wobei der Steuerraum (20) über eine Ablaufdrosselbohrung (30) mit ei nem Schaltventil (40) verbunden ist, welches den Ausgang der Ablauf drosselbohrung (30) öffnet oder verschließt,
- a) daß die Zulaufdrosselbohrung (10) gegenüber dem Steuerraum (20) derart exzentrisch ausgerichtet ist, daß eine Rotationsachse einer durch ein Ein strömen durch die Zulaufdrosselbohrung (10) in den Steuerraum (20) er zeugten Rotationsströmung (60) im Steuerraum (20) parallel zur Einström richtung des Kraftstoffes in die Ablaufdrosselbohrung (30) liegt.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zulaufdrosselbohrung (10) gegenüber dem Steuerraum (20) tangential aus
gerichtet ist.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zulaufdrosselbohrung (10) und die Ablaufdrosselbohrung (30) senkrecht
zueinander angeordnet sind.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Steuerraum (20) eine zylindrische Gestalt aufweist.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ablaufdrosselbohrung (30) so dimensioniert ist, daß beim Öffnen des Schalt
ventils (40) Kavitationseffekte in der Ablaufdrosselbohrung (30) auftreten.
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