DE19910589A1 - Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Servoventil (20) weist ein bewegliches Ventilelement (22) mit einer Drossel (32) im Kraftstoffweg zur Einspritzdüse (10) für die Anfangsphase der Einspritzung und mit einem kolbenförmigen Absatz (37) über einer Nut (33) auf, der in der Hauptphase der Einspritzung aus einer Bohrung (38) austaucht und dadurch einen direkten Weg für den Kraftstoff unter Umgehung der Drossel (32) freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Eine solche Anordnung ist allgemein bekannt.

Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei de­ nen mit einem sehr hohen Einspritzdruck gearbeitet wird. Sol­ che Einspritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme (für Die­ selmotoren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) be­ kannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors ge­ meinsamen Druckspeicher befördert, von dem aus die Einspritz­ ventile an den einzelnen Zylindern versorgt werden. Das Öff­ nen und Schließen der Einspritzventile, auch Injektoren ge­ nannt, wird in der Regel elektrisch oder elektromagnetisch gesteuert.

Die Einspritzventile sind bei solchen Systemen im allgemeinen mit Servoventilen versehen, die hydraulisch das Öffnen und Schließen der Düsennadel des eigentlichen Ein­ spritzventils steuern, das heißt insbesondere den Beginn und das Ende des Einspritzvorganges festlegen. Das Servoventil beeinflußt dazu in Verbindung mit Steuerdrosseln vor allem die Geschwindigkeiten, mit denen das Einspritzventil öffnet und schließt.

Aus verbrennungstechnischen Gründen soll nämlich die Geschwindigkeit, mit der das Einspritzventil öffnet, ver­ schieden sein von der Geschwindigkeit, mit der das Einspritz­ ventil schließt. Das Einspritzventil, auch Injektor genannt, soll z. B. bei Common-Rail-Systemen für Dieselmotoren zu Be­ ginn der Einspritzung für eine bessere Vermischung des Kraft­ stoffs mit der Luft kontrolliert langsam öffnen. Dagegen muß das Einspritzventil am Ende des Einspritzvorganges schnell schließen, um eine Rußbildung zu verhindern. Auch soll der zeitliche Verlauf der Einspritzung steuerbar sein. Wichtig ist vor allem die Möglichkeit zur Einspritzung kleinster Kraftstoffmengen vor der eigentlichen Einspritzung, die soge­ nannte Piloteinspritzung, mit der sich der Verbrennungsprozeß optimieren läßt.

Eine ungedrosselte Ventilöffnung führt außerdem zu heftigen Druckschwingungen im Hochdruckbereich der Einspritz­ düse, die schwierig zu beherrschen sind. Durch geeignete Maß­ nahmen wie Steuerdrosseln im Kraftstoffzulauf wird daher die Einspritzung gedrosselt eingeleitet. Das hat außerdem den Vorteil, daß die Anforderungen an die Ventilschaltzeiten mit Drosselung wesentlich geringer sind.

Nachteil dieser allgemein bekannten Maßnahme ist je­ doch, daß der Kraftstoffzulauf nicht nur in der Anfangsphase der Einspritzung, sondern auch dann noch gedrosselt ist, wenn der Übergang von der Anfangs- in die Hauptphase der Einsprit­ zung erfolgt, der möglichst schnell vor sich gehen soll.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das eingangs ge­ nannten Einspritzventil mit einem Servoventil so auszugestal­ ten, daß zwar die Anfangsphase der Einspritzung gedrosselt eingeleitet werden kann, sich diese Drosselung im späteren Verlauf der Einspritzung jedoch nicht mehr nachteilig aus­ wirkt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patent­ anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen des erfindungsgemäßen Servoventils sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Servoventil ist demnach dadurch ausgezeichnet, daß es einerseits in der Anfangsphase der Ein­ spritzung eine gedrosselte Verbindung zu der Einspritzdüse des Einspritzsystems herstellt. Im weiteren Verlauf des Ein­ spritzvorgangs wird dann, wenn sich das Servoventil weiter öffnet, unter Umgehung der anfänglich wirksamen Drossel eine direkte Verbindung zu der Einspritzdüse aufgebaut.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die eine Figur der Zeichnung zeigt schema­ tisch einen Injektor für ein Kraftstoff-Speichereinspritz­ system mit einem Servoventil.

Der in der Zeichnung gezeigte Injektor für ein Kraft­ stoff-Einspritzsystem, etwa das Common-Rail-System eines Die­ selmotors, besteht im wesentlichen aus drei Elementen, die zu einer Einheit zusammengefaßt sind. Das erste, in der Zeich­ nung untere Element des Injektors ist eine konventionell auf­ gebaute Einspritzdüse 10, mit der beim Verbrennungsvorgang Kraftstoff in den Brennraum des Verbrennungsmotors einge­ spritzt wird. Das zweite Element ist ein der Einspritzdüse 10 vorgeschaltetes Servoventil 20. Das Servoventil 20 wird sei­ nerseits über eine das dritte Element des Injektors bildende piezoelektrische oder elektromagnetische Ansteuereinheit, im vorliegenden Fall eine Magneteinheit 40, angesteuert.

Die Einspritzdüse 10 umfaßt einen axial beweglichen Düsenkörper 11 mit einer Düsennadel 12 an seinem vorderen En­ de, die bei der axialen Bewegung des Düsenkörpers 11 Ein­ spritzlöcher 14 öffnet und schließt, die zum Brennraum des Verbrennungsmotors führen. Die Düsennadel 12 gibt die Ein­ spritzlöcher 14 frei, wenn einer Düsenkammer 15 am vorderen Ende des Düsenkörpers 11 Kraftstoff unter hohem Druck zuge­ führt wird, so daß sich der Düsenkörper 11 gegen die Wirkung einer Druckfeder 16 axial von den Einspritzlöchern 14 weg be­ wegt.

Das Servoventil 20 umfaßt einen Ventilkörper 21, in den axial beweglich ein Ventilelement 22 eingesetzt ist. Ein nicht dargestellter Hochdruckspeicher (Rail genannt) ist mit einem Einlaßkanal 23 im Ventilkörper 21 verbunden, der zu ei­ ner das Ventilelement 22 ringförmig umgebenden Nut 24 im Ven­ tilkörper 21 führt.

Im Ventilelement 22 führt ein Kanal 25 mit einer Zu­ laufdrossel 26 von der Höhe der Nut 24 zu einem Steuerraum 27 am oberen Ende des Ventilelements 22. Vom Steuerraum 27 geht im Ventilkörper 21 eine Ablaufdrossel 28 mit nachgeschaltetem Kugelventil 29 ab, das in geschlossener Position auf einem konischen Ventilsitz aufliegt.

An die Nut 24 schließt sich nach unten, das heißt in der vom Steuerraum 27 weg zeigenden Richtung, ein Ventilsitz 30 an, der von einer Schulter am sich verjüngenden Ventilele­ ment 22 und einem nach innen gerichteten Absatz am Ventilkör­ per 21 gebildet wird. Wenn im Steuerraum 27 ein hydraulisches Fluid (der Kraftstoff) unter Druck ansteht, wird das Ventil­ element 22 in den Ventilsitz 30 gedrückt; das Servoventil 20 ist in diesem Zustand geschlossen.

Unterhalb des Ventilsitzes 30, das heißt in Strö­ mungsrichtung nach dem Ventilsitz 30, ist daran anschließend im Ventilelement 22 ein Kanal 31 mit einer Drossel 32 ausge­ bildet, der zu einer ringförmigen Nut 33 im Ventilelement 22 führt. An die Nut 33 schließen sich im Ventilkörper 21 bzw. im Körper der Einspritzdüse 10 Kanäle 34, 35 und 36 an, die zur Düsenkammer 15 der Einspritzdüse 10 führen.

Oberhalb der Nut 33 weist das Ventilelement 22 einen kolbenförmigen Absatz 37 auf, der im wesentlichen abdichtend an der Wand einer Bohrung 38 im Ventilkörper 21 anliegt, wenn das Servoventil 20 geschlossen ist und das Ventilelement 22 am Ventilsitz 30 aufliegt. In einem axialen Abstand h von der Oberkante der Nut 33 in Richtung des Steuerraums 27, bezogen auf die Stellung des Ventilelements 22 bei geschlossenem Ser­ voventil 20, erweitert sich die Bohrung 38 radial stufenför­ mig nach außen, bevor sie nach oben in den Ventilsitz 30 übergeht. Der Abstand h ist kleiner als der Ventilhub des Servoventils 20 zwischen der vollständig geschlossenen und der vollständig offenen Stellung. Der Abstand h ist genügend groß, um auch dann, wenn das Ventilelement 22 beginnt, sich vom Ventilsitz 30 abzuheben, eine ausreichende Dichtwirkung zwischen Ventilsitz 30 und Nut 33 zu bewirken.

Die Unterkante der Nut 33 gibt bei geschlossenem Ser­ voventil 20 den Weg zu einer Ablaufbohrung 39 frei, über die die Nut 33 mit dem drucklosen oder niedrigen Kraftstoffdruck aufweisenden Leckagerücklauf verbunden wird. Bei offenem Ser­ voventil 20 verschließt die Unterkante der Nut 33 die Ablauf­ bohrung 39.

Die Magneteinheit 40 besteht im wesentlichen aus ei­ nem oder mehreren Elektromagneten 42 und einer Feder 44. Bei ausgeschaltetem Elektromagneten 42 drückt die Feder 44 das Kugelventil 29 des Servoventils 20 in seinen Ventilsitz und schließt dadurch den Steuerraum 27 ab. Wird der Elektromagnet 42 bestromt, wird vom Elektromagneten 42 gegen die Wirkung der Feder 44 ein Anker 45 angezogen, an dem das Kugelventil 29 befestigt ist, so daß sich das Kugelventil 29 öffnet.

Statt mit der Magneteinheit 40 kann alternativ auch eine andere Art der externen Ansteuerung des Kugelventils 29 angewendet werden, etwa durch Piezoelemente an Stelle des Elektromagneten 42.

Die Arbeitsweise des dargestellten Injektors ist wie folgt:
Im Ausgangszustand fließt kein Strom durch den Elek­ tromagneten 42. Der Steuerraum 27 steht über die Zulaufdros­ sel 26, den Kanal 25, die Nut 24 und den Einlaßkanal 23 mit dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (dem Rail) in Wirkverbin­ dung, weshalb im Steuerraum 27 Kraftstoff unter Druck an­ steht. Durch den Druck im Steuerraum 27 wird das Ventilele­ ment 22 in den Ventilsitz 30 gedrückt, das Servoventil 20 ist geschlossen.

Wird nun aufgrund einer externen Ansteuerung Strom durch den Elektromagneten 42 geschickt, öffnet das Kugelven­ til 29, wodurch Kraftstoff aus dem Steuerraum 27 durch die Ablaufdrossel 28 zum drucklosen Rücklauf abströmen kann. Zu­ laufdrossel 26 und Ablaufdrossel 28 sind so bemessen, daß der Druck im Steuerraum 27 bei offenem Kugelventil 29 definiert abgebaut wird.

Durch die Entlastung des Steuerraums 27 bewegt sich daraufhin das Ventilelement 22 in Richtung zum Steuerraum 27, so daß sich zunächst der Ventilsitz 30 öffnet und die Verbin­ dung zwischen der Nut 33 und dem Rücklauf 39 unterbrochen wird. In der ersten Öffnungsphase, solange der Ventilhub kleiner ist als der Abstand h, gelangt der unter Hochdruck stehende Kraftstoff aus der Nut 24 über den Ventilsitz 30, die daran anschließende Drossel 32 im Ventilelement 22 und die Kanäle 31, 34, 35 und 36 in die Düsenkammer 15 der Ein­ spritzdüse 10, die sich unter der Einwirkung des in der Dü­ senkammer 15 aufbauenden Drucks selbsttätig öffnet.

Wenn der Ventilhub des Ventilelements 22 gleich dem Abstand h und größer wird, taucht der kolbenförmige Absatz 37 aus der Bohrung 38 aus und gibt einen großen Strömungsquer­ schnitt frei. In dieser Hauptphase der Einspritzung besteht somit durch die Umgehung der Drossel 32 eine direkte Verbin­ dung zwischen Ventilsitz 30 und Nut 33 und damit eine unge­ drosselte Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher (dem Rail) und der Einspritzdüse 10.

Das Ende der Einspritzung wird durch Abschalten des Elektromagneten 42, das heißt durch Schließen des Kugelven­ tils 29 eingeleitet. Der Druck im Steuerraum 27 steigt da­ durch wieder an, und das Ventilelement 22 bewegt sich in Richtung Einspritzdüse 10 und verschließt den Ventilsitz 30. Die Unterkante der Nut 33 gibt dabei die Ablaufbohrung 39 frei. Über die Ablaufbohrung 39 erfolgt eine Druckentlastung der Einspritzdüse in der Schließphase, wodurch der Schließ­ vorgang beschleunigt wird.

Claims (5)

1. Einspritzventil mit einem Ventilkörper (21) und einem darin beweglich angeordneten Ventilelement (22), das in Schließposition auf einen Ventilsitz (30) drückt und abhängig von dem in einem Steuerraum (27) herrschenden Druck die Ver­ bindung zwischen einem Einlaßkanal (23) und einer Einspritz­ düse (10) unterbricht, wobei der Druck im Steuerraum (27) von einem Aktors (44) gesteuert wird, wobei das Ventilelement (22) in Strömungsrichtung nach dem Ventilsitz (30) einen Kanal (31) mit einer Drossel (32), der zu einer Nut (33) im Ventilelement (22) führt, und über der Nut (33) einen kolbenförmigen Absatz (37) aufweist, der im wesentlichen abdichtend an der Wand einer Bohrung (38) im Ventilkörper (21) anliegt, wenn das Servoventil (20) ge­ schlossen ist, wobei sich in einem Abstand (h) von der Ober­ kante der Nut (33), bezogen auf die Stellung des Ventilele­ ments (22) bei geschlossenem Servoventil (20), die Bohrung (38) radial derart erweitert, daß sich bei offenem Servoven­ til (20) eine direkte Verbindung zwischen Ventilsitz (30) und Nut (33) ergibt, von der Kanäle (34, 35, 36) zur Einspritzdü­ se (10) führen.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstand (h), der kleiner ist als der Ventilhub des Servoventils (20) zwischen der geschlossenen und der of­ fenen Stellung, genügend groß ist, um eine ausreichende Dichtwirkung zu ergeben, wenn das Ventilelement (22) beginnt, sich vom Ventilsitz (30) abzuheben.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Unterkante der Nut (33) bei geschlossenem Servo­ ventil (20) den Weg zu einer Ablaufbohrung (39) im Ventilkör­ per (21) freigibt.

4. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die externe Ansteuerung des Servoventils (20) mit­ tels einer Magneteinheit (40) mit einem Elektromagneten (42) erfolgt.

5. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die externe Ansteuerung des Servoventils (20) elek­ trisch mittels Piezoelementen erfolgt.