DE3423340A1

DE3423340A1 - Kraftstoff-einspritzeinheit mit elektromagnetischem steuerventil

Info

Publication number: DE3423340A1
Application number: DE3423340A
Authority: DE
Inventors: Miwa Yokohama Hiromichi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1983-07-04
Filing date: 1984-06-25
Publication date: 1985-01-24
Also published as: GB2142974A; US4505243A; GB8415698D0

Description

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KRAFTSTOFF-EINSPRITZEIMHEIT MIT ELEKTROMAGNETISCHEM STEUERVENTIL

Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinheit für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Einspritzeinheit für Diesel-Brennkraftmaschinen.

Bei Diesel-Brennkraftmaschinen ist jeder Zylinder mit einer Einspritzdüse versehen, der flüssiger Kraftstoff unter hohem> Druck von einer Einspritzpumpe zugeführt wird.

In der US-PS 4 129 253 wird eine Kraftstoff-Einspritzeinheit beschrieben, bei der die Einspritzdüse und die Einspritzpumpe zusammen mit einem elektromagnetischen Steuerventil zu einer einzigen kompakten Einheit integriert sind. Das elektromagnetische Steuerventil steuert den zeitlichen Ablauf des Einspritzvorgangs. Wesentliche Vorteile einer derartigen integrierten Einspritzeinheit bestehen darin, daß auf eine verhältnismäßig lange Kraftstoff-Einspritzleitung zur Verbindung der Pumpe mit der Einspritzdüse verzichtet werden kann. Hierdurch wird das zu komprimierende Flüssigkeitsvolumen erheblich verringert, mit der Folge, daß die zeitliche Verzögerung des Einspritzvorgangs abnimmt und der Einspritzdruck erhöht werden kann, so daß der-Kraftstoff besser zerstäubt wird. Weitere Vorteile bestehen darin, daß der Kraftstoffdurchsatz erhöht werden kann und daß ein Nachlaufen des Kraftstoffs nach Beendigung des Einspritzvorgangs weitgehend vermieden wird.

Bei einer derartigen Einspritzeinheit wird Kraftstoff mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe unter verhältnismäßig

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niedrigem Druck aus einem Kraftstofftank in eine Druckkammer der Einspritzpume gefördert. In der als Teil der Einspritzeinheit ausgebildeten Einspritzpumpe wird der Kraftstoff komprimiert. Die in einem angrenzenden Abschnitt der Einspritzeinheit ausgebildete Einspritzdüse weist ein Nadelventil auf, das die Sprühöffnungen der Düse normalerweise geschlossen hält. Erst wenn der Druck des von der Einspritzpumpe zugeführten Kraftstoffes einen vorgegebenen Wert überschreitet, gibt das Nadelventil die Sprühöffnungen frei, so daß der Einspritzvorgang eingeleitet wird. Bei dem elektromagnetischen Steuerventil handelt es sich um ein normalerweise offenes Ventil in einer Kraftstoff-Zufuhrleitung, die die Druckkammer der Einspritzpumpe mit dem Kraftstofftank verbindet. Das Steuerventil ermöglicht daher in der Normalstellung eine Druckentlastung, so daß sich in der Druckkammer der Einspritzpumpe kein ausreichender Kraftstoffdruck zum öffnen des Nadelventils aufbauen kann. Erst wenn das elektromagnetische Steuerventil durch einen elektrischen Stromimpuls einer Einspritz-Steuerschaltung erregt wird, wird die Druckentlastung über den Zufuhrkanal verhindert, so daß der Druck in der Druckkammer der Einspritzpumpe rasch über den öffnungsdruck des Nade.lsventils hinaus ansteigt und der Einspritzvorgang eingeleitet wird. Mit der abfallenden Flanke des Stromimpulses kehrt das elektromagnetische Steuerventil unter der Wirkung einer Feder in die geöffnete Stellung zurück, so daß der Kraftstoffdruck in der Einspritzpumpe und in der Einspritzdüse absinkt und der Einspritzvorgang beendet wird.

Damit der Einspritzvorgang möglichst schlagartig beendet wird, so daß der Zeitpunkt des Einspritzendes exakt definiert ist, ist bei Beendigung des Einspritzvorgangs ein rascher Abfall des Einspritzdruckes erwünscht. Bei einer Einspritzeinheit der oben beschriebenen Art hängt die Ge-

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schwindigkeit, mit der der Einspritzdruck abfällt, von
dem wirksamen Querschnitt der Entlastungsöffnung ab, die zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilglied, beispielsweise einem Nadelventil, des elektromagnetischen Steuerventils gebildet wird. Die Größe" dieser Querschnittsfläche ist begrenzt durch den maximalen Hub des Ventilgliedes. Eine Möglichkeit, die wirksame Querschnittsfläche der Entlastungsöffnung zu vergrößern besteht
darin, den Durchmesser des Ventilsitzes zu vergrößern.

In diesem Fall muß jedoch in entsprechender Weise die
elektromagnetische Schließkraft des Steuerventils er-' höht werden. Wenn beispielsweise der Einspritzdruck des Kraftstoffes etwa 10 kN/cm² beträgt, so muß die Schließkraft des Ventilglieds wenigstens etwa 300 N/m betragen, selbst wenn der Durchmesser des Ventilsitzes nur 2mm

beträgt. Eine angemessene Erhöhrung der elektromagnetischen Schließkraft bei Vergrößerung des Ventilsitzes
führt unvermeidlich zu einer Vergrößerung der Abmessungen des elektromagnetischen Steuerventils. Darüber hinaus ist es bei einer Erhöhung der Schließkraft des elektromagnetischen Ventils schwierig, ein hinreichend schnelles Ansprechverhalten des Ventils zu gewährleisten, wie es
bei Einspritzeinheiten für kleine, hochdrehende Diesel-Brennkraftmaschinen erforderlich ist. Eine andere Mög-

lichkeit den Querschnitt der Entlastungsöffnung zu vergrößern, besteht darin, den Hub des Ventilgliedes zu vergrößern. Dies bedeutet jedoch, daß man den Zwischenraum zwischen dem Anker und dem Magnetkern des elektromagnetischen Stellglieds des Ventils vergrößern muß. Da je-

0 doch die zum Anziehen des Ankers erforderliche elektromagnetische Kraft quadratisch mit dein Abstand zwischen
dem Magnetkern und dem Anker zunimmt, wäre auch in diesem Fall eine Erhöhung der elektromagnetischen Kraft des
Steuerventils unvermeidlich.

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Die Erfindung ist auf die Schaffung einer Einspritzeinheit der gattungsgemäßen Art mit einem verbesserten elektromagnetischen Steuerventil gerichtet, bei dem der wirksame Querschnitt der Druck-Entlastungsöffnung ohne Erhöhung der Kraft des elektromagnetischen Stellglieds vergrößert werden kann, so daß eine unverzügliche und saubere Beendigung des Einspritzvorgangs ermöglicht wird.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist das elektromagnetische Steuerventil mit einer Gegendruckkammer versehen, die über einen Druckausgleichskanal mit der Druckkammer der Einspritzpumpe in Fluidverbindung steht. Die Gegendruckkammer ist in einem Zylinder in dem Steuerventil ausgebildet und wird durch einen als Kolben wirkenden Endabschnitt des Ventilgliedes dieses Steuerventils begrenzt.

Der Druckausgleichskanal ist bevorzugt als Axialbohrung in dem Ventilglied ausgebildet.

Die über den Druckausgleichskanal mit der Druckkammer verbundene Gegendruckkammer hat die Wirkung, daß das Ventilglied des Steuerventils in Schließrichtung durch den Einspritzdruck des Kraftstoffs beaufschlagt wird.

Auf diese Weise wird ein Ausgleich geschaffen für die • in Öffnungsrichtung wirkende Kraft, die durch den Kraftstoffdruck auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite des Ventilgliedes erzeugt wird. Da sich somit die durch den Kraftstoffdruck auf das Ventilglied ausgeübten Kräfte gegenseitig weitgehend aufheben, genügt eine ver-

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hältnismäßig kleine elektromagnetische Kraft, das Ventilglied in der geschlossenen Stellung zu halten. Dies ermöglicht es, den Durchmesser des Ventilsitzes zu vergrössern und auf diese Weise den wirksamen Querschnitt der
5 Druck-Entlastungsöffnung des Steuerventils zu vergrößern, ohne daß die elektromagnetische Schließkraft des Steuerventils erhöht werden müßte.

Im folgen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
10 Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1

Fig. 2

Fig, 3 ist eine teilweise aufgeschnittene Ansicht einer Einspritzeinheit, an der die Erfindung verwirklicht wird;

ist ein vergrößerter Längsschnitt durch ein zu der Einspritzeinheit aus Figur 1 gehörendes elektromagnetisches Steuerventil gemäß der Erfindung;

ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Einspritzcharakteristik der Einspritzeinheit aus Figur 1;

Fig. 4

Fig. 5

ist ein schematischer Schnitt durch die Spitze eines Nadelventils des in Figur 2 gezeigten Steuerventils?

ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verteilung des bei geöffnetem Nadelventil auf die Ventilspitze wirkenden Druckes;

Fig. 6

ist ein vergrößerter Schnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steuerventils;

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Fig. 7 ist ein Schnitt durch die Spitze des Nadelventils des Einspritzventils gemäß Figur 6;

Fig. 8 ist ein Diagramm ähnlich Figur 5 zur . - Veranschaulichung der Druckverteilung

bei dem Äusführungsbeispiel gemäß Figur 7.

In Figur, 1 ist der allgemeine Aufbau einer integrierten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung - im folgenden als Einspritzeinheit bezeichnet - für Diesel-Brennkraftmaschinen gezeigt. Die Einspritzeinheit umfaßt eine Pumpe 10, eine Einspritzdüse 40 und ein elektromagnetischen Einspritz-Steuerventil 80. Die erfindungsgemäße Konstruktion des Steuerventils 80 ist in Figur 2 dargestellt.

Die Pumpe 10 umfaßt eine in ein Gehäuse 12 der Einspritzeinheit eingeschraubte Hülse 14. Die Hülse 14 bildet einen Zylinder 16, der einen Pumpen-Kolben 18 gleitend verschiebbar aufnimmt. Ein vorspringender Endabschnitt des Kolbens 18 dient als Nockenfolger, der durch einen synchron mit der Brennkraftmaschine rotierenden Nocken 30 beaufschlagt wird, so daß der Kolben sich hin- und hergehend bewegt. Eine Kolben-Rückholfeder 20 ist in üblicher Weise derart angeordnet, daß sie den Kolben 18 gegen den Nocken 30 vorspannt, und zur Begrenzung der Bewegung des Pumpenkolbens 18 in Richtung auf den Nocken 30 ist in die Hülse 14 ein Begrenzungsstift 22 eingeführt. Die gegenüberliegende Stirnfläche des Kolbens 18 begrenzt eine Druckkammer 24, die durch einen Endabschnitt des Zylinders 16 gebildet wird und über einen Zufuhrkanal 26 mit einem nicht gezeigten Kraftstofftank in Fluidverbindung steht.

Die Einspritzdüse 40 umfaßt einen im wesentlichen zylindri-

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sehen Düsenkörper 42, der an einem zylindrischen, mit Außengewinde versehenen Endabschnitt des Gehäuses 12 montiert ist und durch eine auf das Gehäuse 12 aufgeschraubte überwurfmutter 44 in Position gehalten wird. Das Innere des Düsenkörpers 42 bildet eine Nadelkammer 46, die über einen Kraftstoffkanal 48 mit der Druckkammer 24 in Verbindung steht. In dem Düsenkörper 42 ist ein Nadelventil 50 angeordnet. Die Innenfläche des Düsenkörpers 42 ist im Bereich der Spitze des Düsenkörpers derart geformt, daß sie einen verjüngten ringförmigen Ventilsitz 52 bildet. Sprühöffnungen 56, die zu einem nicht gezeigten Zylinder der Brennkraftmaschine geöffnet sind, sind derart in den Düsenkörper 42 gebohrt, daß sich die inneren Enden der einzelnen öffnungen in der Oberfläche des Ventilsitzes 52 befinden. In dem Gehäuse ist eine Federkammer 58 ausgebildet, die eine Schraubenfeder 60 und einen Federträger 62 aufnimmt. Durch die Schraubenfeder 60 wird das Nadelventil 50 in Richtung auf den Ventilsitz 52 vorgespannt, so daß die Sprühöffnungen 5 6 normalerweise verschlossen sind. In einem mittleren Abschnitt ist das Nadelventil 50 unter Bildung einer Abstufung 51 verjüngt. Der in der Nadelkammer 46 herrrschende Fluiddruck wirkt auf die Abstufung 51 und erzeugt eine der Kraft der Schraubenfeder 60 entgegengerichtete Kraft.

Ein Abstandshalter 64 zur Begrenzung des Hubes des Nadelventils 50 ist zwischen dem Düsenkörper 42 und der Stirnfläche des Gehäuses 12 angeordnet. Die Kraft der Schraubenfeder 60 wird eingestellt mit Hilfe einer Scheibe 66, die zwischen dem.oberen Ende der Schraubenfeder 0 und der Stirnwand der Federkammer 58 eingefügt ist. Die Federkammer 5 8 steht über einen Kraftstoffkanal 70 mit einer Kraftstoff-Rückleitung 68 in Verbindung. Der Kraftstof fkanal 70 erstreckt sich weiter zu einer ringförmigen Nut 72, die in der Hülse 14 ausgebildet ist und einen oberen Abschnitt der Bohrung des Zylinders 16 umgibt.

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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird Kraftstoff durch die Sprühöffnungen 56 in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt/ wenn durch einen Abwärtshub des Kolbens 18 der Fluiddruck in der Druckkammer 24 und damit in der Nadelkammer 46 auf einen Wert erhöht wird, bei dem das Nadelventil 50 öffnet. Damit jedoch der Druck in der Druckkammer 24 ansteigen kann, muß der Kraftstoff-Zufuhrkanal 26-in~einem geeigneten Zeitraum vorübergehend geschlossen werden, um zu verhindern, daß der Kraftstoff durch den Zufuhrkanal 26 zurückströmt. Die oben anhand von Figur 1 beschriebenen Einzelheiten der Pumpe 10 und der Einspritzdüse 40 sind lediglich als Beispiel zu verstehen und können im Rahmen der Erfindung in bekannter Weise abgewandelt werden.

Das Steuerventil 80 umfaßt gemäß Figur 2 einen Ventilhalter 82 in der Form einer Hülse, die in das Gehäuse 12 der Einspritzeinheit eingeschraubt ist. Der Ventilhalter 82 bildet einen Zylinder 84, der ein Nadelventil 100 gleitend verschiebbar aufnimmt. Ein Endabschnitt des Zylinders 84 weist einen leicht vergrößerten Durchmesser auf und bildet eine Ventilkammer 86, die sich unmittelbar an einen konisch verjüngten, ringförmigen Ventilsitz 88 anschließt. Die Ventilkammer 86 steht über einen in den Ventilhalter 82 gebohrten Kanal 90 und eine zwischen der Stirnfläche des Ventilhalters 82 und der Oberfläche des Gehäuses 12 gebildete Ringkammer 92 mit einem Kraftstoff-Zufuhrkanal 28 in Verbindung. Der Zufuhrkanal ist seinerseits mit dem Kraftstofftank verbunden. Die Ventilkammer 86 steht ferner über einen axial durch den Ventilhalter 82 gebohrten Kanal 94 mit dem in Figur 1 gezeigten Kraftstoff-Zufuhrkanal 26 in Verbindung. Die Öffnung des Kanals 94 liegt der Spitze des Nadelventils 100 gegenüber. Die Ventilkammer 86 bildet somit eine Verbindung zwischen den stromaufwärtigen und stromabwär

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tigen Zufuhrkanälen 26 und 28. Mit 96 ist eine Dichtung bezeichnet.

Ein an dem Ventilhalter 82 befestigtes Gehäuse 110 nimmt einen Anker 112 auf, der unter Zwischenfügung einer Beilegscheibe 114 an einem Plansch des Nadelventils 100 befestigt ist. Das Gehäuse 110 nimmt ferner einen stationären Spulenkern 116 und eine Magnetspule 118 auf, die einen Längsmittelabschnitt des Nadelventils 100 umgeben. Wenn die Magnetspule 118 erregt ist, so wird der Anker 112 in Richtung auf den Ventilsitz 88 angezogen. Mit 120 sind elektrische Leitungen bezeichnet, über die der Magnetspule 18 ein elektrischer Stromimpuls von einer nicht gezeigten herkömmlichen Steuerschaltung zugeführt wird. Der Ventilhalter 82 und das Gehäuse 110 bilden eine Federkammer 124, die eine Schraubenfeder 122 aufnimmt. Die Schraubenfeder 122 beaufschlagt einen an einer ringförmigen Schulter des Nadelventils 100 abgestützten Haltering 126 und spannt das Nadelventil 100 in Richtung auf den Anker 112 vor. Bei dem elektromagnetischen Steuerventil 80 gemäß Figur 2 handelt es sich somit um ein normalerweise offenes Ventil, das eine Kraftstoffzufuhr über die Zufuhrkanäle 26- und 2 8 gestattet. Durch einen Kanal 180 wird eine Fluidverbindung hergestellt zwischen einer in dem Gehäuse 110 ausgebildeten, den Anker 112 aufnehmenden Ankerkammer 128 und der Federkammer 124. Die Federkammer 124 steht ihrerseits über schräg verlaufende Kanäle 132 und eine ringförmige Nut 134 in dem Ventilhalter 182 mit einer Kraftstoff-Rückleitung 74 in Verbindung. Der oben beschriebene grundsätzliche Aufbau des Steuerventils 80 ist für sich bekannt. Erfindungsgemäß weist das Steuerventil 80 zusätzlich die folgenden Einzelheiten auf. Eine Hülse 140 ist auf der dem Anker 112 entgegengesetzten Seite an dem oben erwähnten Flansch des Nadelventils 100 befestigt und bildet

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einen zusätzlichen Zylinder -142, der koaxial mit dem Zylinder 84 in dem Ventilhalter 82 angeordnet ist. Ein vorspringender Endabschnitt 102 des Nadelventils 100 ist derart geformt, daß er mit dem Zusatzzylinder 142 in Paßeingriff steht. Ein Endabschnitt 144 des Zusatzzylinders 142 wird durch die Stirnfläche des vorspringenden Abschnitts 102 des Nadelventils 100 begrenzt und bildet eine Gegendruckkaitimer. Eine axial durch das Nadelventil 100 einschließlich des vorspringenden Endabschnitts 102 verlaufende Bohrung 104 bildet einen Druckausgleichskanal, der gewährleistet, daß der Druck in der der Spitze des Nadelventils 100 gegenüberliegenden-Bohrung 94 auch in der Gegendruckkammer 144 aufgebaut wird. Die Hülse 140 weist eine zylindrisch bearbeitete Außenfläche auf und ist gleitend verschiebbar in eine Bohrung 109 des Gehäuses 110 eingepaßt. Die, Bewegung der Hülse 140 wird begrenzt durch das Nadelventil 100 und durch einen Anschlag 146, der durch einen in das Gehäuse 110 eingeschraubten Stopfen 148 in Position gehalten wird. Die Durchmesser des vorspringenden Endabschnitts 102 des Nadelventils 100 und des Druckausgleichskanals 104 sind derart bemessen, daß die in Schließrichtung des Nadelventils wirkende, durch den Druck in der Gegendruckkammer 144 erzeugte Kraft annähernd mit der in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft übereinstimmt, die durch den Fluiddruck an der Spitze des Nadelventils in der Ventilkammer 86 erzeugt wird. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine arbeitet die mit dem erfindungsgemäßen Steuerventil 80 gemäß Figur 2 ausgerüstete Einspritzeinheit wie folgt.

Von einer nicht gezeigten Kraftstoffpumpe wird Kraftstoff mit einem verhältnismäßig niedrigen Vor-Druck über die Zufuhrkanäle 28 und 26 und das geöffnete Steuerventil 80 in die Druckkammer 24 der Pumpe 10 eingeleitet. Wenn der Kolben 18 der Pumpe durch den synchron mit der Brenn-

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kraftmaschine rotierenden Nocken 30 in Richtung auf die Druckkammer 2 4 verschoben wird, nimmt der Fluiddruck in der Druckkammer 2 4 zu. Der Fluiddruck bleibt jedoch unterhalb eines vorgegebenen Wertes, und reicht nicht aus, das Nadelventil 50 der Einspritzdüse 40 von seinem Sitz abzuheben. Dies liegt daran, daß der Druck in der Druckkammer 2 4 über den Zufuhrkanal 28 und die Ventilkammer 86 des Steuerventils 80 entlastet wird. Über den Druckausgleichskanal 104 wird währenddessen in der Gegendruckkammer 144 ein Fluiddruck aufgebaut, der annähernd mit — dem Fluiddruck in der Druckkammer 24 übereinstimmt. Da die Durchmesser des vorspringenden Endabschnxtts 102 des Nadelventils 100 und der Druckausgleichsbohrung 104 in der oben angegebenen Weise bemessen sind, wird die auf die Spitze des Nadelventils 100 wirkende Kraft annähernd durch die Kraft ausgeglichen, die auf die rückwärtige, die Gegendruckkammer 144 begrenzende Stirnfläche des Nadelventils einwirkt. Das heißt, das Nadelventil wird lediglich durch die durch die Schraubenfeder 122 ausgeübte Kraft in der Öffnungsstellung gehalten, und die Kraft, die zum Schließen des Nadelventils 1> 0 erforderlich ist, wird durch den Druckanstieg in ·. _r Druckkammer 24 kaum beeinflußt. Die zum Schließen des Steuerventils 80 erforderliche Kraft, die von der Magnetspule 118 und dem Spulenkern 116 erzeugt werden muß, braucht lediglich so groß zu sein, daß die träge Masse des Ankers 112, des Nadelventils 100 sowie der Hülse 140 und die auf diese Bauteile einwirkenden Reibungskräfte einschließlich der Viskosität des Kraftstoffs überwunden werden.

0 Obgleich der Kraftstoff unter hohem Druck steht, reicht somit zum Schließen des Steuerventils 80 eine verhältnismäßig kleine elektromagnetische Kraft aus. Dies hat den Vorteil, daß der größte Durchmesser der konischen Spitze des Nadelventils 100 sowie der größte Durchmesser des Ventilsitzes 88 verhältnismäßig groß gewählt werden können,

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ohne daß eine erhöhte elektromagnetische Kraft zum Schließen des Nadelventils 100 benötigt wird. Die Wirkfläche der Entlastungsöffnung, durch die der Kraftstoff aus der Druckkammer* 24 zurückfließen kann, kann daher verhältnismäßig groß gewählt werden.

Während des Abwärtshubes des Kolbens 18 der Pumpe liefert die nicht gezeigte Steuerschaltung bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel einen elektrischen Stromimpuls begrenzter Dauer an die Magnetspule 118. Die Pulsdauer ist im Hinblick auf die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine optimiert, die mit Hilfe geeigneter Sensoren ermittelt werden. Als derartige Sensoren sind beispielsweise ein Drehzahlsensor, ein Beschleunigungsensor, der den Grad der Betätigung des Gaspedals abtastet, ein Temperatursensor zur Abtastung der Kühlwassertemperatur und ein Kurbelwinkel-Sensor zu nennen. Für die Dauer des Stromimpulses wird der Anker 112 in Richtung auf den Spulenkern 116 angezogen, so daß das Nadelventil 100 gegen den Ventilsitz 88 verschoben wird und die Fluidverbindung zwischen den Zufuhrkanälen 26 und 28 unterbricht. Wenn das Steuerventil 80 geschlossen ist, nimmt der Druck des in der Druckkammer 24 eingeschlossenen Kraftstoffs erheblich zu. Dieser Druckanstieg wirkt sich über den Kanal 48 auch in der Nadelkammer 4 6 der Einspritzdüse 40 aus. Wenn der Druck in der Nadelkammer 46 einen vorgegebenen Öffnungsdruck überschreitet, wird das Nadelventil 50 von dem Ventilsitz 52 abgehoben, so daß der Kraftstoff durch die Spühöffnungen 56 eingespritzt werden kann. Da der Kolben 18 in der Druckkammer 24 der Pumpe weiter abwärts bewegt wird, nimmt der Einspritzdruck weiter zu.

Bei einem zweiten vorgegebenen Kurbelwinkel wird das der Magnetspule 118 zugeführte Pulssignal beendet, so daß sich das Nadelventil 100 unter der Kraft der Feder 122

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von dem Ventilsitz 88 wegbewegt. In diesem Augenblick tritt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff durch eine zwischen dem Ventilsitz 88 und der Spitze des Nadelventils 100 gebildete Engstelle in den stromaufwärtigen Kraftstoff-Zufuhrkanal 28 aus. Dies führt zu einer Abnahme des Kraftstoffdruckes in der Druckkammer 24 und in der Nadelkammer 46, so daß sich das Nadelventil 50 wieder gegen den Ventilsitz 52 legt und die Sprühöffnungen 56 verschließt. Auf diese Weise wird der Einspritzvorgang nach der Unterbrechung des Stromimpulses schlagartig beendet.

Figur 3 zeigt die Einspritzkennlinien der mit dem erfindungsgemäßen Steuerventil gemäß Figur 2 ausgerüsteten Einspritzeinheit.

Für ein Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten T₁ und T-wird der Magnetspule 118 ein elektrischer Strom zugeführt. Dies hat zur Folge, daß das Steuerventil 80 mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung zwischen den Zeitpunkten T₂ und T- geschlossen gehalten wird. Kurz nach dem Zeitpunkt T₂ erreicht der Kraftstoffdruck in der Nadelkammer 46 den vorgegebenen öffnungsdruck für das Nadelventil 50, so daß das Nadelventil angehoben wird und die Kraftstoffeinspritzung durch die Spühöffnungen 56 beginnt. Von diesem Augenblick an nimmt der Einspritzdruck, der durch den Fluiddruck in der Druckkammer 24 der Pumpe repräsentiert wird, bis zu dem Zeitpunkt T. weiter zu, so daß auch der Durchsatz des eingespritzten Kraftstoffes weiter ansteigt. Bei dem erfindungsgemäßen Steuerventil 80 ist der maximale Durchmesser der Spitze des Nadelventils 100 sowie der maximale Durchmesser des Ventilsitzes 88 verhältnismäßig groß. Folglich hat die durch den Ventilsitz 88 und die Spitze des Nadelventils 100 in der Öffnungsstellung des Nadelventils gebildete Eng-

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stelle einen verhältnismäßig großen Querschnitt, so daß nach dem öffnen des Steuerventils der Druck in der Druckkammer 24 sehr rasch abgebaut wird. Das öffnen des Nadelventils 100 zum Zeitpunkt T. führt daher zu einer abrupten Abnahme des Einspritzdruckes und entsprechend zu einer plötzlichen Abnahme des Einspritz-Durchsatzes. Die erfindungsgemäße Einspritzeinheit hat daher den Vorteil, daß der Zeitpunkt des Einspritzendes sehr scharf definiert ist.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Kanal .zum Ausgleich des Fluiddruckes zwischen dem Kanal 94 und der Gegendruckkammer 144 durch eine Axialbohrung 104 des Nadelventils 100 gebildet. Wahlweise kann ein solcher Kanal jedoch auch außerhalb des Nadelventils 100 von dem Kanal 94 zu der Gegendruckkammer 144 verlaufen.

Wenn jedoch der Druckausgleichskanal durch eine Bohrung in dem Nadelventil 100 gebildet wird und der durch den Ventilhalter 82 verlaufende Kanal 94 in einer der Spitze des Nadelventils 100 gegenüberliegenden Position in die Ventilkammer 86 mündet, so ist es vorteilhaft, in dem Kanal 94 eine Strömungsführung 150 vorzusehen, wie in Figur 6 gezeigt ist. Die Strömungsführung 150 wird durch einen massiven zylindrischen Körper gebildet, der sich längs der Mittelachse des Kanals 94 ersteckt, so daß der Kanal 94 einen ringförmigen Querschnitt erhält. Der Vorteil dieser Maßnahme soll nachfolgend erläutert'werden.

Figur 4 zeigt die Spitze des Nadelventils 100 bei dem Steuerventil 80 gemäß Figur 2 in dem Augenblick, in dem das Nadelventil 100 von dem Ventilsitz 88 abgehoben wird, um die Kraftstoffeinspritzung zu beenden. Die Pfeile in

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Figur 4 repräsentieren die Strömungsverteilung des Druckfluids. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus der Druckkammer 2 4 strömt durch den Kanal 94, der durch den Ventilhalter 82 verläuft, und tritt sodann zu einem Teil über die zwischen dem Ventilsitz 88 und der Spitze des Nadelventils 100 gebildete Engstelle in den Zufuhrkanal 28 ein, während ein anderer Teil des Kraftstoffs in die Druckausgleichsbohrung 104 eintritt. Da jedoch die Gegendruckkammer 144 am Ende des Druckausgleichskanals 104 geschlossen ist, wird der Strömung in dem Druckausgleichskanal 104 ein Widerstand entgegengesetzt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs an der dem Steuerventil 80 zugewandten Mündung des Kanals 94 ist daher in der Mitte des Kanals 94 verhältnismäßig niedrig und nimmt mit zunehmendem radialen Abstand von der Mitte des Kanals zu, so daß sich in diesem Abschnitt des Kanals 94 die in Figur 4 gezeigte Strömungsverteilung ergibt. In disem Fall ergibt sich eine Verteilung des auf die Spitze des Nadelventils 100 wirkenden Fluiddruckes, wie sie in Figur 5 dargestellt ist. Der Druck ist im Mittelbereich, in der Umgebung der Mittelachse C des Nadelventils 100 am größten. Da der Druckausgleichskanal 104 durch die Mitte des Nadelventils 100 verläuft, wird ein verhältnismäßig hoher Druck in die Gegendruckkammer 144 übertragen, während auf die ringförmige Stirnfläche des Nadelventils 100 nur ein verhältnismäßig geringer Druck ausgeübt wird. Dies hat zur Folge, daß beim Abheben des Nadelventils 100 von dem Ventilsitz 88 der Kraftstoffdruck, der die Öffnungsbewegung des Nadelventils 100 unterstützt, kleiner wird als der Kraftstoffdruck in der Gegendruckkammer 144, der in Schließrichtung auf das Nadelventil einwirkt. Diese Druckdifferenz wirkt der Kraft der Schraubenfeder 122 entgegen. Hierdurch wird die Geschwindigkeit und Funktionssicherheit des Steuerventils 80 beim öffnen des Nadelventils geringfügig beein-

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trächtigt. Dieser Nachteil ist jedoch von untergeordneter Bedeutung und gegenüber dem durch den grundsätzlichen Aufbau des Steuerventils gemäß Figur 2 erreichten Vorteil vernachlässigbar. Dennoch ist "es wünschenswert, das oben beschriebene Phänomen durch geeignete Gegenmaßnahmen zu.beseitigen. Dies kann in einfacher Weise dadurch geschehen, daß die Kraft der Schraubenfeder 122 erhöht wird. Dies hat jedoch den Nachteil, daß dann auch entgegen der ursprünglichen Zielrichtung der Erfindung die elektromagnetische Kraft zum Schließen des Nadelventils 100 entsprechend erhöht werden muß.

Bei dem in Figur 6 gezeigten abgewandelten Ausführungsbeispiel des Steuerventils 80 wird das oben beschriebene Phänomen mit Hilfe des Strömungseinsatzes 150 vermieden. Die als zylindrischer Einsatz ausgebildete Strömungsführung 150 ist an einem Ende mit einem Flansch 152 versehen, der zwischen dem Ventilhalter 82 und dem Gehäuse 12 der Einspritzeinheit festgelegt ist. über Bohrungen 154 in dem Flansch 152 wird eine Fluidverbindung zwischen dem Zufuhrka-. nal 26 und dem die Strömungsführung 150 aufnehmenden Kanal 94 hergestellt. Die Strömungsführung 150 ist koaxial zu der Axialbohrung 104 des Nadelventils 100 ausgebildet, und die Stirnfläche der Strömungsführung 150 endet in geringem Abstand zu der Spitze des Nadelventils 100, wenn sich dieses in der geschlossenen Stellung befindet. Der Durchmesser der Strömungsführung 150 stimmt annähernd mit dem Durchmesser des Druckausgleichskanals 104 überein. Damit ein ausreichender Kraftstoffdurchsatz durch den Kanal 9 4 gewährleistet ist, ist die ringförmige Querschnittsfläche des Kanals 94 wesentlich größer, vorzugsweise viermal so groß gewählt, wie die effektive Querschnittsfläche der Engstelle zwischen dem Ventilsitz 88 und der Spitze des Nadelventils 100 in der geöffneten Stellung. Mit Vorteil ist zusätzlich in den Endabschnitt der Druckausgleichsbohrung

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104 des Nadelventils 100 -mc- Buchse i~ö eingesetzt/ so daß gegenüber der Stirnfläche der Stromungsführung 150 eine Engstelle 160 mit kit Lier Querschnittsflächs qebildet wird. Der Durchmesser der lür.gs-tville 160 ist kleiner als der der Strömungsführung τ SO." In übrigen stimir.t der Aufbau des Steuerventils rfO gortäß Figur 6 mir dem Aufbau des Steuerventils gemäß Figur 2 überein.

Figur 7 veranschaulicht den Ein^IuU de-r-^trömungsführung 150 und der Engstelle 160 auf die Kraftstoff-Strömung beim Öffnen des Nadelventils 100. Durch die Pfeile ir. Figur 7 wird wiederum die Strömungsverteilung des Kraftstoffs angegeben. Bei dieser Strömung;;verteilung ergibt sich die in Figur 8 gezeigte Verteilung des auf die Stircfläche des Nadelventils 100 wirkenden Druckes. Bei der Ausführungsform gemäß Figur £ wirkt somit ein verhältnismäßig hoher Druck auf die ringförmige Stirnfläche des Nadelventils, während in dem Druckausgleichskanal 104 nur ein verhältnismäßig geringer Staudruck auftritt.

in diesem Fall ist somit der in Öffnungsrichtung auf das Nadelventil 100 einwirkende Fluiddruck größer als der in Schließrichtung wirkende Fluiddruck in der Gegendruckkammer 144. Somit wird in diesem Fall die Öffnungsbewegung des Nadelventils 100 durch das Ungleichgewicht zwisehen den in entgegengesetzter Richtung auf das Nadelventil einwirkenden Fluiddrücken nicht behindert, sondern unterstützt. Das Nadelventil 100 wird daher durch die Wirkung der Schraubenfeder 122, unterstützt durch die Wirkung des Fluiddruckes, sehr schnell in die vollständig 0 geöffnete Stellung verschoben. Die abgewandelte Ausführungsform des Steuerventils 80 gemäß Figur 6 hat daher den Vorteil, daß die Funktionssicherheit und Öffnungsgeschwindigkeit des Ventils erhöht wird, ohne daß die Kraft der Feder 122 und die elektromagnetische Kraft erhöht werden müssen. Hierdurch wird das Schließverhalten der Einspritzeinheit bei Einspritzende weiter verbessert.

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Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister OHt Jo4U

' ■ ?ÄXae f, ^MÜiIer Artur-Ladebeck-Strasse ai

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

5031-84
St/sc/m.

NISSAN MOTOR COMPANY, LTD. No. 2, Takara-cho, Känagawa-ku, Yokohama City, Japan

KRAFTSTOFF-EINSPRITZEINHEIT MIT ELEKTROMAGNETISCHEM STEUERVENTIL

PRIORITÄTEN: 04. Juli 1983, Japan, Nr. 58-121442 (P) 22. Juli 1983, Japan, Nr. 58-134186 (P)

PATENTANSPRÜCHE

Kraftstoff-Einspritzeinheit für Brennkraftmaschinen, mit einer Einspritz-Pumpe in der Form eines Zylinders mit einem synchron mit der Drehung der Brennkraftmaschine hin und her bewegten, eine Druckkammer in dem Zylinder begrenzenden Kolben, sowie mit einer Einspritzdüse, deren Einspritzöffnungen durch ein in einer mit der Druckkammer der Pumpe verbundenen Ventilkammer angeordnetes Ventil verschließbar ist, das öffnet, wenn der Druck in der Ventilkammer einen vorgegebenen

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TER MEER -MÜLLER · STEINMEhSTF-R * .. ;: ;" . ""- ; .Nissan

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Wert übersteigt, und mit einem elektromagnetischen Einspritz -S tellerventil, dessen Ventilglied elastisch in die Öffnungsstellung vorgespannt ist und das einen mit der Druckkammer der Pumpe verbundenen Kanal normalerweise geöffnet hält und den Kanal während 'eines elektrischen Stromimpulses verschließt, dadurch gekennzeichn e t,.. daß das Steuerventil (80) eine durch einen Zylinder (140) und einen zylindrischen axialen Vorsprung (102) des ... Ventilgliedes (100) des Steuerventils (80) gebildete Gegendruckkammer (144) aufweist, die über einen Druckausgleichskanal (104) mit der dem Ventilsitz (88) zugewandten, durch den Druck in der Druckkammer (24) beaufschlagten Seite des Ventilgliedes (100) verbunden ist.
2. Einspritzeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleichskanal (104) eine in dem Ventilglied (100) ausgebildete Axialbohrung ist.
3. Einspritzeinheit nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Ventilglied (100) an seinem dem Ventilsitz (88) zugewandten Ende eine ringförmige Stirnfläche aufweist, die die im wesentlichen kreisförmige öffnung des Druckausgleichskanals (104) umgibt, daß der von der Druckkammer (24) zu dem Steuerventil (80) führende Kanal (26,94) in einer der ringförmigen Stirnfläche des Ventilglieds (100) gegenüberliegenden Position in eine Ventilkammer (86) mündet und daß in diesem Kanal (26,94) eine Strömungsführung (150) in der Form eines im wesentlichen zylindrischen, koaxial zu dem Ventilglied

(100) ausgerichteten Bauteils angeordnet ist, das mit seiner der Ventilkammer (86) zugewandten Stirnfläche der öffnung des Druckausgleichskanals (104) in geringem Abstand gegenüberliegt und dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der öffnung des Druckausgleichskanals.

TER MEER -MÜLLER · STEINMEt3TER

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4. Einspritzeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die der Strömungsführung (150) gegenüberliegende öffnung des Druckausgleichskanals (104) eine zylindrische Buchse (160) eingepaßt ist/ die die 5 Mündung des Druckausgleichskanals (104) verengt.