DE3814553A1 - Kraftstoff-einspritzventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Moderne Dieselmotoren arbeiten mit hohem Einspritzdruck, um den Forderungen nach geringem Kraftstoffverbrauch und niedriger Schadstoffemission zu genügen.

Der Einspritzdruck wird üblicherweise vom Querschnitt der Düsenbohrung und der Fördergeschwindigkeit der Einspritz­ pumpe bestimmt. Da die Fördergeschwindigkeit der Einspritzpumpe motordrehzahlabhängig ist, sinkt der Einspritzdruck mit der Motordrehzahl. Um den Einspritz­ druck auch bei niedrigen Motordrehzahlen aufrecht­ zuerhalten, muß der Querschnitt der Düsenbohrungen mit sinkender Motordrehzahl entsprechend verringert werden.

Diese Forderung läßt sich durch ein Kraftstoffeinspritz­ ventil mit kontinuierlich variablem Ventilnadelhub reali­ sieren. Bei Zapfendüsen wird der Düsenbohrungsquerschnitt durch die Geometrie des Zapfens, der in die Düsenbohrung eintaucht, variiert, bei Lochdüsen erreicht man eine ähn­ liche Wirkung durch Anordnung der Düsenbohrungen im Ventilnadelsitz. Dadurch wird eine nadelhubabhängige Beeinflussung des Durchflußbeiwertes und damit des effektiven Querschnitts der Düsenbohrungen erreicht.

Übliche Kraftstoffeinspritzventile öffnen durch den Ein­ spritzdruck, der auf die Druckschulter der Einspritz­ ventilnadel wirkt und diese gegen die Kraft der Ventil­ feder anhebt. Im Augenblick des Anhebens der Einspritz­ ventilnadel gelangt der Einspritzdruck auch unter deren Spitze, wodurch die Einspritzventilnadel sofort bis zu ihrem Anschlag bewegt wird.

Dadurch ist eine kontinuierliche Nadelhubsteuerung un­ möglich gemacht. Diese setzt einen vollen Ausgleich der beim Öffnen des Einspritzventils auf die Einspritz­ ventilnadelspitze wirkenden Zusatzkraft durch eine auf das federseitige Ende der Einspritzventilnadel wirkende Gegen­ kraft voraus.

Aus der DE-OS-29 00 783 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem das federseitige Ende der Ventilnadel von der Kraft eines Druckkolbens beaufschlagt wird, auf den der Einspritzdruck wirkt. Da der Einspritzdruck aber schon vor öffnen des Kraftstoffeinspritzventils auf die Ein­ spritzventilnadel wirkt, kann diese Vorrichtung nicht zum Ausgleich der erst beim Abheben der Einspritzventilnadel von ihrem Sitz auftretenden Kraft dienen sondern nur als einspritzdruckabhängige Verstärkung der Ventilfederkraft. Zudem wird der Kraftstoff durch eine Bohrung im Druck­ kolben auf dessen Wirkseite geleitet, was fertigungs­ technische Nachteile mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den zur kontinuierlichen Steuerung des Ventilnadelhubes er­ forderlichen Ausgleich der beim Öffnen des Kraftstoff­ einspritzventils auf die Einspritzventilnadelspitze wirkenden Zusatzkraft zu schaffen und zwar möglichst un­ mittelbar nach Abheben der Einspritzventilnadel. Dabei sollen Längsbohrungen in Druckkolben und Einspritzventil­ nadel möglichst vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbildung des Steuerventils wird erreicht, daß der Einspritzdruck nicht vor, sondern erst unmittelbar nach dem Abheben der Einspritzventilnadel von ihrem Sitz den Druckkolben beauf­ schlagt und dadurch ein Öffnen des Kraftstoffeinspritz­ ventils und den geforderten Ausgleich der Zusatzkraft auf die Spitze der Einspritzventilnadel exakt im Moment ihrer Entstehung verwirklicht.

Da der Kraftstoff dem Druckraum oberhalb des Druckkolbens über das Steuerventil zugeführt wird, entfällt die Not­ wendigkeit einer Längsbohrung durch Druckkolben oder Ein­ spritzventilnadel.

Durch die Anordnung nach Anspruch 2 wird eine Übersetzung zwischen der Bewegung des Druckkolbens und der Steuer­ ventilnadel erreicht. Das hat ein besonders rasches An­ sprechen der Steuerventilnadel auf die Bewegung des Druck­ kolbens zur Folge, wodurch ein frühestmögliches Beauf­ schlagen des Druckkolbens mit dem Einspritzdruck erreicht wird.

Die Ausbildung nach Anspruch 3 bewirkt ein minimales Flüssigkeitsvolumen zwischen Druckkolben und Steuer­ ventilnadelsitz, bestimmt durch den Hub der Einspritz­ ventilnadel und den Durchmesser des Druckkolbens, was eine besonders starre Kopplung der Bewegung des Druckkolbens und der Steuerventilnadel zur Folge hat.

Mit der Anordnung nach Anspruch 4 ist die Kraft auf die Druckschulter und damit auch die entgegengerichtete Kraft der Feder selbst bei hohen Öffnungsdrücken des Einspritz­ ventils relativ gering. Da zugleich der Durchmesser des Nadelsitzes durch die schmale Druckschulter besonders groß wird, ist dessen Beanspruchung auch von dieser Seite her gering. Deshalb ist die Anwendung hoher Öffnungsdrücke und auch eine Anordnung der Austrittsöffnungen im Nadelsitz, wie sie in Anspruch 5 beschrieben ist, ohne Risiko für die Haltbarkeit des Ventilnadelsitzes möglich.

Mit der in Anspruch 5 beschriebenen Anordnung wird mit einem bei direkt einspritzenden Dieselmotoren üblichen Ventileinsatz, der mehrere sternförmig angeordnete Düsen­ bohrungen besitzt, eine Steuerung des Ausström­ querschnittes verwirklicht.

Zugleich wird die Struktur des Einspritzstrahles abhängig vom Hub der Einspritzventilnadel variiert: Bei kleinen Hüben der Einspritzventilnadel, die bei kleinen Einspritz­ mengen auftreten, wird der Einspritzstrahl durch die starke Querkomponente des in die Düsenbohrung ein­ strömenden Kraftstoffes breit gefächert, so daß der Kraft­ stoff überwiegend in den heißen Kern des Brennraumes ge­ langt, wo er auch bei niedriger Motorlast vollständig verbrennt. Bei größeren Huben der Einspritzventilnadel tritt der Kraftstoff kompakt aus der Düsenbohrung, gelangt bis zur Brennraumwand und erreicht so den größten Teil der Luftladung im Brennraum.

Die Ausbildung nach Anspruch 6 bietet die Möglichkeit, einen im Brennraum befindlichen Hotspot dosiert mit Kraft­ stoff zu versorgen und damit die Verbrennung, insbesondere bei schwer entflammbaren Kraftstoffen, einzuleiten.

Durch die Anordnung nach Anspruch 7 wird erreicht, daß die Steuerventilnadel auch bei hohen Motordrehzahlen rasch öffnet und dadurch die erwünschte Gegenkraft mit geringst­ möglicher Verzögerung steuert.

Durch die Ausbildung nach Anspruch 8 wird eine besonders einfache Ausführung des Rückschlagventils erreicht.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Anspruch 9 stellt sicher, daß der Druck im Druckspeicher genügend lange aufrechterhalten bleibt, um ein Nachöffnen des Einspritz­ ventils durch rücklaufende Druckwellen in der Einspritz­ leitung sicher zu verhindern. Auf der anderen Seite wird aber gewährleistet, daß der Druck im Druckspeicher bis zur folgenden Einspritzung so weit abgesunken ist, daß ein Wiederöffnen des Einspritzventils möglich ist.

Anspruch 10 beschreibt eine vorteilhafte Ausbildung der Drossel mit der gewünschten Drosselcharakteristik.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der Aus­ führungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Längsschnitt durch das Kraftstoff­ einspritzventil,

Fig. 2 Eine vergrößerte Darstellung des Steuer­ ventils und des Rückschlagventils.

Das Kraftstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Ein­ spritzventilhalter 2, einem Zwischenstück 10 und einem Einspritzventileinsatz 3, die durch eine Überwurfmutter 5 zusammengeschraubt werden.

Im Einspritzventilhalter 2 ist ein Leckölraum 34 vor­ gesehen, in dem sich eine Druckfeder 12 befindet. Diese wirkt über einen Druckpilz 11 auf eine Einspritz­ ventilnadel 4.

Die Einspritzventilnadel 4 wird in der Bohrung 36 des Einspritzventilhalters 2 dichtend geführt. Sie besitzt eine Druckschulter 6 und eine konische Spitze, die auf dem dazu passenden Ventilnadelsitz 7 dichtend aufsitzt.

Im Einspritzventilhalter 2 befindet sich ein Druckkolben 14, der einen Druckraum 15 begrenzt, und der über eine Druckstelze 13 und einen Druckpilz 11 spielfrei auf die Einspritzventilnadel 4 wirkt.

Der Druckraum 15 ist durch ein Steuerventil 33 ab­ geschlossen. Dieses besteht aus der Steuerventilnadel 25, die von der Druckfeder 22 auf den Steuerventilsitz 16 in der Steuerventilbüchse 28 gepresst wird. Der Hub der Steuerventilnadel 25 wird durch den Anschlag 20 begrenzt.

Die Steuerventilnadel 25 ist im Einspritzventilhalter 2 mit definiertem Spalt geführt.

Zum Steuerventil 33 führt eine Verbindungsleitung 17, die durch eine Rückschlagventilkugel 18 abgeschlossen wird. Die Rückschlagventilkugel 18 öffnet in Richtung Steuer­ ventil 33. Ihr Hub wird durch die Steuerventilnadel 25 begrenzt.

Eine Bohrung 27 verbindet das Steuerventil mit einem Druckspeicher 24.

Die Leckräume 34 und 35 sind durch eine nicht dargestellte Bohrung verbunden und werden durch die Leckölbohrung 21 entlastet.

Am Düsenventilhalter 2 ist ein Druckanschluß 38, ein Stab­ filter 23 und eine Druckleitung 9 vorgesehen, von der die Verbindungsleitung 17 abzweigt.

Im Zwischenstück 10 ist die Druckleitung 9 fortgesetzt, die im Einspritzventileinsatz 3 zum Druckraum 31 führt. Das Einspritznadelende 39 ist von einem Ringspalt 32 um­ geben.

Die Düsenbohrungen 8 sind im Ventilnadelsitz 7 vorgesehen.

Das Kraftstoffeinspritzventil 1 funktioniert folgender­ maßen: Der Kraftstoff wird von einer nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzpumpe über ebenfalls nicht dargestellte Einspritzleitungen zum Druckanschluß 38 geführt. Von dort gelangt der Kraftstoff über das Stabfilter 23, die Druck­ leitung 9 zum Druckraum 31 unter die Druckschulter 6 und weiter über den Ringspalt 32 vor den Einspritzventil­ nadelsitz 7.

Zugleich gelangt der Einspritzdruck über die Verbindungs­ leitung 17 und das zur Steuerventilnadel 25 hin öffnende Rückschlagventil 18 und die Bohrung 27 zum Druckspeicher 24 und pumpt diesen auf Einspritzdruck auf.

Bevor der Kraftstoffdruck den Öffnungsdruck des Kraft­ stoffeinspritzventils erreicht hat, sitzt die Einspritz­ ventilnadel 4 von der Ventilfeder 12 belastet auf dem Einspritzventil-Nadelsitz 7 und die Steuerventilnadel 25 von der Ventilfeder 22 belastet auf dem Steuerventilsitz 16.

Sobald der auf die Druckschulter 6 wirkende Einspritzdruck die Kraft der Ventilfeder 12 überwindet, wird die Ein­ spritzventilnadel 4 angehoben und der Einspritzdruck ge­ langt unter die Einspritzventilnadelspitze. Er versucht diese aufgrund des großen Ventilnadelsitzdurchmessers mit großer Kraft gegen den Einspritzventilnadelanschlag 29 zu drücken.

Beim Anheben der Einspritzventilnadel 4 wird der Druck­ kolben 14 über den Druckpilz 11 und die Druckstelze 13 spielfrei angehoben und der im Druckraum 15 befindliche Kraftstoff in den Druckspeicher 24 verdrängt. Das Volumen des Druckspeichers 24 ist so ausgelegt, daß dabei der Kraftstoffdruck im Druckspeicher 24 in etwa auf den dann herrschenden Einspritzdruck in der Druckleitung 9 ansteigt.

Aufgrund des Flächenverhältnisses von Druckkolben 14 zu Steuerventilnadel 25 wird schon bei der kleinsten Bewegung des Druckkolbens 14 die Steuerventilnadel 25 angehoben. Dadurch gelangt der Einspritzdruck rasch unter die Steuer­ ventilnadel 25, öffnet diese bis zum Anschlag 20 und beaufschlagt den Druckkolben 14.

Da dieser nun unter dem gleichen Druck wie die Einspritz­ düsennadelspitze steht und die beiden in Frage kommenden Flächen in etwa gleich sind, heben sich die entgegen­ gesetzt wirkenden Kräfte auf.

Jetzt stehen die Kraft auf die Druckschulter 6 und die Kraft der Ventilfeder 12 im Gleichgewicht und bestimmen den Hub der Einspritzventilnadel 4. Steigt der Einspritz­ druck durch Vergrößerung der Fördergeschwindigkeit der Einspritzpumpe über den Öffnungsdruck an, so vergrößert sich der Hub der Einspritzventilnadel 4 und verringert den Ausströmwiderstand der Düsenbohrungen 8. Die pro Zeit­ einheit vergrößerte Kraftstoffmenge wird nun aufgrund des vergrößerten effektiven Düsenbohrungsquerschnittes und des erhöhten Einspritzdrucks in entsprechend verkürzter Zeit in den Brennraum eingespritzt.

Nach Beendigung der Kraftstoff-Förderung bricht der Ein­ spritzdruck in der Druckleitung 9 zusammen. Dadurch fällt auch der Druck unter der Einspritzdüsennadelspitze und in der Verbindungsleitung 17 schlagartig ab.

Durch den im Druckspeicher 24 noch wirksamen Druck wird das Rückschlagventil 18 auf seinen Sitz gedrückt und ver­ hindert das Ausströmen des Kraftstoffes aus dem Speicher 24 in die Druckleitung 9.

Der Restdruck im Speicher 24, der in etwa dem Öffnungs­ druck des Einspritzventils entspricht, wirkt auf den Druckkolben 14 und verstärkt so die Kraft der Ventilfeder 12. Dadurch wird die Einspritzventilnadel 4 rasch ge­ schlossen und, solange der Überdruck im Druckspeicher 24 noch wirkt, hydraulisch verstärkt auf den Einspritzventil­ nadelsitz 7 gepreßt.

Aufgrund der gezielten Leckage der Führungen von Druck­ kolben 14 und Steuerventilnadel 25 sinkt der Druck in dem Druckspeicher 24 ab, bis die Feder 22 des Steuerventils 33 dieses wieder schließt. Durch die Verdrängerwirkung der Steuerventilnadel 25 ist sichergestellt, daß der Druckraum 15 mit Kraftstoff gefüllt ist und der Druckverband, be­ stehend aus Druckkolben 14, Druckstelze 13, Druckpilz 11 und Einspritzventilnadel 4, spielfrei bleibt.

Nun wirkt auf den Druckkolben 14 in etwa der Ruhedruck der Druckleitung 9, so daß bei der nächsten Einspritzdruck­ steigerung ein Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils 1 sichergestellt ist und ein neuer Einspritzzyklus beginnen kann.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß durch den schnellen Druckausgleich der auf Einspritz­ ventilnadelspitze und Druckkolben 14 wirkenden Kräfte eine kontinuierliche Nadelhubsteuerung und damit eine kontinuierliche Steuerung des effektiven Querschnittes der Düsenbohrungen 8 möglich ist. Diese Verhältnisse gestatten die Wahl eines hinreichend großen Querschnittes der Düsen­ bohrungen 8 für eine spät beginndende und kurz dauernde Einspritzung im Voll-Leistungspunkt des Motors, ohne eine schlechte Zerstäubung und Verbrennung des Kraftstoffs bei Teillast und im niedrigen Leerlauf befürchten zu müssen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß bei dem erfindungsge­ mäßen Kraftstoffeinspritzventil handelübliche Einspritz­ ventileinsätze mit Einspritzventilnadeln ohne Längsbohrung verwendet werden und die Zusatzfunktionen durch Nacharbeit an serienmäßigen Einspritzdüsenhaltern realisierbar sind.

Claims (10)

1. Kraftstoff-Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, dem von einer motorsynchron angetriebenen Einspritzpumpe Kraftstoff zugeführt wird, mit einer Einspritzventil­ nadel (4), die in einem Einspritzventileinsatz (3) in einer Bohrung (36) axial geführt ist und auf einem Einspritzventilnadelsitz (7) dichtend aufliegt, wobei die Einspritzventilnadel (4) eine Druckschulter (6) besitzt und entgegen der Strömungsrichtung des Kraftstoffes gegen die Kraft einer im Leckölraum (34) befindlichen Feder (12) vom Einspritzventilnadelsitz (7) abhebbar ist, und die mit einem im Einspritzventilhalter (2) geführten Druck­ kolben (14) spielfrei verbunden ist, dessen Durchmesser in etwa dem des Einspritzventilnadelsitzes (7) entspricht, und der einen Druckspeicher (24) begrenzt, der über ein Rückschlagventil (18) mit einer Druckleitung (9) verbind­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckraum (15), der vom Druckkolben (14) begrenzt ist, durch ein Steuerventil (33) von dem Druckspeicher (24) getrennt ist, wobei das Steuer­ ventil (33) eine Steuerventilnadel (25) besitzt, deren Durchmesser dem des Steuerventilnadelsitzes (16) ent­ spricht und die den gleichen Bewegungsablauf wie die Ein­ spritzventilnadel (4) aufweist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Steuer­ ventilnadel (25) kleiner als der des Druckkolbens (14) ist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzventilnadel (4) und der Druckkolben (14) einen gemeinsamen Anschlag (29) besitzen.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Druck­ schulter (6) klein ist gegenüber der Querschnittsfläche der Bohrung (36).

5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenbohrungen (8) vom Nadelsitz (7) ausgehen.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Ventileinsatz (3) zusammen mit der Einspritzventilnadel (4) als Drosselzapfendüse ausgebildet ist.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventilnadel (25) von einer Feder (22), die sich in einem Leckölraum (35) be­ findet, belastet wird, und daß der Hub der Steuerventil­ nadel (25) durch einen Anschlag (20) begrenzt ist.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (18) als Kugelventil ausgebildet ist, wobei der Hub der Kugel durch die Steuerventilnadel (25) begrenzt ist.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher (24) über starke Drosseln in die Leckölräume (34) und (35) entleer­ bar ist.

10. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen von Steuer­ ventilnadel (25) und Druckkolben (14) als hydraulische Drosseln ausgebildet sind.