EP1013919A2 - Kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

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EP1013919A2
EP1013919A2 EP99124112A EP99124112A EP1013919A2 EP 1013919 A2 EP1013919 A2 EP 1013919A2 EP 99124112 A EP99124112 A EP 99124112A EP 99124112 A EP99124112 A EP 99124112A EP 1013919 A2 EP1013919 A2 EP 1013919A2
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valve
diffuser
fuel
pressure
fuel injection
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Walter Egler
Peter Boehland
Lorenz Betz
Ralf Hentschel
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/28—Details of throttles in fuel-injection apparatus

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve according to the preamble of the patent claim from, as is known from EP-0 690 223 A2.
  • the present invention is therefore based on the problem of a fuel injection valve for high pressure injection of fuel from a central high pressure line to create in combustion chambers, in which the opening and closing process of the Switch valve and the fuel flow through the switch valve as accurately as possible becomes controllable.
  • the fuel valve according to the invention with the features of claim 1 has the Advantage that the hydraulic flow through the switching valve even at low Rail pressure and small valve lift can be precisely specified. To do this, the flow is ahead the switching valve with a specially designed throttle geometry expanded. After the contraction through the throttle inlet, the fuel flow spreads in the throttle geometry according to the invention in the direction of the throttle wall that the hydraulic flow through the optimal pressure difference at the valve is increased and the opening movement of the valve ball is supported away from the valve seat.
  • the flow resistance is reduced, so that even with a small switching valve stroke and a small rail pressure it becomes high Flow comes.
  • the high flow rate leads to a higher flow in the throttle Flow velocity.
  • the diameter of the diffuser is at Transition to the cone seat only slightly more than the seat diameter. Thereby the largest possible hydraulic cross section of the valve when lifting the Valve ball reached.
  • the fuel injection valve has a housing 2 on that with a connection 3 for supplying brought to injection pressure Fuel from a high-pressure fuel reservoir not shown is connected.
  • An injection valve needle 5 is arranged in the housing 2 of the fuel injection valve, which has a guide section 6, which is located within the pressure chamber 7 lying shoulder in a smaller diameter part 9 of the injector needle transforms. At the end of this part 9, which is smaller in diameter, it has one conical sealing surface 10, which cooperates with a valve seat 11 and thereby Injection openings 12 opens or closes depending on the position of the injection valve needle.
  • the pressure chamber 7 is permanently connected to the connection 3 via a pressure line 4, so that the pressure chamber 7 is constantly under high injection pressure.
  • the needle 5 will controlled via the pressure piece 21 and the control piston 13.
  • the control piston is immersed in a cylinder 14 in which it includes a control pressure chamber 15 at the end. This is in constant connection with connection 3 via a throttle bore 16.
  • a throttle bore 17 leads from the control pressure chamber 15, the outlet thereof opens into a relief chamber 18 via an electric valve 19.
  • the flow through the throttle bore 17 is controlled via the electric valve 19.
  • the relief room is connected to a return via an outlet connection 20 on the housing 2.
  • the fuel injection valve described above is supplied with high pressure from the high-pressure fuel reservoir via connection 3. This strives to raise the fuel injection valve needle 5 in action on the shoulder 9, so that fuel can flow from the pressure chamber 7 along the smaller diameter part 9 of the injection valve needle to the injection openings 12 and exit there.
  • This opening is counteracted by the spring 18, which alone is not sufficient, however, to hold the injection valve needle 5 in the firing position when the fuel pressure is high in the pressure chamber 7, but does so in the absence of high fuel pressure.
  • the task of closing continues to be carried out by the pressure in the control pressure chamber 15, which is the same as the pressure in the pressure chamber 7 when the electrically operated valve 19 is closed. Because of the larger end face of the control piston 14, the closing force predominates and the valve remains closed.
  • the electrically operated valve 19 is opened so that the pressure chamber 15 is decoupled from the throttle bore 16 and thus the opening force on the shoulder 8 predominates.
  • the electrically operated valve 10 is closed again.
  • 2 shows the two embodiments of the invention in section.
  • the upper part shows an embodiment with a throttle bore 31 which widens conically in the flow direction up to the conical seat of the ball valve 50.
  • the cone angles ⁇ are designed for maximum pressure recovery in the flow.
  • the lower part shows an embodiment in which the throttle bore 17, which widens conically in the flow direction with the angle ⁇ , and two diffusors 30 and 40 connected in series, also produce maximum pressure recovery.
  • the fuel flows from the pressure chamber 15 into the throttle bore 17 or 31 and gaining speed.
  • the static pressure in the flow is present in the area of the diffuser 30 the wall (see schematic representation of the fuel flow by arrows in Fig. 1), expands and is braked at the same time.
  • the second diffuser 40 amplifies this process, causing the static pressure within the flow in Flow direction increases.
  • This increased static pressure supports opening of the switching valve, the movement of the valve ball 50 in the direction of flow and accelerates hence the increase in fuel flow through the switching valve.
  • the increased fuel flow increases the tendency to cavitation at the beginning of the throttle.
  • the diameter of the second Diffuser 40 is only slightly smaller than the diameter of the valve seat line 52. This causes the valve ball 50 to move in the direction of flow (cf. double arrow in Fig. 1) released a maximum flow cross-section.
  • the throttle bore 15 is slightly tapered in the direction of flow and preferably has a cone angle ⁇ of up to 5 °
  • the throttle bore 17 are the two Diffusers 30, 40 or 31 and the valve seat 51 are collinearly aligned and form a total a funnel, the wider opening of which is closed by the valve ball 50 or is opened.

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für eine Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff aus einer zentralen Hochdruckleitung in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine, das ein Schaltventil mit einem Ventilsitz (51) und einer Ventilkugel (50) umfasst, wobei die Ventilkugel (50) in geöffnetem Zustand mittels eines Hochdruckstrahls, der von einem mit einer zentralen Hochdruckleitung in Wirkverbindung stehenden Druckraum (20) aus einer Drosselbohrung (15) gespeist ist, vom Ventilsitz (51) abgehoben ist. Der Übergang von der Drosselbohrung (15) zum Ventilsitz (51) ist als Diffusor ausgebildet. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil gemäß der Gattung des Patentanspruchs aus, wie es durch die EP-0 690 223 A2 bekannt ist.
Bei sogenannten Common Rail Systemen werden die Einspritzdüsen für die verschiedenen Zylinder des Motors aus einer zentralen Hochdruckleitung mit Kraftstoff versorgt. Damit möglichst niedrige Abgaswerte, niedriger Kraftstoffverbrauch und ein ruhiger Motorlauf gewährleistet sind, müssen alle Einspritzventile den Kraftstoff exakt gleich in den Motor einspritzen. Dies kann nur gewährleistet werden, wenn alle Einspritzventile zum exakt gleichen Zeitpunkt bei einem Betriebspunkt das gleiche Öffnungsverhalten besitzen.
Zur genauen Steuerung des Einspritzvorganges mit Common Rail Systemen sind daher im Stand der Technik elektromagnetische oder piezogesteuerte Ventile bekannt, die sich vor dem eigentlichen Emspritzventil befinden. Bei einem solchen Kraftstoffeinspritzventil wird die Düsennadel über einen Steuerkolben bewegt. Der Steuerkolben wird über den Druck im Steuerraum bewegt. Die Präzision des Einspritzvorganges wird von der Bewegung des Steuerkolbens bestimmt, die vom Druck im Steuerraum und damit vom Durchfluß durch Drosseln und ein Schaltventil abhängt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzventil für eine Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff aus einer zentralen Hochdruckleitung in Brennräume zu schaffen, bei welchem der Öffnungs- und Schließvorgang des Schaltventils und der durchgeflossene Kraftstoff durch das Schaltventil möglichst genau kontrollierbar wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß der hydraulische Durchfluß durch das Schaltventil auch bei niedrigem Raildruck und kleinem Ventilhub genau vorgebbar ist. Dazu wird die Strömung vor dem Schaltventil mit einer speziell gestalteten Drosselgeometrie gezielt eingeschnürt und erweitert. Nach der Kontraktion durch den Drosseleinlauf breitet sich die Kraftstoffströmung bei der erfindungsgemäßen Drosselgeometrie so in Richtung der Drosselwand aus, daß durch optimale Druckdifferenz am Ventil der hydraulische Durchfluß erhöht und die Öffnungsbewegung der Ventilkugel vom Ventilsitz weg unterstützt wird.
Durch die vorteilhafte Ausführung der Drossel wird der Strömungswiderstand herabgesetzt, so daß es schon bei kleinem Schaltventilhub und kleinem Raildruck zu einem hohen Durchfluß kommt. Der hohe Durchfluß führt im Einlauf in die Drossel zu hoher Strömungsgeschwindigkeit.
Deshalb fällt dort der statische Druck bis auf den Dampfdruck des Kraftstoffes ab, und es kommt zu Dampfbildung, d.h. Kavitation. Durch diesen Effekt, der mit der erfindungsgemäßen Drosselgeometrie bei möglichst kleinen Raildrücken und Schaltventilhüben eintritt, ist der hydraulische Durchfluß nur noch vom Druck vor der Drossel und der Einlaufgeometrie bestimmt (bei konstanter Kraftstofftemperatur und konstantem Kraftstofftyp) und ist unabhängig vom Ventilhub. Aufgrund des definierten hydraulischen Durchflusses wird der über die entsprechenden Schaltventile elektronisch gesteuerte Einspritzbeginn mehrerer Einspritzdüsen, die von einer gemeinsamen Hochdruckleitung versorgt werden, zuverlässig synchronisiert.
In den abhängigen Ansprüchen aufgeführte Maßnahmen definieren vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Kraftstoffeinspritzventils.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des Diffusors beim Übergang in den Kegelsitz nur geringfügig Meiner als der Sitzdurchmesser. Dadurch wird ein möglichst großer hydraulischer Querschnitt des Ventils beim Abheben der Ventilkugel erreicht.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1:
eine Schnittansicht eines gesamten Common Rail Injektors; und
Fig. 2
die beiden Ausführungsformen der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In Fig. 1 ist ein Injektor dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 2 auf, das mit einem Anschluß 3 zur Zuführung von auf Einspritzdruck gebrachtem Kraftstoff aus einem nicht weiter gezeigten Kraftstoffhochdruckspeicher verbunden ist. In dem Gehäuse 2 des Kraftstoffeinspritzventils ist eine Einspritzventilnadel 5 angeordnet, die einen Führugnsabschnitt 6 aufweist, der über eine innerhalb des Druckraumes 7 liegende Schulter in einem im Durchmesser kleineren Teils 9 der Einspritzventilnadel übergeht. Am Ende dieses im Durchmesser kleineren Teils 9 weist dieser eine konisch Dichtfläche 10 auf, die mit einem Ventilsitz 11 zusammenwirkt und dabei die Einspritzöffnungen 12 je nach Stellung der Einspritzventilnadel öffnet oder schließt.
Der Druckraum 7 ist über eine Druckleitung 4 ständig mit dem Anschluß 3 verbunden, so daß der Druckraum 7 ständig unter hohem Einspritzdruck steht. Die Nadel 5 wird über das Druckstück 21 und den Steuerkolben 13 gesteuert. Der Steuerkolben taucht in einen Zylinder 14 ein, in dem er stirnseitig einen Steuerdruckraum 15 einschließt. Dieser steht über eine Drosselbohrung 16 in ständiger Verbindung mit dem Anschluß 3. Weiterhin führt vom Steuerdruckraum 15 eine Drosselbohrung 17 ab, deren Austritt über ein elektrisches Ventil 19 in einen Entlastungsraum 18 mündet. Der Durchfluß durch die Drosselbohrung 17 wird über das elektrische Ventil 19 gesteuert. Der Entlastungsraum ist über einen Ablaufstutzen 20 am Gehäuse 2 mit einem Rücklauf verbunden.
Im Betrieb wird das oben beschriebenen Kraftstoffeinspritzventil von dem Kraftstoffhochdruckspeicher über den Anschluß 3 mit Hochdruck versorgt. Dieser ist bestrebt, in Einwirkung auf die Schulter 9 die Kraftstoffeinspritzventilnadel 5 anzuheben, so daß aus dem Druckraum 7 entlang des im Durchmesser kleineren Teils 9 der Einspritzventilnadel Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen 12 fließen und dort austreten kann. Diesem Öffnen wirkt die Feder 18 entgegen, die allein jedoch nicht ausreicht, die Einspritzventilnadel 5 bei im Druckraum 7 anstehenden Kraftstoffhochdruck in Schießstellung zu halten, dies aber bei fehlendem Kraftstoffhochdruck tut. Die Aufgabe des Schließens übernimmt weiterhin der Druck im Steuerdruckraum 15, der bei geschlossenem elektrisch betätigten Ventil 19 gleich ist wie der Druck im Druckraum 7. Aufgrund der größeren Stirnfläche des Steuerkolbens 14 überwiegt die Schließkraft und das Ventil bleibt geschlossen. Zur Auslösung der Einspritzung wird das elektrisch betätigte Ventil 19 geöffnet, so daß der Druckraum 15 abgekoppelt durch die Drosselbohrung 16 entlastet wird und somit die Öffnungskraft auf die Schulter 8 überwiegt. Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird das elektrisch betätigte Ventil 10 wieder geschlossen.
In Fig. 2 sind die beiden Ausführungsformen der Erfindung im Schnitt gezeigt. Der obere Teil zeigt eine Ausführungsform mit einer sich in Strömungsrichtung konisch bis zum Kegelsitz des Kugelventils 50 erweiternden Drosselbohrung 31. Die Konuswinkel α werden auf maximalen Druckrückgewinn in der Strömung ausgelegt. Der untere Teil zeigt eine Ausführungsform bei ebenfalls durch die sich in Strömungsrichtung konisch mit dem Winkel α erweiternde Drosselbohrung 17 und zwei in Reihe geschaltene Diffüsoren 30 und 40 maximaler Druckrüickgewinn erzeugt wird.
Der Kraftstoff strömt beim Einspritzen aus dem Druckraum 15 in die Drosselbohrung 17 oder 31 und gewinnt dabei an Geschwindigkeit. Gleichzeitig verringert sich der statische Druck in der Strömung. Im Bereich des Diffüsors 30 liegt die Strömung an der Wandung an (vergl. schematische Darstellung der Kraftstoffströmung durch Pfeile in Fig. 1), weitet sich auf und wird gleichzeitig abgebremst. Der zweite Diffusor 40 verstärkt diesen Vorgang, wodurch der statische Druck innerhalb der Strömung in Strömungsrichtung ansteigt. Dieser erhöhte statische Druck unterstützt beim Öffnen des Schaltventils die Bewegung der Ventilkugel 50 in Strömungsrichtung und beschleunigt daher die Zunahme des Kraftstoffflusses durch das Schaltventil. Gleichzeitig verstärkt der erhöhte Kraftstoffluß die Kavitationsneigung am Anfang der Drossel.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des zweiten Diffusors 40 nur geringfügig kleiner als der Durchmesser der Ventilsitzlinie 52 ausgebildet. Dadurch wird bei einer Bewegung der Ventilkugel 50 in Strömungsrichtung (vergl. Doppelpfeil in Fig. 1) ein maximaler Durchflußquerschnitt freigegeben.
Zur weiteren Verstärkung der Druckrückgewinnung und der Kavitationsneigung ist bevorzugt ferner die Drosselbohrung 15 leicht konisch in Strömungsrichtung erweitert und weist vorzugsweise einen Konuswinkel α bis zu 5° auf
Wie aus der Figur 1 deutlich zu erkennen ist, sind die Drosselbohrung 17, die beiden Diffusoren 30, 40 oder 31 und der Ventilsitz 51 kollinear ausgerichtet und bilden insgesamt einen Trichter, dessen breitere Öffnung durch die Ventilkugel 50 verschlossen bzw. geöffnet wird.

Claims (5)

  1. Kraftstoffeinspritzventil für eine Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff aus einer zentralen Hochdruckleitung in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine, das ein Schaltventil (19) mit einem Ventilsitz (51) und einer Ventilkugel (50) umfaßt, wobei die Ventilkugel (50) in geöffnetem Zustand, der von einem mit einer zentralen Hochdruckleitung in Wirkverbindung stehenden Druckraum (15) aus einer Drosselbohrung (17 oder 31) gespeist ist, vom Ventilsitz (51) abgehoben ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Übergang vom Drosseleinlauf zum Ventilsitz (51) als Diffusor ausgebildet ist.
  2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor als konischer Diffusor (31), als Stufendiffusor (30, 40) oder als Kombination aus beiden ausgebildet ist, wobei der Diffusor so ausgebildet ist, daß sich die Kraftstoffströmung im wesentlichen an deren Wandung anlegt.
  3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser beim Übergang in den Sitzkegel vorzugsweise nur geringfügig kleiner als der Sitzdurchmesser (51) ist.
  4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor so ausgebildet ist, daß sich die Strömung an die Wand anlegt und ein möglichst großer Druckrückgewinn erreichbar ist.
  5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselbohrung, der gesamte Diffusor (40) und der Ventilsitz (51) einen Trichter ausbilden, gegenüber dessen Zentrumsöffnung die Ventilkugel bewegbar ist.
EP99124112A 1998-12-22 1999-12-02 Kraftstoffeinspritzventil Expired - Lifetime EP1013919B1 (de)

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