EP1045977A1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen - Google Patents

Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen

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EP1045977A1
EP1045977A1 EP99938137A EP99938137A EP1045977A1 EP 1045977 A1 EP1045977 A1 EP 1045977A1 EP 99938137 A EP99938137 A EP 99938137A EP 99938137 A EP99938137 A EP 99938137A EP 1045977 A1 EP1045977 A1 EP 1045977A1
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EP
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pressure
valve
valve member
fuel injection
chamber
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EP99938137A
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Roger Potschin
Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/08—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series the valves opening in direction of fuel flow
    • 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
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • 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
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • Such an injection valve can be seen, for example, from DE 43 25 904 C2 and from unpublished DE 197 16 226.6-13.
  • the fuel injection valve according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the guidance and sealing is improved compared to the fuel injection valves for internal combustion engines known from the prior art.
  • the arrangement of the one pressure shoulder at the end of the valve body remote from the combustion chamber in a compensation chamber fluidically connected to the pressure chamber, which is closed at the end by an axially displaceably guided pressure sleeve, has the particularly great advantage that the compensation chamber is always connected to the pressure chamber. This ensures that the pressure shoulder is always pressurized, on the other hand it is ensured that pressure differences between the pressure chamber and the compensation chamber, for example when the fuel injection valve is opened, are compensated for directly. In this way, there is always a return to the closed position of the fuel injection valve even if, for example, a force acting in the opening direction acts on the valve member due to a leak on the combustion chamber side due to a pressure difference between the pressure shoulders caused thereby.
  • valve member between the two pressure shoulders is advantageously needle-shaped and has a constant diameter.
  • This design of the valve member between the two pressure shoulders as a thin needle with a constant diameter means that a slight offset between the guides, which is caused on the one hand by the valve member head and on the other hand by the pressure sleeve are formed, be balanced in a simple and advantageous manner.
  • the pressure sleeve is preferably pressed onto the valve member in order to avoid leakages.
  • the compensation space can be designed in any way.
  • An embodiment which is advantageous in particular with regard to simple manufacture provides that the compensation space surrounds the pressure shoulder remote from the combustion chamber in a ring shape.
  • the high-pressure fuel supply to the fuel injection valve is preferably carried out from a high-pressure storage space common to all the fuel-injection valves, which in turn can be filled via a high-pressure fuel pump.
  • the actuator for actuating the valve member is advantageously an electromechanical actuator. It is designed in particular as a piezo actuator or electromagnet.
  • FIG. 1 shows a schematic section through the lower region of a fuel injection valve for internal combustion engines making use of the invention. seem and
  • FIG. 2 shows, schematically, an enlarged representation of the end of the valve body of the fuel injection valve for internal combustion engines shown in FIG. 1, remote from the combustion chamber.
  • An embodiment of a fuel injector for internal combustion engines has a valve body 10 which is axially clamped to a valve holding body 20 by means of a union nut 30.
  • the valve body 10 has an axial guide bore 40, in which a needle-shaped valve member 50 is axially displaceably guided, which has a valve head 52 acting as a valve closing member at its lower end, which projects into a combustion chamber (not shown) of the internal combustion engine to be supplied with fuel.
  • This valve head 52 protruding from the bore has a conical sealing surface 53 facing the valve body 10, which in the exemplary embodiment shown is formed by a seat ring placed on the valve head 52 and which cooperates with a corresponding valve seat surface 11 on the end face of the valve body 10 on the combustion chamber side.
  • a pressure chamber 12 is formed in the valve body 10, each axially from one on the Valve member 50 trained pressure shoulder 54 and 55 is limited.
  • An inlet bore 60 opens into this pressure chamber 12 in a volume of the pressure chamber 12 enlarged as the pressure chamber 13 in a manner known per se.
  • the pressure shoulder 55 arranged at the end of the pressure chamber 12 remote from the combustion chamber has the same pressure application surface as the pressure shoulder 54 formed on the valve member head 52 so that the valve member 50 is pressure balanced. This prevents the fuel injector from opening automatically due to the common rail pressure present.
  • the fuel injection valve has a further additional contact surface acted upon by the high fuel pressure, via which the high fuel pressure applied to the injection valve acts on the valve member 50 in the closing direction.
  • This additional pressure application surface is formed by a lower end surface 71 on the combustion chamber side of a pressure sleeve 70, which closes a compensation space 80, which surrounds the pressure shoulder 55 remote from the combustion chamber and is fluidly connected to the pressure chamber 12, on its side facing away from the combustion chamber.
  • the compensation chamber 80 thus forms the end of the pressure chamber 12 remote from the combustion chamber.
  • the sleeve 70 is guided axially displaceably in an annular body 90. It is pressed onto the upper shaft part 56 of the valve member 50 in order to avoid leakages.
  • the fuel injector is also reset to the closed position if, for example, the high stress on the fuel injector in the region of the valve member head 52 has caused a slight leak which leads to an undesired opening of the fuel injector.
  • valve part 57 adjoins the valve member shaft 56, which projects into a spring chamber 22 provided in the valve holding body 20.
  • an electromechanical actuator for example a piezo actuator or an electromagnet, causes an axial displacement of the valve member 50 and thus an opening of the injection opening (not shown) provided in the valve member head 52.
  • the area between the two pressure shoulders 54 and 55 of the valve member 50 is needle-shaped with a constant diameter.
  • the resulting elasticity of the valve member 50, in particular perpendicular to the valve member axis, advantageously enables the compensation of an offset between the guides of the valve member 50, which are formed by the pressure sleeve 70 and the valve member head 52, in the central region of the needle-shaped region.
  • the direct connection of the compensation chamber via the inlet 12a to the pressure chamber 12 causes pressure differences, for example when the fuel inlet is opened.
  • Spray valve between the pressure chamber 12 and the compensation chamber 80 compensated directly.

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung (40) eines Ventilkörpers (10) axial verschiebbaren Ventilglied (50), wobei die Einspritzöffnungen bei am Ventilsitz (11) anliegendem Ventilglied (50) von der Wand der Bohrung (40) verschlossen sind und durch eine nach außen gerichtete Öffnungshubbewegung des Ventilglieds (50) aufgesteuert werden und wobei zwei den Druckraum (12) axial begrenzende, einander zugewandte Druckschultern (54, 55) am nadelförmigen Ventilglied (50) vorgesehen sind, die im wesentlichen jeweils gleiche Druckangriffsflächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Druckschultern (55) in einem mit dem Druckraum (12) fluidisch verbundenen Ausgleichsraum (80) angeordnet ist, der stirnseitig durch eine axial verschieblich geführte Druckhülse (70) abgeschlossen ist.

Description

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
Beschreibung und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Ein solches Einspritzventil geht beispielsweise aus der DE 43 25 904 C2 sowie aus der nicht vorveröffentlichten DE 197 16 226.6-13 hervor.
Problematisch bei derartigen Kraftstoffeinspritzventilen ist die Führung und Abdichtung des Ventilglieds im Ventilkörper 1. So kommt es insbesondere bei nicht exakt ausgerichteten Bohrungen oder dann, wenn das Ventilglied geringfügige Knicks aufweist, zu Führungs- und Dichtheitsproblemen . Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Führung und Abdichtung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritz- ventilen für Brennkraftmaschinen verbessert ist. Die Anordnung der einen Druckschulter an dem brennraumfernen Ende des Ventilkörpers in einem mit dem Druckraum fluidisch verbundenen Ausgleichsraum, der stirnseitig durch eine axial verschieblich geführte Druckhülse abgeschlossen ist, hat den besonders großen Vorteil, daß der Ausgleichsraum immer mit dem Druckraum verbunden ist . Hierdurch ist sichergestellt, daß die Druckschulter zum einen immer mit einem Druck beaufschlagt wird, zum anderen ist sichergestellt, daß Druckunterschiede, zum Beispiel beim Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils , zwischen dem Druckraum und dem Ausgleichsraum direkt ausgeglichen werden. Auf diese Weise ist immer eine Rückstellung in die Schließposition des Kraftstoffeinspritzventils auch dann, wenn beispielsweise aufgrund eines brennraum- seitigen Lecks aufgrund einer hierdurch bewirkten Druckdifferenz zwischen den Druckschultern eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft an dem Ventilglied wirkt - gegeben.
Vorteilhafterweise ist das Ventilglied zwischen den beiden Druckschultern nadeiförmig ausgebildet und weist einen konstanten Durchmesser auf . Durch diese Ausbildung des Ventilglieds zwischen den beiden Druckschultern als dünne Nadel mit konstantem Durchmesser kann ein geringfügiger Versatz zwischen den Führungen, die einerseits durch den Ventilgliedkopf, andererseits durch die Druck- hülse gebildet werden, auf einfache und vorteilhafte Weise ausgeglichen werden.
Die Druckhülse ist zur Vermeidung von Leckagen vorzugsweise auf das Ventilglied aufgepreßt. Rein prinzipiell kann der Ausgleichsräum auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein. Eine insbesondere hinsichtlich einer einfachen Herstellung vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Ausgleichsraum die brennraumferne Druckschulter ringförmig umgibt .
Die Kraftstoffhochdruckzufuhr des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt vorzugsweise aus einem für alle Kraft- Stoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum, der seinerseits über eine Kraftstoffhochdruckpumpe be- füllbar ist.
Das Stellglied zur Betätigung des Ventilsglieds ist vorteilhafterweise ein elektromechanisches Stellglied. Es ist insbesondere als Piezoaktor oder Elektromagnet ausgebildet .
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch geschnitten den unteren Bereich eines von der Erfindung Gebrauch machenden Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftma- schinen und
Fig. 2 schematisch geschnitten in vergrößerter Darstellung das brennraumferne Ende des Ventil- körpers des in Fig. 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen.
Beschreibung der Ausfύhrungsbeispiele
Ein Ausführungsbeispiel eines Kraf stoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen, dessen unterer, brennraumseiti- ger Teil in Fig. 1 in Schnittdarstellung schematisch dargestellt ist, weist einen Ventilkörper 10 auf, der mittels einer Überwurfmutter 30 an einem Ventilhaltekörper 20 axial festgespannt ist.
Der Ventilkörper 10 weist eine axiale Führungsbohrung 40 auf, in der ein nadeiförmiges Ventilglied 50 axial verschieblich geführt ist, das an seinem in einen (nicht dargestellten) Brennraum der mit Kraftstoff zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden unteren Ende einen als Ventilschließglied wirkenden Ventilkopf 52 aufweist. Dieser aus der Bohrung ragende Ventilkopf 52 weist eine dem Ventilkörper 10 zugewandte konische Dichtfläche 53 auf, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen auf den Ventilkopf 52 aufgesetzten Sitzring gebildet ist und die mit einer entsprechenden Ventilsitzfläche 11 an der brennraumseitigen Stirnseite des Ventilkörpers 10 zusammenwirkt.
Zwischen der Wand der Bohrung 40 und einem Teil des Schafts des Ventilglieds 50 ist ein Druckraum 12 im Ventilkörper 10 gebildet, der axial jeweils von einer am Ventilglied 50 ausgebildeten Druckschulter 54 und 55 begrenzt ist .
In diesen Druckraum 12 mündet in einem als Druckkammer 13 vergrößerten Volumen des Druckraums 12 auf an sich bekannte Weise eine Zulaufbohrung 60.
Die am brennraumfernen Ende des Druckraums 12 angeordnete Druckschulter 55 weist die gleiche Druckangriffsfläche auf, wie die an dem Ventilgliedkopf 52 ausgebildete brennraumnahe Druckschulter 54, so daß das Ventilglied 50 druckausgeglichen ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß das Kraftstoffeinspritzventil aufgrund des anliegenden Common-Rail-Drucks selbsttätig öffnet.
Wie aus Fig. 1 und insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, weist das Kraftstoffeinspritzventil eine weitere zusätzliche vom Kraftstoffhochdruck beaufschlagte Angriffsfläche auf, über die der am Einspritzventil anstehende Kraftstoffhochdruck in Schließrichtung auf das Ventil - glied 50 wirkt. Diese zusätzliche Druckangriffsfläche wird durch eine untere brennraumseitige Stirnfläche 71 einer Druckhülse 70 gebildet, welche einen Ausgleichs- räum 80, der die brennraumferne Druckschulter 55 ringförmig umgibt und fluidisch mit dem Druckraum 12 verbunden ist, auf seiner dem Brennraum abgewandten Seite abschließt. Der Ausgleichsraum 80 bildet auf diese Weise den brennraumfernen Abschluß des Druckraums 12. Die Hülse 70 ist axial verschieblich in einem ringförmigen Körper 90 geführt. Sie ist zur Vermeidung von Leckagen auf den oberen Schaftteil 56 des Ventilglieds 50 aufgepreßt. Da die durch die Stirnfläche 71 gebildete Druckangriffsfläche geringfügig größer ist als die Druckangriffsflä- ehe der Schultern 54 bzw. 55, wird eine Rückstellung des Kraftstoffeinspritzventils in Schließstellung auch dann gewährleistet, wenn beispielsweise aufgrund der hohen Beanspruchung des Kraftstoffeinspritzventils im Bereich des Ventilgliedkopfs 52 eine geringfügige Undichtigkeit entstanden ist, die zu einer unerwünschten Öffnung des Kraftstoffeinspritzventils führt .
Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, schließt sich an den Ventilgliedschaft 56 ein weiterer Schaftteil 57 an, der in einen in dem Ventilhaltekörper 20 vorgesehenen Federraum 22 ragt. Zum Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils wird entgegen der Rückstellkraft einer Ventilfeder 24 durch Ansteuerung eines elektromechanischen Stellglieds, beispielsweise eines Piezoaktors oder eines Elektromagneten, eine Axialverschiebung des Ventilglieds 50 und damit eine Öffnung der in dem Ventilgliedkopf 52 vorgesehenen (nicht dargestellten) Einspritzöffnung hervorgerufen.
Der Bereich zwischen den beiden Druckschultern 54 bzw. 55 des Ventilglieds 50 ist nadeiförmig mit konstantem Durchmesser ausgebildet. Die hierdurch ermöglichte Elastizität des Ventilglieds 50 insbesondere senkrecht zur Ventilgliedachse ermöglicht auf vorteilhafte Weise den Ausgleich eines Versatzes zwischen den Führungen des Ventilglieds 50, die durch die Druckhülse 70 und den Ventilgliedkopf 52 gebildet werden, im Mittelbereich des nadeiförmigen Bereichs.
Durch die direkte Verbindung des Ausgleichsraums über den Zulauf 12a mit dem Druckraum 12 werden Druckunterschiede, zum Beispiel beim Öffnen des Kraftstoffein- spritzventils zwischen dem Druckraum 12 und dem Ausgleichsraum 80 direkt ausgeglichen.

Claims

Patentansprüche
Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Bohrung (40) eines Ventilkörpers
(10) axial verschiebbaren Ventilglied (50) , das an seinem brennraumseitigen Ende einen, ein Ventil- schließglied bildenden Ventilgliedkopf (52) aufweist, der auf seiner dem Ventilkörper (10) zugewandten Seite eine Dichtfläche (53) aufweist, mit der er mit einer an der brennraumseitigen Stirnseite des Ventilkörpers (10) vorgesehenen Ventilsitzfläche (11) zusammenwirkt, und mit Einspritzoffnungen im Ventilgliedkopf (52) , die von einem zwischen dem Ventilglied (50) und der Wand der Bohrung (40) gebildeten Druckraum (12) , abführend an der Um- fangswand des Ventilgliedkopfs (52) austreten, wobei die Einspritzöffnungen bei am Ventilsitz (11) anliegendem Ventilglied (50) von der Wand der Bohrung (40) verschlossen sind und durch eine nach außen gerichtete Offnungshubbewegung des Ventilglieds
(50) aufgesteuert werden, wobei das Ventilglied von einem von außen steuerbaren Stellglied, unabhängig vom Kraftstoffhochdruck im Druckraum (12) betätigbar ist und wobei zwei den Druckraum axial begrenzende, einander zugewandte Druckschultern (54, 55) am nadeiförmigen Ventilglied (50) vorgesehen sind, die im wesentlichen jeweils gleiche Druckangriffsflächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Druckschultern (55) an dem brennraum- fernen Ende des Ventilkörpers (10) in einem mit dem Druckraum (12) fluidisch verbundenen Ausgleichsräum (80) angeordnet ist, der stirnseitig durch eine axial verschieblich geführte Druckhülse (70) abgeschlossen ist .
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (50) zwischen den beiden Druckschultern (54, 55) nadeiförmig ausgebildet ist und einen konstanten Durchmesser aufweist.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckhülse (70) auf das Ventilglied (50) aufgepreßt ist.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsraum (80) die brennraumferne Druckschulter
(55) ringförmig umgibt.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft- stoffhochdruckzufuhr aus einem für alle Kraftstoffventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum erfolgt, der seinerseits über eine Kraftstoffhochdruckpumpe befüllbar ist .
Kraf stoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied als elektromechanisches Stellglied, vorzugsweise als Piezoaktor oder Elektromagnet ausgebildet ist.
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