EP1056946B1

EP1056946B1 - Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP1056946B1
Application number: EP99966843A
Authority: EP
Inventors: Michael Mennicken; Ralf Wirth; Peter Boehland; Christoph Badock; Ralf Hentschel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2004-03-17
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: DE19859592C1; WO2000037794A1; EP1056946A1; US6382185B1; DE59908888D1; JP2002533608A

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für eine Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff aus einem zentralen Hochdruckspeicher (1) in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Hochdruckspeicher (1) über eine Zulaufdrosselbohrung (10) mit einem Steuerraum (20) in Wirkverbindung steht, der das Öffnen und Verschließen der Einspritzdüse steuert, wobei der Steuerraum (20) über eine Ablaufdrosselbohrung (30) mit einem Schaltventil (40) kommuniziert. Die Zulaufdrosselbohrung (10) ist dabei gegenüber dem Steuerraum (20) exzentrisch ausgerichtet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzventil insbesondere zur Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Verbrennungskraftmaschinen.

Stand der Technik

In Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung wird der Kraftstoff zur Gemischbildung aus einer Hochdruckkammer über eine Einspritzdüse in den Brennraum eingespritzt. Zum Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird bei Common-Rail-Einspritzsystemen unter anderem auf das Servoprinzip zurückgegriffen. Die Einspritzdüse ist dabei Teil eines Servoventils. Durch ein Schaltventil, welches elektrisch angesteuert wird, wird ein Volumenstrom geschaltet. Über einen Druckteiler, der durch zwei Durchflußwiderstände gebildet wird, bewirkt ein geöffnetes Schaltventil eine Öffnungsbewegung des Servoventils. Ein geschlossenes Schaltventil bewirkt eine Schließbewegung des Servoventils.

Ein solches Kraftstoffeinspritzssystem ist aus dem Dokument EP O 661 442 A bekannt.

Für einen optimalen Verbrennungsprozeß in der Brennkammer ist es erforderlich, den Zeitpunkt, die Dauer des Einspritzens, die gesamte eingespritzte Kraftstoffmasse und den zeitlichen Verlauf der Einspritzrate genauestens zu kontrollieren, da die Brennraumgeometrie auf diese Parameter zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemmissionen genau abgestimmt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer Kombination aus Schaltventil und servohydraulischem Ventil zu schaffen, bei der ein genau definierter Durchflußwiderstand des Schaltventils in einem möglichst großen Bereich unterschiedlicher Kraftstoffdrücke vorhanden ist. Dieser Durchflußwiderstand muß darüber hinaus die Eigenschaft aufweisen, daß nur wenige Geometrieparameter seine Größe beeinflussen. Der genau definierte Durchflußwiderstand des Schaltventils legt damit die Öffnungsgeschwindigkeit des Servoventils fest.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen gemäß Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß der effektive Strömungsquerschnitt der durch das Schaltventil erzeugten Öffnung die Ausbildung einer kavitierenden Drosselströmung unterstützt. Durch die exzentrische Position der Zulaufdrosselbohrung wird im Steuerraum eine Rotation der Kraftstoffströmung verursacht. Diese Rotation, die sich aufgrund der Impulserhaltung der Kraftstoffströmung nach Öffnen des Schaltventils beim Durchströmen der Ablaufdrosselbohrung beschleunigt, führt zu einer Absenkung des statischen Drucks in der Flüssigkeit und verstärkt damit die Kavitationsneigung des Fluides beim Durchströmen der Ablaufdrosselbohrung. Aufgrund der drallbehafteten Strömung innerhalb der Ablaufdrosselbohrung wird die Kavitationsneigung auf einen weiten Druckbereich ausgedehnt. Schon bei geringen Druckdifferenzen über die Ablaufdrosselbohrung hinweg und bei hohen Drücken im Niederdruckbereich hinter der Ablaufdrosselbohrung treten Kavitationseffekte auf und bewirken, daß der effektive Öffnungsquerschnitt, der aus der Kombination von Magnetventil 40 und Ablaufdrosselbohrung 30 gebildet wird, nur noch von der Geometrie der Ablaufdrosselbohrung beeinflußt wird. Hierdurch kann mit Hilfe der Größe der Ablaufdrosselbohrung ein exakt definierter Durchflußquerschnitt eingestellt werden, ohne den Einfluß des Magnetventils 40 berücksichtigen zu müssen.

In den abhängigen Ansprüchen aufgeführte Maßnahmen definieren vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Kraftstoffeinspritzventils.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zulaufdrosselbohrung tangential gegenüber dem Steuerraum ausgerichtet. Dadurch wird erreicht, daß alle Bereiche der Strömung im Steuerraum in Rotation versetzt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist bei einem zylindrisch ausgebildeten Steuerraum das Rotieren der Strömung nicht durch Kanten oder Ecken behindert. Vorzugsweise sind die Zulaufdrosselbohrung und die Ablaufdrosselbohrung senkrecht zueinander ausgerichtet. Dadurch liegt die Rotationsachse der erzeugten Strömung parallel zur Einströmrichtung des Kraftstoffs in die Ablaufdrosselbohrung.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform in der folgenden detaillierten Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1:: eine Schnittansicht eines Schaltventils in Verbindung mit einer Zulaufdrosselbohrung, einem Steuerrraum und einer Ablaufdrosselbohrung; und
Fig. 2:: eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1, die schematisch die Rotation der Strömung im Steuerrraum zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführunssform

In Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch ein Schaltventil 40 mit einer Verbindung zu einem Steuerraum 20 dargestellt, in welchem ein Kolben 50 beweglich angeordnet ist. Der Kolben 50 ist fest mit der Ventilnadel des eigentlichen Einspritzventils verbunden. Über eine Zulaufdrosselbohrung 10 strömt der Kraftstoff von einer zentralen Hochdruckversorgung 1 zu dem Steuerraum 20. Vorzugsweise an der Stirnseite 21 des Steuerraumes 20 befindet sich eine Öffnung 22, die zu einer Ablaufdrosselbohrung 30 führt. Damit ergibt sich eine bevorzugte rechtwinklige Ausrichtung der Achsen der Zulaufdrosselbohrung 10 und der Ablaufdrosselbohrung 30 zueinander.

Auf der dem Steuerraum 20 abgewandten Seite der Ablaufdrosselbohrung 30 ist das Schaltventil 40 angeordnet, das - je nach Schaltposition - den Ausgang der Ablaufdrosselbohrung 30 öffnet oder verschließt. Vom Schaltventil 40 fließt der Kraftstoff zurück in den Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems.

Auf der der Stirnseite 21 gegenüberliegenden Seite des Steuerraums 20 befindet sich der Steuerkolben 50, der mit der Düsennadel des eigentlichen Einspritzventils verbunden ist. Bewegungen des Steuerkolbens 50 entsprechen Bewegungen der Ventilnadel des eigentlichen Einspritzventils, welches den Brennraum vom Hochdruckbereich 1 des Kraftstoffeinspritzsystems trennt. Bewegungen dieses Steuerkolbens 50 (angedeutet durch den Doppelpfeil in Fig. 1) führen zu einem Öffnen beziehungsweise Schließen der Kraftstoffzufuhr in den Brennraum. Das Schaltventil 40 wird elektrisch angesteuert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist die Zulaufdrosselbohrung 10 exzentrisch in bezug auf den Steuerraum 20 angeordnet. Der Steuerraum 20 hat vorzugsweise eine zylindrische Gestalt, d.h. der in Fig. 2 gezeigte Querschnitt entlang der strichpunktierten Linie A-A aus Fig. 1 ist kreisförmig. Bevorzugt entspricht die Orientierung der Längsachse der Zulaufdrosselbohrung 10 einer Tangente an den Kreis, der durch den Querschnitt des Steuerraumes 20 gebildet wird.

Durch die exzentrische Orientierung der Zulaufdrosselbohrung 10 bildet sich beim Einströmen des Kraftstoffs in den Steuerraum 20 eine Wirbelströmung 60 aus, deren Stromlinien in Fig. 2 schematisch durch Pfeile angedeutet sind. Die Wirbelströmung 60 umfaßt bei der bevorzugten tangentialen Anordnung der Zulaufbohrung 10 die gesamte Querschnittfläche des Steuerraums 20.

Wird das Schaltventil 40 geöffnet, tritt diese Wirbelströmung 60 in die Öffnung der Ablaufdrosselbohrung 30 ein, die eine wesentlich kleinere Querschnittfläche als der Steuerraum 20 aufweist. Durch das Abfließen des Fluides durch die Ablaufdrosselbohrung 30 erhöht sich dabei aufgrund der Impulserhaltung die Drehgeschwindigkeit der Wirbelströmung 60, so daß der statische Druck in der Strömung stark abnimmt. Dies erhöht die Neigung der Strömung zum Kavitieren im Bereich der Ablaufdrosselbohrung 30. Das Einsetzen von Kavitationseffekten führt dazu, daß der gesamte Durchflußwiderstand der Kombination aus Ablaufdrossel 30 und Schaltventil 40 nur noch von dem Durchflußwiderstand der Ablaufdrossel 30 abhängig ist. Dies erleichtert die Einstellung der Größe des abfließenden Volumenstroms. Da die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 50 direkt von dem abfließenden Volumenstrom abhängig ist, ergibt sich aufgrund der Erhöhung der Kavitationsneigung der Strömung in der Ablaufdrosselbohrung 30 eine Erhöhung der Genauigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 50. Da die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 50 der Bewegungsgeschwindigkeit der Ventilnadel des Einspritzventils entspricht, erhöht sich somit auch die Genauigkeit der Bewegung des Einspritzventils und damit die Genauigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge. Das bedeutet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Ventilnadel des Einspritzventils, welche möglichst gleichmäßig erfolgen soll, über die Dimensionierung bzw. Gestalt der Ablaufdrosselbohrung 30 zielgerichtet einstellbar bzw. hinsichtlich der Einspritzbedingungen optimierbar ist.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil mit einer Zulaufdrosselbohrung (10), einer Ablaufdrosselbohrung (30), einem Steuerraum (20) und einem Schaltventil (40) für eine Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff aus einem zentralen Hochdruckspeicher (1) in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Hochdruckspeicher (1) über die Zulaufdrosselbohrung (10) mit dem Steuerraum (20) in Wirkverbindung steht, welcher das Öffnen und Verschließen der Einspritzdüse steuert, wobei der Steuerraum (20) über die Ablaufdrosselbohrung (30) mit dem Schaltventil (40) kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufdrosselbohrung (10) gegenüber dem Steuerraum (20) exzentrisch ausgerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufdrosselbohrung (10) gegenüber dem Steuerraum (20) tangential ausgerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufdrosselbohrung (10) und die Ablaufdrosselbohrung (30) senkrecht zueinander angeordnet sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (20) eine zylindrische Gestalt aufweist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufdrosselbohrung (30) so dimensioniert ist, daß beim Betätigen des Schaltventiles (40) Kavitationseffekte in der Ablaufdrosselbohrung (30) auftreten.