EP1620645B1 - Verlustfreies brennstoffeinspritzventil - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a fuel injection valve for intermittent fuel injection in the combustion chamber of an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
- An injection valve for internal combustion engines of this kind is made DE 199 42 816 A1 known and has a valve body in which an injection valve member is slidably disposed. In an open position, the injection valve member for injecting fuel into a combustion chamber of the internal combustion engine releases an opening to the combustion chamber.
- the injection valve member can be brought into the open position by means of an actuator of an actuator arrangement.
- a hydraulic transmission element is disposed between the actuator and the injection valve member.
- the hydraulic transmission element has a base body forming a peripheral wall and two membrane-like elements fixedly connected to the base body at the respective end faces.
- the main body forms with the two membrane-like elements a cavity which is filled with a hydraulic fluid.
- the one membrane-like element is assigned to the actuator and the other membrane-like element to the injection valve member.
- the cross-sectional area of the membrane-like element assigned to the actuator is greater than the cross-sectional area of the membrane-like element assigned to the injection valve member.
- a needle-shaped injection valve member is disposed in a high-pressure chamber, which is connected to a high-pressure fuel inlet, and which cooperates with its one end with an injection valve seat. If the injection valve member lifted from the injector seat, fuel is injected from the high-pressure chamber under very high pressure in a combustion chamber of an internal combustion engine. With its other end, the injection valve member defines a control chamber, which is connected via a connection having a throttle passage with the high-pressure fuel inlet and thus the high-pressure chamber.
- the high-pressure chamber can be connected to the side opposite the injection valve member by means of an electromagnetically operated pilot valve with a low-pressure chamber and separated from this.
- the injection valve member is guided in two axially spaced apart areas in a close sliding fit. Between these areas, the injection valve member passes through an annular space which is connected to the low-pressure space.
- the close sliding fit serves to seal the Control room and the other of the sealing of the high-pressure chamber.
- fuel flows into the annulus, causing leakage losses.
- fuel flows out of the control chamber into the low-pressure space during each injection process through the pilot valve, which likewise causes losses.
- the actuator arrangement has a piezoelectric actuator, which cooperates with a piston element which limits the control chamber with its side facing away from the actuator. The leakage fuel flowing out of the control chamber along the piston element is led away through a low-pressure drain line.
- an actuator which controls the movement of an injection valve member is sealed off from the spaces of the fuel injection valve filled with fuel by means of a sealing element.
- the control of the injection valve member is effected by the deflection of the example formed as a diaphragm sealing element by means of the actuator assembly.
- a fuel injection valve according to the invention requires neither a low-pressure chamber nor a line for the return of fuel into a fuel storage tank. No fuel can escape from the fuel injection valve, except during an injection process through the injection openings into the combustion chamber. Since inventive fuel injection valves operate without a pilot valve, there occur no signs of wear, caused for example by cavitation in the discharge of the fuel on.
- the fuel injection valve according to the invention opens up a new field of application in addition to the diesel area. It is also suitable for the Injection of gasoline (or other fuels with low viscosity), which is supplied, for example, by means of common rail technology, under a very high pressure to about 1000 bar or more, the injection valve is supplied. As a result, an extremely good atomization during injection is achieved, which can not be achieved satisfactorily at conventional pressures of 80 to 120 bar of known direct gasoline injection systems. Gasoline tends at discharge to vapor bubble formation, which is prevented by a novel fuel injection valve without pilot valve, since no gas flows out into a low-pressure space.
- fuel injector has a housing 10 through which extends along a housing axis 12 extending recess 14.
- the recess 14 is formed to the housing axis 12 substantially rotationally symmetrical and stepwise tapered or widening.
- a tubular valve seat member 16 is inserted with an end portion; on the valve seat member 16 is an injection nozzle 18 at the opposite free end educated.
- the injector 18 On the inboard side, the injector 18 has an injector seat 20 in the shape of the skirt of a truncated cone. With this injector seat 20, a needle-shaped injection valve member 22 cooperates, the istjoner end portion is formed correspondingly tapered, to abut sealingly in the closed position on the injection valve seat 20.
- the injection valve seat 20 defines a high-pressure space 24, which is connected by means of a fuel supply channel 26 formed in the housing 10 to a high-pressure fuel inlet 28 - high-pressure fuel connection.
- the high-pressure fuel inlet 28 is connected in a known manner with a common rail injection system which supplies fuel to the fuel injection valve at a pressure of up to 1000 bar or higher (in the case of diesel application also over 2000 bar).
- the valve seat element 16 is held in the housing 10, for example by means of an interference fit, and has nozzle openings 30 downstream of the injection valve seat 20 in order to inject fuel at very high pressure into the combustion chamber of an internal combustion engine when the injection valve is open.
- the injection valve member 22 has in the radial direction projecting guide ribs 32, by means of which it is guided displaceably on the valve seat member 16 in the axial direction.
- the needle-shaped, the high-pressure chamber by cross-injection valve member 22 is guided with its the injection valve seat 20 remote end portion 34 in a needle guide 36 in sliding fit.
- the needle guide 36 is formed on a needle guide element 38, which is inserted from the valve seat member 16 side facing away into the housing 10 and is sealingly supported in this by means of a radially projecting circumferential flange on a shoulder 40.
- the pressed-on by means of a ring screw 42 to the shoulder 40 flange seals the high-pressure chamber 24 so that no fuel between the housing 10 and the needle guide member 38 from the high-pressure chamber 24 in a Akutatoran extract 44 receiving portion of the housing 10 can flow.
- a sealing element 45 in the form of a membrane 46, which spans the hollow rotationally symmetrical needle guide element 38 and preferably made of metal, in particular steel.
- the diaphragm 46 seals off the actuator arrangement 44 from a control chamber 48 which is peripherally delimited by the needle guide element 38 and on the side opposite the diaphragm 46 from an end face 50 of the injection valve member 22.
- the control chamber 48 is connected by the needle guide 36 with the high-pressure chamber 24.
- the flow cross section between the needle guide element 38 and the injection valve member 22 unfolds such a throttling effect that when deflecting the diaphragm 46 by means of the actuator arrangement 44 substantially more volume is displaced than in the same time fuel from the high-pressure chamber 24 into the control chamber flow in or can flow out vice versa ,
- the sliding fit in the needle guide 36 for example, a game of a few micrometers.
- the exposed end face of the sleeve-like needle guide element 38 forms a counter-stop 52, which with a on the injection valve member 22 in the form a circumferential bead formed stop 54 cooperates.
- the stop 54 and counter stop 52 define the maximum open position of the injection valve member 22.
- the maximum stroke of the injection valve member 22 is indicated by H.
- annular disc 56 is inserted between the eyebolt 42 and the diaphragm 46.
- the annular disc 56 and eyebolt 42 are spaced apart by an actuator shaft 58, which abuts with its convex end face 60 to the corresponding concave shaped exposed portion of the diaphragm 46.
- actuator shaft 58 which abuts with its convex end face 60 to the corresponding concave shaped exposed portion of the diaphragm 46.
- the actuator shaft 58 is reciprocated in the axial direction by means of an actuator, which is preferably an electrically driven piezoelectric or magnetostrictive actuator 62.
- the electrical connection conductors for the actuator 62 are designated 64.
- the actuator 62 is in an actuator housing 66 taken, which with its diaphragm 46 facing the housing side abuts against a further shoulder 40 'of the housing 10 and is held by means of a threaded into the housing further eyebolt 42' on the further shoulder 40 'in abutment.
- fuel injector operates as follows.
- the actuator 62 is driven such that the actuator shaft 58 is in its end position, in which the diaphragm 46 in the direction of the control chamber 48 maximum is distracted.
- the pressure between the high pressure chamber 24 and the control chamber 48 is balanced. Since the sum of the pressure of the fuel in the direction of the injection valve seat 20 surfaces of the injection valve member 22 is greater than the sum of the counteracted with fuel pressure surfaces, the injection valve member 22 is held on the injection valve seat 20 in abutment.
- the actuator 62 is driven such that the actuator shaft 58 is withdrawn.
- the diaphragm 46 moves with the actuator shaft 58 in the direction away from the injection valve seat 20. Since in this short time of movement little or no fuel can flow via the needle guide 36 into the control chamber 48, the volume of the control chamber 48 is slightly increased and displaced by this movement of the diaphragm 46, resulting in the injection valve member 22 being lifted off the injection valve seat 20 towards the inside leads.
- the pressure in the control chamber 48 is reduced by the movement of the diaphragm 46, which is compensated by the movement of the injection valve member 22 immediately practically completely again.
- the stop 54 abuts the counter-stop 52.
- the injection process is terminated by actuating the actuator 62 such that the actuator shaft 58 moves in the direction of the valve seat element 16, so that the injection valve member 22 seals against the injection valve seat 22.
- the fuel injector is now for the next one Injection process ready.
- the fuel injection valve is thus also particularly well for pre- or multiple injections, as well as for a course of injection by deliberate choice of the course of movement of the actuator 62 and consequently of the injection valve member 22 both when opening and, where appropriate, when closing.
- the actuator assembly 44 Since the actuator assembly 44 is completely sealed against the fuel-filled spaces of the fuel injection valve and the control of the injection valve member 22 is carried out without a pilot valve, no fuel losses occur.
- the fact that the space 63 is not hydraulically connected or connectable to the high-pressure space 24 nor to the control space 48 does not mean that this space is empty (i.e., under vacuum) or must be filled exclusively with air. It may be advantageous to fill this space partially or completely with a hydraulic fluid, e.g. with hydraulic oil to ensure lubrication and durability of the actuator assembly 44.
- Fig. 2 shown embodiment of the inventive fuel injection valve is that according to Fig. 1 very similar.
- the same reference numerals are used for the same or equivalent parts as in Fig. 1 and only the differences are explained below.
- the actuator shaft 58 passes through the actuator 62 and is connected to it on the side facing away from the membrane 46 side 62 '.
- the direction of movement of the Aktuatorschafts 58 compared to that in the Embodiment according to Fig. 1 vice versa for the same control of the actuator 62.
- positioning pins 70 penetrate annular disc 56, diaphragm 46 forming sealing element 45, and flange of needle guide element 38. Since these positioning pins 70 engage corresponding positioning holes 72 in housing 10, the position of said parts relative to housing 10 is in the radial direction as well set in the rotational position.
- bead 54 of the injection valve member 22 forming the stop 54 is encompassed with clearance by a support sleeve 74, which is supported on the one hand at the free end of the needle guide element 38 and on the other hand against a compression spring 76, which in turn is supported on the injection valve member 22 by means of a support disk 78.
- the compression spring 76 holds the injection valve member 22 at the injection valve seat 20 in abutment when the high-pressure chamber 24 is not under high pressure or the actuator 62 should fail. Moreover, the functioning of the in the Fig. 2 shown fuel injection valve that of in Fig. 1 shown embodiment, but the actuator 62 is to be controlled accordingly reverse.
- the training according to Fig. 3 is that according to Fig. 1
- the longitudinal axes 80, 82 of the actuator assembly 44 and the injection valve member 22 are relatively parallel but parallel to each other.
- This embodiment allows according to the embodiment according to Fig. 1 a more compact design of the housing 10th
- the axis 80 could also be in an (acute) angle to the longitudinal axis 82.
- the needle guide element 38 is no longer designed purely rotationally symmetrical.
- the section forming the needle guide 36 is rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis 82, whereas the part adjoining the membrane 46 forming the sealing element 45 is at least approximately rotationally symmetrical to the longitudinal axis 80.
- no eyebolt 42 is present; the actuator housing 66 rests directly on the annular disk 56.
- the actuator housing 66 is pressed by means of the further eyebolt 42 'against the annular disc 56 and thus the membrane 46.
- Fig. 4 shows a portion of another embodiment of a fuel injection valve according to the invention.
- the valve seat member 16 is frontally mounted on the housing 10 in this embodiment and secured by a coupling nut 84 thereto. Between the housing 10 and the injection valve member 22, the sealing element 45 forming membrane 46 and the flange of the needle guide member 38 is clamped.
- the fuel supply passage 26 runs from the housing 10 through these two parts to the valve seat member 16
- the high pressure chamber 24 is thus exclusively - with the exception of the not shown fuel high pressure inlet and the Brennstoffzu Switzerlandkanal 26 - arranged in the valve seat member 16.
- the diaphragm 46 is cup-shaped and of the actuator assembly 44 is shown only a part of the Aktuatorschafts 58, which engages in the diaphragm 46 and at the end face 60 corresponding to the diaphragm 46 is flat and formed along the edge with a suitable radius.
- Dashed on the needle guide element 38 are each a rib-like, radially outwardly projecting guide element of two guides 38a and 38b shown, of which only one is necessary to center the needle guide element 38 in the valve seat member 16 with respect to the housing axis 12 and align.
- the guides 38a, 38b have in the circumferential direction evenly distributed preferably three guide elements.
- the diameter D1 of the actuator shaft 58 is, for example, 5 mm.
- the cup-shaped part of the diaphragm 46 abuts on the actuator shaft 58 and is thin-walled, so that the effective area of the diaphragm 46 corresponds approximately to a diameter of 5.5 to 6 mm.
- the diameter D2 of the needle guide 36 or the injection valve member 22 in the needle guide 36 selected between 2.5 to 3 mm there is a ratio of about 4.
- the outer diameter D3 of the cooperating with the injection valve seat 20 part the injection valve member 22 is selected at about 2 mm.
- a throttle passage 86 can furthermore be formed on the needle guide element 38 in a variant. It is also conceivable, seen in the radial direction, from the fuel supply 26 against the inside of the needle guide member 38 facing side of the diaphragm 46 form with a defined roughness to produce a desired leak between the control chamber 48 and the high-pressure chamber 24 similar to the throttle passage 86. Instead of the throttle passage 86 and / or this leak, a defined greater clearance between the needle guide element 38 and the injection valve member 22 can be selected to increase the reliability in the event that the actuator 62 should fail.
- the injection valve member 22 could be formed with a stop 54 as in the embodiments described above.
- a compression spring 76 as in the embodiment according to Fig. 2 , together with the throttle opening 86 and the defined leak between the high-pressure chamber 24 and the control chamber 48, in the embodiment according to Fig. 4 , the reliability in the failure of the actuator 62 can also increase.
- the embodiment of the cup-shaped membrane 46 of Fig. 4 is quite favorable for the function at high fuel pressure, since the relatively thin diaphragm 46 is fully supported on the front end of the Aktuatorschafts 58 and thus, compared with the embodiments of Fig. 1 to 3 , Has no free area that can oppose the pressure force of the fuel no counter force.
- the critical transition region 46c of the diaphragm 46 with gradually increasing wall thickness of the thin-walled cylinder jacket-shaped part 46a in the perpendicular sufficientsteehen, thicker area 46b, which forms a flange, can still be supported on the actuator shaft 58.
- the flat front portion 46d of the diaphragm 46 could also be made thicker than with Fig. 4 shown.
- the membrane 46 is in one piece, it is preferably produced as a deep-drawn part.
- the membrane 46 may also consist of several joined parts. For example, in the transition region 46c or in the vicinity thereof, the thin membrane head may be welded to the thicker region 46b. Likewise, the connection of the (possibly thicker) front part 46d to the thinner part of the diaphragm 46 can be realized. Other types of connection of a multi-part membrane 46 are also conceivable.
- the other membranes 46 may be made of several parts.
- the thinner cylindrical portion 46a of the diaphragm 46 shortens or expands in accordance with the movement of the actuator shaft 58 in the elastic region of the membrane material.
- strains 20 to 30 microns per 10 mm membrane length are quite feasible. If other materials are used, e.g. Titanium, titanium alloys or other special alloys, are much larger, elastic strains, up to or over two times, feasible.
- the actuator shaft 58 must at the same time be as rigid as possible. This can be strongly influenced by suitable choice of material. For example, instead of steel, an actuator shaft 58 made of ceramic material may be well suited.
- a micro-relative motion results between the inner wall of the cylindrical portion 46a of the diaphragm 46 and the peripheral surface of the actuator shaft 58.
- friction and wear must be minimized. This can be done, for example, by suitable Feeds, material pairings or lubrication by means of the hydraulic fluid in the space 63 (FIG. Fig. 1 ), coupled with corresponding small lubrication grooves, grooves, micro-lubrication pockets and the like on the peripheral surface of the actuator shaft 58.
- the longitudinal axes 80, 82 of the actuator assembly 44 and the injection valve member 22 are depressed relative to one another.
- the valve seat member 16 is placed on the front side of the housing 10 and held by the coupling nut 84 at this.
- a thick washer 88 is inserted with a passage.
- the thick annular disc 56 which clamps the sealing element 45 forming diaphragm 46 between itself and the this side end face of the valve seat member 16 circumferentially.
- the annular disc 56 is supported with its side facing away from the diaphragm 46, such as the washer 88, on the housing 10 from.
- the membrane 46 in turn seals the control chamber 48 and thus the high pressure chamber 24 from the actuator assembly 44 from.
- the needle guide 36 is formed on the valve seat member 16 and the needle guide 36 closes on the injection valve seat 20 side facing with a annular enlargement of the recess in the valve seat member 16 of the high-pressure chamber 24, which in turn extends to the injection valve seat 20.
- the high-pressure chamber 24 is by means of the fuel supply channel 26 which extends in the valve seat member 16 from the extension to the intermediate disc 88 and from there parallel to the longitudinal axis 88 through the washer 88 and in the housing 10 to the high-pressure fuel inlet, not shown.
- the needle guide 36 which in turn may be a tight sliding fit, formed on the valve seat member 16.
- the functioning of the in the Fig. 5 shown training form equal to that according to the other forms of training described above.
- Fig. 7 shows one of the embodiment according to Fig. 4 similar variant, but no needle guide element 38 and no control chamber 48 are present.
- the valve seat element 16 delimiting the high-pressure chamber 24 on the circumference and the injection side lies sealingly on the flange-like, thicker region 46b of the sealing element 45 forming Diaphragm 46 and presses them, under the action of the union nut 84 sealingly against the housing 10 at.
- the needle-like injection valve member 22 which is displaceably guided in the direction of the housing axis 12 by means of guide ribs 32, in turn passes through the high-pressure space 24 and cooperates with its conical end area with the injection valve seat 20 formed on the valve seat element 16.
- the membrane 46 has in the region of the front part 46 d an opening 90, which is penetrated by the injection valve member 22.
- the membrane 46 is welded along this opening 90 with a shoulder surface 92 'of a thickening 92 of the injection valve member 22.
- the thickening 92 is thus arranged in the interior of the region bounded by the cup-shaped diaphragm 46 and separated from the high-pressure chamber 24 and cooperates with its flat end face 50 with the likewise flat end face 60 of the Aktuatorschafts 58.
- the diaphragm 46 and the actuator shaft 58 are formed the same and their interaction is identical to that in FIG Fig. 4 shown and related above Fig. 4 described.
- the diaphragm 46 and the actuator shaft 58 as in Fig. 4 shown, wherein, however, the front part 46d of the diaphragm 46 is thick-walled and has a blind hole-like central recess for receiving this side end portion of the injection valve member 22.
- the injection valve member 22 is the same as in Fig. 4 shown trained and it is with the front part 46d of the membrane 46 welded.
- the front part 46d of the diaphragm 46 and the injection valve member 22 are thus, as in the embodiment according to Fig. 7 , firmly connected together and move towards each other in the direction of the housing axis 12. Same as in Fig.
- the diaphragm 46 delimits the high-pressure space 24 closely relative to the actuator arrangement 44.
- the actuator shaft 58 and the thickening 92 of the injection valve member 22 have the same diameter and support the cylindrical thin-walled shell portion 46a of the diaphragm 46 from. This is particularly long trained and thus has an extra large Dehnaller.
- the injection valve member 22 is held on the injection valve seat 20 in sealing engagement.
- the actuator shaft 58 is moved away from the injector seat 20. This movement follows the injection valve member 22 immediately as a result of the high-pressure fuel in the high-pressure chamber 24 to the diaphragm 46 in the axial direction force exerted.
- the actuator shaft 58 and the injection valve member 22 are moved toward the injection valve seat 20 by means of the actuator 62 until the injection valve member 22 rests thereon again.
- Fig. 8 shows a further embodiment, which in terms of construction of those according to Fig. 4 very similar and identical in function.
- the essential constructive difference is that the sealing element 45 is no longer formed as a continuous pot-shaped membrane 46, but as a membrane-like cup-shaped sealing element 45 without pot bottom.
- circular-cylindrical part 46 a of the sealing element 45 is flat and non-positively on the actuator shaft 58 at.
- the sealing and taker-resistant concerns is supported by the large pressure difference, which prevails between the control chamber 48 and the control chamber 48 side facing away from the sealing element 45.
- This pressure difference presses the cylindrical part 46a of the sealing element 45 with great force against the actuator shaft 58.
- the actuator 62 is thus tightly separated from the control chamber 48 by means of the sealing element 45 and the actuator shaft 58.
- the sealing element 45 is, like the membrane 46 in Fig. 4 , held with a thicker, flange forming portion 46 b between the needle guide member 38 and the housing 10 sealingly clamped.
- a transition region 46c the wall thickness continuously decreases from the region 46b to the cylindrical part 46a; seen in section, the sealing element in the transition region 46c has the shape of a wedge.
- magnetostrictive and electrostrictive (piezoelectric) actuators can perform a relatively small stroke with great force, they are particularly suitable for interaction with membranes; due to the small stroke these are dynamically low stress, which contributes to a long life, although the Pressure difference between the two sides of the membrane is very large.
- injection valve member 22 is not controlled pilot valve.
- actuators 62 are used with a stroke that is greater than the stroke to be executed by the injection valve member 22, in embodiments with a control chamber 48, the effective area ratios of diaphragm 46 and injection valve member 22 can be chosen such that a Hubuntersch occurs. If appropriate, the area ratios can also be selected so that the stroke of the actuator shaft 58 corresponds to that of the injection valve member 22.
- the inventive fuel injectors shown need not have strong closing springs, as known pilot valve controlled fuel injectors.
- closing springs can be used to press the needle guiding element 38 delimiting the control space 48 sealingly against the flange-like area 46b of the sealing element 45.
- the closing spring would be supported at one end on the injection valve member 22 and the other end on the needle guide element 38. This would be sleeve-shaped - without protruding in the radial direction Clamping flange - formed and would be supported with an annular end face on portion 46 b of the sealing element 45.
- a tubular intermediate piece would be used which has a radial distance to the needle guide element 38 in order to ensure the flow connection between the fuel feed channel 26 and the high-pressure chamber 24.
- the region 46b would be pressed by means of the intermediate piece sealingly against the end face of the housing 10.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil zur intermittierenden Brennstoffeinspritzung in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Ein Einspritzventil für Brennkraftmaschinen dieser Art ist aus
DE 199 42 816 A1 bekannt und weist einen Ventilkörper auf, in dem ein Einspritzventilglied verschieblich angeordnet ist. In einer Offenstellung gibt das Einspritzventilglied zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eine Öffnung zu dem Brennraum frei. Das Einspritzventilglied ist mittels eines Aktuators einer Aktuatoranordnung in die Offenstellung bringbar. Ein hydraulisches Übersetzungselement ist zwischen dem Aktuator und dem Einspritzventilglied angeordnet. Das hydraulische Übersetzungselement weist einen eine Umfangswandung bildenden Grundkörper und zwei an den jeweiligen Stirnseiten mit dem Grundkörper fest verbundene membranartige Elemente auf. Der Grundkörper bildet mit den beiden membranartigen Elementen einen Hohlraum, der mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist. Das eine membranartige Element ist dem Aktuator und das andere membranartige Element dem Einspritzventilglied zugeordnet. Die Querschnittsfläche des dem Aktuator zugeordneten membranartigen Elements ist grösser als die Querschnittsfläche des dem Einspritzventilglied zugeordneten membranartigen Elements. - Bei Brennstoffeinspritzventilen, wie sie beispielsweise in der
EP-A-0 603 616 , derEP-A-0 824 190 und derUS-A-5,458,293 offenbart sind, ist ein nadelförmiges Einspritzventilglied in einem Hochdruckraum angeordnet, welcher mit einem Brennstoffhochdruckeinlass verbunden ist, und welches mit seinem einen Ende mit einem Einspritzventilsitz zusammenwirkt. Wird das Einspritzventilglied vom Einspritzventilsitz abgehoben, wird aus dem Hochdruckraum unter sehr hohem Druck stehender Brennstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt. Mit seinem anderen Ende begrenzt das Einspritzventilglied einen Steuerraum, welcher über eine einen Drosseldurchlass aufweisenden Verbindung mit dem Brennstoffhochdruckeinlass und somit dem Hochdruckraum verbunden ist. Der Hochdruckraum ist an der dem Einspritzventilglied gegenüberliegenden Seite mittels eines elektromagnetisch betriebenen Pilotventils mit einem Niederdruckraum verbindbar und von diesem abtrennbar. Das Einspritzventilglied ist in zwei in axialer Richtung voneinander beabstandeten Bereichen in einer engen Gleitpassung geführt. Zwischen diesen Bereichen durchgreift das Einspritzventilglied einen Ringraum, welcher mit dem Niederdruckraum verbunden ist. Die eine enge Gleitpassung dient der Abdichtung des Steuerraums und die andere der Abdichtung des Hochdruckraums. Trotz der engen Gleitpassungen fliesst Treibstoff in den Ringraum, was Leckageverluste verursacht. Weiter strömt bei jedem Einspritzvorgang durch das Pilotventil vom Steuerraum in den Niederdruckraum Brennstoff aus, was ebenfalls Verluste verursacht. - Mit einem Brennstoffeinspritzventil, wie es aus der
EP-A-1 118 765 und derUS-A-6,499,699 bekannt ist, sind die obenerwähnten Leckverluste vermieden. Jedoch sind auch bei derartigen Brennstoffeinspritzventilen die bei Einspritzvorgängen durch ein Pilotventil aus einem Steuerraum in einen Niederdruckraum ausströmenden Brennstoffverluste hinzunehmen. Der Steuerraum ist umfangsseitig von einer Hülse begrenzt, welche im Hochdruckraum angeordnet ist und an welcher das nadelförmige Einspritzventilglied in einer engen Gleitpassung geführt ist. Durch diese enge Gleitpassung kann allenfalls Brennstoff vom Hochdruckraum in den Steuerraum hinein jedoch nicht in den Niederdruckraum abfliessen. Der Hochdruckraum ist wiederum mittels des Pilotventils zur Steuerung der Hubbewegung des Einspritzventilglieds mit einem Niederdruckraum verbindbar bzw. von diesem abtrennbar. - Ein weiteres Brennstoffeinspritzventil ist aus der
EP-A-0 937 891 bekannt. Die Aktuatoranordnung weist einen piezoelektrischen Aktuator auf, welcher mit einem Kolbenelement zusammenwirkt, das mit seiner dem Aktuator abgewandten Seite den Steuerraum begrenzt. Der aus dem Steuerraum entlang des Kolbenelements ausfliessenden Leckage-Brennstoff wird durch eine Niederdruckabflussleitung weggeführt. - Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemässes Brennstoffeinspritzventil, welches keinen Brennstoffverlust mehr aufweist, von besonders einfachem Aufbau zu schaffen, welches präzis und kostengünstig in grosser Stückzahl hergestellt werden kann.
- Diese Aufgaben werden mit einem Brennstoffeinspritzventil gelöst, welches die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
- Bei einem erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventil ist ein die Bewegung eines Einspritzventilgliedes steuernder Aktuator mittels eines Dichtelements dicht von den mit Brennstoff gefüllten Räumen des Brennstoffeinspritzventils abgetrennt. Die Steuerung des Einspritzventilglieds erfolgt durch die Auslenkung des beispielsweise als Membrane ausgebildeten Dichtelements mittels der Aktuatoranordnung. Ein erfindungsgemässes Brennstoffeinspritzventil benötigt weder einen Niederdruckraum noch eine Leitung für die Zurückführung von Brennstoff in einen Brennstoffvorratstank. Aus dem Brennstoffeinspritzventil kann kein Brennstoff austreten, ausser bei einem Einspritzvorgang durch die Einspritzöffnungen in den Brennraum. Da erfindungsgemässe Brennstoffeinspritzventile ohne Pilotventil arbeiten, treten dort auch keine Abnützungserscheinungen, verursacht beispielsweise durch Kavitation bei der Entlastung des Brennstoffs, auf. Weiter erschliesst das erfindungsgemässe Brennstoffeinspritzventil zusätzlich zum Dieselbereich einen neuen Anwendungsbereich. Es eignet sich nämlich auch für die Einspritzung von Benzin (oder auch anderer Kraftstoffe mit niedriger Viskosität), das beispielsweise mittels Common Rail Technologie, unter einem sehr hohen Druck bis ca. 1000 bar oder darüber gebracht, dem Einspritzventil zugeführt wird. Dadurch wird eine äusserst gute Zerstäubung bei der Einspritzung erzielt, was bei üblichen Drücken von 80 bis 120 bar von bekannten direkten Benzineinspritzsystemen nicht befriedigend erreicht werden kann. Benzin neigt bei Entlastung zu Dampfblasenbildung, was mit einem erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventil ohne Pilotventil verhindert ist, da kein Benzin in einen Niederdruckraum ausströmt.
- Bevorzugte Ausbildungsformen des erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
- Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben. Es zeigen rein schematisch:
- Fig. 1
- im Längsschnitt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Einspritzventils;
- Fig. 2
- im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemässen Einspritzventils mit einer die Schliessbewegung des Einspritzventilglieds unterstützenden Feder;
- Fig. 3
- im Längsschnitt eine dritte Ausbildungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils, bei welchem das Einspritzventilglied bezüglich einer Längsachse einer Aktuatoranordnung desaxiert angeordnet ist;
- Fig. 4
- im Längsschnitt einen Teil einer vierten Ausbildungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils mit einer topfförmigen Membran;
- Fig. 5
- im Längsschnitt einen Teil einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils, bei welchem eine Nadelführung an einem Ventilsitzelement angeordnet ist;
- Fig. 6
- im Längsschnitt einen Teil einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils;
- Fig. 7
- ebenfalls im Längsschnitt einen Teil einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils jedoch ohne einen Steuerraum; und
- Fig. 8
- im Längsschnitt einen Teil einer achten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils.
- Das in der
Fig. 1 gezeigte Brennstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 10 auf, durch welches eine sich entlang einer Gehäuseachse 12 erstreckende Ausnehmung 14 verläuft. Die Ausnehmung 14 ist zur Gehäuseachse 12 im wesentlichen rotationssymmetrisch und stufenartig verjüngend bzw. erweiternd ausgebildet. - In einem ersten Abschnitt der Ausnehmung 14 ist ein rohrförmiges Ventilsitzelement 16 mit einem Endbereich eingesetzt; am Ventilsitzelement 16 ist am gegenüberliegenden freien Ende eine Einspritzdüse 18 ausgebildet. Auf der innenliegenden Seite weist die Einspritzdüse 18 einen Einspritzventilsitz 20 in der Form des Mantels eines Kegelstumpfs auf. Mit diesem Einspritzventilsitz 20 arbeitet ein nadelförmiges Einspritzventilglied 22 zusammen, dessen diesseitiger Endbereich entsprechend kegelförmig ausgebildet ist, um in Schliessstellung dichtend am Einspritzventilsitz 20 anzuliegen.
- Der Einspritzventilsitz 20 begrenzt einen Hochdruckraum 24, welcher mittels eines im Gehäuse 10 ausgebildeten Brennstoffzuführkanals 26 mit einem Brennstoffhochdruckeinlass 28 - Brennstoffhochdruckanschluss - verbunden ist. Der Brennstoffhochdruckeinlass 28 ist in bekannter Art und Weise mit einem Common Rail Einspritzsystem verbunden, welches Brennstoff mit einem Druck von bis zu 1000 bar oder höher (bei Dieselanwendung auch über 2000 bar) dem Brennstoffeinspritzventil zuführt.
- Das Ventilsitzelement 16 ist beispielsweise mittels eines Presssitzes im Gehäuse 10 gehalten und es weist stromabwärts des Einspritzventilsitzes 20 Düsenöffnungen 30 auf, um bei geöffnetem Einspritzventil Brennstoff unter sehr hohem Druck in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen. Das Einspritzventilglied 22 weist in radialer Richtung vorstehende Führungsrippen 32 auf, mittels welchen es am Ventilsitzelement 16 in axialer Richtung verschiebbar geführt ist.
- Das nadelförmige, den Hochdruckraum durchgreifende Einspritzventilglied 22 ist mit seinem dem Einspritzventilsitz 20 abgewandten Endbereich 34 in einer Nadelführung 36 in Gleitpassung geführt. Die Nadelführung 36 ist an einem Nadelführungselement 38 ausgebildet, welches von der dem Ventilsitzelement 16 abgewandten Seite her in das Gehäuse 10 eingesetzt ist und in diesem mittels eines radial vorstehenden umlaufenden Flansches an einer Schulter 40 dichtend abgestützt ist. Der mittels einer Ringschraube 42 an die Schulter 40 angepresste Flansch dichtet den Hochdruckraum 24 ab, so dass kein Brennstoff zwischen dem Gehäuse 10 und dem Nadelführungselement 38 aus dem Hochdruckraum 24 in einen eine Akutatoranordnung 44 aufnehmenden Abschnitt des Gehäuses 10 ausströmen kann. Auf der der Ringschraube 42 zugewandten Seite des Nadelführungselements 38 liegt an diesem dichtend ein Dichtelement 45 in Form einer Membrane 46 an, die das hohle rotationssymmetrische Nadelführungselement 38 überspannt und vorzugsweise aus Metall, insbesondere Stahl, hergestellt ist. Die Membrane 46 dichtet die Aktuatoranordnung 44 gegenüber eines Steuerraumes 48 ab, welcher umfangsseitig vom Nadelführungselement 38 und auf der der Membrane 46 gegenüberliegenden Seite von einer Stirnseite 50 des Einspritzventilglieds 22 begrenzt ist.
- Der Steuerraum 48 ist durch die Nadelführung 36 mit dem Hochdruckraum 24 verbunden. Der Strömungsquerschnitt zwischen dem Nadelführungselement 38 und dem Einspritzventilglied 22 entfaltet jedoch eine derartige Drosselwirkung, dass beim Auslenken der Membran 46 mittels der Aktuator-anordnung 44 wesentlich mehr Volumen verschoben wird als in der gleichen Zeit Brennstoff vom Hochdruckraum 24 in den Steuerraum hineinfliessen oder umgekehrt ausfliessen kann. Zu diesem Zweck weist die Gleitpassung in der Nadelführung 36 beispielsweise ein Spiel von einigen Mikrometern auf.
- Die freiliegende Stirnseite des hülsenartigen Nadelführungselements 38 bildet einen Gegenanschlag 52, welcher mit einem am Einspritzventilglied 22 in der Form eines umlaufenden Wulstes ausgebildeten Anschlag 54 zusammenwirkt. Der Anschlag 54 und Gegenanschlag 52 definieren die maximale Offenstellung des Einspritzventilglieds 22. Der maximale Hub des Einspritzventilglieds 22 ist mit H angegeben.
- Zwischen der Ringschraube 42 und der Membrane 46 ist eine Ringscheibe 56 eingelegt. Die Ringscheibe 56 und Ringschraube 42 sind mit Abstand von einem Aktuatorschaft 58 durchgriffen, welcher mit seiner konvex geformten Stirnseite 60 an den entsprechend konkav geformten freiliegenden Bereich der Membrane 46 anliegt. Durch diese Formgebung kann die Beanspruchung der Membrane 46 minimiert werden. Die Membrane 46 ist mit ihren äusseren, ringförmigen, einen Flansch bildenden Handbereich zwischen dem Nadelführungselement 38 und der Ringscheibe 56 eingespannt gehalten.
- Der Aktuatorschaft 58 wird mittels eines Aktuators in axialer Richtung hin und her bewegt, wobei es sich in bevorzugter Weise um einen elektrisch angesteuerten piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktuator 62 handelt. Die elektrischen Anschlussleiter für den Aktuator 62 sind mit 64 bezeichnet.
- Mit derartigen Aktuatoren 62 sind Hübe des Aktuatorschafts 58 in der Grössenordnung von 0,05 bis 0,08 mm erzielbar. Um trotzdem einen Hub H des Einspritzventilglieds 22 von etwa 0,2 bis 0,3 mm zu erzielen, ist der Durchmesser des Aktuatorschafts 58 bzw. des mittels diesem auslenkbaren Bereichs der Membrane 46 grösser gewählt als der als Kolben im Nadelführungselement 38 wirkende Durchmesser des Einspritzventilglieds 22.
- Der Aktuator 62 ist in einem Aktuatorgehäuse 66 aufgenommen, welches mit seiner der Membrane 46 zugewandten Gehäuseseite an einer weiteren Schulter 40' des Gehäuses 10 anliegt und mittels einer in das Gehäuse eingewindeten weiteren Ringschraube 42' an der weiteren Schulter 40' in Anlage gehalten ist. Durch die Schultern 40, 40' und die entsprechend toleranzgenaue Ausführungsform des Flansches des Nadelführungselements 38 einerseits und andererseits des Aktuatorgehäuses 66, des Aktuators 62 und Aktuatorschafts 58, wird das gewünschte genaue Zusammenwirken der Aktuatoranordnung 44 mit der Membrane 46 und somit des Einspritzventilglieds 22 erzielt. Toleranzbedingte, kleine Positionsunterschiede der Stirnseite 60 der zusammengebauten Aktuatoranordnung 44 und der Lage der Schulter 40' von Brennstoffeinspritzventil zu Brennstoffeinspritzventil inbezug auf die Position der Membrane 46 können durch Wahl der Dicke des Flansches des Nadelführungselements 38 auf einfache Weise ausgeglichen werden. Zur exakten Einhaltung des Nadelhubes H gibt es mehrere auf demselben Prinzip des Längenausgleichs beruhende Möglichkeiten. Es gelingt damit in einer Serienproduktion, erfindungsgemässe Brennstoffeinspritzventile mit exakt vordefinierten Eigenschaften zusammenzubauen.
- Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass mittels einer Innensechskantschraube 68 eine Bohrung im Gehäuse 10 verschlossen ist, welche zum Bohren des winkelförmig verlaufenden Brennstoffzuführkanals 26 angebracht wurde.
- Das in der
Fig. 1 gezeigte Brennstoffeinspritzventil funktioniert wie folgt. In Schliessstellung des Einspritzventilglieds 22, wie sie in derFig. 1 gezeigt ist, ist der Aktuator 62 derart angesteuert, dass sich der Aktuatorschaft 58 in seiner Endlage befindet, in welcher die Membrane 46 in Richtung des Steuerraumes 48 maximal ausgelenkt ist. Der Druck zwischen dem Hochdruckraum 24 und dem Steuerraum 48 ist ausgeglichen. Da die Summe der vom Brennstoff in Richtung des Einspritzventilsitzes 20 mit Druck beaufschlagten Flächen des Einspritzventilglieds 22 grösser ist als die Summe der in Gegenrichtung mit Brennstoffdruck beaufschlagten Flächen, wird das Einspritzventilglied 22 am Einspritzventilsitz 20 in Anlage gehalten. - Zum Auslösen eines Einspritzvorgangs wird der Aktuator 62 derart angesteuert, dass der Aktuatorschaft 58 zurückgezogen wird. Da die dem Aktuator zugewandte Seite der Membrane 46 Umgebungsdruck, die dem Steuerraum 48 und somit Hochdruckraum 24 zugewandte Seite jedoch dem sehr hohen Druck des Brennstoffs ausgesetzt ist, bewegt sich die Membrane 46 mit dem Aktuatorschaft 58 in Richtung vom Einspritzventilsitz 20 weg. Da in dieser kurzen Zeit der Bewegung kein oder nur sehr wenig Brennstoff über die Nadelführung 36 in den Steuerraum 48 nachfliessen kann, wird durch diese Bewegung der Membrane 46 das Volumen des Steuerraums 48 leicht vergrössert und verschoben, was zum Abheben des Einspritzventilglieds 22 vom Einspritzventilsitz 20 in Richtung gegen innen führt. Mit anderen Worten wird durch die Bewegung der Membrane 46 der Druck im Steuerraum 48 verkleinert, was jedoch durch die Bewegung des Einspritzventilglieds 22 sofort praktisch vollständig wieder ausgeglichen wird. Bei maximalem Hub H liegt der Anschlag 54 am Gegenanschlag 52 an. In entsprechender Weise wird der Einspritzvorgang beendet, indem der Aktuator 62 derart angesteuert wird, dass sich der Aktuatorschaft 58 in Richtung auf das Ventilsitzelement 16 zu bewegt, so dass sich das Einspritzventilglied 22 dichtend an den Einspritzventilsitz 22 anlegt. Das Brennstoffeinspritzventil ist nun für den nächsten Einspritzvorgang bereit.
- Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich somit auch besonders gut bei Vor- oder Mehrfacheinspritzungen, sowie auch für eine Einspritzverlaufsformung durch gezielte Wahl des Bewegungsverlaufs des Aktuators 62 und folglich des Einspritzventilglieds 22 sowohl beim Öffnen wie auch, gegebenenfalls, beim Schliessen.
- Da die Aktuatoranordnung 44 vollständig gegenüber dem mit Brennstoff gefüllten Räumen des Brennstoffeinspritzventils abgedichtet ist und die Ansteuerung des Einspritzventilglieds 22 ohne Pilotventil erfolgt, treten keine Brennstoffverluste auf. Die Tatsache, dass der Raum 63, hydraulisch nicht mit dem Hochdruckraum 24 und auch nicht mit dem Steuerraum 48 verbunden oder verbindbar ist, bedeutet nicht, dass dieser Raum leer (d.h. unter Vakuum steht) oder ausschliesslich mit Luft gefüllt sein muss. Es kann vorteilhaft sein, diesen Raum teilweise oder ganz mit einer hydraulischen Flüssigkeit zu füllen, z.B. mit Hydrauliköl, um die Schmierung und Dauerhaltbarkeit der Aktuatoranordnung 44 sicherzustellen.
- Die in der
Fig. 2 gezeigte Ausbildungsform des erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils ist jener gemässFig. 1 sehr ähnlich. Es werden bei der Beschreibung aller Ausführungsformen für dieselben bzw. gleichwirkenden Teile die gleichen Bezugszeichen benützt wie inFig. 1 und es werden im folgenden nur noch die Unterschiede dargelegt. - Der Aktuatorschaft 58 durchgreift den Aktuator 62 und ist mit diesem auf der der Membrane 46 abgewandten Seite 62' verbunden. Dadurch ist die Bewegungsrichtung des Aktuatorschafts 58 im Vergleich zu jener bei der Ausführungsform gemäss
Fig. 1 bei gleicher Ansteuerung des Aktuators 62 umgekehrt. - Weiter durchgreifen Positionierungsstifte 70 die Ringscheibe 56, die das Dichtelement 45 bildende Membrane 46 und den Flansch des Nadelführungselements 38. Da diese Positionierungsstifte 70 in entsprechende Positionierungslöcher 72 im Gehäuse 10 eingreifen, ist die Position der genannten Teile bezüglich des Gehäuses 10 in radialer Richtung als auch in der Drehlage festgelegt.
- Weiter ist der den Anschlag 54 bildende Wulst des Einspritzventilglieds 22 mit Spiel von einer Abstützhülse 74 umgriffen, die sich einerseits am freien Ende des Nadelführungselements 38 und andererseits an einer Druckfeder 76 abstützt, die ihrerseits mittels einer Stützscheibe 78 am Einspritzventilglied 22 abgestützt ist.
- Die Druckfeder 76 hält das Einspritzventilglied 22 am Einspritzventilsitz 20 in Anlage, wenn der Hochdruckraum 24 nicht unter Hochdruck steht oder der Aktuator 62 ausfallen sollte. Im übrigen entspricht die Funktionsweise des in der
Fig. 2 gezeigten Brennstoffeinspritzventils jener der inFig. 1 gezeigten Ausführungsform, wobei jedoch der Aktuator 62 entsprechend umgekehrt anzusteuern ist. - Die Ausbildungsform gemäss
Fig. 3 ist jener gemässFig. 1 sehr ähnlich, wobei jedoch die Längsachsen 80, 82 der Aktuatoranordnung 44 und des Einspritzventilglieds 22 relativ zueinander desaxiert jedoch parallel verlaufend sind. Diese Ausführungsform erlaubt gegenüber der Ausbildungsform gemässFig. 1 eine kompaktere Gestaltung des Gehäuses 10. - In leicht abgewandelter, nicht dargestellter Ausführung könnte die Achse 80 auch in einem (akuten) Winkel zur Längsachse 82 stehen.
- Um die genannte Desaxierung aufnehmen zu können, ist das Nadelführungselement 38 nicht mehr rein rotationssymmetrisch ausgebildet. Der die Nadelführung 36 bildende Abschnitt ist zur Längsachse 82 rotationssymmetrisch, wogegen der an die das Dichtelement 45 bildende Membrane 46 angrenzende Teil wenigstens annähernd rotationssymmetrisch zur Längsachse 80 ausgebildet ist.
- Weiter ist in dieser Ausführungsform keine Ringschraube 42 vorhanden; das Aktuatorgehäuse 66 liegt direkt auf der Ringscheibe 56 auf. Das Aktuatorgehäuse 66 ist mittels der weiteren Ringschraube 42' gegen die Ringscheibe 56 und somit die Membrane 46 gepresst. Zwischen der weiteren Schulter 40' und der Gegenschulter am Aktuatorgehäuse 66 ist Spiel vorhanden. Durch die Wahl der Dicke der Ringscheibe 56 können toleranzbedingte, kleine Positionsunterschiede der Stirnseite 60 von Brennstoffeinspritzventil zu Brennstoffeinspritzventil auf einfache Art und Weise ausgeglichen werden.
-
Fig. 4 zeigt einen Abschnitt einer weiteren Ausbildungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils. Das Ventilsitzelement 16 ist bei dieser Ausführungsform stirnseitig auf das Gehäuse 10 aufgesetzt und mittels einer Überwurfmutter 84 an diesem befestigt. Zwischen dem Gehäuse 10 und dem Einspritzventilglied 22 ist die das Dichtelement 45 bildende Membrane 46 und der Flansch des Nadelführungselements 38 eingeklemmt. Der Brennstoffzuführkanal 26 läuft vom Gehäuse 10 durch diese beiden Teile hindurch zum vom Ventilsitzelement 16 umfangsseitig und von an diesem angeformten Einspritzventilsitz 20 begrenzten Hochdruckraum 24. Der Hochdruckraum 24 ist somit ausschliesslich - mit Ausnahme des nicht gezeigten Brennstoffhochdruckeinlasses und dem Brennstoffzuführkanal 26 - im Ventilsitzelement 16 angeordnet. - Die Membrane 46 ist topfförmig ausgebildet und von der Aktuatoranordnung 44 ist einzig ein Teil des Aktuatorschafts 58 gezeigt, welcher in die Membrane 46 eingreift und an der Stirnseite 60 entsprechend der Membrane 46 flach und entlang des Randes mit einem geeigneten Radius ausgebildet ist.
- Die Membrane 46, das Nadelführungselement 38 und der diesseitige Endbereich des nadelförmigen Einspritzventilglieds 22 begrenzen wiederum den Steuerraum 48.
- Gestrichelt sind am Nadelführungselement 38 je ein rippenartiges, radial nach aussen vorstehendes Führungselement von zwei Führungen 38a und 38b dargestellt, von denen jeweils nur eine notwendig ist, um das Nadelführungselement 38 im Ventilsitzelement 16 bezüglich der Gehäuseachse 12 zu zentrieren und auszurichten. Über die Nadelführung 36 ist das Einspritzventilglied 22 im Nadelführungselement 38, und über die Führungsrippen 32 im Ventilsitzelement 16 geführt. Damit werden die Teile 16, 38 und 22 exakt miteinander fluchten, und die einwandfreie Funktion des Brennstoffeinspritzventils ist sichergestellt. Die Führungen 38a, 38b weisen in der Umfangsrichtung gleichmässig verteilt vorzugsweise drei Führungselemente auf.
- Aus
Fig. 4 geht deutlich der bevorzugte Flächenunterschied zwischen den wirksamen Flächen der Membrane 46 und des Einspritzventilglieds 22 hervor, um dadurch eine Übersetzung zwischen dem Hub des Aktuatorschafts 58 und jenem des Einspritzventilglieds 22 zu erzielen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser D1 des Aktuatorschafts 58 beispielsweise 5 mm. Der topfförmige Teil der Membrane 46 liegt am Aktuatorschaft 58 an und ist dünnwandig ausgebildet, so dass die wirksame Fläche der Membrane 46 etwa einem Durchmesser von 5,5 bis 6 mm entspricht. Wird der Durchmesser D2 der Nadelführung 36 bzw. des Einspritzventilgliedes 22 bei der Nadelführung 36 zwischen 2,5 bis 3 mm gewählt, ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von ungefähr 4. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass der Aussendurchmesser D3 des mit dem Einspritzventilsitz 20 zusammenwirkenden Teils des Einspritzventilglieds 22 bei ca. 2 mm gewählt ist. - Ist die Nadelführung 36 als enge Gleitpassung für den Endbereich 34 des Einspritzventilglieds 22 ausgelegt - mit einem Spiel von ca. 2 bis 4 Mikrometer - kann ferner in einer Variante am Nadelführungselement 38 ein Drosseldurchlass 86 ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, in radialer Richtung gesehen, vom Brennstoffzuführkanal 26 gegen innen die dem Nadelführungselement 38 zugewandte Seite der Membrane 46 mit einer definierten Rauheit auszubilden, um ein gewünschtes Leck zwischen dem Steuerraum 48 und dem Hochdruckraum 24 ähnlich dem Drosseldurchlass 86 herzustellen. Anstelle des Drosseldurchlasses 86 und/oder diesem Leck kann auch ein definiertes grösseres Spiel zwischen dem Nadelführungselement 38 und dem Einspritzventilglied 22 gewählt werden, um die Betriebssicherheit zu steigern im Falle, dass der Aktuator 62 ausfallen sollte. Es wird dadurch, mit einer Zeitverzögerung, im Steuerraum Druckausgleich mit dem Hochdruckraum 24 hergestellt, was bei Ausfall des Aktuators 62 dazu führt, dass das Einspritzventilglied 22 sich in Schliessstellung bewegt und beim Ausfall des Aktuators 62 eine Dauereinspritzung vermieden wird. Selbstverständlich ist die Zeitkonstante für den Druckausgleich im Verhältnis zur Zeitdauer eines Einspritzvorganges relativ lange gewählt.
- Das Einspritzventilglied 22 könnte, wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen, mit einem Anschlag 54 ausgebildet sein. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass eine Druckfeder 76, wie bei der Ausführungsform gemäss
Fig. 2 , zusammen mit der Drosselöffnung 86 bzw. dem definierten Leck zwischen dem Hochdruckraum 24 und dem Steuerraum 48, bei der Ausführungsform gemässFig. 4 , die Betriebssicherheit beim Ausfall des Aktuators 62 ebenfalls erhöhen kann. - Die Ausführungsform der topfförmigen Membrane 46 von
Fig. 4 ist für die Funktion bei hohem Brennstoffdruck recht günstig, da sich die relativ dünne Membrane 46 ganz auf die Vorderpartie des Aktuatorschafts 58 abstützt und somit, verglichen mit den Ausführungen derFig. 1 bis 3 , keinen freien Bereich aufweist, der der Druckkraft des Brennstoffs keine Gegenkraft entgegensetzen kann. - Auch der kritische Übergangsbereich 46c der Membrane 46 mit allmählich zunehmender Wandstärke vom dünnwandigen zylindermantelförmigen Teil 46a in den senkrecht dazustehenden, dickeren Bereich 46b, der einen Flansch bildet, kann sich noch an den Aktuatorschaft 58 abstützen. Der flache Vorderteil 46d der Membrane 46 könnte auch dicker ausgebildet sein, als mit
Fig. 4 gezeigt. - Ist die Membrane 46 aus einem Stück, so wird sie vorzugsweise als Tiefziehteil hergestellt. Die Membrane 46 kann auch aus mehreren zusammengefügten Teilen bestehen. Zum Beispiel kann im Übergangsbereich 46c oder in dessen Nähe der dünne Membrankopf mit dem dickeren Bereich 46b verschweisst werden. Desgleichen kann die Verbindung des (evtl. dickeren) Vorderteils 46d mit dem dünneren Teil der Membrane 46 realisiert werden. Andere Verbindungsarten einer mehrteiligen Membrane 46 sind ebenfalls denkbar. Auch die übrigen Membranen 46 können aus mehreren Teilen gefertigt sein.
- Während des Betriebs des Brennstoffeinspritzventils verkürzt oder dehnt sich der dünnere zylindrische Teil 46a der Membrane 46, entsprechend der Bewegung des Aktuatorschafts 58, im elastischen Bereich des Membranmaterials. Bei einer Stahlmembran sind Dehnungen von 20 bis 30 Mikrometer pro 10 mm Membranlänge durchaus realisierbar. Werden andere Werkstoffe verwendet, z.B. Titan, Titanlegierungen oder weitere Speziallegierungen, sind wesentlich grössere, elastische Dehnungen, bis oder über das Zweifache, realisierbar.
- Soll die Membrane 46 möglichst dehnbar sein, muss zugleich der Aktuatorschaft 58 möglichst starr sein. Dies kann durch geeignete Materialwahl stark beeinflusst werden. Beispielsweise kann sich anstelle von Stahl ein Aktuatorschaft 58 aus Keramikmaterial gut eignen.
- In Betrieb resultiert eine Relativbewegung im Mikrobereich zwischen der inneren Wand des zylindrischen Teils 46a der Membrane 46 und der Umfangsfläche des Aktuatorschafts 58. Hier müssen die Reibung und die Abnützung minimiert bzw. vermieden werden. Dies kann z.B. durch geeignete Beschickungen, Materialpaarungen oder Schmierung mittels der Hydraulikflüssigkeit im Raum 63 (
Fig. 1 ) realisiert werden, gekoppelt mit entsprechenden kleinen Schmierrillen, Nuten, Mikroschmiertaschen und dergleichen an der Umfangsfläche des Aktuatorschafts 58. - Bei der Ausführungsform gemäss
Fig. 5 sind, wie bei jener gemässFig. 3 , die Längsachsen 80, 82 der Aktuatoranordnung 44 und des Einspritzventilglieds 22 relativ zueinander desaxiert. Wie bei der Ausführungsform gemässFig. 4 ist das Ventilsitzelement 16 stirnseitig auf das Gehäuse 10 aufgesetzt und mittels der Überwurfmutter 84 an diesem festgehalten. Zwischen dem Gehäuse 10 und dem Ventilsitzelement 16 ist eine dicke Zwischenscheibe 88 mit einem Durchlass eingesetzt. Im Durchlass befindet sich die dicke Ringscheibe 56, welche die das Dichtelement 45 bildende Membrane 46 zwischen sich und der diesseitigen Stirnfläche des Ventilsitzelements 16 umfangsseitig einklemmt. Die Ringscheibe 56 stützt sich mit ihrer der Membrane 46 abgewandten Stirnseite, wie die Zwischenscheibe 88, am Gehäuse 10 ab. Die Membrane 46 dichtet wiederum den Steuerraum 48 und somit den Hochdruckraum 24 gegenüber der Aktuatoranordnung 44 ab. Um sicherzustellen, dass die Abdichtung des Brennstoffzuführkanals 26 zwischen Gehäuse 10 und Zwischenscheibe 88 einerseits, Zwischenscheibe 88 und Ventilsitzelement 16 andererseits und des Steuerraums 48 zugleich möglich sind, müssen an den Dichtstellen gleiche Flächenpressungen herrschen, was bei der Auslegung der Teile berücksichtigt werden muss. - Die Nadelführung 36 ist am Ventilsitzelement 16 ausgebildet und an die Nadelführung 36 schliesst auf der dem Einspritzventilsitz 20 zugewandten Seite mit einer ringförmigen Erweiterung der Ausnehmung im Ventilsitzelement 16 der Hochdruckraum 24 an, welcher sich wiederum bis zum Einspritzventilsitz 20 erstreckt. Der Hochdruckraum 24 ist mittels des Brennstoffzuführkanals 26, welcher im Ventilsitzelement 16 von der Erweiterung ausgehend zur Zwischenscheibe 88 und von dort parallel zur Längsachse 88 durch die Zwischenscheibe 88 hindurch und im Gehäuse 10 zum nicht gezeigten Brennstoffhochdruckeinlass verläuft.
- Bei der in der
Fig. 5 gezeigten Ausbildungsform ist die Nadelführung 36, bei welcher es sich wiederum um eine enge Gleitpassung handeln kann, am Ventilsitzelement 16 ausgebildet. In analoger Weise ist es möglich, die Nadelführung 36 am Gehäuse 10 auszubilden. Im übrigen ist die Funktionsweise der in derFig. 5 gezeigten Ausbildungsform gleich jener gemäss den übrigen, weiter oben beschriebenen Ausbildungsformen. - Der Unterschied zwischen der in
Fig. 5 und der inFig. 6 gezeigten Ausführungsform liegt darin, dass die Ringscheibe 56 inFig. 6 dünner ausgebildet ist und mittels einer in die dicke Zwischenscheibe 88 eingewindeten Ringschraube 42 gegen die Membrane 46 gedrückt ist, um diese dichtend an der Stirnseite des Ventilsitzelements 16 in Anlage zu halten. -
Fig. 7 zeigt eine der Ausführungsform gemässFig. 4 ähnliche Variante, wobei jedoch kein Nadelführungselement 38 und kein Steuerraum 48 vorhanden sind. Das den Hochdruckraum 24 umfangs- und einspritzseitig begrenzende Ventilsitzelement 16 liegt dichtend am flanschartigen, dickeren Bereich 46b der das Dichtelement 45 bildenden Membrane 46 an und drückt diese, unter der Wirkung der Überwurfmutter 84 dichtend an das Gehäuse 10 an. - Das mittels Führungsrippen 32 am Ventilsitzelement 16 in Richtung der Gehäuseachse 12 verschiebbar gefühte, nadelartige Einspritzventilglied 22 durchgreift wiederum den Hochdruckraum 24 und arbeitet mit seinem kegelförmigen Endbereich mit dem am Ventilsitzelement 16 angeformten Einspritzventilsitz 20 zusammen.
- Die Membrane 46 weist im Bereich des Vorderteils 46d eine Öffnung 90 auf, welche vom Einspritzventilglied 22 durchgriffen ist. Die Membrane 46 ist entlang dieser Öffnung 90 mit einer Schulterfläche 92' einer Verdickung 92 des Einspritzventilglieds 22 verschweisst. Die Verdickung 92 ist somit im Innern des von der topfförmigen Membrane 46 umgrenzten und vom Hochdruckraum 24 abgetrennten Bereich angeordnet und wirkt mit seiner ebenen Stirnseite 50 mit der ebenfalls eben ausgebildeten Stirnseite 60 des Aktuatorschafts 58 zusammen.
- Im übrigen sind die Membrane 46 und der Aktuatorschaft 58 gleich ausgebildet und ihr Zusammenwirken ist identisch wie in
Fig. 4 gezeigt und weiter oben im Zusammenhang mitFig. 4 beschrieben. - Als weitere Ausbildungsform mit gleicher Funktionsweise wie jene gemäss
Fig. 7 ist es möglich, die Membrane 46 und den Aktuatorschaft 58 wie inFig. 4 gezeigt auszubilden, wobei jedoch der Vorderteil 46d der Membrane 46 dickwandig ausgebildet ist und eine sacklochartige zentrische Ausnehmung für die Aufnahme des diesseitigen Endbereichs des Einspritzventilglieds 22 aufweist. Dabei ist das Einspritzventilglied 22 gleich wie inFig. 4 gezeigt ausgebildet und es ist mit dem Vorderteil 46d der Membrane 46 verschweisst. Der Vorderteil 46d der Membrane 46 und das Einspritzventilglied 22 sind somit, wie bei der Ausführungsform gemässFig. 7 , fest miteinander verbunden und bewegen sich miteinander in Richtung der Gehäuseachse 12. Gleich wie inFig. 7 gezeigt, grenzt die Membrane 46 den Hochdruckraum 24 dicht gegenüber der Aktuatoranordnung 44 ab. Wie aus derFig. 7 hervorgeht, weisen der Aktuatorschaft 58 und die Verdickung 92 des Einspritzventilgliedes 22 denselben Durchmesser auf und stützen den zylinderförmigen dünnwandigen Mantelteil 46a der Membrane 46 ab. Dieser ist besonders lange ausgebildet und hat somit eine extra grosse Dehnlänge. - Durch die Kraft der Aktuatoranordnung 44 wird das Einspritzventilglied 22 am Einspritzventilsitz 20 in dichtender Anlage gehalten. Bei Auslösung eines Einspritzvorgangs wird der Aktuatorschaft 58 in Richtung vom Einspritzventilsitz 20 weg bewegt. Dieser Bewegung folgt das Einspritzventilglied 22 unmittelbar infolge der vom unter Hochdruck stehenden Brennstoff im Hochdruckraum 24 auf die Membrane 46 in axialer Richtung ausgeübten Kraft. Für die Beendigung des Einspritzvorgangs werden mittels des Aktuators 62 der Aktuatorschaft 58 und das Einspritzventilglied 22 auf den Einspritzventilsitz 20 zu bewegt, bis an diesem das Einspritzventilglied 22 wieder anliegt.
-
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausbildungsform, welche bezüglich Aufbau jener gemässFig. 4 sehr ähnlich und bezüglich Funktionsweise identisch ausgebildet ist. Der wesentliche konstruktive Unterschied liegt darin, dass das Dichtelement 45 nicht mehr als durchgehende topfförmige Membrane 46 ausgebildet ist, sondern als membranähnliches topfförmiges Dichtelement 45 ohne Topfboden. Der dünnwandige, kreiszylinderförmige Teil 46a des Dichtelements 45 liegt flächig und kraftschlüssig am Aktuatorschaft 58 an. Das dichtende und mitnahmefeste Anliegen wird durch den grossen Druckunterschied unterstützt, welcher zwischen dem Steuerraum 48 und der dem Steuerraum 48 abgewandten Seite des Dichtelements 45 herrscht. Dieser Druckunterschied presst den zylindrischen Teil 46a des Dichtelements 45 mit grosser Kraft an den Aktuatorschaft 58 an. Der Aktuator 62 ist somit mittels des Dichtelements 45 und des Aktuatorschafts 58 vom Steuerraum 48 dicht abgetrennt. - Das Dichtelement 45 ist, gleich wie die Membrane 46 in
Fig. 4 , mit einem dickeren, einen Flansch bildenden Bereich 46b zwischen dem Nadelführungselement 38 und dem Gehäuse 10 dichtend eingeklemmt gehalten. In einem Übergangsbereich 46c nimmt die Wandstärke vom Bereich 46b zum zylinderförmigen Teil 46a hin kontinuierlich ab; im Schnitt gesehen hat das Dichtelement im Übergangsbereich 46c die Form eines Keils. Bei der Bewegung des Aktuatorschafts 48 in Richtung der Gehäuseachse 12 - der Hub ist, wie weiter oben beschrieben, klein - bewegt sich der zylinderförmige Teil 46a mit dem Aktuatorschaft 58 mit, während das Dichtelement 46 sich im Übergangsbereich 46c biegt. - Es können Flach-, Well- oder Topf-Membranen eingesetzt werden. Da magnetostriktive und elektrostriktive (piezoelektrische) Aktuatoren einen relativ kleinen Hub mit grosser Kraft ausführen können, sind sie besonders für das Zusammenwirken mit Membranen geeignet; infolge des kleinen Hubes werden diese dynamisch gering beansprucht, was zu einer grossen Lebensdauer beiträgt, obwohl der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der Membrane sehr gross ist.
- Es können auch andersartige Aktuatoren eingesetzt werden. Um Verluste zu vermeiden, ist jedoch das Einspritzventilglied 22 nicht Pilotventil gesteuert.
- Selbstverständlich ist es denkbar, den Endbereich 34 des Einspritzventilglieds 22 noch stärker als in
Fig. 5 gezeigt als doppelwirkender Kolben auszubilden. - Werden Aktuatoren 62 mit einem Hub eingesetzt, der grösser ist als der vom Einspritzventilglied 22 auszuführende Hub, können bei Ausführungsformen mit einem Steuerraum 48 die wirksamen Flächenverhältnisse von Membrane 46 und Einspritzventilglied 22 derart gewählt werden, dass eine Hubuntersetzung eintritt. Die Flächenverhältnisse können gegebenenfalls auch so gewählt werden, dass der Hub des Aktuatorschafts 58 jenem des Einspritzventilglieds 22 entspricht.
- Die gezeigten erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventile müssen keine kräftigen Schliessfedern aufweisen, wie bekannte pilotventilgesteuerte Brennstoffeinspritzventile.
- Insbesondere wenn Schliessfedern verwendet werden, können diese dazu benützt werden, das den Steuerraum 48 begrenzende Nadelführungselement 38 dichtend an den flanschartigen Bereich 46b des Dichtelements 45 anzudrücken. Dies sei anhand der
Fig. 4 und8 erläutert. Die Schliessfeder würde sich einerends am Einspritzventilglied 22 und andernends am Nadelführungselement 38 abstützen. Dieses wäre hülsenförmig - ohne in radialer Richtung vorstehenden Klemmflansch - ausgebildet und würde sich mit einer ringförmigen Stirnfläche am Bereich 46b des Dichtelements 45 abstützen. Zwischen dem Bereich 46b und dem Ventilsitzelement 16 wäre ein rohrförmiges Zwischenstück eingesetzt, das zum Nadelführungselement 38 einen radialen Abstand aufweist, um die Strömungsverbindung zwischen dem Brennstoffzuführkanal 26 und dem Hochdruckraum 24 sicherzustellen. Der Bereich 46b würde mittels des Zwischenstücks dichtend an die Stirnseite des Gehäuses 10 angedrückt.
Claims (14)
- Brennstoffeinspritzventil zur intermittierenden Brennstoffeinspritzung in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Gehäuse (10), einem mit einem Brennstoffhochdruckeinlass (28) verbundenen und von einem Einspritzventilsitz (20) begrenzten Hochdruckraum (24), einem Steuerraum (48), der dazu bestimmt ist, mit Brennstoff gefüllt zu sein, einem im Hochdruckraum (24) angeordneten, nadelförmigen Einspritzventilglied (22), das einerseits mit dem Einspritzventilsitz (20) zusammenwirkt, und einer Aktuatoranordnung (44) mit einem Aktuator, welcher zur Steuerung der Bewegung des Einspritzventilgliedes (22) den Druck im Steuerraum beeinflusst, wobei zwischen dem Steuerraum (48) und dem Aktuator (62) ein Dichtelement angeordnet ist, welches den Aktuator (62) von Brennstoff frei hält, mit seinem ringförmigen Flansch bezüglich des Gehäuses (10) fest und dicht angeordnet ist und zur Bewegung des Einspritzventilgliedes (22) mittels der Aktuatoranordnung (44) ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet dass das Einspritzventilglied (22) andererseits in der Art eines Kolbens in Gleitpassung an einer zwischen dem Steuerraum (48) und dem Hochdruckraum (24) angeordneten Nadelführung (36) verschiebbar gelagert ist und den Steuerraum (48) begrenzt.
- Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement eine Membrane (46) aufweist, welche den Steuerraum (48) von der Aktuatoranordnung (44) abtrennt.
- Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoranordnung (44) einen vom Aktuator (62) betätigten Aktuatorschaft (58) aufweist, der mit einer Stirnseite (60) mit der Membrane (46) zusammenwirkt.
- Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (46) topfförmig ausgebildet ist und der Aktuatorschaft (38) in die Membrane (46) eingreift.
- Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement membranartig und topfförmig, jedoch topfbodenlos ausgebildet ist und die Aktuatoranordnung (44) einen vom Aktuator (62) betätigten Aktuatorschaft (58) aufweist, der das Dichtelement mitnahmefest und dichtend durchgreift.
- Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement aus wenigstens zwei, miteinander dicht verbundenen, insbesondere miteinander verschweissten Teilen besteht.
- Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelführung (36) an einem Ventilsitzelement (16) angeformt ist, an welchem auch der Ventilsitz (20) angeformt ist und welches den Hochdruckraum (24) umschliesst.
- Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelführung (36) an einem den Steuerraum (48) begrenzenden Nadelführungselement (38) ausgebildet ist.
- Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitpassung als enge Gleitpassung ausgebildet ist und zwischen dem Steuerraum (48) und dem Hochdruckraum (24), ausserhalb der Gleitpassung, eine eine Drosselwirkung entfaltende Verbindung (86) vorhanden ist.
- Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventilglied (22) bezüglich der Aktuatoranordnung (44) desaxiert ist.
- Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die auslenkwirksame Fläche des Dichtelements, gegebenenfalls inklusive der Querschnittsfläche des das Dichtelement durchgreifenden Teils des Aktuatorschafts (38), grösser ist als die mit dem Steuerraum (48) zusammenwirkende Querschnittsfläche des Einspritzventilgliedes (22).
- Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventilglied (22) einen Anschlag (54) aufweist, der in einer maximal zulässigen Offenstellung des Einspritzventilgliedes (22) mit einem Gegenanschlag (52) zusammenwirkt, der bezüglich eines Gehäuses (10) fest angeordnet ist.
- Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Nadelführungselement (38) eine rippenartige, vorstehende Führung (38a, 38b) zu seiner Zentrierung aufweist.
- Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoranordnung (44) einen elektrisch angesteuerten piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktuator (62) aufweist.
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