EP1952011B1 - Kraftstoff-einspritzvorrichtung für eine brennkraftmaschine mit kraftstoff-direkteinspritzung - Google Patents

Kraftstoff-einspritzvorrichtung für eine brennkraftmaschine mit kraftstoff-direkteinspritzung Download PDF

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EP1952011B1
EP1952011B1 EP06807052.3A EP06807052A EP1952011B1 EP 1952011 B1 EP1952011 B1 EP 1952011B1 EP 06807052 A EP06807052 A EP 06807052A EP 1952011 B1 EP1952011 B1 EP 1952011B1
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EP
European Patent Office
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pressure
valve element
fuel injection
injection device
chamber
Prior art date
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EP06807052.3A
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Andreas Rettich
Thomas Pauer
Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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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
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/20—Closing valves mechanically, e.g. arrangements of springs or weights or permanent magnets; Damping of valve lift
    • F02M61/205—Means specially adapted for varying the spring tension or assisting the spring force to close the injection-valve, e.g. with damping of valve lift
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F02M61/10—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type
    • F02M61/12—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type characterised by the provision of guiding or centring means for valve bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/001—Control chambers formed by movable sleeves
    • 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
    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/003—Valve inserts containing control chamber and valve piston

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection device for an internal combustion engine with direct fuel injection according to the preamble of claim 1.
  • the DE 100 24 702 A1 and DE 100 24 703 A1 each show a fuel injection device with which the fuel can be injected directly into its associated combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a valve element is arranged in a housing, which in the region of a fuel outlet opening has a total acting in the opening direction of the valve element pressure surface.
  • a control surface acting in the closing direction is present, which delimits a control chamber.
  • a high fuel pressure is present at a region of the pressure surface acting in the opening direction and at the control surface acting in the closing direction, as is provided by a fuel rail.
  • the excess force acting in the closing direction is achieved by the pressure surface acting in the opening direction at least when the valve element is closed is smaller than the control surface acting in the closing direction.
  • the pressure applied to the control surface is lowered until the hydraulic force resultant in the opening direction on the pressure surface exceeds the forces acting in the closing direction. As a result, opening of the valve element is effected.
  • valve element In both known fuel injectors, the valve element "floats" in high fuel pressure.
  • measures are proposed with which the pressure in the control room after lowering can be raised again very quickly.
  • Object of the present invention is to develop a fuel injection device of the type mentioned so that it closes very quickly. Another object is a simplified manufacture of the device.
  • the closing of the valve element is assisted by the fact that when the valve element is open is lowered at the pressure acting in the opening direction of the pressure surface (or at least at a part thereof). This is possible, for example, by a corresponding throttling between the valve element and a housing-side valve seat region and / or by an additional valve spool section.
  • the restriction can be adjusted so that at least slightly open valve element, the force acting in the opening direction is smaller than when the valve element is closed. As a result, the closing process is supported and accelerated. The valve element is "sucked" to close the quasi to the valve seat.
  • the invention makes it possible in a special way to design the pressure surface acting in the opening direction and the control surface acting in the closing direction, each projecting onto a plane perpendicular to the direction of movement of the valve element, at least approximately the same size. This allows a low-cost production of the valve element.
  • the fuel injection device according to the invention operates with a high efficiency, since the existing in earlier devices leakage between the valve element and the housing is no longer available. A return line can be made smaller in the sequence.
  • valve element as a whole can be arranged in a high-pressure space connected to the high-pressure connection.
  • a sealing sleeve can be provided. This can be radially free, ie without guidance, so that manufacturing tolerances can be easily compensated.
  • the control of the control chamber can then be done by an existing example in the sleeve control channel.
  • the valve element is multi-part and at least two parts of the valve element are coupled to each other via a hydraulic coupler.
  • the hydraulic coupler may comprise an intermediate disc which geometrically separates a first coupling space from a second coupling space. This simplifies the production.
  • the hydraulic coupler comprises a connecting channel which connects the two coupling spaces hydraulically with each other. This allows the optimization of the coupler, for example by designing the connecting channel as a flow restrictor.
  • At least one of the parts of the valve element can be designed as an elastic pressure rod such that an opening movement of the control chamber limiting part of the valve element is time-delayed transmits to the cooperating with the valve seat part of the valve element.
  • a fuel injector carries in the figure as a whole the reference numeral 10. It comprises a housing 12, which in turn has a nozzle body 12a, a Injector body 12b, and a nozzle lock nut 12c includes.
  • a stepped recess 14 is provided in its longitudinal direction, of which in FIG. 1 Lower end fuel outlet channels 16 go out, which pass through the wall of the nozzle body 12 a.
  • a needle-like valve element 18 is arranged in the recess 14. This has an overall substantially constant diameter D.
  • the valve element 18 has a conical tip formed by a first conical annular surface 20 and a second conical end surface 22.
  • the annular surface 20 and the end surface 22 have a different conicity, so that a sealing edge 24 is formed between them. This is when the valve element 18 is closed at an opposite also conical valve seat surface 26 in FIG. 1 lower end portion of the recess 14 in the nozzle body 12a. In this way, the valve element 18 can separate the fuel discharge passages 16 from an annular high-pressure space 28 present upstream of the sealing edge 24 between the valve element 18 and the housing 12.
  • the high pressure chamber 28 extends over the entire length of the recess 14 and the valve element 18. The latter is guided in the housing 12 above all over a only a small axial length having guide portion 30, which with a complementary guide portion 32 at in FIG. 1 cooperates with the upper end of the nozzle body 12a.
  • the high-pressure chamber 28 is not interrupted by the two guide sections 30 and 32:
  • the valve element 18 In the region of the guide section 30, the valve element 18 has four flattened portions 34 distributed over its circumference, through which the corresponding guide sections 30 and 32 pass Flow channels are formed, which are also part of the high-pressure chamber 28.
  • the flats 34 are dimensioned such that a throttling of the flow, which flows through the flow channels formed, is substantially zero.
  • the recess 14 is in FIG. 1 closed at the top by a valve piece 36.
  • the valve piece 36 is attached to the injector body 12b in a manner not shown. Between the sleeve portion 38 and a slightly spaced from this annular collar 42 on the valve element 18, a spring 44 is clamped, by which the valve element 18 is acted upon very easily in the closing direction.
  • a control surface 46 is present at the in FIG. 1 upper end of the valve element 18, a control surface 46 is present. It represents a part of a boundary of a control chamber 48 formed between the sleeve portion 38 and the valve element 18.
  • the control chamber 48 Via an inlet throttle 50, the control chamber 48 is connected to the high pressure chamber 28, which in turn is connected via a channel 52 in the injector body 12 b with a high pressure port 54.
  • This in turn is connected in the operation of the fuel injection device 10 with a fuel rail ("rail"), which in FIG. 1 but not shown.
  • fuel rail fuel can be stored under very high pressure.
  • a plurality of fuel injectors may be connected.
  • An outlet throttle 56 connects the control chamber 48 further with a switching valve 58.
  • the switching valve 58 in this example has a valve ball 62, which in turn is acted upon by a valve stem 64 which in turn either hydraulically or directly via a corresponding actuator 66 is actuated.
  • fuel injector 10 is operated as follows: In an initial state, the switching valve 58 is closed.
  • the high fuel pressure (up to 1800 bar) prevailing at the high-pressure connection 54 prevails in the high-pressure space 28 and is also transmitted through the inlet throttle 50 into the control chamber 48.
  • the high pressure is also at the conical annular surface 20 in FIG. 1 lower end of the valve element 18 at.
  • the hydraulic conical annular surface 20 acting in the opening direction is smaller overall than the control surface 46 acting in the closing direction. For this reason, a force resultant in the closing direction acts altogether on the valve element 18, which ensures that the sealing edge 24 of the valve element 18 abuts against the opposite valve seat surface 26 is pressed.
  • the connection of the high-pressure chamber 28 is interrupted to the fuel outlet channels 16.
  • the switching valve 58 is opened.
  • the control chamber 48 is now connected via the outlet throttle 56 to the low pressure port 60. Since the inlet throttle 50 throttles more than the outlet throttle 56, the pressure in the control chamber 48 and consequently also the force acting on the control surface 46 and acting in the closing direction decreases Force. As soon as it falls below the hydraulic force acting on the conical annular surface 20 and acting in the opening direction (minus the force of the spring 44), the valve element 18 with the sealing edge 24 lifts away from the valve seat surface 26. Fuel now flows from the high-pressure chamber 28 to the fuel outlet channels 16.
  • the switching valve 58 In order to stop the injection of fuel by the fuel injection device 10, the switching valve 58 is closed. The connection of the control chamber 48 to the low pressure port 60 is therefore interrupted. Fuel can now flow back through the inlet throttle 50 into the control chamber 48, so that there adjusts the pressure prevailing at the high pressure port 54 and the high pressure chamber 28.
  • the fact that the valve element 18 now executes a closing movement, although the hydraulic cross-sectional area of the control surface 46 acting in the closing direction and the hydraulic cross-sectional area of the pressure surfaces 20 and 22 acting in the opening direction are the same, is related to the following: In the region of the sealing edge 24, the flow between the both annular surfaces 20 and 22 on the one hand and the opposite valve seat surface 26 on the other hand very slightly throttled.
  • the geometry of the conical annular surface 20 and the conical end surface 22, in particular the conicity of these two surfaces 20 and 22, relative to the valve seat surface 26 is selected so that over a stroke H a course of the force acting in the opening direction F is achieved, as in FIG. 2 is shown.
  • the force F 1 acting in the opening direction is smaller than the force F 0 acting in the opening direction due to throttling effects.
  • a force F 2 Only at a further increased stroke H acts in the opening direction, a force F 2 , which is significantly greater than the force F 0 .
  • valve element 18 is virtually "sucked” toward the end of the closing operation and accordingly closes quickly.
  • a force course, as in FIG. 2 is shown, in addition or reinforced by the formation of a valve spool portion (in FIG. 1 not shown), which cooperates with a corresponding housing-side section.
  • valve element 18 is in one piece as a whole.
  • a certain elasticity which causes a certain compression with closed valve element 18, which can be used to even the smallest amounts of fuel in the range of 1 mm 3 targeted and precise inject.
  • FIG. 3 A first embodiment of a fuel-one embodiment of a fuel injection device is in FIG. 3 shown.
  • the sleeve portion 38 is formed as a separate part of the valve 36. It is pushed onto the end region 40 of the valve element 18 and is acted upon by the spring 44 against the valve piece 36.
  • a further modified second embodiment shows FIG. 4 ,
  • the valve element 18 is divided into two, with a nozzle needle 68 and a control piston 70.
  • the control piston 34 is comparatively long and dimensioned so that it, as will be explained in more detail below, has a significant elasticity.
  • Nozzle needle 68 and control piston 70 are coupled to each other via a hydraulic coupler 72 comprising two hydraulic coupling chambers 74a and 74b.
  • the two coupling spaces 74a and 74b are geometrically separated from each other by a housing-side washer 76, but hydraulically connected to each other via a connecting channel 78.
  • the upper coupling space 74a is bounded radially by a sleeve 80a, the lower of a sleeve 80b.
  • the sleeves are each pressed against the intermediate disc 76 in a spring 81a and 81b, which is supported on the housing side (spring 81a) or on the nozzle needle 68 (spring 81b).
  • the control piston 70 defines with an end face 82 axially the upper coupling space 74a, the nozzle needle with an end face 84 the lower coupling space 74b.
  • the control piston 70 moves in FIG. 4 up.
  • the pressure in the upper coupling chamber 74a decreases, which transfers via the connecting channel 78 into the lower coupling space 74b and also leads there to a pressure reduction.
  • the nozzle needle 68 is quasi wound up.
  • FIG. 4 it can be seen that the control piston 70 and the nozzle needle 68 "float" in the high pressure of the above and below the washer 76 high-pressure chambers 28a and 28b.
  • corresponding passages (without reference numerals) are present in the intermediate disk 76. As a result, the sealing problem is reduced.
  • control piston 34 Due to the elasticity and length L, in particular of the control piston 34, it is possible that even very small amounts of fuel can be injected with the fuel injection device 18. This is due to the fact that the control piston initially, when the nozzle needle 68 rests against the housing-side valve seat, is elastically compressed by the high pressure in the control chamber 48. At a pressure reduction in the control chamber 48, the control piston 70 must first be lengthen to bring about the above-mentioned pressure reduction in the coupling chambers 74a and 74b.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die DE 100 24 702 A1 und DE 100 24 703 A1 zeigen jeweils eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, mit der der Kraftstoff direkt in einen ihr zugeordneten Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Hierzu ist in einem Gehäuse ein Ventilelement angeordnet, welches im Bereich einer Kraftstoff-Austrittsöffnung eine insgesamt in Öffnungsrichtung des Ventilelements wirkende Druckfläche aufweist. Am entgegengesetzten Ende des Ventilelements ist eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche vorhanden, welche einen Steuerraum begrenzt.
  • Bei geschlossener Kraftstoff-Einspritzvorrichtung liegt an einem Bereich der in Öffnungsrichtung wirkenden Druckfläche und an der in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche ein hoher Kraftstoffdruck an, wie er beispielsweise von einer Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail") bereitgestellt wird. Der in Schließrichtung wirkende Kraftüberschuss wird erreicht, indem die in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche zumindest bei geschlossenem Ventilelement kleiner ist als die in Schließrichtung wirkende Steuerfläche.
  • Zum Öffnen des Ventilelements wird der an der Steuerfläche anliegende Druck abgesenkt, bis die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraftresultierende an der Druckfläche die in Schließrichtung wirkenden Kräfte übersteigt. Hierdurch wird ein Öffnen des Ventilelements bewirkt.
  • Bei beiden bekannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen "schwimmt" das Ventilelement im hohen Kraftstoffdruck. Bei dem in der DE 199 24 703 A1 gezeigten Ventilelement sind darüber hinaus die in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche und die in Schließrichtung wirkende Steuerfläche, auf eine Ebene orthogonal zur Längsachse des Ventilelements, gleich groß. Um dennoch ein sicheres Schließen des Ventilelements gewährleisten zu können, werden Maßnahmen vorgeschlagen, mit denen der Druck im Steuerraum nach einer Absenkung wieder besonders rasch angehoben werden kann.
  • In der EP 0971118 A wird eine weitere Einspritzvorrichtung offenbart.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie sehr schnell schließt. Eine weitere Aufgabe ist eine vereinfachte Herstellung der Vorrichtung.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Verfahrensanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
    • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird das Schließen des Ventilelements dadurch unterstützt, dass bei geöffnetem Ventilelement der an der in Öffnungsrichtung wirkenden Druckfläche (oder zumindest an einem Teil hiervon) anliegende Druck abgesenkt wird. Dies ist beispielsweise durch eine entsprechende Drosselung zwischen dem Ventilelement und einem gehäuseseitigen Ventilsitzbereich und/oder durch einen zusätzlichen Ventilschieberabschnitt möglich.
  • Mittels einer entsprechenden Ausformung einerseits des gehäuseseitigen Ventilsitzbereichs und andererseits eines entsprechenden Dichtbereichs am Ventilelement kann die Drosselung so eingestellt werden, dass mindestens bei etwas geöffnetem Ventilelement die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft kleiner ist als bei geschlossenem Ventilelement. Hierdurch wird der Schließvorgang unterstützt und beschleunigt. Das Ventilelement wird zum Schließen quasi an den Ventilsitz "angesaugt".
  • Die Erfindung ermöglicht es in besonderer Weise, die in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche und die in Schließrichtung wirkende Steuerfläche, jeweils auf eine Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilelements projiziert, wenigstens in etwa gleich groß auszugestalten. Dies gestattet eine preiswerte Fertigung des Ventilelements.
  • Vorgeschlagen wird auch, in allen zwischen Steuerraum und Druckraum liegenden Räumen, die das Ventilelement umgeben, im Betrieb wenigstens zeitweise und wenigstens in etwa der am Hochdruckanschluss herrschende hohe Kraftstoffdruck herrscht. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Ausnehmung, in der das Ventilelement insgesamt aufgenommen ist, mit dem Hochdruckanschluss verbunden ist. Ein Niederdruckbereich ist demzufolge nicht mehr vorhanden ("druckausgeglichenes" Ventil). Somit kann keine Leckage zwischen dem Hoch- und einem solchen Niederdruckbereich auftreten, so dass auch die entsprechende Abdichtung und eine hierfür erforderliche Leckageleitung entfallen können.
  • Dies gestattet einen einfacheren Aufbau der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit insgesamt weniger Teilen, was zum einen die Montage erleichtert und zum anderen eine kleinere Bauweise ermöglicht. Darüber hinaus arbeitet die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad, da die bei früheren Vorrichtungen vorhandene Leckage zwischen Ventilelement und Gehäuse nicht mehr vorhanden ist. Eine Rücklaufleitung kann in der Folge kleiner ausgelegt werden.
  • Dadurch, dass eine Abdichtung zwischen der in Öffnungsrichtung wirkenden Druckfläche und der in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche nicht mehr im bisherigen Sinne erforderlich ist, kann das Ventilelement insgesamt in einem mit dem Hochdruckanschluss verbundenen Hochdruckraum angeordnet sein. Um eine Druckabsenkung im Steuerraum dennoch erreichen zu können, kann dann einfach eine Dichthülse vorgesehen sein. Diese kann radial frei, also ohne Führung, sein, so dass Fertigungstoleranzen einfach ausgeglichen werden können. Die Ansteuerung des Steuerraums kann dann durch einen beispielsweise in der Hülse vorhandenen Steuerkanal erfolgen.
  • Um mit der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auch Kleinstmengen im Bereich,von 1 mm3 einspritzen zu können, wird eine "Stauchung" des Ventilelements durch eine entsprechende Längenbeziehungsweise Materialauswahl des Ventilelements eingestellt. Alle vorangegangenen Maßnahmen ermöglichen einen Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auch bei sehr hohen Drücken von bis zu 1800 bar.
  • Erfindungsgemäß ist das Ventilelement mehrteilig und mindestens zwei Teile des Ventilelements über einen hydraulischen Koppler miteinander gekoppelt sind. Hierdurch wird die Freiheit bei der Auslegung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung erheblich erhöht. Auch die Herstellung der Vorrichtung wird vereinfacht.
  • In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die beiden Teile des Ventilelements im hydraulischen Koppler dann, wenn das Ventilelement am Ventilsitz anliegt, voneinander beabstandet sind. Hierdurch wird eine direkte mechanische Kopplung der beiden Teile und somit ein mögliches Prellen verhindert.
  • Dabei kann der hydraulische Koppler eine Zwischenscheibe umfassen, die einen ersten Koppelraum von einem zweiten Koppelraum geometrisch trennt. Dies vereinfacht die Herstellung.
  • Möglich ist, dass der hydraulische Koppler einen die beiden Koppelräume hydraulisch miteinander verbindenden Verbindungskanal umfasst. Dies gestattet die Optimierung des Kopplers, beispielsweise durch Ausgestaltung des Verbindungskanals als Strömungsdrossel.
  • Mindestens eines der Teile des Ventilelements kann als elastische Druckstange derart ausgebildet sein, dass eine Öffnungsbewegung des den Steuerraum begrenzenden Teils des Ventilelements sich zeitverzögert auf den mit dem Ventilsitz zusammenarbeitenden Teil des Ventilelements überträgt. Auf diese Weise können trotz des Einsatzes eine preiswerten Magnetventils zur Steuerung des Drucks im Steuerraum auch sehr kurze Öffnungszeiten und damit die Fähigkeit, auch Kleinstmengen einspritzen zu können, realisiert werden.
    • Zeichnung Nachfolgend werden besonders bevorzugte
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    einen teilweisen Schnitt durch einen Bereich einer einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, die nicht Teil der Erfindung ist;
    Figur 2
    ein Diagramm, in dem ein Verlauf einer in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft über dem Hub eines Ventilelements der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von Figur 1 aufgetragen ist;
    Figur 3
    einen teilweisen Schnitt durch einen Bereich einer ersten Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung; und
    Figur 4
    eine Darstellung ähnlich zu Figur 1 einer zweiten Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung trägt in Figur insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Gehäuse 12, welches wiederum einen Düsenkörper 12a, einen Injektorkörper 12b, und eine Düsenspannmutter 12c umfasst. In dem Gehäuse 12 ist in seiner Längsrichtung eine gestufte Ausnehmung 14 vorhanden, von deren in Figur 1 unterem Ende Kraftstoff-Austrittskanäle 16 ausgehen, die die Wand des Düsenkörpers 12a durchsetzen.
  • In der Ausnehmung 14 ist ein nadelartiges Ventilelement 18 angeordnet. Dieses weist einen insgesamt im Wesentlichen konstanten Durchmesser D auf. An seinem in Figur 1 unteren Ende weist das Ventilelement 18 eine konische Spitze auf, die durch eine erste konische Ringfläche 20 und eine zweite konische Endfläche 22 gebildet wird. Die Ringfläche 20 und die Endfläche 22 haben eine unterschiedliche Konizität, so dass zwischen ihnen eine Dichtkante 24 gebildet ist. Diese liegt bei geschlossenem Ventilelement 18 an einer gegenüberliegenden ebenfalls konischen Ventilsitzfläche 26 im in Figur 1 unteren Endbereich der Ausnehmung 14 im Düsenkörper 12a an. Auf diese Weise kann das Ventilelement 18 die Kraftstoff-Austrittskanäle 16 von einem stromaufwärts von der Dichtkante 24 zwischen dem Ventilelement 18 und dem Gehäuse 12 vorhandenen ringförmigen Hochdruckraum 28 trennen.
  • Der Hochdruckraum 28 erstreckt sich über die gesamte Länge der Ausnehmung 14 bzw. des Ventilelements 18. Letzteres wird im Gehäuse 12 vor allem über einen eine nur geringe axiale Länge aufweisenden Führungsabschnitt 30 geführt, welcher mit einem komplementären Führungsabschnitt 32 am in Figur 1 oberen Ende des Düsenkörpers 12a zusammenarbeitet. Der Hochdruckraum 28 wird durch die beiden Führungsabschnitte 30 und 32 jedoch nicht unterbrochen: Im Bereich des Führungsabschnitts 30 weist das Ventilelement 18 nämlich vier über seinen Umfang verteilt angeordnete Abflachungen 34 auf, durch die entsprechende den Führungsabschnitt 30 beziehungsweise 32 durchquerende Strömungskanäle gebildet werden, welche ebenfalls Teil des Hochdruckraums 28 sind. Die Abflachungen 34 sind dabei so dimensioniert, dass eine Drosselung der Strömung, die durch die gebildeten Strömungskanäle hindurch strömt, im Wesentlichen Null ist.
  • Die Ausnehmung 14 wird in Figur 1 nach oben hin durch ein Ventilstück 36 verschlossen. Dieses ragt mit einem Hülsenabschnitt 38 ein Stück weit in die Ausnehmung 14 hinein, so dass in dem Hülsenabschnitt 38 ein von den Kraftstoff-Austrittskanälen 60 entgegengesetzter Endbereich 40 des Ventilelements 18 axial verschieblich, jedoch weitgehend fluiddicht aufgenommen ist. Das Ventilstück 36 ist auf nicht näher dargestellte Art und Weise am Injektorkörper 12b befestigt. Zwischen dem Hülsenabschnitt 38 und einem von diesem etwas beabstandeten Ringbund 42 am Ventilelement 18 ist eine Feder 44 verspannt, durch die das Ventilelement 18 ganz leicht in Schließrichtung beaufschlagt wird.
  • Am in Figur 1 oberen Ende des Ventilelements 18 ist eine Steuerfläche 46 vorhanden. Sie stellt einen Teil einer Begrenzung eines Steuerraums 48 dar, der zwischen dem Hülsenabschnitt 38 und dem Ventilelement 18 gebildet wird. Über eine Zulaufdrossel 50 ist der Steuerraum 48 mit dem Hochdruckraum 28 verbunden, der wiederum über einen Kanal 52 im Injektorkörper 12b mit einem Hochdruckanschluss 54 verbunden ist. Dieser wiederum ist im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 mit einer Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail") verbunden, die in Figur 1 jedoch nicht dargestellt ist. In einer solchen Kraftstoff-Sammelleitung kann Kraftstoff unter sehr hohem Druck gespeichert werden. An die Kraftstoff-Sammelleitung können mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen angeschlossen sein.
  • Eine Ablaufdrossel 56 verbindet den Steuerraum 48 ferner mit einem Schaltventil 58. Dieses verbindet den Steuerraum 48 in geöffnetem Zustand mit einem Niederdruckanschluss 60. Hierzu verfügt das Schaltventil 58 in diesem Bespiel über eine Ventilkugel 62, die wiederum von einem Ventilstößel 64 beaufschlagt wird, der wiederum entweder hydraulisch oder direkt über einen entsprechenden Aktor 66 betätigt wird.
  • Die in Figur 1 gezeigte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 wird folgendermaßen betrieben: In einem Ausgangszustand ist das Schaltventil 58 geschlossen. Der am Hochdruckanschluss 54 anliegende hohe Kraftstoffdruck (bis zu 1800 bar) herrscht im Hochdruckraum 28 und wird durch die Zulaufdrossel 50 auch in den Steuerraum 48 übertragen. Der hohe Druck liegt auch an der konischen Ringfläche 20 am in Figur 1 unteren Ende des Ventilelements 18 an. Die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische konische Ringfläche 20 ist jedoch insgesamt kleiner als die in Schließrichtung wirkende Steuerfläche 46. Aus diesem Grund wirkt insgesamt auf das Ventilelement 18 eine in Schließrichtung wirkende Kraftresultierende, welche dafür sorgt, dass die Dichtkante 24 des Ventilelements 18 gegen die gegenüberliegende Ventilsitzfläche 26 gedrückt wird. Somit ist die Verbindung des Hochdruckraums 28 zu den Kraftstoff-Austrittskanälen 16 unterbrochen.
  • Damit Kraftstoff von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 abgegeben werden kann, wird das Schaltventil 58 geöffnet. Der Steuerraum 48 ist nun über die Ablaufdrossel 56 mit dem Niederdruckanschluss 60 verbunden. Da die Zulaufdrossel 50 stärker drosselt als die Ablaufdrossel 56, sinkt der Druck im Steuerraum 48 und in der Folge auch die an der Steuerfläche 46 angreifende und in Schließrichtung wirkende Kraft. Sobald diese unter die an der konischen Ringfläche 20 angreifende und in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft (abzüglich der Kraft der Feder 44) absinkt, hebt das Ventilelement 18 mit der Dichtkante 24 von der Ventilsitzfläche 26 ab. Kraftstoff strömt nun vom Hochdruckraum 28 zu den Kraftstoff-Austrittskanälen 16.
  • Nun wirkt zusätzlich auch an der konischen Endfläche 22 ein hydraulischer Druck, der an dieser konischen Endfläche 22 eine zusätzliche in Öffnungsrichtung wirkende Kraft erzeugt (zum Verlauf der Kraft im Verhältnis zum Hub wird weiter unten im Zusammenhang mit Figur 2 noch ausführlich Stellung genommen). Hierdurch wird das Öffnen des Ventilelements 18 beschleunigt. Die konische Ringfläche 20 und die konische Endfläche 22 bilden also insgesamt eine in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche, deren hydraulisch wirksame Querschnittsfläche gleich der hydraulisch wirksamen Querschnittsfläche der Steuerfläche 46 ist.
  • Um die Einspritzung von Kraftstoff durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 zu beenden, wird das Schaltventil 58 geschlossen. Die Verbindung des Steuerraums 48 zum Niederdruckanschluss 60 ist daher unterbrochen. Kraftstoff kann nun durch die Zulaufdrossel 50 wieder in den Steuerraum 48 nachströmen, so dass sich dort der am Hochdruckanschluss 54 und im Hochdruckraum 28 herrschende Druck einstellt. Dass das Ventilelement 18 nun eine Schließbewegung ausführt, obwohl die in Schließrichtung wirkende hydraulische Querschnittsfläche der Steuerfläche 46 und die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Querschnittsfläche der Druckflächen 20 und 22 gleich groß sind, hängt mit Folgendem zusammen: Im Bereich der Dichtkante 24 wird die Strömung zwischen den beiden Ringflächen 20 und 22 einerseits und der gegenüberliegenden Ventilsitzfläche 26 andererseits ganz leicht gedrosselt.
  • Damit liegt zumindest an einem Bereich der konischen Endfläche 22 ein Druck an, der kleiner ist als der Druck im Hochdruckraum 28. Dies hängt auch mit dem Abströmen des Kraftstoffs durch die Kraftstoff-Austrittskanäle 16 zusammen.
  • Trotz eines insgesamt im Hochdruckraum 28 und im Steuerraum 48 gleichen Drucks und trotz gleicher in Schließrichtung und in Öffnungsrichtung wirkender hydraulisch wirksamer Querschnittsflächen ist also die in der Summe an der konischen Ringfläche 20 und der konischen Endfläche 22 in Öffnungsrichtung wirkende Kraft kleiner als die an der Steuerfläche 46 in Schließrichtung wirkende Kraft. Die am Ventilelement 18 insgesamt angreifende Kraftresultierende wirkt also in Schließrichtung, was zu einer Schließbewegung des Ventilelements 18 führt.
  • Die Geometrie der konischen Ringfläche 20 und der konischen Endfläche 22, insbesondere die Konizität dieser beiden Flächen 20 und 22, relativ zur Ventilsitzfläche 26 ist so gewählt, dass über einen Hub H ein Verlauf der in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft F erzielt wird, wie er in Figur 2 dargestellt ist. Aus dieser erkennt man, dass die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft beim Hub H = 0 (also bei mit der Dichtkante 24 an der Ventilsitzfläche 26 anliegendem Ventilelement 18) einen Wert F0 hat. Bei etwas geöffnetem Ventilelement 18, also ungefähr bei einem Hub H1, ist auf Grund von Drosseleffekten die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft F1 kleiner als die bei geschlossenem Ventilelement 18 in Öffnungsrichtung wirkende Kraft F0. Erst bei einem nochmals vergrößerten Hub H wirkt in Öffnungsrichtung eine Kraft F2, die deutlich größer ist als die Kraft F0.
  • Dies bedeutet im Umkehrschluss während des gerade beschriebenen Schließvorgangs, dass das Ventilelement 18 gegen Ende des Schließvorgangs quasi "angesaugt" wird und entsprechend schnell schließt. Ein Kraftverlauf, wie er in Figur 2 dargestellt ist, kann zusätzlich oder verstärkt auch durch die Ausbildung eines Ventilschieberabschnitts (in Figur 1 nicht gezeigt) herbeigeführt werden, der mit einem entsprechenden gehäuseseitigen Abschnitt zusammenarbeitet.
  • Es versteht sich, dass für ein sicheres Öffnen der Druck im Steuerraum 48 so weit abgesenkt werden muss, dass die an der Steuerfläche 46 in Schließrichtung wirkende Kraft zuzüglich der Kraft der Feder 44 kleiner ist als die Kraft F1.
  • Man erkennt aus Figur 1, dass das Ventilelement 18 insgesamt einstückig ist. Durch eine entsprechende Material- und Geometriewahl wird zwischen der Dichtkante 24 einerseits und dem Steuerraum 48 eine bestimmte Federelastizität eingestellt, die bei geschlossenem Ventilelement 18 eine gewisse Stauchung verursacht, welche dazu genutzt werden kann, auch kleinste Kraftstoffmengen im Bereich von 1 mm3 gezielt und präzise einzuspritzen.
  • Eine erste Ausführungsform einer Kraftstoff-Eine Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist in Figur 3 gezeigt. Dabei tragen hier und nachfolgend solche Elemente und Bereiche, die bereits im Zusammenhang mit Figur 4 erläutert wurden, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im Detail erläutert. Bei der in Figur 3 gezeigten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist der Hülsenabschnitt 38 als vom Ventilstück 36 separates Teil ausgebildet. Er ist auf den Endbereich 40 des Ventilelements 18 aufgeschoben und wird von der Feder 44 gegen das Ventilstück 36 beaufschlagt.
  • In radialer Richtung ist der Hülsenabschnitt 38 nicht gehalten. Die Führung des Ventilelements 18 erfolgt somit ausschließlich durch den Führungsabschnitt 30 am Ventilelement 18 und den Führungsabschnitt 32 am Düsenkörper 12a. Hierdurch wird eine leichtgängige Bewegung des Ventilelements 18 trotz gewisser Fertigungstoleranzen gewährleistet. Auch die Abdichtung des Steuerraums 48 wird hierdurch verbessert.
  • Es versteht sich, dass unter dem Begriff der hydraulisch wirksamen Querschnittsfläche einerseits der Druckfläche 20, 22 und andererseits der Steuerfläche 46 die Fläche der konischen Ringfläche 20, der konischen Endfläche 22, und der Steuerfläche 46 gemeint ist, die auf eine senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilelements 18 liegende Ebene projiziert ist. Da der Durchmesser des Ventilelements 18 konstant ist (Wert D), sind diese hydraulisch wirksamen Querschnittsflächen identisch.
  • Eine nochmals geänderte zweite Ausführungsform zeigt Figur 4. In dieser ist das Ventilelement 18 zweigeteilt, mit einer Düsennadel 68 und einem Steuerkolben 70. Der Steuerkolben 34 ist vergleichsweise lang und so dimensioniert, dass er, wie weiter unten noch genauer erläutert ist, eine deutliche Elastizität besitzt. Düsennadel 68 und Steuerkolben 70 sind über einen hydraulischen Koppler 72 miteinander gekoppelt, der zwei hydraulische Koppelräume 74a und 74b umfasst. Die beiden Koppelräume 74a und 74b sind durch eine gehäuseseitige Zwischenscheibe 76 geometrisch voneinander getrennt, über einen Verbindungskanal 78 aber hydraulisch miteinander verbunden.
  • Der obere Koppelraum 74a wird radial von einer Hülse 80a, der untere von einer Hülse 80b begrenzt. Die Hülsen werden jeweils in einer Feder 81a und 81b, die sich gehäuseseitig (Feder 81a) bzw. an der Düsennadel 68 (Feder 81b) abstützt, gegen die Zwischenscheibe 76 gedrückt. Der Steuerkolben 70 begrenzt mit einer Endfläche 82 axial den oberen Koppelraum 74a, die Düsennadel mit einer Endfläche 84 den unteren Koppelraum 74b.
  • Wird der Druck im Steuerraum 60 durch eine Ansteuerung des Aktors 66 (hier ein Magnetaktor) gesenkt, bewegt sich der Steuerkolben 70 in Figur 4 nach oben. Hierdurch sinkt der Druck im oberen Koppelraum 74a, was sich über den Verbindungskanal 78 in den unteren Koppelraum 74b überträgt und auch dort zu einer Druckabsenkung führt. In der Folge wird die Düsennadel 68 quasi aufgezogen.
  • Aus Figur 4 erkennt man, dass der Steuerkolben 70 und die Düsennadel 68 im Hochdruck der oberhalb und unterhalb der Zwischenscheibe 76 liegenden Hochdruckräume 28a und 28b "schwimmen". Hierzu sind in der Zwischenscheibe 76 entsprechende Durchlässe (ohne Bezugszeichen) vorhanden. Hierdurch wird die Abdichtungsproblematik reduziert.
  • Durch die Elastizität und Länge L vor allem des Steuerkolbens 34 wird es ermöglicht, dass mit der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 auch sehr kleine Kraftstoffmengen eingespritzt werden können. Dies dadurch, dass der Steuerkolben zunächst, wenn die Düsennadel 68 am gehäuseseitigen Ventilsitz anliegt, durch den hohen Druck im Steuerraum 48 elastisch zusammengedrückt wird. Bei einer Druckabsenkung im Steuerraum 48 muss sich der Steuerkolben 70 erst längen, um die oben genannte Druckabsenkung in den Koppelräumen 74a und 74b herbeizuführen.
  • Bei der Ausführungsform nach Figur 4 können durch eine entsprechende Auswahl der Verhältnisse des Durchmesser D1 der Endfläche 84 der Düsennadel 68 zum Durchmesser D2 der Endfläche 82 des Steuerkolbens 70 (Übersetzung) und des Durchmessers D2 zum Durchmesser D3 der Steuerfläche 46 (Druckstufe) die Kraftverhältnisse auf einfache Weise und doch präzise eingestellt werden.

Claims (9)

  1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse (12), mit einem in dem Gehäuse (12) angeordneten Ventilelement (18) mit einer in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Druckfläche (20, 22), die einen Hochdruckraum (28a, 28b) begrenzt, der mit einem Hochdruckanschluss (54) verbunden ist, und mit einer in Schließrichtung wirkenden hydraulischen Steuerfläche (46), die einen Steuerraum (48) begrenzt, in dem im Betrieb ein variabler Steuerdruck herrscht, wobei das geschlossene Ventilelement (18) mit einer konischen Spitze an einer Ventilsitzfläche (26) anliegt und so Kraftstoff-Austrittskanäle (16) vom Hochdruckraum (28a, 28b) trennt, und wobei das Ventilelement (18) in einer geöffneten Stellung (H1) oder einem geöffneten Stellungsbereich mit einem Gehäusebereich (26) drosselnd derart zusammenarbeitet, dass mindestens an einem Teil der Druckfläche (20, 22) ein Druck anliegt, der kleiner als der Druck im Hochdruckraum (28a, 28b) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (18) mehrteilig ist (68, 70) und mindestens zwei Teile (68, 70) des Ventilelements (18) über einen hydraulischen Koppler (72) miteinander gekoppelt sind.
  2. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffnetem Ventilelement (18) die hydraulisch wirksame Druckfläche (20, 22) und die hydraulisch wirksame Steuerfläche (46), jeweils auf eine Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilelements (18) projiziert, wenigstens in etwa gleich groß sind.
  3. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zwischen Steuerraum (48) und Hochdruckraum (28a, 28b) liegenden Räumen (28a, 28b), die das Ventilelement (18) umgeben, im Betrieb wenigstens zeitweise und wenigstens in etwa der am Hochdruckanschluss (54) herrschende hohe Kraftstoffdruck herrscht.
  4. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (18) einen Ventilschieberabschnitt aufweist, der wenigstens zeitweise, insbesondere beim Schließen, mit einem gehäuseseitigen Bereich (12) drosselnd derart zusammenarbeitet, dass der mindestens auf einen Teil der Druckfläche (20, 22) wirkende Druck unter den Druck im Hochdruckraum (28a, 28b) absinkt.
  5. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (48) von dem Hochdruckraum (28a, 28b) durch einen Hülsenabschnitt (38) fluidisch getrennt ist, der radial vom Gehäuse (12) nicht geführt ist.
  6. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (18) einen Führungsabschnitt (30) aufweist, an dem es in dem Gehäuse (12) fluidisch durchlässig geführt ist (32).
  7. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (68, 70) des Ventilelements (18) im hydraulischen Koppler (72) dann, wenn das Ventilelement (18) am Ventilsitz (26) anliegt, voneinander beabstandet sind.
  8. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (72) eine Zwischenscheibe (76) umfasst, die einen ersten Koppelraum (74a) von einem zweiten Koppelraum (74b) geometrisch trennt.
  9. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (72) einen die beiden Koppelräume (74a, 74b) hydraulisch miteinander verbindenden Verbindungskanal (78) umfasst.
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