Beschreibung
Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritz- vorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solche Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brenn- kraftmaschine, die aus der DE 102 46 974 bekannt ist und zum Beispiel für ein Common-Rail-Einspritzsystem verwendet wird, umfasst eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung, ein Gehäuse und einen Kolben als Düsennadel, wobei der Kolben, der ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist, in einer Aus- nehmung, die in dem Gehäuse ausgebildet ist, zwischen einer
Schließstellung und einer Einspritzstellung verschiebbar ist, wobei ein Kanal vom vorderen Ende des Kolbens zum hinteren Ende des Kolbens verläuft, wobei hinter dem hinteren Ende des Kolbens eine hintere Kammer ausgebildet ist, in welcher der Kanal mündet, wobei vor dem vorderen Ende des Kolbens eine vordere Kammer ausgebildet ist, wobei seitlich zwischen dem Gehäuse und dem vorderen Ende des Kolbens ein Kraftstoffräum ausgebildet ist, und wobei das vordere Ende des Kolbens in der Schließstellung an einem Dichtsitz anliegt und so die Auslassöffnung verschließt.
Die aus der DE 102 46 974 bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung ermöglicht einen hohen Einspritzdruck des einzuspritzenden Kraftstoffs, kann aber keine extrem schnelle und präzise Mehrfachdirekteinspritzung erreichen wie für Dieselmotoren erwünscht, um eine bessere Verbrennung zu erzielen und den Schadstoffausstoß zu verringern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine besonders präzise und schnelle Einsprit¬ zung ermöglicht.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß mündet die Einlassöffnung in dem Kraftstoff¬ raum, und mündet der Kanal in der vorderen Kammer, so dass ein Druckausgleich zwischen dem vorderen Kammer und der hinteren Kammer stattfindet.
Vorteilhafterweise ist zur Bewegung des Kolbens nur ein ge¬ ringer Kraftaufwand erforderlich und kann das Öffnen und Schließen der Auslassöffnung lediglich durch das Verschieben des Kolbens bewirkt werden. Zudem ist die Einspritzvorrich- tung nicht besonders komplex und daher günstig zu fertigen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kolben rotationssymmetrisch ausgebildet, und verläuft der Kanal entlang der Symmetrieachse durch den Kolben.
Vorteilhafterweise behindert der Kanal somit nicht die Vorse¬ hung von Absperrelementen zwischen dem Gehäuse und dem Kolben .
In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform verläuft um den Kolben eine Anschlagskante, die in der Schlie߬ stellung gegen den Dichtsitz stößt und so die Auslassöffnung gegenüber der Einlassöffnung absperrt, und verläuft um den Kolben eine weitere Anschlagskante, die in der Schließstel- lung gegen den Dichtsitz stößt und so die Auslassöffnung gegenüber dem Kanal absperrt .
Vorteilhafterweise kann eine große Anzahl Einspritzlöcher zwischen den beide Anschlagkanten ausgebildet werden, weswe- gen nur ein geringes Totvolumen zwischen den zwei Anschlagkanten erforderlich ist und sich das Einspritzvolumen leicht steuern lässt. Zudem stellen die zwei Anschlagkanten eine
stabile, dichte und dauerhafte Absperrung der Auslassöffnung dar .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kolben so ausgebildet, dass in der Schließstellung Kraftstoff an dem hinteren Ende auf den Kolben entlang dem Kolben (4, 4a) eine Kraft ausübt, die vom Betrag her im Wesentlichen gleich einer Kraft ist, die Kraftstoff in der vorderen Kammer entlang dem Kolben ausübt.
Vorteilhafterweise ist es möglich, den isobar ausgebildeten Kolben mit geringem Kraftaufwand aus der Schließstellung in die Einspritzstellung zu verschieben. „Im Wesentlichen" bedeutet in diesem Fall, dass ein Unterschied der Kräfte am vorderen Ende und am hinteren Ende zu vernachlässigen ist. Die Einspritzstellung ist in diesem Zusammenhang eine jede Stellung der Kolbens, in welcher die Auslassöffnung nicht verschlossen ist.
In einer Weiterbildung der weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kolben so ausgebildet ist, dass in der Schlie߬ stellung Kraftstoff in dem Kraftstoffräum im Wesentlichen keine Kraft auf das vordere Ende ausübt.
Vorteilhafterweise beeinflussen dann Druckunterschiede zwi¬ schen dem Kraftstoff in der hinteren Kammer und dem Kraftstoff in dem Bereich am vorderen Ende, in dem die Einlassöffnung mündet, nicht das isobare Kräftegleichgewicht.
In noch einer Weiterbildung ist eine Hülse zwischen dem hinteren Ende des Kolbens und dem Gehäuse vorgesehen.
Vorteilhafterweise ermöglicht es die Hülse, den Kolben auf geschickte Weise so auszubilden, dass in der Schließstellung Kraftstoff in einem Bereich am vorderen Ende, in dem die Einlassöffnung mündet, im Wesentlichen keine Kraft auf das vordere Ende ausübt .
In noch einer Weiterbildung ist der Kolben so ausgebildet, dass in der Schließstellung Kraftstoff an dem hinteren Ende auf den Kolben entlang dem Kolben eine Kraft ausübt, die vom Betrag her im Wesentlichen gleich einer Kraft ist, die Kraftstoff in einem Bereich an dem vorderen Ende, in dem der Kanal mündet, entlang dem Kolben ausübt.
Vorteilhafterweise lässt sich dann in der Schließstellung ein Kräftegleichgewicht auch einstellen, wenn der Kraftstoff in der hinteren Kammer einen anderen Druck hat als der Kraftstoff in einem Bereich am vorderen Ende, in dem die Einlassöffnung mündet .
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kolben so ausgebildet, dass in der Einspritzstellung eine Kraft, die Kraftstoff an dem hinteren Ende auf den Kolben entlang dem Kolben ausübt, vom Betrag her um eine Kraftdiffe¬ renz kleiner als eine Kraft ist, die Kraftstoff an dem vorde- ren Ende auf den Kolben entlang dem Kolben ausübt.
Vorteilhafterweise lässt sich so ein Bereich an der Vorderseite des Kolbens zwischen den beiden Anschlagskanten schaffen, der die Auslassöffnung bedeckt.
In einer Weiterbildung der weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Feder vorgesehen, die in der Einspritzstellung eine Kraft auf das hintere Ende entlang dem Kolben ausübt, die vom Betrag her genauso groß wie die Kraftdifferenz ist.
Vorteilhafterweise lässt sich so auch in der Einspritzstel¬ lung ein Kräftegleichgewicht der auf den Kolben einwirkenden Kräfte herstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeich¬ nungen näher beschrieben.
Es zeigen:
FIG. 1 einen Querschnitt einer Kraftstoffeinspritzvorrich- tung;
FIG. 2 einen Querschnitt einer weiteren Kraftstoffeinspritz- vorrichtung;
FIG. 3 eine detaillierte Ansicht des vorderen Endes der Kraftstoffeinspritzvorrichtung aus FIG. 1; und
FIG. 4 eine detaillierte Ansicht des vorderen Endes der Kraftstoffeinspritzvorrichtung aus FIG. 2.
Ausführungsformen der Erfindung
FIG. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Krafteinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Mindestens eine Ein¬ lassöffnung 1 in dem Gehäuse 2 ist an eine Sammelleitung (Common Rail, nicht gezeigt) angeschlossen, in der sich
Kraftstoff unter hohem Druck (ca. 2000 bar) befindet, und mündet zumindest in der Schließstellung in einer Ausnehmung im Inneren des Gehäuses 2 auf der Höhe einer Nut 3, die ring¬ förmig um einen zylindrischen Kolben 4 läuft, der in der Aus- nehmung aufgenommen ist und eine Düsennadel darstellt. Seit¬ lich zwischen dem Gehäuse 2 und dem vorderen Ende des Kolbens 4 ist ein Kraftstoffräum 17 ausgebildet, während der Kolben 4 zwischen der Nut 3 und der hinteren Kammer dicht geführt ist. Der Kolben 4 ist an seinem hinteren Ende mit einer Antriebs- Stange 5 verbunden, die durch eine zylindrische Antriebsstan¬ genführung 6 läuft und vorzugsweise einstückig mit dem Kolben 4 ausgebildet ist. Die Antriebsstange 5 und somit der Kolben
4 werden von einem piezoelektrischen Aktuator (nicht gezeigt) , der hinter der fest mit dem Gehäuse 2 verbundenen Antriebsstangenführung 6 angeordnet ist, entlang der Ausnehmung zwischen einer Schließstellung und einer Einspritzstellung hin- und herbewegt. Die Antriebsstange 5 wird von einem Ak¬ tor, beispielsweise einem Servoventil oder einem piezoelekt¬ rischen Aktor, betätigt. Am hinteren Ende des Kolbens 4 ist eine hintere Kammer 7 vorgesehen, die in der Einspritzstel¬ lung zu einem schmalen Schlitz verengt sein kann und über ei- nen Kanal 8, der entlang der Symmetrieachse S des Kolbens 4 angeordnet ist, mit einer vorderen Kammer 9 am vorderen Ende des Kolbens 4 verbunden ist Bei der vorderen Kammer 9, die in der Schließstellung ebenfalls zu einem schmalen Schlitz verengt sein kann, münden mehrere Auslassöffnungen 10. Von der Außenseite des Gehäuses 2 laufen mehrere Leckagebohrungen 11 zu der Ausnehmung im Gehäuse 2 auf Höhe des Kolbens 4 und der Antriebsstangenführung 6. Aus der vorderen Kammer 9 kann etwas Leckage über die dichte Führung des Kolbens 4 im Gehäuse 2 abfließen.
FIG. 3 zeigt eine detaillierte Ansicht des vorderen Endes der Kraftstoffeinspritzvorrichtung aus FIG. 1. In dem Bereich vor der ringförmigen Nut 3 ist ein Kraftstoffräum 17 als ein Spalt zwischen dem Kolben 4 und dem Gehäuse 2 ausgebildet, so dass Kraftstoff in der Einspritzstellung entlang dem Spalt von der Einlassöffnung 1 zu den Auslassöffnungen 10 strömen kann. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung befindet sich jedoch in FIG. 3 in der Schließstellung.
Um das vordere Ende des sich verjüngenden Kolbens 4 verläuft eine ringförmige Nut 13, so dass zwei Anschlagskanten 14 und 15 ausgebildet sind. Die vordere Anschlagkante 14 stößt di¬ rekt vor den Auslassöffnungen 10, die ringförmig entlang der Innenwand angeordnet sind, gegen das Gehäuse 2, so dass Kraftstoff, der sich in der hinteren Kammer 7 oder der vorderen Kammer 9 befindet, nicht aus den Auslassöffnungen 10 austreten kann. Die hintere Anschlagkante 15 stößt direkt hinter
den Auslassöffnungen 10 gegen das Gehäuse 2, so dass Kraftstoff nicht von der mindestens einen Einlassöffnung 1 zu den Auslassöffnungen 10 strömen kann. Statt der Anschlagkanten 14 und 15 können auch ringförmige Vorsprünge vorgesehen sein, die unter bzw. über den Auslassöffnungen 10 entlang der Innenwand der Ausnehmung (oder um den Kolben 4) verlaufen und in der Schließstellung gegen den Kolben 4 stoßen. Die vordere und hintere Anschlagkante 14, 15 bilden Dichtkanten, die in der Schließstellung die Auslassöffnungen 10 verschließen und den Kraftstoffräum 20 von der vorderen Kammer 9 trennen.
In der Schließstellung übt Kraftstoff am hinteren Ende des Kolbens eine Kraft Fh auf den Kolben aus, die das Produkt ei¬ ner hinteren effektiven Querschnittsfläche Ah (Querschnitt des Kolbens π-R2 abzüglich der Querschnittsfläche des An¬ triebsstange π-rs 2 und des Drucks p in der hinteren Kammer ist
(Fh = Ah -p = π-(R2 -rs 2)-p ) , wobei rs der Radius der Antriebsstange 5 und R der Radius des Kolbens 2 ist.
Dieser Kraft wirkt in der Schließstellung eine Kraft Fv am vorderen Ende des Kolbens 2 entgegen, welche die Summe der Kraft, die das Produkt einer effektiven Querschnittsfläche Av=π-r2 der vorderen Kammer und des Drucks p in der vorderen
Kammer ist, wobei rv der Abstand der vorderen Anschlagskante 14 von der Symmetrieachse S des Kolbens ist, und der Druck p in der vorderen Kammer 9 der gleiche wie in der hinteren Kammer 7 ist, und der Kraft ist, die das Produkt einer effekti¬ ven Querschnittsfläche Aκ=π-(R2-r2) des Kraftstoffraums 17 und des Drucks p in dem Kraftstoffräum ist Fv=(Av+Aκ)-p =π-(R2 -r2 +r2)-p , wobei rh der Abstand der hinteren Anschlagskante 15 von der Symmetrieachse S des Kolbens ist, wobei da¬ von ausgegangen wird, dass der Druck in der hinteren Kammer 7 dem Druck entspricht, den Kraftstoff in der Sammelleitung hat.
Die Größen R, rs, rv, rh sind so gewählt, dass in der Schlie߬ stellung die Kraft, die auf das vordere Ende des Kolbens
wirkt, gleich der Kraft ist, welche auf das hintere Ende des Kolbens wirkt (Fh=Fv) , d.h. Ah=Av+Ak. Dies führt zu einer iso- baren Auslegung des Kolbens der Kraftstoffeinspritzvorrich- tung in der Schließstellung, für welche eine minimale Kraft ausreicht, um den Kolben aus der Schließstellung zu bewegen und in der Schließstellung beizubehalten.
Sobald der Kolben 4 zurückgeschoben wird und sich die Anschlagkanten 14, 15 von dem Gehäuse 2 entfernen, so dass der Kolben 4 aus der Schließstellung bewegt wird, ändert sich die Kraft, die von dem Kraftstoff auf den Kolben 4 ausgeübt wird. Wenn eine mögliche Druckänderung aufgrund des Ausströmens des Kraftstoffs vernachlässigbar ist, ist allein der Druck, der auf die zusätzliche Fläche zwischen der vorderen Anschlags- kante 14 und der hinteren Anschlagskante 15 ausgeübt wird, die Ursache hierfür. Diese Kraft kann in der Einspritzstel¬ lung durch eine Feder 12 ausgeglichen werden (FIG. 1), die so ausgelegt ist, dass sie lediglich in der Einspritzstellung eine Kraft ausübt.
FIG. 2 zeigt eine weitere Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Gleiche Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gefolgt von einem Kleinbuchstaben „a" bezeichnet. Die weitere Kraftstoffeinspritzvorrichtung unterscheidet sich von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung aus FIG. 1 durch eine Hülse 16a, die das hintere Ende des Kolbens 4a umgibt. Der Kolben 4a ist beweglich gegenüber der Hülse 16a ausgebildet. Die Hülse 16a kann fest mit dem Gehäuse 4a verbunden sein. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist außerdem keine Feder auf. Durch geeignete Ausbildung des Kolbens 2a und der Hülse 16a wird dafür gesorgt, dass Kraftstoff in dem Kraftstoffräum 17a keine Kraft auf das vordere Ende des Kolbens 2a ausübt. Der Kolben ist weiter so ausgestaltet, dass Kraftstoff an dem hinteren Ende auf den Kolben 2a eine Kraft ausübt, die vom Betrag her gleich einer Kraft ist, die Kraftstoffe in der vorderen Kammer 9a auf den Kolben 2a ausübt.
FIG. 4 zeigt eine detaillierte Ansicht des vorderen Endes der Kraftstoffeinspritzvorrichtung aus FIG. 2. Der Abstand rh der Hülse 16a und somit auch der Kante der ringförmigen Nut 3a, die an der Hülse 16a anliegt, von der Symmetrieachse S des Kolbens 4a entspricht dem Abstand rh der hinteren Anschlag¬ kante 15a von der Symmetrieachse S des Kolbens 4a, so dass Kraftstoff in dem Kraftstoffräum 17a keine Kraft auf das vor¬ dere Ende des Kolbens 2a ausübt, weil die entgegengesetzt ge¬ richteten effektiven Querschnittsflächen, auf welche der Kraftstoff im Kraftstoffräum 17a Druck ausübt, gleich groß sind (d.h. es gilt für die effektive Querschnittsfläche des Kraftstoffraums Aκ=0) . Die Größen, R, rs, rh, rv sind so ge¬ wählt, dass die hintere effektive Querschnittsfläche Ah so groß wie die effektive Querschnittsfläche Ak der vorderen Kammer ist. Die hintere effektive Querschnittsfläche Ah ist im vorliegenden Fall wegen der Hülse 16a gegeben durch Ah=π-((R-rh)2-rs 2).
Bezugszeichenliste
1 Einlassoffnung
Ia Einlassöffnung
2 Kolbengehäuse
2a Kolbengehäuse
3 Nut
3a Nut
4 Kolben
4a Kolben
5 AntriebsStange
5a Antriebsstange
6 AntriebsStangenführung
6a AntriebsStangenführung
7 hintere Kammer
7a hintere Kammer
8 Kanal
8a Kanal
9 vordere Kammer
9a vordere Kammer
10 Auslassöffnung
10a Auslassöffnung
11 Leckagebohrung
IIa Leckagebohrung
12 Feder
13 Nut
13a Nut
14 vordere Anschlagkante
14a vordere Anschlagkante
15 hintere Anschlagkante
15a hintere Anschlagkante
16a Hülse
17 Kraftstoffräum
17a Kraftstoffräum
S Symmetrieachse des Kolbens
R Radius des Kolbens rv Abstand der vorderen Anschlagkante rh Abstand der hinteren Anschlagkante