EP2439398B1

EP2439398B1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP2439398B1
Application number: EP11190884.4A
Authority: EP
Inventors: Jens Leister; Holger Rapp; Friedrich Howey; Cetin Irmak; Kasim-Melih Hamutcu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: EP2439398A1; WO2009153086A1; EP2294308A1; DE102008002522A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil mit einem kopfseitig angeordneten Schaltventil. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
Aus der DE 199 56 522 A1 ist ein Injektor zum Einspritzen eines unter hohem Druck stehenden Fluids mittels einer Düse bekannt. Der bekannte Injektorkörper umfasst eine Hochdruckzulaufleitung sowie einen drucklosen Ablauf. Ferner enthält der Injektorkörper ein Magnetventil, welches zur Ansteuerung der Düse dient. In dem Injektorkörper ist eine sich axial erstreckende Hülse bewegbar aufgenommen, deren eine Stirnseite mittels eines Ventils ansteuerbar ist und deren andere Stirnseite einen Steuerraum begrenzt, in welchen ein Abzweig eines Hochdruckzulaufs mündet.
Der aus der DE 199 56 522 A1 bekannte Injektor hat den Nachteil, dass die Ausgestaltung relativ aufwändig ist. Speziell hat in einem Durchmesserbereich, der sich im Injektorkörper von einer Ablaufdrossel im oberen Bereich zu einem Kegelsitzanschlag im Bereich der Düse erstreckt, die Hülse im Injektorkörper ein Spiel von mehr als 0,01 mm, wobei der Durchmesser der Bohrung in der sich axial erstreckenden Hülse im Bereich von 1,5 mm liegt. Und in dem sich vom Kegelsitzanschlag bis zur Hülsenstirnseite erstreckenden Durchmesserbereich ist die Hülse annähernd spielfrei gelagert und zwar mit einem Spiel von weniger als 0,01 mm, was sehr hohe Anforderungen an die Rundlaufgenauigkeit und die Bearbeitungsgüte des Hülsenbauteils stellt.
Aus der DE 10 2004 015 746 A1 ist darüber hinaus ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das eine äußere Düsennadel und eine in dieser geführte innere Düsennadel aufweist, wobei die äußere Düsennadel in einer einen Steuerraum begrenzenden Hülse geführt ist. Aus US 6 499 467 B1 ist ein Einspritzventil bekannt, bei dem das brennraumferne Ende der einzigen Düsennadel in einer Hülse aufgenommen ist. Ähnliche Einspritzventile sind auch aus WO 2008/015039 A1 , DE 103 46 212 A1 und DE 10149 961 A1 bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Herstellbarkeit, insbesondere in Bezug auf eine Steuerraumbohrung, verbessert ist, wobei eine kopfseitige Anordnung des Schaltventils in dem Brennstoffeinspritzventil möglich ist.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass ein Steuerraumrohr zumindest teilweise in der Steuerraumbohrung angeordnet ist, dass das Steuerraumrohr die Steuerraumbohrung in einen das Steuerraumrohr umgebenden Hochdruckteil und einen innerhalb des Steuerraumrohrs vorgesehenen Steuerraumteil aufteilt, der den Steuerraum bildet, und dass das Füllstück in dem Steuerraumteil der Steuerraumbohrung angeordnet ist. Dabei kann die Düsennadel in dem Steuerraumrohr geführt sein. Dabei ist es ferner vorteilhaft, dass das Steuerraumrohr von einer Düsenfeder beaufschlagt ist, die sich einerseits an dem Steuerraumrohr und andererseits an der Düsennadel abstützt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruchs 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhaft ist es, dass das Füllstück zumindest abschnittsweise stabförmig ausgestaltet ist und dass sich das Füllstück zumindest abschnittsweise durch die Steuerraumbohrung des Haltekörpers erstreckt. Dabei kann das Füllstück in der Steuerraumbohrung abschnittsweise einen drei- oder mehreckigen Querschnitt aufweisen, so dass eine oder mehrere Haltekanten gebildet sind.
Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, dass das Füllstück in der Steuerraumbohrung axial verschiebbar ist. Dies hat den Vorteil, dass sich Druckänderungen, die von dem Schaltventil zum Ansteuern der Düsennadel erzeugt sind, auch oder sogar im Wesentlichen in einer Verschiebung des Füllstücks in der Steuerraumbohrung auswirken.
In einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel weist der Durchmesser der Steuerraumbohrung eine ähnliche oder dieselbe Größe wie der Durchmesser jenes Teils der Düsennadel auf, der in den Steuerraum eintaucht, wobei zudem das Füllstück in der Steuerraumbohrung axial verschiebbar angeordnet ist und sich im Ruhezustand nicht an einem oberen Anschlag befindet. In diesem Fall entsteht beim Öffnen und Schließen der Düsennadel nur ein geringer oder gar kein Volumenstrom in dem schmalen Spalt zwischen dem Füllstück und der Innenwand der Steuerraumbohrung, sondern das Füllstück bewegt sich analog zur Düsennadel nach oben und unten, so dass nur wenig oder gar kein Brennstoff vom düsenseitig des Füllstücks befindlichen Teil des Steuerraums in den steuerventilseitig befindlichen Teil oder umgekehrt verbracht werden muss. Somit unterbleiben auch Drosseleffekte in dem schmalen Spalt zwischen der Innenwand der Steuerraumbohrung und dem Füllstück und der Druck im Steuerraum kann weitgehend als einheitlich betrachtet werden.
Bei diesem nicht erfindungsgemäßen Beispiel kann das Füllstück nur in die Steuerraumbohrung eingelegt werden, so dass es darin axial verschiebbar bleibt.
Vorteilhaft ist es in einem weiteren, nicht erfindungsgemäßen Beispiel, dass ein Federelement vorgesehen ist, dass das Füllstück einen Absatz aufweist, dass das Füllstück an seinem Absatz an einer düsenkörperseitigen Stufe der Steuerraumbohrung anliegt und dass das Federelement das Füllstück gegen die düsenkörperseitige Stufe presst. Dadurch kann das Füllstück mit der Vorspannung des Federelements beaufschlagt werden, um eine axiale Fixierung des Füllstücks zu erzielen. Dabei kann sich das Federelement an der Stirnfläche der Düsennadel abstützen, wodurch zusätzlich eine Beaufschlagung der Düsennadel möglich ist, die gegebenenfalls eine Rückstellkraft auf die Düsennadel ausübt.
Vorteilhaft ist es auch in einem weiteren, nicht erfindungsgemäßen Beispiel, dass eine Düsenfeder vorgesehen ist, die einerseits an einer Stufe der Steuerraumbohrung und andererseits an einem Absatz des Füllstücks abgestützt ist, und dass die Düsenfeder das Füllstück gegen die Stirnfläche der Düsennadel presst. Dadurch kann eine Anlage des Füllstücks an der Düsennadel erzielt werden. Dadurch ist eine vorteilhafte Kraftübertragung von dem axial bewegbaren Füllstück auf die Düsennadel möglich. Außerdem kann die Düsenfeder eine Rückstellkraft auf die Düsennadel zum Schließen des Brennstoffeinspritzventils ausüben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein nicht erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil in einer schematischen Schnittdarstellung.
Fig. 2 den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines nicht erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
Fig. 3 den in Fig. 1 mit III bezeichneten Ausschnitt eines nicht erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
Fig. 4 einen auszugsweisen Schnitt durch das in Fig. 3 dargestellte Brennstoffeinspritzventil entlang der mit IV bezeichneten Schnittlinie und
Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil in einer schematischen Schnittdarstellung.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein mehrteiliges Ventilgehäuse 2 auf, das in diesem Ausführungsbeispiel einen Düsenkörper 3, einen Haltekörper 4 und einen kopfseitigen Gehäuseteil 5 umfasst. Dabei sind der Düsenkörper 3, der Haltekörper 4 und der kopfseitige Gehäuseteil 5 auf geeignete Weise miteinander verbunden. Der Haltekörper 4 ist im montierten Zustand zumindest teilweise innerhalb einer Bohrung einer Brennkraftmaschine angeordnet. Der kopfseitige Gehäuseteil 5 ist außerhalb der Bohrung angeordnet, so dass er relativ groß ausgestaltet sein kann. Dadurch ergeben sich günstige Einbauverhältnisse für Komponenten des Brennstoffeinspritzventils 1, die in dem kopfseitigen Gehäuseteil 5 vorgesehen sind. In dem kopfseitigen Gehäuseteil 5 ist insbesondere ein Schaltventil 6 angeordnet, das einen Magnetaktor, einen Piezoaktor oder ein anderes Betätigungselement aufweisen kann.
Das Ventilgehäuse 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 weist einen Brennstoffzulauf 7 auf, der beispielsweise mit einem Common-Rail verbunden ist. Von dem Brennstoffzulauf 7 zweigt ein Brennstoffkanal 8 ab, der durch den Haltekörper 4 geführt ist und in einen weiteren Brennstoffkanal 9 in dem Düsenkörper 3 mündet. In dem Düsenkörper 3 ist ein Brennstoffraum 10 ausgebildet, der über die Brennstoffkanäle 8, 9 im Betrieb mit unter hohem Druck stehenden Brennstoff gefüllt wird. Der Düsenkörper 3 weist eine Ventilsitzfläche 11 auf, die mit einem Ventilschließkörper 12 einer in dem Düsenkörper 3 angeordneten Düsennadel 13 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei einem Öffnen der Düsennadel 13 entlang einer Achse 14 wird der Dichtsitz freigegeben, so dass Brennstoff aus dem Brennstoffraum 10 über zumindest eine Düsenöffnung 15 abgespritzt wird. Die Betätigung der Düsennadel 13 ist im Folgenden im weiteren Detail beschrieben.
Der Haltekörper 4 weist eine Steuerraumbohrung 20 auf, die sich entlang der Achse 14 im Wesentlichen über die gesamte Länge des Haltekörpers 4 erstreckt. Dabei ist am kopfseitigen Ende der Steuerraumbohrung 20 eine Zulaufdrossel 21 vorgesehen, über die Brennstoff aus dem Brennstoffzulauf 7 in die Steuerraumbohrung 20 führbar ist. Außerdem ist eine Ablaufdrossel 22 vorgesehen. Die Ablaufdrossel 22 ist über das in dem kopfseitigen Gehäuseteil 5 angeordnete Schaltventil 6 mit einem Brennstoffrücklauf 23 verbindbar, der zu einem Tank 24 führt. Die Verbindung ist dabei über das Schaltventil 6 steuerbar.
Die Düsennadel 13 weist eine Stirnfläche 25 auf, die zusammen mit der Steuerraumbohrung 20 einen Steuerraum 26 begrenzt. Dabei ist in einem kopfseitigen Teil 27 des Steuerraums 26 ein Zufluss von der Zulaufdrossel 21 und ein Abfluss von Brennstoff über die Ablaufdrossel 22 gegeben. In dem Steuerraum 26 ist ein Füllstück 30 angeordnet, das sich fast über die gesamte Länge der Steuerraumbohrung 20 erstreckt. Zwischen der Steuerraumbohrung 20 und dem Füllstück 30 ist ein ringspaltförmiger Teil 28 des Steuerraums 26 ausgebildet. Ferner weist der Steuerraum 26 einen düsenseitigen Teil 29 auf. Durch das Füllstück 30 ist das mit Brennstoff gefüllte Volumen der Steuerraumbohrung 20 erheblich reduziert. Das Füllstück 30 ist aus einem Feststoff, vorzugsweise aus einem Stahl, ausgebildet. Da das Kompressionsmodul von Stahl erheblich größer ist als das Kompressionsmodul von Dieselbrennstoff oder dergleichen, trägt das Füllstück 30 praktisch nicht zur Elastizität des Steuerraums 26 bei. Dadurch kann auch bei einem relativ großen räumlichen Abstand zwischen dem in dem kopfseitigen Gehäuseteil 5 angeordneten Schaltventil 6 und der im Düsenkörper 3 angeordneten Düsennadel 13 eine steife Anbindung der Düsennadel 13 an das Schaltventil 6 ohne direkte mechanische Kraftübertragung erreicht werden.
Durch Öffnen der Ablaufdrossel 22 fällt der Druck im kopfseitigen Teil 27 des Steuerraums 26 ab, wobei dieser Druckabfall auf Grund des reduzierten Volumens des Steuerraums 26 relativ direkt zu einem Druckabfall im düsenseitigen Teil 29 des Steuerraums 26 führt. Durch den Druckabfall im Bereich der Stirnfläche 25 wird die in Richtung des Dichtsitzes wirkende Schließkraft der Düsennadel 13 erheblich reduziert, so dass sich die Düsennadel 13 aus ihrem Sitz hebt und Brennstoff über die Düsenöffnung 15 abgespritzt wird.
Nach dem Schließen der Ablaufdrossel 22 mittels des Schaltventils 6 baut sich der Druck im kopfseitigen Teil 27 und somit auch im düsenseitigen Teil 29 des Steuerraums 26 wieder auf. Dadurch wirkt über die Stirnfläche 25 der Düsennadel 13 eine Schließkraft, die von der Kraft einer im düsenseitigen Teil 29 des Steuerraums 26 angeordneten Düsenfeder 35 unterstützt wird. Die Düsenfeder 35 gewährleistet dabei auch eine axiale Fixierung des Füllstücks 30. Hierfür weist das Füllstück 30 einen Absatz 36 auf, der an einer düsenkörperseitigen Stufe 37 der Steuerraumbohrung 20 anliegt. Die Düsenfeder 35 presst den Absatz 36 gegen die düsenkörperseitige Stufe 37. Um den Durchfluss aus dem ringspaltförmigen Teil 28 des Steuerraums 26 in den düsenseitigen Teil 29 des Steuerraums 26 zu gewährleisten, ist zumindest eine Durchlassöffnung in Form einer Aussparung oder dergleichen an der Stufe 37 vorgesehen.
Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines nicht erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Füllstück 30 ein Kopfteil 39 auf, an dem ein Absatz 36 vorgesehen ist. Dabei liegt eine Düsenfeder 35 einerseits an der düsenkörperseitigen Stufe 37 der Steuerraumbohrung 20 und andererseits an dem Absatz 36 des Kopfteils 39 des Füllstücks 30 an. Dadurch wird das Füllstück 30 mit seinem Kopfteil 39 gegen die Stirnfläche 25 der Düsennadel 13 gepresst. Das Füllstück 30 ist axial verschiebbar angeordnet, so dass es der Bewegung der Düsennadel 13 folgt. Die Düsenfeder 35 beaufschlagt dabei die Düsennadel 13 in Richtung auf die Ventilsitzfläche 11.
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Einspritzventil kann das Füllstück 30 an einem unteren Anschlag positioniert sein, der in diesem Beispiel durch die Stirnfläche 25 der Düsennadel 13 gegeben ist.
Fig. 3 zeigt den in Fig. 1 mit III bezeichneten Ausschnitt eines nicht erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Füllstück 30 zumindest einen Abschnitt 40 auf, in dem zumindest eine Kante 41 an dem Füllstück 30 ausgebildet ist. Mit der Kante 41 ist das Füllstück 30 dabei gegen die Steuerraumbohrung 20 gepresst, so dass eine Fixierung des Füllstücks 30 in axialer Richtung, das heißt entlang der Achse 14, gegeben ist.
Fig. 4 zeigt den in Fig. 3 mit IV bezeichneten Ausschnitt des Brennstoffeinspritzventils 1. Das Füllstück 30 weist in dem Abschnitt 40 einen dreieckigen Querschnitt auf, so dass die Kanten 41, 42, 43 gebildet sind. Im Bereich der Kanten 41, 42, 43 ist dabei eine Presspassung zwischen dem Füllstück 30 und der Steuerraumbohrung gebildet. Der Abschnitt 40 kann beispielsweise durch Anschliffe an dem Füllstück 30 ausgestaltet werden.
Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Steuerraumrohr 50 vorgesehen. Das Steuerraumrohr 50 ist in dem Haltekörper 4 des Ventilgehäuses 2 angeordnet. Dabei ist das Steuerraumrohr 50 in die Steuerraumbohrung 20 eingebracht, wobei das Steuerraumrohr 50 die Steuerraumbohrung 50 in einen das Steuerraumrohr 50 umgebenden Hochdruckteil 51, der ringspaltförmig ausgestaltet ist, und einen innerhalb des Steuerraumrohrs 50 vorgesehenen Steuerraumteil aufteilt, der den Steuerraum 26 bildet. Ferner ist innerhalb des Steuerraumrohres 50, das heißt in dem Steuerraum 26, das Füllstück 30 angeordnet. Das Füllstück 30 ist dabei im Wesentlichen stabförmig und zylindrisch ausgestaltet. Zwischen dem Füllstück 30 und dem Steuerraumrohr 50 ist ein ringspaltförmiger Teil 28 des Steuerraums 26 gebildet. Somit ist das für den Brennstoff verbleibende Volumen des Steuerraumteils der Steuerraumbohrung 20 im Inneren des Steuerraumrohrs 50 erheblich reduziert, so dass sich auch bei einem relativ langen Steuerraumrohr 50 ein relativ kleines Volumen des Steuerraums 26 ergibt.
Die Zulaufdrossel 21, über die unter hohem Druck stehender Brennstoff in den kopfseitigen Teil 27 des Steuerraums 26 einströmen kann, ist in diesem Ausführungsbeispiel im Bereich des kopfseitigen Teils 27 in dem Steuerraumrohr 50 ausgestaltet. Dies kann beispielsweise durch eine Bohrung in dem Steuerraumrohr 50 erfolgen.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Düsennadel 13 einen Druckzapfen 52 auf, mit dem die Düsennadel 13 in dem Steuerraumrohr 50 axial geführt ist. Dabei ist der Druckzapfen 52 einteilig mit der Düsennadel 13 ausgestaltet. Ferner ist die Düsenfeder 35 auf den Druckzapfen 52 aufgefügt. Dabei stützt sich die Düsenfeder 35 einerseits an dem Steuerraumrohr 50 und andererseits an der Düsennadel 13 ab. Der Druck des Brennstoffes im Steuerraum 26 wirkt im Bereich des düsenseitigen Teils 29 des Steuerraums 26 auf die Stirnfläche 25 der Düsennadel 13, die in diesem Ausführungsbeispiel durch die Stirnfläche 25 des Druckzapfens 52 gebildet ist.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen, mit einem Schaltventil (6), das in einem kopfseitigen Gehäuseteil (5) angeordnet ist, einem Düsenkörper (3), der über einen Haltekörper (4) mit dem kopfseitigen Gehäuseteil(5) verbunden ist, und einer in dem Düsenkörper (3) angeordneten Düsennadel (13), wobei der Haltekörper (4) eine Steuerraumbohrung (20) aufweist, wobei eine Stirnfläche (25) der Düsennadel (13) einen Steuerraum (26) begrenzt, wobei
ein Steuerraumrohr (50) vorgesehen ist, das zumindest teilweise in der Steuerraumbohrung (20) angeordnet ist, wobei das Steuerraumrohr (50) die Steuerraumbohrung (20) in einen das Steuerraumrohr (50) umgebenden Hochdruckteil (51) und einen innerhalb des Steuerraumrohrs (50) vorgesehenen Steuerraumteil aufteilt, der den Steuerraum (26) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuerraum (26) ein Füllstück (30) angeordnet ist und dass das Füllstück (30) in dem Steuerraumteil der Steuerraumbohrung (20) angeordnet ist, wobei zwischen dem Füllstück (30) und dem Steuerraumrohr (50) ein ringspaltförmiger Teil (28) des Steuerraums (26) gebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstück (30) zumindest abschnittsweise stabförmig ausgestaltet ist und dass sich das Füllstück (30) zumindest abschnittsweise durch die Steuerraumbohrung (20) des Haltekörper (4) erstreckt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstück (30) in der Steuerraumbohrung (20) axial verschiebbar ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerraumrohr (50) von einer Düsenfeder (35) beaufschlagt ist, die sich einerseits an dem Steuerraumrohr (50) und andererseits an der Düsennadel (13) abstützt.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (12) in ihrem oberen Bereich mit einem Führungsdurchmesser ausgebildet ist und dass sie an diesem oberen Bereich in dem Steuerraumrohr (50) geführt ist.