EP2458194B1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP2458194B1
EP2458194B1 EP20110182517 EP11182517A EP2458194B1 EP 2458194 B1 EP2458194 B1 EP 2458194B1 EP 20110182517 EP20110182517 EP 20110182517 EP 11182517 A EP11182517 A EP 11182517A EP 2458194 B1 EP2458194 B1 EP 2458194B1
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EP
European Patent Office
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valve needle
needle part
valve
contact surface
fuel injection
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EP20110182517
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EP2458194A2 (de
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Andreas Rau
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F02M45/02Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
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    • F02M61/04Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
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    • F02M2547/00Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/001Control chambers formed by movable sleeves

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines as used for example for the direct injection of fuel directly into the combustion chamber of high-speed, self-igniting internal combustion engines.
  • the present invention is based on a fuel injection valve, as for example from DE 10 2004 061 800 A1 or from the DE 10 2007 001363 A1 is known.
  • the prior art known from this document is - also to illustrate the problem occurring - on the basis of FIGS. 1 . 2a-2c and 3a, 3b explained in more detail.
  • the well-known fuel injection valve after FIG. 1 has a housing 1, which comprises a holding body 2, an intermediate disc 3, an orifice plate 4 and a valve body 5.
  • a leakage oil space 13 is formed, in which a piezoelectric actuator 10 is arranged, which actuates a control valve member 16 via a hydraulic coupler 12, which is arranged within the intermediate disc 3.
  • the control valve member 16 is movable in the longitudinal direction, whereby the control valve chamber 17, in which the control valve member 16 is connected by the movement of the control valve member 16 with the leakage oil chamber 13 ,
  • the intended for injection and high pressure fuel is usually provided by a not shown in the drawing, but well-known from the prior art rail, which is filled via a high pressure pump with fuel at high pressure.
  • This fuel is introduced into a high-pressure bore 18 formed in the holding body 1, which extends through the intermediate disk 3 and a high-pressure passage 32 formed in the throttle disk 4 into the valve body 5.
  • a pressure chamber 19 is formed, in which a valve needle 20 is arranged longitudinally displaceable, wherein the valve needle 20 has a substantially piston shape and is guided in a guide portion 27 within the pressure chamber 19.
  • the valve needle 20 has at its end remote from the control valve 15 a valve sealing surface 23, with which it cooperates with a formed at the combustion chamber end of the pressure chamber 19 valve seat 23 and so injection openings 25 opens or closes, so that depending on the position of the valve needle 20 fuel from the Pressure chamber 19 is injected through the injection port 25.
  • the valve needle 20 has at its end facing away from the valve seat 23 an end face 21 and is guided at this end in a sleeve 29. Between the sleeve 29 and a valve needle 20 formed on the shoulder 24, a closing spring 28 is arranged under pressure bias over which the sleeve 29 is pressed on the one hand against the throttle plate 4 and on the other hand, the valve needle 20 against the valve seat 23rd
  • a control chamber 30 is limited, is provided in the fuel under varying pressure to exert a closing force in the direction of the valve seat 23 on the valve needle 20.
  • an inlet throttle 34 is formed in the throttle plate 4, which forms a connection between the high-pressure bore 18 and the control chamber 30.
  • an outlet throttle 35 is provided in the throttle plate 4, which connects the control chamber 30 with the control valve chamber 17.
  • control valve 15 If the control valve 15 is opened, then fuel is relieved from the control chamber 30 via the outlet throttle 35 into the control valve chamber 17 and from there further into the leakage oil space 13, so that the pressure in the control chamber 30 drops.
  • the inlet throttle 34 is matched to the outlet throttle 35, that with the control valve 15 open, more fuel flows via the outlet throttle 35 than can flow through the inlet throttle 34 in the same period.
  • the control valve 15 When the control valve 15 is closed, a high fuel pressure in the control chamber 30 builds up again via the inlet throttle 34, which exerts a closing force on the end face 21 of the valve needle 20 and presses it against the valve seat 23, so that the injection openings 25 are closed.
  • the injector should have a good minimum quantity capability, that is to say that the minimum time duration that the injector can be opened for injection should be as short as possible. This is necessary above all for pre-injections or post-injections, which are upstream or downstream of the actual main injection. These injection quantities are very small, sometimes only 1 or 2 mm 3 , which can only be achieved with the correspondingly high injection pressures of up to 2000 bar with an extremely short opening time of the injector.
  • the injector should be as robust as possible against changes and wear.
  • the opening of the valve needle happens after pressure drops in the control room - as described above - ultimately the fact that an opening force on the shoulder 24 and on parts of the valve sealing surface 22 is exerted by the pressure in the pressure chamber 19.
  • the size of this opening force thus depends on which parts of the surface of the valve needle from the fuel pressure in the pressure chamber 19 are acted upon and exert a directed away from the valve seat force component on the valve needle. Wear processes may cause the partial area of the valve sealing surface 22 acted upon by the fuel pressure to increase or decrease over the course of the service life, so that the opening force changes correspondingly at the same pressure 19.
  • FIG. 2a the voltage curve U for controlling the in FIG. 1 shown piezoelectric actuator 10 during an injection, wherein the representation, as well as the representation in the FIGS. 2b and 2c , only to be understood schematically.
  • the voltage U is raised, so that the piezoelectric actuator 10 expands.
  • a Magnetaktors instead of the piezoelectric actuator, a corresponding magnetic field is generated by the building up current, which attracts a magnet armature and thus leads to actuation of the control valve.
  • By opening the control valve 15 and the preparation of the connection between the control valve chamber 17 and the leakage oil chamber 13 drops at a slightly later time t 1 of the pressure p in the control chamber 30, which in FIG.
  • valve needle stroke is h in Figure 2c shown.
  • the valve needle 20 remains in its end position as long as the actuator is actuated by the control voltage. If the control voltage is reduced back to 0, closes the control valve 15 and the pressure in the control chamber 30 builds up again accordingly, whereby the valve needle 20 is pushed back into its end position, which in Figure 2c happens at time t 3 .
  • the valve needle moves in contrast to the illustration in FIG Figure 2c not in an end position, but reverses its movement before reaching it. Qualitatively, however, the above applies.
  • the pressure in the control room increases again to the initial value and reached at the time t e the opening pressure p oe , so that the valve needle 20 closes.
  • the opening duration of the valve needle is thus time difference between t e and t 3 , which is thus smaller than the actual actuation time of the actuator. This makes it possible to realize very short opening times of the injection valve and thus very low injection quantities.
  • the slow pressure reduction in the control chamber 30 is associated with a relatively high sensitivity to a change in the opening pressure p oe .
  • the opening pressure p oe changes, for example, as a result of wear on the valve needle, which results in FIG. 3a is illustrated by the pressure difference ⁇ p oe , so also the time t 3 , to which the injection valve opens, which is indicated on the abscissa by At.
  • the slower the pressure drop in the control chamber the more the opening time t 3 changes, which shortens or lengthens the opening time of the injection valve and thus changes the injection quantity, which impairs the optimum operation of the engine.
  • the minute quantity capability and the insensitivity to change of the opening pressure can not be simultaneously optimized.
  • the fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of claim 1 allows a simultaneous optimization of Kleinstmengenpar and robustness, so insensitivity to a change in the opening pressure.
  • the valve needle is divided into two piston-shaped valve needle parts, wherein the first valve needle part delimits the control chamber and the second valve needle part, the valve sealing surface, with the it interacts with the valve seat 23.
  • both valve needle parts cooperate in such a way that the first valve needle part can execute an idle stroke in the longitudinal direction, without thereby moving the second valve needle part.
  • a driver is provided in which the first valve needle part entrains the second valve needle part during its opening stroke movement after an idle stroke, which only lifts off from the valve seat 23 and thus releases the injection openings. This results in a delay between the pressure drop in the control chamber 30 and the beginning of the injection, without the robustness to a change in the injection pressure is impaired. Also, the closing behavior of the injector is not adversely affected by this change.
  • first valve needle part and the second valve needle part are arranged coaxially with one another.
  • the axial force can be transmitted without offset, so that the wear minimized and tilting of the valve needle parts is prevented.
  • both the first valve needle part and the second valve needle part contact surfaces which abut each other in the movement in the opening or closing direction. In this way, in each case a force transmission of the two valve needle parts allows each other and ensures the function of the injection valve.
  • a nub-shaped Anformung is formed on one of the valve needle parts, which is arranged in a corresponding receptacle of the respective other valve needle part, thereby forming a driver, which allows the above-described idle stroke of the first valve needle part.
  • a slot can be formed in addition to the previously described gripping hook in a valve needle part, in which a pin connected to the other valve needle part engages, thereby forming a driver, which allows the idle stroke of the first valve needle.
  • FIG. 4 a first embodiment of a fuel injection valve according to the invention is shown.
  • the representation corresponds, except for the changed valve needle 20, exactly the representation in FIG. 1 so that a description of the same components is omitted.
  • the valve needle 20 is arranged, which is divided here into a first valve needle part 120 and a second valve needle part 220.
  • a first gripping hook 64 is formed, which engages in a second gripping hook 65 which is formed on the second valve needle part 220.
  • the gripping hooks 64, 65 are formed so that in the closed position of the valve needle 20, the gripping hooks 64, 65 abut each other at first contact surfaces 51, 61 and at a stroke of the first valve needle member 120 in the direction of the control chamber 30, the gripping hooks 64, 65 only after passing a Leerhubs with second contact surfaces 52, 62 abut one another positively, whereby the second valve needle member 220 is moved in the opening direction.
  • a high pressure in the control chamber 30 is present, which presses the first valve needle part 120 in the direction of the valve seat 23, such that the gripping hooks 64, 65 abut each other and thereby a closing force on the second valve needle part 220 is effected.
  • the first valve needle part 120 bears with its first contact surface 51, which is opposite to the end face 21, against the first contact surface 61 of the second valve needle part 220 and thus presses the second valve needle part 220 into its closed position.
  • On parts of the gripping hook 64 acts in the opening direction acting hydraulic force on the first valve needle part 120, so that by lowering the pressure in the control chamber 30 - as described above - an opening force on the first valve needle part 120 is effected.
  • the first contact surface 51 of the first valve needle part 120 and the first contact surface 61 of the second valve needle part move away 220 of each other, until the second contact surface 52 of the first valve needle part 120 abuts against the second contact surface 62 of the second valve needle part 220.
  • the stroke that the first valve needle part 120 passes through up to this point in time is the idle stroke h 1 already mentioned above.
  • the first valve needle part 120 takes the second valve needle part 220 in its movement, on the one hand due to the hydraulic forces, on the other hand due to the kinetic energy that has already taken up the first valve needle part 120 by this time.
  • the second valve needle part 220 thereby lifts off from the valve seat 23, which causes an additional opening force by the hydraulic force on the valve sealing surface 23 in the opening direction.
  • the injection valve is again closed by increasing the pressure in the control chamber 30, as a result of which the first valve needle part 120 and the second valve needle part 220 are pressed back into their respective closed position.
  • FIG. 5 shows a further driver 40 according to the invention, in which case only the driver itself, ie only the respective ends of the first valve needle part 120 and the second valve needle part 220 is shown.
  • a Anformung 48 is formed, which has a T-shape in cross section.
  • the first valve needle part 120 has a corresponding receptacle 50, which is formed so that the Anformung 48 is received therein and behind the shoulder formed by the cross-sectionally T-shaped Anformung.
  • FIG. 6 The functionality is in FIG. 6 shown in more detail.
  • the Anformung 48 has at its the first valve needle part 120 facing the end of the first contact surface 61 which bears against the formed on the bottom of the receptacle 50 first contact surface 51 of the first valve needle part 120.
  • the formed by the Hintergreifung of the receptacle 50 second contact surface 62 has in this position an axial distance from the opposite contact surface 52 of the Anformung 48.
  • the position during the opening movement of the valve needle 20 is shown.
  • FIG. 7b shows two further embodiments of the coupler according to the invention, wherein an embodiment on the left side in the FIG. 7b labeled A and the second embodiment on the right side is labeled B.
  • Figure 7a shows the embodiment A in a opposite FIG. 7b rotated 90 ° side view corresponding to the dash-dot line in FIG. 7b
  • FIG. 7c the corresponding side view of the embodiment B shows.
  • a molding 48 is formed in the second valve needle part 220, wherein in the Anformung 48 - with reference to the embodiment A - a slot 42 is introduced.
  • a corresponding receptacle 50 is formed, which surrounds the Anformung 48 and in which a bore 45 is formed.
  • a pin 43 is arranged materially or non-positively, the length of which corresponds to the diameter of the first valve needle part 120. Since the pin 43 is disposed in the bore 45 without play, it always moves synchronously with the first valve needle part 120. This is in the representation of Figure 7a again clearly.
  • the first valve needle part 120 With the first contact surface 51, which is formed on its end facing the second valve needle part 220 end face, on the first contact surface 61 of the second valve needle 220, which is also formed on the end face of the second valve needle 220.
  • the contact surfaces 51, 61 instead of the contact surfaces 51, 61, the contact surfaces 51 ', 61' formed on the pin 43 or the molding 48 come into contact with one another.
  • the pin 63, on which the second contact surface 62 is located abuts against the upper end of the slot 42 in the drawing, which forms the second contact surface 52 of the first valve needle part 120.
  • the second embodiment B corresponds in its function to the first embodiment A with the difference that the slot here in the recording 50 of the first valve needle part 120 is formed while the pin 43 is guided without play in a bore in the Anformung 48 of the second valve needle part 220.
  • the function of the first contact surfaces 51, 61 is identical to the embodiment A, while the second contact surfaces 52 ', 62' corresponding to the second slot 42 'in the receptacle 50 and the outer end of the pin 43 are formed.
  • FIG. 7c makes this arrangement again clearly opposite in a 90 degree rotated side view FIG. 7b , so that this side view of the drawn dotted line in FIG. 7b equivalent.
  • FIG. 8a, 8b and 8c a further embodiment of a coupler according to the invention is shown.
  • a knob-shaped Anformung 49 is formed, the function in about the Anformung 48 in the embodiment of FIGS. 5 and 6 equivalent.
  • the receptacle 50 which is formed on the first valve needle part 120, has a corresponding inner shape for receiving the nub-shaped projection 49.
  • Shape and size of receptacle 50 and knob-shaped Anformung 49 is selected so that in the closed position of the fuel injection valve, the first valve needle member 120 with the first contact surface 51, which is formed on the second valve needle member 220 end face, abuts an opposite end side of the second valve needle 220 that forms the first contact surface 61 of this valve needle part 220. It can also be provided that instead of the plant takes place between the upper end of the knob-shaped Anformung 49 and the bottom of the receptacle 50.
  • FIG. 8a again shows a side view corresponding to the drawn section line in FIG. 8b on this coupler.
  • the receptacle 50 In order to allow assembly, in this case the receptacle 50 must be open on one side, to introduce the knob-shaped Anformung 49 in the receptacle 50 by a movement perpendicular to the longitudinal axis of the valve needle 20 to allow.
  • FIG. 8c shows a side view of a further embodiment accordingly FIG. 8b in which, in order to increase the transferable forces, the nub-shaped formation 49 is not rotationally symmetrical but elongated.
  • FIGS. 9a and 9b show another driver 40, wherein the FIGS. 9a and 9b are shown rotated relative to each other by 90 degrees.
  • a T-shaped in cross section Anformung 48 is formed, wherein the first valve needle part 120, a gripping hook 64 is formed, which engages behind the Anformung 48.
  • the first contact surfaces 51, 61 on the first and second valve needle part 120, 220 and the second contact surfaces 52, 62 are axially spaced from each other so that thereby the idle stroke of the first valve needle part 120 is made possible.
  • the contact surfaces 51 ', 61' in the in FIG. 9b shown manner to transmit the closing force.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the driver 40 according to the invention.
  • the second valve needle part 220 in turn has a Anformung 48, on the Anformung 48, a second contact surface 62 is formed.
  • the first valve needle part 120 is surrounded by a connecting sleeve 55, which is fixedly connected to the first valve needle part 120 by a locking pin 54.
  • the connection between the connecting sleeve 55 and the first valve needle part 120 can also be formed by a non-positive or integral connection 57, which may be, for example, a welded or soldered connection.
  • the connecting sleeve 55 forms by its shape a receptacle 50 for the Anformung 48 of the second valve needle part 220, so that on the connecting sleeve 55, the second contact surface 52 is formed opposite to the second contact surface 62 of the second valve needle 220.
  • the first contact surface 51 is formed on the first valve needle part 120 and lies opposite the first contact surface 61 of the second valve needle part 220, which forms the valve seat facing away from the end face of this valve needle part.
  • the axial distance of the first contact surface 61 from the second contact surface 62 of the second valve needle part 220 is in this case smaller than the axial distance of the first contact surface 51 from the second Contact surface 52 of the first valve needle part 120, wherein the connecting sleeve 55 is considered here as part of the first valve needle part 120 and may be formed integrally therewith.
  • FIG. 11 shows a similar driver as FIG. 10 but here the connection sleeve 55 'is connected to the second valve needle part 220 by a locking pin 54 or alternatively by a non-positive or integral connection 57' as a welding or soldering connection.
  • the Anformung 48 is formed on the first valve needle part 120, but acts in the same way with the formed by the connecting sleeve 55 'receptacle 50 together.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of the fuel injection valve according to the invention.
  • the second valve needle part 220 has a guide section 27, with which the second valve needle part 220 is guided in the pressure chamber 19.
  • the second valve needle part 220 merges into a guide pin 39, which has a diameter that is significantly reduced compared to the remaining valve needle part 220.
  • the first valve needle part 120 is again guided in the sleeve 29 and has at its end facing the second valve needle part 220 a guide bore 38, which is designed as a blind bore and which receives the guide pin 39, so that it is guided longitudinally movable within the guide bore 38.
  • a driving sleeve 41 is attached to the first valve needle part 120, by which a mechanical driver 40 is formed.
  • the driver sleeve 41 is rotationally symmetrical and, for example, by a welded connection, firmly connected to the first valve needle part 120.
  • a collar 36 is formed with the second contact surface 62 as the valve seat 23 facing annular surface, wherein the driving sleeve 41, the collar 36 overlaps and thereby produces the coupling between the two valve needle parts 120, 220.
  • the second contact surface 52 is formed on the driver sleeve 41, wherein the two contact surfaces 52, 62 abut each other during the opening stroke of the valve needle 20.
  • the first contact surface 51 corresponding to the closing movement of the valve needle 20 is formed, which faces the corresponding first contact surface 61 on the second valve needle part 220.
  • valve needle 20 The opening of the valve needle 20 is analogous to the embodiments described above: When the injection valve is closed, the valve needle 20 in contact with the valve seat 23 and thereby closes the injection ports 25. For this presses the first valve needle part 120, driven by the fuel pressure in the control chamber 30, with the first Contact surface 51 against the first contact surface 61 of the second valve needle part 220. The second contact surfaces 52, 62 are spaced by the idle stroke h l , as FIG. 12a in a detail enlargement shows.
  • the first valve needle part 120 moves through the hydraulic forces in the direction of the control chamber 30, the second valve needle part 220 initially remaining at rest until the first valve needle part 120 closes the idle stroke h l has passed through and the second contact surface 52 of the first valve needle part 120 bears against the second contact surface 62 of the second valve needle part 220.
  • the second valve needle part 220 is then taken along by the movement of the first valve needle part 120 and moves away therefrom from the valve seat 23, which connects the injection openings 25 to the pressure chamber 19 and releases the fuel flow from the pressure chamber 19 through the injection openings 25.
  • the pressure in the control chamber 30 is increased by re-actuating the control valve, so that the hydraulic pressure on the first valve needle part 120 presses this in the direction of the valve seat 23.
  • the second contact surfaces 52, 62 move away from each other and the two valve needle parts 120, 220 move back into their closed position.
  • the assembly of the valve needle 20 can be done in this embodiment as follows.
  • the driving sleeve 41 is pushed from the valve sealing surface 22 over the second valve needle part 220 up to its opposite end.
  • the first valve needle part 120 is pushed with the guide bore 38 on the guide pin 39 until the driver sleeve 41 in the in FIG. 12 shown position.
  • the welded connection between the driving sleeve 41 and the first valve needle part 120 is produced.
  • the first valve needle part 120 here has no guide bore 38 and the second valve needle part 220, no corresponding guide pin 39 is formed, but the opposite end faces of the valve needle parts 120, 220 are ground flat and form the first contact surface 51, 61.
  • a central bore 44 in which between the throttle plate 4 and the first valve needle member 120 under bias a tension spring 47 is arranged. The tension spring 47 ensures that the first valve needle part 120 rests with its first contact surface 51 in the closed position of the valve needle 20 against the first contact surface 61 of the second valve needle part 220.
  • a driver sleeve 41 ' is provided, which is fixedly connected in this embodiment with the second valve needle part 220, for example by a welded connection or by pressing.
  • a collar 53 is formed, which comprises the driver sleeve 41 ', wherein on the collar 53 and the inside of the driver sleeve 41', the second contact surface 52 of the first valve needle part 120 and the second contact surface 62 of the second valve needle 220 is formed.
  • the operation is otherwise identical to that in FIG. 12 shown embodiment.
  • FIG. 14 is a variant of in FIG. 13 shown embodiment shown in longitudinal section.
  • a sleeve-like extension 58 formed on the second valve needle part 220 on the inside of a ring 31 is preferably fixedly mounted by welding.
  • the sleeve-like Extension 58 and the ring 31 have the same function as the drive sleeve of in FIG. 13 shown embodiment, so that reference is made to the comments on this embodiment with respect to the further details and the function.
  • FIG. 15 is shown a further embodiment of the fuel injection valve according to the invention.
  • the two valve needle parts 120, 220 are here - as in the in FIG. 13
  • the mechanical driver is formed by the driver sleeve 41 ", which is fixedly connected to the first valve needle part 120, preferably by a welded connection Ring 71 is attached, also preferably by a welded connection, on which the second contact surface 62 of the second valve needle part 220 is formed, which is opposite to the second contact surface 52 of the first valve needle part 120.
  • the first contact surfaces 61 can also be formed, which then interacts with the first contact surface 51 on the underside of the catch sleeve 41 ".
  • FIG. 16 is a variant of in FIG. 13 shown injector shown in longitudinal section. Instead of the collar 53, here a sleeve element 70 is attached to the first valve needle part 120, which assumes this function.
  • the sleeve member 70 is connected by a welded connection fixed to the first valve needle part 120 or shrunk or pressed onto this. Regarding the operation is on the comments on the embodiment of FIG. 13 directed.

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Description

    Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen wie es beispielsweise für die direkte Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum von schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwendet werden.
  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzventil, wie es beispielsweise aus der DE 10 2004 061 800 A1 oder aus der DE 10 2007 001363 A1 bekannt ist. Der aus dieser Schrift bekannte Stand der Technik wird - auch zur Verdeutlichung der auftretenden Problematik - anhand der Figuren 1, 2a-2c und 3a, 3b näher erläutert.
  • Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil nach Figur 1 weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Haltekörper 2, eine Zwischenscheibe 3, eine Drosselscheibe 4 und einen Ventilkörper 5 umfasst. Im Haltekörper 1 ist ein Leckölraum 13 ausgebildet, in dem ein Piezoaktor 10 angeordnet ist, der über einen hydraulischen Koppler 12 ein Steuerventilglied 16 betätigt, welches innerhalb der Zwischenscheibe 3 angeordnet ist. Durch die Bestromung des Piezoaktors 10 ändert sich dessen Länge, so dass über den hydraulischen Koppler das Steuerventilglied 16 in Längsrichtung bewegbar ist, wodurch der Steuerventilraum 17, in welchem sich das Steuerventilglied 16 befindet, durch die Bewegung des Steuerventilglieds 16 mit dem Leckölraum 13 verbindbar ist.
  • Der zur Einspritzung bestimmte und unter hohem Druck stehende Kraftstoff wird üblicherweise von einem in der Zeichnung nicht dargestellten, aber aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten Rail zur Verfügung gestellt, welches über eine Hochdruckpumpe mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt wird. Dieser Kraftstoff wird in eine im Haltekörper 1 ausgebildete Hochdruckbohrung 18 eingeleitet, die sich durch die Zwischenscheibe 3 und einen in der Drosselscheibe 4 ausgebildet Hochdruckdurchgang 32 bis in den Ventilkörper 5 erstreckt. Im Ventilkörper 5 ist ein Druckraum 19 ausgebildet, in welchem eine Ventilnadel 20 längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Ventilnadel 20 im Wesentlichen eine Kolbenform aufweist und in einem Führungsabschnitt 27 innerhalb des Druckraum 19 geführt ist. Die Ventilnadel 20 weist an ihrem dem Steuerventil 15 abgewandten Ende eine Ventildichtfläche 23 aus, mit welcher sie mit einem am brennraumseitigen Ende des Druckraums 19 ausgebildeten Ventilsitz 23 zusammenwirkt und so Einspritzöffnungen 25 öffnet oder verschließt, so dass je nach Stellung der Ventilnadel 20 Kraftstoff aus dem Druckraum 19 durch die Einspritzöffnung 25 ausgespritzt wird.
  • Die Ventilnadel 20 weist an ihrem dem Ventilsitz 23 abgewandten Ende eine Stirnfläche 21 auf und ist an diesem Ende in einer Hülse 29 geführt. Zwischen der Hülse 29 und einem an der Ventilnadel 20 ausgebildeten Absatz 24 ist eine Schließfeder 28 unter Druckvorspannung angeordnet, über die die Hülse 29 einerseits gegen die Drosselscheibe 4 gedrückt wird und andererseits die Ventilnadel 20 gegen den Ventilsitz 23.
  • Durch die Hülse 29, die Drosselscheibe 4 und die Stirnfläche 21 der Ventilnadel 20 wird ein Steuerraum 30 begrenzt, in dem Kraftstoff unter wechselndem Druck zur Verfügung gestellt wird, um eine Schließkraft in Richtung des Ventilsitzes 23 auf die Ventilnadel 20 auszuüben. Zu diesem Zweck ist in der Drosselscheibe 4 eine Zulaufdrossel 34 ausgebildet, welche eine Verbindung zwischen der Hochdruckbohrung 18 und dem Steuerraum 30 bildet. Zum Entlasten des Steuerraums 30 ist in der Drosselscheibe 4 eine Ablaufdrossel 35 vorgesehen, welche den Steuerraum 30 mit dem Steuerventilraum 17 verbindet.
  • Ist das Steuerventil 15 geöffnet, so wird Kraftstoff aus dem Steuerraum 30 über die Ablaufdrossel 35 in den Steuerventilraum 17 entlastet und von dort weiter in den Leckölraum 13, so dass der Druck im Steuerraum 30 abfällt. Hierbei ist die Zulaufdrossel 34 so auf die Ablaufdrossel 35 abgestimmt, dass bei geöffnetem Steuerventil 15 mehr Kraftstoff über die Ablaufdrossel 35 abfließt als im gleichen Zeitraum über die Zulaufdrossel 34 zufließen kann. Bei geschlossenem Steuerventil 15 baut sich über die Zulaufdrossel 34 wieder ein hoher Kraftstoffdruck im Steuerraum 30 auf, der eine Schließkraft auf die Stirnfläche 21 der Ventilnadel 20 ausübt und diese gegen den Ventilsitz 23 drückt, so dass die Einspritzöffnungen 25 verschlossen werden.
  • Bei der Auslegung der Injektoren müssen verschiedene Funktionen optimiert werden:
  • Zum einen soll der Injektor eine gute Kleinstmengenfähigkeit haben, das heißt, dass die minimale Zeitdauer, die der Injektor für eine Einspritzung geöffnet werden kann, möglichst kurz sein soll. Dies ist vor allem für Vor- oder Nacheinspritzungen notwendig, die der eigentlichen Haupteinspritzung vor- bzw. nachgelagert sind. Diese Einspritzmengen sind sehr klein, zum Teil nur 1 oder 2 mm3, was bei den entsprechend hohen Einspritzdrücken von bis zu 2000 bar nur mit einer extrem kurzen Öffnungszeit des Injektors realisierbar ist.
  • Zum anderen soll der Injektor möglichst robust gegen Veränderungen und Verschleiß sein. Das Öffnen der Ventilnadel geschieht nach Druckabsenken im Steuerraum - wie oben beschrieben - letztlich dadurch, dass eine Öffnungskraft auf den Absatz 24 und auf Teile der Ventildichtfläche 22 durch den Druck im Druckraum 19 ausgeübt wird. Die Größe dieser Öffnungskraft hängt also davon ab, welche Teile der Oberfläche der Ventilnadel vom Kraftstoffdruck im Druckraum 19 beaufschlagt werden und eine vom Ventilsitz weggerichtete Kraftkomponente auf die Ventilnadel ausüben. Durch Verschleißvorgänge kann es dabei vorkommen, dass sich die vom Kraftstoffdruck beaufschlagte Teilfläche der Ventildichtfläche 22 im Verlauf der Lebensdauer vergrößert oder verkleinert, so dass sich entsprechend die Öffnungskraft bei gleichbleibendem Druck 19 ändert. Dies ist gleichbedeutend mit einer Änderung des Öffnungsdrucks, also des Differenzdrucks, der zwischen dem Druckraum 19 und dem Steuerraum 30 herrschen muss, damit die Ventilnadel vom Ventilsitz abhebt und die Einspritzöffnungen freigibt. Beide Funktionen lassen sich bei den bisher bekannten Einspritzventilen nicht in gleicher Weise optimieren.
  • Zur Veranschaulichung dieser Problematik ist in Figur 2a der Spannungsverlauf U zur Ansteuerung des in Figur 1 gezeigten Piezoaktors 10 während einer Einspritzung dargestellt, wobei die Darstellung, ebenso wie die Darstellung in den Figuren 2b und 2c, nur schematisch zu verstehen ist. Zum Zeitpunkt t0 wird die Spannung U hochgefahren, so dass sich der Piezoaktor 10 ausdehnt. Bei der Verwendung eines Magnetaktors anstelle des Piezoaktors wird durch den sich aufbauenden Strom entsprechend ein Magnetfeld erzeugt, das einen Magnetanker anzieht und so zur Betätigung des Steuerventils führt. Durch das Öffnen des Steuerventils 15 und die Herstellung der Verbindung zwischen dem Steuerventilraum 17 und dem Leckölraum 13 fällt zu einem etwas späteren Zeitpunkt t1 der Druck p im Steuerraum 30 ab, was in Figur 2b dargestellt ist. Sobald der Druck zum Zeitpunkt t3 den Öffnungsdruck poe erreicht, setzt sich die Ventilnadel 20 vom Ventilsitz 23 weg in Bewegung, solange, bis die Ventilnadel ihre Endposition erreicht. Zur Veranschaulichung ist der Ventilnadelhub h in Figur 2c dargestellt. Die Ventilnadel 20 verharrt so lange in ihrer Endposition, wie der Aktor mit der Steuerspannung ansteuert wird. Wird die Steuerspannung wieder auf 0 zurückgefahren, schließt das Steuerventil 15 und der Druck im Steuerraum 30 baut sich entsprechend wieder auf, wodurch die Ventilnadel 20 zurück in ihre Endstellung gedrückt wird, was in Figur 2c zum Zeitpunkt t3 geschieht. Bei Ventilnadeln, die ballistisch betrieben werden, fährt die Ventilnadel im Gegensatz zur Darstellung in Figur 2c nicht in eine Endposition, sondern kehrt ihre Bewegung vor dem Erreichen derselben um. Qualitativ gilt aber auch hier das oben gesagte.
  • Für eine gute Kleinstmengenfähigkeit ist es günstig, wenn der Druck im Steuerraum 30 relativ langsam abfällt. Dies hat folgenden Grund: Für ein Öffnen des Steuerventils ist eine gewisse Mindestansteuerdauer des Aktors erforderlich, um die Trägheit des Steuerventilglieds 17, der Ventilnadel 20 und des Aktors 10 zu überwinden. Der Verlauf des Steuerraumdrucks p ist für den Fall eines nur langsam absinkenden Drucks in Figur 3a dargestellt. Die Ventilnadel 20 öffnet erst zum Zeitpunkt t3, also dann, wenn der Öffnungsdruck poe im Steuerraum erreicht wird, was erst eine gewisse Zeitdauer nach dem Anlegen des Stroms am Aktor geschieht. Schließt das Steuerventil 15 wieder, so steigt der Druck im Steuerraum erneut auf den Ausgangswert an und erreicht zum Zeitpunkt te den Öffnungsdruck poe, so dass die Ventilnadel 20 schließt. Die Öffnungsdauer der Ventilnadel ist somit Zeitdifferenz zwischen te und t3, die damit kleiner ist als die tatsächliche Ansteuerdauer des Aktors. Damit lassen sich sehr kurze Öffnungszeiten des Einspritzventils und damit sehr geringe Einspritzmengen realisieren.
  • Aus Figur 3a wird jedoch klar, dass der langsame Druckabbau im Steuerraum 30 mit einer relativ großen Empfindlichkeit gegenüber einer Änderung des Öffnungsdrucks poe einhergeht. Ändert sich der Öffnungsdruck poe beispielsweise durch Verschleiß der Ventilnadel, was in Figur 3a durch die Druckdifferenz Δpoe illustriert ist, so ändert sich auch der Zeitpunkt t3, zu dem das Einspritzventil öffnet, was auf der Abszisse durch Δt angedeutet ist. Je langsamer der Druckabfall im Steuerraum, desto stärker ändert sich der Öffnungszeitpunkt t3, was die Öffnungszeit des Einspritzventils verkürzt bzw. verlängert und damit die Einspritzmenge ändert, was den optimalen Betrieb des Motors beeinträchtigt.
  • Um die Unempfindlichkeit gegenüber einer Änderung des Öffnungsdrucks zu verbessern, muss der Druckabfall im Steuerraum 30 hingegen möglichst rasch geschehen, was in Figur 3b dargestellt ist. Durch den raschen Druckabfall im Steuerraum wirkt sich eine Änderung des Öffnungsdrucks poe kaum auf den Öffnungszeitpunkt t3 aus, so dass das Einspritzverhalten des Einspritzventils weitgehend unabhängig vom Verschleiß der Düsennadel ist.
  • Wie dargestellt, lässt sich bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil nicht die Kleinstmengenfähigkeit und die Unempfindlichkeit gegenüber einer Änderung des Öffnungsdrucks gleichzeitig optimieren.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 erlaubt demgegenüber ein gleichzeitiges Optimieren von Kleinstmengenfähigkeit und Robustheit, also Unempfindlichkeit gegenüber einer Änderung des Öffnungsdrucks. Zu diesem Zweck ist die Ventilnadel in zwei kolbenförmige Ventilnadelteile unterteilt, wobei das erste Ventilnadelteil den Steuerraum begrenzt und das zweite Ventilnadelteil die Ventildichtfläche, mit der sie mit dem Ventilsitz 23 zusammenwirkt. Hierbei wirken beide Ventilnadelteile so zusammen, dass das erste Ventilnadelteil in Längsrichtung einen Leerhub ausführen kann, ohne das zweite Ventilnadelteil dadurch zu bewegen. Somit wird ein Mitnehmer geschaffen, bei dem das erste Ventilnadelteil bei seiner Öffnungshubbewegung nach einem Leerhub das zweite Ventilnadelteil mitnimmt, welches erst dann vom Ventilsitz 23 abhebt und so die Einspritzöffnungen freigibt. Es ergibt sich also eine Verzögerung zwischen dem Druckabfall im Steuerraum 30 und dem Beginn der Einspritzung, ohne dass die Robustheit gegenüber einer Änderung des Einspritzdrucks beeinträchtigt wird. Auch das Schließverhalten des Einspritzventils wird durch diese Änderung nicht negativ beeinflusst.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sind das erste Ventilnadelteil und das zweite Ventilnadelteil koaxial zueinander angeordnet. Hierdurch lässt sich die axiale Kraft ohne Versatz übertragen, so dass der Verschleiß minimiert und ein Verkippen der Ventilnadelteile verhindert wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen sowohl das erste Ventilnadelteil als auch das zweite Ventilnadelteil Kontaktflächen auf, die bei der Bewegung in Öffnungs- bzw. Schließrichtung aneinander anliegen. Hierdurch wird jeweils eine Kraftübertragung der beiden Ventilnadelteile aufeinander ermöglicht und die Funktion des Einspritzventils sichergestellt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine noppenförmige Anformung an einem der Ventilnadelteile ausgebildet, die in einer entsprechenden Aufnahme des jeweils anderen Ventilnadelteils angeordnet ist, so dass dadurch ein Mitnehmer gebildet wird, der den oben beschriebenen Leerhub des ersten Ventilnadelteils ermöglicht. Zur Realisierung kann neben den bereits geschilderten Greifhaken in einem Ventilnadelteil ein Langloch ausgebildet sein, in das ein mit dem anderen Ventilnadelteil verbundener Stift eingreift, so dass dadurch ein Mitnehmer gebildet wird, der den Leerhub des ersten Ventilnadel ermöglicht.
  • Zeichnung
  • In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen
  • Figur 4
    ein ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figur 5
    zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mitnehmers,
    Figur 6
    denselben Mitnehmer in seiner Position, die zum Öffnen und Schließen des Einspritzventils eingenommen wird,
    Figur 7a
    zeigt die Seitenansicht auf den Mitnehmer 40, wobei Figur 7a ein erstes Ausführungsbeispiel darstellt und mit A bezeichnet ist,
    Figur 7c
    ein zweites Ausführungsbeispiel, hier mit B bezeichnet, ebenfalls in Seitenansicht und
    Figur 7b
    die geschnittene und gegenüber Figur 7a und 7c um 90° um die Längsachse gedrehte Ansicht, so dass die Figur 7b auf der rechten Seite das Ausführungsbeispiel nach Figur 7c (mit B bezeichnet) zeigt, während die linke Seite von Figur 7b das Ausführungsbeispiel nach Figur 7a (mit A bezeichnet) zeigt;
    Figuren 8a, 8b und 8c
    zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kopplers ebenso die
    Figuren 9a und 9b,
    Figur 10
    zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei hier die komplette Ventilnadel 120 gezeigt ist,
    Figur 11
    ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine Umkehrung des Prinzips nach Figur 10 ist,
    Figur 12
    und
    Figur 12a
    zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel und
    Figur 13,
    Figur 14,
    Figur 15
    und
    Figur 16
    zeigen weitere Varianten des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In Figur 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Die Darstellung entspricht, bis auf die geänderte Ventilnadel 20, genau der Darstellung in Figur 1, so dass auf eine Beschreibung der gleichen Bauteile verzichtet wird. Im Ventilkörper 5 ist die Ventilnadel 20 angeordnet, die hier in ein erstes Ventilnadelteil 120 und ein zweites Ventilnadelteil 220 unterteilt ist. Am ersten Ventilnadelteil 120 ist ein erster Greifhaken 64 ausgebildet, der in einen zweiten Greifhaken 65 eingreift, welcher am zweiten Ventilnadelteil 220 ausgebildet ist. Hierbei sind die Greifhaken 64, 65 so ausgebildet, dass in Schließstellung der Ventilnadel 20 die Greifhaken 64, 65 an ersten Kontaktflächen 51, 61 aneinander anliegen und bei einem Hub des ersten Ventilnadelteils 120 in Richtung des Steuerraums 30 die Greifhaken 64, 65 erst nach Durchfahren eines Leerhubs mit zweiten Kontaktflächen 52, 62 aneinander formschlüssig anliegen, wodurch das zweite Ventilnadelteil 220 in Öffnungsrichtung bewegt wird. Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils ist ein hoher Druck im Steuerraum 30 vorhanden, der das erste Ventilnadelteil 120 in Richtung des Ventilsitzes 23 drückt, dergestalt, dass die Greifhaken 64, 65 aneinander anliegen und dadurch auch eine Schließkraft auf das zweite Ventilnadelteil 220 bewirkt wird. Die zwischen dem ersten Ventilnadelteil 120 und dem zweiten Ventilnadelteil 220 angreifenden hydraulischen Kräfte, die dadurch erzeugt werden, dass Kraftstoff unter hohem Druck, der im Druckraum 19 vorhanden ist, zwischen das erste Ventilnadelteil 120 und zweite Ventilnadelteil 220 strömt, stören diese zusammenwirkenden Ventilnadelteile 120, 220 nicht, da sich diese Kräfte größtenteils gegenseitig aufheben.
  • Das erste Ventilnadelteil 120 liegt mit seiner ersten Kontaktfläche 51, die der Stirnfläche 21 gegenüberliegt, an der ersten Kontaktfläche 61 des zweiten Ventilnadelteils 220 an und drückt so das zweite Ventilnadelteil 220 in seine Schließstellung. Auf Teile des Greifhakens 64 wirkt eine in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft auf das erste Ventilnadelteil 120, so dass durch Absenken des Drucks im Steuerraum 30 - wie oben beschrieben - eine Öffnungskraft auf das erste Ventilnadelteil 120 bewirkt wird. Durch die Bewegung des ersten Ventilnadelteils 120 in Öffnungsrichtung entfernen sich die erste Kontaktfläche 51 des ersten Ventilnadelteils 120 und die erste Kontaktfläche 61 des zweiten Ventilnadelteils 220 voneinander, so lange, bis die zweite Kontaktfläche 52 des ersten Ventilnadelteil 120 an der zweiten Kontaktfläche 62 des zweiten Ventilnadelteils 220 anliegt. Der Hub, den das erste Ventilnadelteil 120 bis zu diesem Zeitpunkt durchfährt, ist der oben bereits erwähnte Leerhub hl. Zu diesem Zeitpunkt nimmt das erste Ventilnadelteil 120 das zweite Ventilnadelteil 220 auf seiner Bewegung mit, einerseits aufgrund der hydraulischen Kräfte, andererseits aufgrund der kinetischen Energie, die das erste Ventilnadelteil 120 bis zu diesem Zeitpunkt bereits aufgenommen hat. Das zweite Ventilnadelteil 220 hebt dadurch vom Ventilsitz 23 ab, was eine zusätzliche Öffnungskraft durch die hydraulische Kraft auf die Ventildichtfläche 23 in Öffnungsrichtung bewirkt. Das Schließen des Einspritzventils erfolgt wiederum durch Erhöhen des Drucks im Steuerraum 30, wodurch das erste Ventilnadelteil 120 sowie das zweite Ventilnadelteil 220 zurück in ihre jeweilige Schließstellung gedrückt werden.
  • Figur 5 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Mitnehmer 40, wobei hier nur der Mitnehmer selbst, d.h. nur die jeweiligen Enden des ersten Ventilnadelteils 120 und das zweite Ventilnadelteils 220 gezeigt ist. Am zweiten Ventilnadelteil 220 ist eine Anformung 48 ausgebildet, die im Querschnitt eine T-Form aufweist. Das erste Ventilnadelteil 120 weist eine dementsprechende Aufnahme 50 auf, die so ausgebildet ist, dass die Anformung 48 darin aufgenommen wird und der durch die im Querschnitt T-förmige Anformung gebildete Absatz hintergriffen wird.
  • Die Funktionsweise ist in Figur 6 näher dargestellt. Auf der linken Seite ist die Position der beiden Ventilnadelteile 120, 220 in Schließstellung des Einspritzventils gezeigt. Die Anformung 48 weist an ihrem dem ersten Ventilnadelteil 120 zugewandten Ende die erste Kontaktfläche 61 auf, die an der am Grund der Aufnahme 50 ausgebildeten ersten Kontaktfläche 51 des ersten Ventilnadelteils 120 anliegt. Hierdurch lässt sich die Schließkraft vom ersten Ventilnadelteil 120 auf das zweite Ventilnadelteil 220 übertragen. Die durch die Hintergreifung der Aufnahme 50 gebildete zweite Kontaktfläche 62 hat in dieser Position einen axialen Abstand von der gegenüberliegenden Kontaktfläche 52 der Anformung 48. Auf der rechten Seite der Figur 6 ist die Position während der Öffnungsbewegung der Ventilnadel 20 gezeigt. Durch die Bewegung des ersten Ventilnadelteils 120 in Öffnungsrichtung haben sich die ersten Kontaktflächen 51, 61 axial voneinander entfernt. Gleichzeitig sind die zweiten Kontaktflächen 52, 62 jetzt in Anlage aneinander, so dass nun das erste Ventilnadelteil 120 das zweite Ventilnadelteil 220 bei seiner Öffnungsbewegung mitnimmt. Der axiale Leerhub, den das erste Ventilnadelteil 120 ohne das zweite Ventilnadelteil 220 durchführt, ist in der Figur 6 mit hl bezeichnet.
  • Figur 7b zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kopplers, wobei ein Ausführungsbeispiel auf der linken Seite in der Figur 7b mit A bezeichnet dargestellt ist und das zweite Ausführungsbeispiel auf der rechten Seite bezeichnet mit B. Figur 7a zeigt das Ausführungsbeispiel A in einer gegenüber Figur 7b um 90° gedrehte Seitenansicht entsprechend der eingezeichneten strichpunktierten Schnittlinie in Figur 7b, während Figur 7c die entsprechende Seitenansicht des Ausführungsbeispiels B zeigt. Zur Realisierung des Kopplers ist im zweiten Ventilnadelteils 220 eine Anformung 48 ausgebildet, wobei in der Anformung 48 - bezugnehmend auf das Ausführungsbeispiel A - ein Langloch 42 eingebracht ist. Am ersten Ventilnadelteil 120 ist eine entsprechende Aufnahme 50 ausgebildet, die die Anformung 48 umgreift und in der eine Bohrung 45 ausgebildet ist. In der Bohrung 45 ist stoff- oder kraftschlüssig ein Stift 43 angeordnet, dessen Länge dem Durchmesser des ersten Ventilnadelteils 120 entspricht. Da der Stift 43 in der Bohrung 45 ohne Spiel angeordnet ist, bewegt er sich stets synchron mit der ersten Ventilnadelteil 120. Dies wird in der Darstellung der Figur 7a nochmals deutlich. In Schließstellung des Einspritzventils liegt das erste Ventilnadelteil 120 mit der ersten Kontaktfläche 51, die an ihrer dem zweiten Ventilnadelteil 220 zugewandten Stirnseite ausgebildet ist, an der ersten Kontaktfläche 61 des zweiten Ventilnadelteils 220 an, die ebenfalls an der Stirnseite des zweiten Ventilnadelteils 220 ausgebildet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass in der Schließstellung statt der Kontaktflächen 51, 61 die am Stift 43 bzw. der Anformung 48 ausgebildeten Kontaktflächen 51', 61' aneinander zur Anlage kommen. Bei der Öffnung des Einspritzventils kommt der Stift 63, an dem sich die zweite Kontaktfläche 62 befindet, an dem in der Zeichnung oberen Ende des Langlochs 42 zur Anlage, die die zweite Kontaktfläche 52 des ersten Ventilnadelteils 120 bildet.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel B entspricht in seiner Funktion dem ersten Ausführungsbeispiel A mit dem Unterschied, dass das Langloch hier in der Aufnahme 50 des ersten Ventilnadelteils 120 ausgebildet ist, während der Stift 43 ohne Spiel in einer Bohrung in der Anformung 48 des zweiten Ventilnadelteils 220 geführt ist. Die Funktion der ersten Kontaktflächen 51, 61 ist identisch mit dem Ausführungsbeispiel A, während die zweiten Kontaktflächen 52', 62' entsprechend am zweiten Langloch 42' in der Aufnahme 50 und am äußeren Ende des Stifts 43 ausgebildet sind. Auch hier kann es vorgesehen sein, dass statt der Kontaktflächen 51, 61 in der Schließstellung die obere Fläche des Langlochs 42' am Stift 43 zur Anlage kommt. Figur 7c macht diese Anordnung nochmals deutlich in einer 90 Grad gedrehten Seitenansicht gegenüber Figur 7b, so dass diese Seitenansicht der eingezeichneten strichpunktierten Schnittlinie in Figur 7b entspricht.
  • In den Figuren 8a, 8b und 8c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kopplers gezeigt. Am zweiten Ventilnadelteil 220 ist eine noppenförmige Anformung 49 ausgebildet, die in ihrer Funktion in etwa der Anformung 48 im Ausführungsbeispiel der Figuren 5 und 6 entspricht. Die Aufnahme 50, die am ersten Ventilnadelteil 120 ausgebildet ist, weist eine entsprechende Innenform zur Aufnahme der noppenförmigen Anformung 49 auf. Bezugnehmend auf Figur 8b ist Form und Größe von Aufnahme 50 und noppenförmiger Anformung 49 so gewählt, dass in Schließstellung des Kraftstoffeinspritzventils das erste Ventilnadelteil 120 mit der ersten Kontaktfläche 51, die an der dem zweiten Ventilnadelteil 220 zugewandten Stirnseite ausgebildet ist, an einer gegenüberliegenden Stirnseite des zweiten Ventilnadelteils 220 anliegt, die die erste Kontaktfläche 61 dieses Ventilnadelteils 220 bildet. Es kann auch vorgesehen sein, dass statt dessen die Anlage zwischen dem oberen Ende der noppenförmigen Anformung 49 und dem Grund der Aufnahme 50 stattfindet.
  • Bei der Öffnungsbewegung des Einspritzventils bekommt die dem zweiten Ventilnadelteil 220 zugewandte Seite der noppenförmigen Anformung 49, die als zweite Kontaktfläche 52 dient, an der entsprechend gegenüberliegenden, die zweite Kontaktfläche 62 des ersten Ventilnadelteils 120 bildenden Fläche zur Anlage, so dass hierdurch ein Mitnehmer gebildet wird, der einen entsprechenden Leerhub des ersten Ventilnadelteils 120 ermöglicht. Figur 8a zeigt nochmals eine Seitenansicht entsprechend der eingezeichneten Schnittlinie in Figur 8b auf diesen Koppler. Um eine Montage zu ermöglichen, muss hierbei die Aufnahme 50 an einer Seite geöffnet sein, um ein Einführen der noppenförmigen Anformung 49 in die Aufnahme 50 durch eine Bewegung senkrecht zur Längsache der Ventilnadel 20 zu ermöglichen.
  • Figur 8c zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführung entsprechend Figur 8b, bei der zur Erhöhung der übertragbaren Kräfte die noppenförmige Anformung 49 nicht rotationssymmetrisch, sondern länglich ausgeführt ist.
  • Die Figuren 9a und 9b zeigen einen weiteren Mitnehmer 40, wobei die Figuren 9a und 9b relativ zueinander um 90 Grad gedreht dargestellt sind. Am zweiten Ventilnadelteil 220 ist wiederum eine im Querschnitt T-förmige Anformung 48 ausgebildet, wobei am ersten Ventilnadelteil 120 ein Greifhaken 64 ausgebildet ist, der die Anformung 48 hintergreift. Die ersten Kontaktflächen 51, 61 am ersten bzw. zweiten Ventilnadelteil 120, 220 und die zweiten Kontaktflächen 52, 62 sind axial so zueinander beabstandet, dass hierdurch der Leerhub des ersten Ventilnadelteil 120 ermöglicht wird. Alternativ können die Kontaktflächen 51', 61' auch in der in Figur 9b gezeigten Weise ausgebildet werden, um die Schließkraft zu übertragen.
  • Figur 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mitnehmers 40. Das zweite Ventilnadelteil 220 weist wiederum eine Anformung 48 auf, an der durch die Anformung 48 eine zweite Kontaktfläche 62 gebildet wird. Das erste Ventilnadelteil 120 wird von einer Verbindungshülse 55 umgeben, die mit dem ersten Ventilnadelteil 120 durch einen Sicherungsstift 54 fest verbunden ist. Alternativ kann die Verbindung zwischen der Verbindungshülse 55 und dem ersten Ventilnadelteil 120 auch durch eine kraft- oder stoffschlüssige Verbindung 57 ausgebildet werden, die beispielsweise eine Schweiß- oder Lötverbindung sein kann. Die Verbindungshülse 55 bildet durch ihre Form eine Aufnahme 50 für die Anformung 48 des zweiten Ventilnadelteils 220, so dass an der Verbindungshülse 55 die zweite Kontaktfläche 52 ausgebildet ist, die der zweiten Kontaktfläche 62 des zweiten Ventilnadelteils 220 gegenüberliegt. Die erste Kontaktfläche 51 ist am ersten Ventilnadelteil 120 ausgebildet und liegt der ersten Kontaktfläche 61 des zweiten Ventilnadelteils 220 gegenüber, die die ventilsitzabgewandte Stirnseite dieses Ventilnadelteils bildet. Der axiale Abstand der ersten Kontaktfläche 61 von der zweiten Kontaktfläche 62 des zweiten Ventilnadelteils 220 ist hierbei kleiner als der axiale Abstand der ersten Kontaktfläche 51 von der zweiten Kontaktfläche 52 des ersten Ventilnadelteils 120, wobei die Verbindungshülse 55 hier als Teil des ersten Ventilnadelteils 120 angesehen wird und mit diesem auch einstückig ausgebildet sein kann. Durch diesen axialen Abstand der Kontaktflächen zueinander wird der Mitnehmer gebildet, der einen Leerhub des ersten Ventilnadelteils 120 - wie oben beschrieben - ermöglicht.
  • Figur 11 zeigt einen ähnlichen Mitnehmer wie Figur 10, jedoch ist hier die Verbindungshülse 55' mit dem zweiten Ventilnadelteil 220 durch einen Sicherungsstift 54 oder alternativ durch eine kraft- oder stoffschlüssige Verbindung 57' als eine Schweiß- oder Lötverbindung verbunden. Die Anformung 48 ist am ersten Ventilnadelteil 120 ausgebildet, wirkt aber in gleicher Weise mit der durch die Verbindungshülse 55' gebildeten Aufnahme 50 zusammen.
  • Figur 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Das zweite Ventilnadelteil 220 weist in dieser Variante einen Führungsabschnitt 27 auf, mit dem das zweite Ventilnadelteil 220 im Druckraum 19 geführt ist. Das zweite Ventilnadelteil 220 geht an seinem dem Ventilsitz 23 abgewandten Ende in einen Führungszapfen 39 über, der einen gegenüber dem restlichen Ventilnadelteil 220 deutlich reduzierten Durchmesser aufweist. Das erste Ventilnadelteil 120 ist wieder in der Hülse 29 geführt und weist an seinem dem zweiten Ventilnadelteil 220 zugewandten Ende eine Führungsbohrung 38 auf, die als Sackbohrung ausgeführt ist und die den Führungszapfen 39 aufnimmt, so dass dieser innerhalb der Führungsbohrung 38 längsbewegbar geführt ist. Da der Führungszapfen 39 kürzer ist als die Führungsbohrung 38 verbleibt am Grund der Führungsbohrung 38 ein Zwischenraum 46, der über eine im ersten Ventilnadelteil 120 ausgebildete Verbindungsbohrung 37 mit dem Druckraum 19 verbunden ist, was für einen stetigen Druckausgleich zwischen dem Druckraum 19 und Zwischenraum 46 sorgt.
  • Zur Kopplung des ersten Ventilnadelteils 120 mit dem zweiten Ventilnadelteil 220 ist eine Mitnehmerhülse 41 am ersten Ventilnadelteil 120 angebracht, durch die ein mechanischer Mitnehmer 40 gebildet wird. Die Mitnehmerhülse 41 ist dabei rotationssymmetrisch ausgebildet und, beispielsweise durch eine Schweißverbindung, fest mit dem ersten Ventilnadelteil 120 verbunden. Am zweiten Ventilnadelteil 220 ist ein Bund 36 mit der zweiten Kontaktfläche 62 als dem Ventilsitz 23 zugewandte Ringfläche ausgebildet, wobei die Mitnehmerhülse 41 den Bund 36 übergreift und dadurch die Kopplung zwischen den beiden Ventilnadelteilen 120, 220 herstellt. An der Innenseite der Kopplerhülse 41 ist, der zweiten Kontaktfläche 62 zugewandt, die zweite Kontaktfläche 52 an der Mitnehmerhülse 41 ausgebildet, wobei die beiden Kontaktflächen 52, 62 bei der Öffnungshubbewegung der Ventilnadel 20 aneinander anliegen. An der ventilsitzseitigen Stirnseite des ersten Ventilnadelteils 120 ist entsprechend für die Schließbewegung der Ventilnadel 20 die ersten Kontaktfläche 51 ausgebildet, der die korrespondierende erste Kontaktfläche 61 am zweiten Ventilnadelteil 220 gegenübersteht.
  • Das Öffnen der Ventilnadel 20 geschieht analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen: Bei geschlossenem Einspritzventil ist die Ventilnadel 20 in Anlage am Ventilsitz 23 und verschließt dadurch die Einspritzöffnungen 25. Dazu drückt das erste Ventilnadelteil 120, angetrieben durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum 30, mit der ersten Kontaktfläche 51 gegen die erste Kontaktfläche 61 des zweiten Ventilnadelteils 220. Die zweiten Kontaktflächen 52, 62 sind um den Leerhub hl voneinander beabstandet, wie Figur 12a in einer Ausschnittsvergrößerung zeigt. Wird nun der Druck im Steuerraum 30 durch das - hier nicht dargestellte - Steuerventil abgesenkt, bewegt sich das erste Ventilnadelteil 120 durch die hydraulischen Kräfte in Richtung des Steuerraums 30, wobei das zweite Ventilnadelteil 220 vorerst in Ruhe bleibt, bis das erste Ventilnadelteil 120 den Leerhub hl durchfahren hat und die zweite Kontaktfläche 52 des ersten Ventilnadelteils 120 an der zweiten Kontaktfläche 62 des zweiten Ventilnadelteils 220 anliegt. Das zweite Ventilnadelteil 220 wird dann durch die Bewegung des ersten Ventilnadelteils 120 mitgenommen und bewegt sich zusammen mit diesem vom Ventilsitz 23 weg, was die Einspritzöffnungen 25 mit dem Druckraum 19 verbindet und den Kraftstoffstrom aus dem Druckraum 19 durch die Einspritzöffnungen 25 freigibt. Beim Schließen des Kraftstoffeinspritzventils wird der Druck im Steuerraum 30 durch erneutes Betätigen des Steuerventils erhöht, so dass der hydraulische Druck auf das erste Ventilnadelteil 120 dieses in Richtung des Ventilsitzes 23 drückt. Dabei entfernen sich die zweiten Kontaktflächen 52, 62 wieder voneinander und die beiden Ventilnadelteile 120, 220 fahren zurück in ihre Schließstellung.
  • Die Montage der Ventilnadel 20 kann bei diesem Ausführungsbeispiel folgendermaßen geschehen. Die Mitnehmerhülse 41 wird von der Ventildichtfläche 22 her über das zweite Ventilnadelteil 220 geschoben bis zu seinem gegenüberliegenden Ende. Anschließend wird das erste Ventilnadelteil 120 mit der Führungsbohrung 38 über den Führungszapfen 39 geschoben, bis die Mitnehmerhülse 41 in der in Figur 12 gezeigten Position ist. Anschließend wird die Schweißverbindung zwischen der Mitnehmerhülse 41 und dem ersten Ventilnadelteil 120 hergestellt.
  • In Figur 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Das erste Ventilnadelteil 120 weist hier keine Führungsbohrung 38 auf und am zweiten Ventilnadelteil 220 ist kein entsprechender Führungszapfen 39 ausgebildet, sondern die einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Ventilnadelteile 120, 220 sind plan geschliffen und bilden die ersten Kontaktfläche 51, 61. Zur Positionierung des ersten Ventilnadelteils 120 ist an der den Steuerraum 30 begrenzenden Stirnseite des ersten Ventilnadelteils 120 eine zentrale Bohrung 44 ausgebildet, in der zwischen der Drosselplatte 4 und dem ersten Ventilnadelteil 120 unter Vorspannung eine Spannfeder 47 angeordnet ist. Die Spannfeder 47 sorgt dafür, dass das erste Ventilnadelteil 120 mit seiner ersten Kontaktfläche 51 in Schließstellung der Ventilnadel 20 an der ersten Kontaktfläche 61 des zweiten Ventilnadelteils 220 anliegt.
  • Um den Mitnehmer zu bilden ist auch hier eine Mitnehmerhülse 41' vorgesehen, die in diesem Ausführungsbeispiel mit dem zweiten Ventilnadelteil 220 fest verbunden ist, beispielsweise durch eine Schweißverbindung oder durch Aufpressen. Am ersten Ventilnadelteil 120 ist ein Bund 53 ausgebildet, den die Mitnehmerhülse 41' umfasst, wobei am Bund 53 und der Innenseite der Mitnehmerhülse 41' die zweite Kontaktfläche 52 des ersten Ventilnadelteils 120 bzw. die zweite Kontaktfläche 62 des zweiten Ventilnadelteils 220 ausgebildet ist. Die Funktionsweise ist ansonsten identisch zu dem in Figur 12 gezeigten Ausführungsbeispiel.
  • In Figur 14 ist eine Variante des in Figur 13 gezeigten Ausführungsbeispiels im Längsschnitt dargestellt. Statt der Mitnehmerhülse 41' ist hier eine hülsenartige Verlängerung 58 am zweiten Ventilnadelteil 220 ausgebildet, an deren Innenseite ein Ring 31 vorzugsweise durch Schweißen fest angebracht ist. Die hülsenartige Verlängerung 58 und der Ring 31 haben dieselbe Funktion wie die Mitnehmerhülse des in Figur 13 gezeigten Ausführungsbeispiels, so dass bezüglich der weiteren Details und der Funktion auf die Ausführungen zu diesem Ausführungsbeispiel verwiesen wird.
  • In Figur 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Die beiden Ventilnadelteile 120, 220 sind hier - wie bei dem in Figur 13 gezeigten Ausführungsbeispiel - plan geschliffen und die planen Flächen bilden die ersten Kontaktflächen 51, 61. Der mechanische Mitnehmer wird durch die Mitnehmerhülse 41" gebildet, die mit dem ersten Ventilnadelteil 120 fest verbunden ist, vorzugsweise durch eine Schweißverbindung. Am zweiten Ventilnadelteil 220 ist ein erster Ring 71 angebracht, ebenfalls vorzugsweise durch eine Schweißverbindung, an dem die zweite Kontaktfläche 62 des zweiten Ventilnadelteils 220 ausgebildet ist, die der zweiten Kontaktfläche 52 des ersten Ventilnadelteils 120 gegenüberliegt. Durch einen zweiten Ring 72, der fest am zweiten Ventilnadelteil 220 außerhalb der Mitnehmerhülse 41" angeordnet ist, kann alternativ ebenfalls die erste Kontaktflächen 61 ausgebildet sein, die dann mit der ersten Kontaktfläche 51 an der Unterseite der Mitnehmerhülse 41" zusammenwirkt. In diesem Fall berühren sich die Stirnflächen der Ventilnadelteile 120, 220 in Schließstellung der Ventilnadel 20 nicht.
  • In Figur 16 ist eine Variante des in Figur 13 gezeigten Einspritzventils im Längsschnitt dargestellt. Statt des Bundes 53 ist hier ein Hülsenelement 70 am ersten Ventilnadelteil 120 angebracht, das diese Funktion übernimmt. Das Hülsenelement 70 ist dabei durch eine Schweißverbindung fest mit dem ersten Ventilnadelteil 120 verbunden oder auf dieses aufgeschrumpft oder verpresst. Bezüglich der Funktionsweise wird auf die Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der Figur 13 verwiesen.

Claims (10)

  1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (1), in dem eine kolbenförmige Ventilnadel (20) längsbeweglich angeordnet ist, an der eine Ventildichtfläche (22) ausgebildet ist, mit der die Ventilnadel (20) mit einem Ventilsitz (23) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (25) zusammenwirkt, und mit einem mit Kraftstoff befüllbaren Steuerraum (30), der von einer der Ventildichtfläche (22) abgewandt angeordneten Stirnfläche (21) der Ventilnadel (20) begrenzt wird, so dass sich durch den Druck im Steuerraum (30) eine einer Öffnungskraft entgegen gerichtete Schließkraft auf die Ventilnadel (20) ergibt, wobei die Ventilnadel (20) zwei kolbenförmige Ventilnadelteile (120, 220) umfasst und das erste Ventilnadelteil (120) den Steuerraum (30) begrenzt und das zweite Ventilnadelteil (220) die Ventildichtfläche (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Ventilnadelteile (120, 220) so zusammenwirken, dass das erste Ventilnadelteil (120) bei Stillstand des zweiten Ventilnadelteils (220) einen Leerhub in Längsrichtung ausführen kann, wobei am ersten Ventilnadelteil (120) eine erste Kontaktfläche (51) und eine zweite Kontaktfläche (52) ausgebildet sind und dass am zweiten Ventilnadelteil (220) ebenfalls eine erste Kontaktfläche (61) und eine zweite Kontaktfläche (62) ausgebildet sind, wobei dann, wenn das erste Ventilnadelteil (120) in Richtung des Ventilsitzes (23) gedrückt wird, die erste Kontaktfläche (51) des ersten Ventilnadelteils (120) und die erste Kontaktfläche (61) des zweiten Ventilnadelteils (220) aneinander anliegen und dann, wenn das erste Ventilnadelteil (120) vom Ventilsitz (23) weggedrückt wird, die zweite Kontaktfläche (52) des ersten Ventilnadelteils (120) und die zweite Kontaktfläche (62) des zweiten Ventilnadelteils (220) aneinander anliegen.
  2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) ein Druckraum (19) ausgebildet ist, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann, wobei der Kraftstoff die Ventilnadel (20) zumindest auf einem Teil ihrer Oberfläche so beaufschlagt, dass dadurch eine vom Ventilsitz (23) weggerichtete Öffnungskraft auf die Ventilnadel (20) ausgeübt wird.
  3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilnadelteil (120) und das zweite Ventilnadelteil (220) koaxial zueinander angeordnet sind.
  4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfläche (51) und die zweite Kontaktfläche (52) des ersten Ventilnadelteils (120) einen größeren axialen Abstand aufweisen als die erste Kontaktfläche (61) und die zweite Kontaktfläche (62) des zweiten Ventilnadelteils (220).
  5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfläche (51) und die zweite Kontaktfläche (52) des ersten Ventilnadelteils (120) einen kleineren axialen Abstand aufweisen als die erste Kontaktfläche (61) und die zweite Kontaktfläche (62) des zweiten Ventilnadelteils (220).
  6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Ventilnadelteile (120; 220) eine noppenförmige Anformung (49) an ihrer dem anderen Ventilnadelteil (120; 220) zugewandten Stirnseite aufweist und das andere Ventilnadelteil (120; 220) eine Aufnahme (50) für die noppenförmige Anformung (49), wobei die noppenförmige Anformung (49) so in der Aufnahme (50) angeordnet ist, dass ein Mitnehmer gebildet wird, der einen Leerhub des ersten Ventilnadelteils (120) ermöglicht.
  7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Ventilnadelteilen (120; 220) ein Greifhaken (64) ausgebildet ist, wobei beide Greifhaken (64; 65) so ineinander greifen, dass ein Mitnehmer gebildet wird, der einen Leerhub des ersten Ventilnadelteils (120) ermöglicht.
  8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilnadelteil (120; 220) an seiner dem anderen Ventilnadelteil (120; 220) zugewandten Seite ein Langloch (42) aufweist, in das ein mit dem anderen Ventilnadelteil (120; 220) verbundener Stift (43) eingreift, so dass ein Mit nehmer gebildet wird, der einen Leerhub des ersten Ventilnadelteils (120) ermöglicht.
  9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Ventilnadelteil (120) eine Mitnehmerhülse (41) angebracht ist, die einen am zweiten Ventilnadelteil (220) ausgebildeten Bund umgreift und dadurch einen mechanischen Mitnehmer (40) bildet.
  10. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass am ventilsitzabgewandten Ende des zweiten Ventilnadelteils (220) ein Führungszapfen (39) ausgebildet ist, der in einer am ersten Ventilnadelteil (120) ausgebildeten Führungsbohrung (38) geführt ist.
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