WO1999030029A1 - Einspritzventil zur intermittierenden brennstoffeinspritzung - Google Patents

Einspritzventil zur intermittierenden brennstoffeinspritzung Download PDF

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Wolfgang Scheibe
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    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02M61/20—Closing valves mechanically, e.g. arrangements of springs or weights or permanent magnets; Damping of valve lift

Definitions

  • the invention relates to an injection valve for intermittent fuel injection into the combustion chamber of an internal combustion engine with a valve actuator which is axially movably guided in a valve housing between a closed and an open position and which is pressed in the closed position against an essentially conical valve seat and thus in a blind hole downstream of the Injection openings located valve seat closes and with a control chamber, which is connected via at least one inlet throttle bore with a high pressure fuel inlet line and via an outlet throttle bore with a low pressure outlet line, the pressure in the control chamber being controllable via an electromagnetically actuated control valve element and depending on Control room pressure the valve actuator is actuated.
  • valve actuator is designed as a nozzle needle, which presses with its tip onto the conical nozzle needle seat in order to keep the injection valve in the closed state.
  • the dynamic loading of the nozzle tip with the nozzle needle seat is correspondingly high, which occurs as a shock load depending on the mass of the moving nozzle needle with each closing process of the nozzle.
  • a reduction in the impact load for example due to a slower closing movement of the nozzle needle, is therefore not an option, because this would mean that an inexact metering and above all dripping of the nozzle would have to be accepted.
  • the object of the present invention is therefore to improve an injection valve of the type described in the introduction in such a way that even at extremely high injection pressures and high ones required accuracy with regard to the injection quantities, an inadmissibly high stress between the valve actuator and valve seat is avoided and long service lives of an injection valve can thus be achieved.
  • a valve actuator holder is arranged in the valve housing, which extends with a lower end in the immediate vicinity of the valve seat, the valve actuator in the lower end of the valve actuator holder is guided to permit the actuating movement and the control chamber as a bore in the valve actuator. link holder is guided up to the valve actuator and this is pressurized.
  • the inventive design of an injection valve ensures that the valve actuator operating at an extremely high pressure level and at high actuating speeds can have the lowest possible mass and thus the dynamic forces on the valve seat are significantly reduced.
  • the stationary arrangement of a valve actuator holder which extends to the immediate vicinity of the valve seat and receives the valve actuator there, is the prerequisite for the small size and thus the low mass of the valve actuator.
  • a valve actuator is provided in the arrangement according to the invention, the dimension of which in the direction of the steep movement is only very small.
  • valve actuator is a ball.
  • cylindrical valve actuators in the form of pistons are also possible, the extent in the axial direction not being chosen to be substantially larger than the diameter.
  • valve actuator holder is centered at the lower end in the valve seat itself.
  • the injection valve can be designed both in such a way that the spring force acts on the valve actuator in the closing direction, and in the opposite manner in such a way that a spring applies a permanent force to the valve actuator in the opening direction.
  • the control and the exact movement of the valve actuator is controlled by hydrauli see pressure causes. On the one hand, the high pressure from the fuel supply line is available, and on the other hand the low pressure from the fuel discharge line.
  • the actuating forces are determined by appropriate geometric design of the valve actuator with pressure attack surfaces.
  • FIG. 1 shows an injection valve according to the invention in a central longitudinal section
  • FIG. 2 shows the lower area of the injection valve shown in FIG. 1 in an enlarged view
  • FIGS. 1 and 2 shows an enlarged representation of the valve seat area of the injection valve according to FIGS. 1 and 2 and
  • Fig. 4 shows the lower region of an injection valve corresponding to Fig. 1, but with a valve actuator designed as a cylindrical piston.
  • the injection valve shown in section in FIG. 1 has a valve housing 9 with a connecting piece 29 for a high-pressure fuel line.
  • a nozzle body 11 of an injection nozzle is screwed to the lower end of the valve housing 9 by means of a nozzle nut 10.
  • a fuel feed line 13 leads from the connecting piece 29 through the valve housing 9 and through the nozzle body 11 to a valve seat 6 of the injection nozzle.
  • an essentially cylindrical valve actuator holder 14 is inserted into the nozzle body 11 and has a control chamber 2 designed as a central bore. The valve actuator holder 14 extends down to the valve seat 6.
  • An inlet throttle bore 3 is provided in the central region of the valve actuator holder 14 and connects the fuel inlet line 13 to the control chamber 2.
  • an outlet throttle bore 18 is provided which connects in the control chamber 2 to a fuel outlet line 12.
  • the cross section of the outlet throttle bore 18 is larger than the cross section of the inlet throttle bore 3.
  • valve actuator holder 14 is centered at its lower end via a centering collar 16 in the conical valve seat 6 is the control chamber 2 of the valve actuator holder 14 extends downwards to a bore in which the valve actuator 4, which is designed as a ball, is axially movable.
  • the valve actuator 4 which is designed as a ball
  • the ball sits on the conical valve seat 6, so that the downstream Blind hole 7, from which spray holes 17 start, remains depressurized As shown in FIG.
  • valve actuator 4 namely the ball
  • this pressure via the inlet throttle bore 3 being equal to the high pressure in the fuel feed line 13 is D
  • the discharge throttle bore 18 of the control chamber 2 is closed by the control valve element 8. If the control valve element 8 is now lifted by the electromagnet 28 and the discharge throttle bore against the discharge line 12 is opened, the pressure in the control chamber 2 drops and the spherical valve actuator 4 is caused by the pressure from below high pressure acting on a partial cross-section of the valve actuator is lifted from the valve seat 6.
  • valve cross-section is released and there is an injection that continues until the pressure in the control chamber 2 rises again by closing the drain throttle bore 18 by means of the control valve element 8 and that Valve actuator on the valve seat presses We from Fig. 2 easily recognizable, the stress on the valve seat 6 will remain low even at the highest pressures and pressure differences and extremely high actuating speeds of the valve actuator 4, since the mass of the valve actuator 4 is considerably less than that a conventional nozzle needle
  • valve actuator 4 In order to achieve exact positioning of the valve actuator, it may be desirable to provide an actuation of the valve actuator 4 by spring force in addition to actuation via hydraulic pressure or differential pressure.
  • FIG the valve seat 6 is held. In the closed position shown, the pressure force of the spring and the hydraulic pressure force resulting from the free cross-sectional area and the pressure prevailing in the control chamber act on the valve actuator from above - Injection of the spherical valve actuator 4 between the valve seat 6 and the largest free cross-section results and the associated pressure which corresponds to the high pressure in the fuel supply line. If the geometric conditions require it, it is but readily conceivable that the valve actuating element 4 is not acted upon in the closing direction by a compression spring but rather against the closing direction, ie the compression spring would then be fitted in blind hole 7.
  • FIG. 4 largely resembles the image according to FIG. 3 and differs only in that a stepped cylindrical piston 4a is used as the valve actuator instead of a ball.
  • the piston 4a interacts with the conical valve seat 6 and is acted upon by a compression spring 24 in the closing direction.
  • the remaining elements of the injection nozzle correspond to the above description for FIGS. 1 to 3.
  • the axial extent of the piston 4a is only slightly larger than the diameter of the valve seat. As a result, the mass of the piston 4a and, in turn, the occurrence of dynamic forces during the opening and closing process are kept low.

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Abstract

Einspritzventil zur intermittierenden Brennstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei dem das Ventilstellglied (4) in einen Ventilstellgliedhalter (14) angeordnet ist, der sich bis in unmittelbare Nähe des Ventilsitzes (6) erstreckt, so daß das Ventilstellglied (4) nur geringe Abmessungen und geringe Masse aufweist.

Description

Einspritzventil zur intermittierenden Brennstoffeinspritzung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Einspritzventil zur intermittierenden Brennstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Ventilgehäuse zwischen einer Schließ- und Offenstellung axial beweglich geführten Ventilstellglied, welches in Schließstellung gegen einen im wesentlichen konischen Ventilsitz angedrückt wird und so die in einem Sackloch stromabwärts des Ventilsitzes befindlichen Einspritzöffnungen verschließt und mit einem Steusrraum, der über wenigstens eine Zulaufdrosselbohrnung mit einer Hock- druck führenden Brennstoffzulaufleitung in Verbindung steht und über eine Ablaufdrosselbohrung mit einer unter Niederdruck stehenden Ablaufleitung, wobei der Druck im Steuerraum über ein elektromagnetisch betätigtes Steuerventilelement steuerbar ist und abhängig vom Steuerraumdruck das Ventilstellglied betätigt wird.
Ein Einspritzventil mit den vorstehend genannten Merkmalen ist aus der US-PS 3 610 529, dort Fig. 3, und die zugehörige Beschreibung bekannt. Wie auch bei anderen herkömmiichen Einspritzventilen ist das Ventilstellglied als Düsennadel ausgebildet, die mit ihrer Spitze auf den konisch ausgebildeten Düsennadelsitz drückt, um das Einspritzventil in geschlossenem Zustand zu halten. Je höher die Einspritzdrücke Hegen, die beim Betrieb eines solchen Ein- spritzventils auftreten, desto höher liegen die Schließkräfte zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz. Dementsprechend hoch ist die dynamische Beanspruchung der Düsenspitze mit dem Düsennadelsitz, die abhängig von der Masse der bewegten Düsennadel bei jedem Schließvorgang der Düse als Schlagbelastung auftritt. Ein Herabsetzen der Schlagbelastung etwa durch langsamere Schließbewegung der Düsennadel kommt deshalb nicht in Betracht, weil dadurch ein unexaktes Zumessen und vor allem ein Nachtropfen der Düse in Kauf genommen werden müßte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Einspritzventil der eingangs bezeichneten Gattung so zu verbessern, daß auch bei extrem hohen Einspritzdrücken und hoher geforderter Genauigkeit bezüglich der Einspritzmengen eine unzuläßig große Beanspruchung zwischen Ventilstellglied und Ventilsitz vermieden wird und somit lange Standzeiten eines Einspritzventils erreichbar sind.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß im Ventiigehäuse ein Ventilstellgliedhalter angeordnet ist, welcher sich mit einem unteren Ende bis in unmittelbare Nähe des Ventilsitzes erstreckt, das Ventilstellglied im unteren Ende des Ventiistellgliedhalters die Stellbewegung zulassend geführt ist und der Steuerraum als Bohrung im Ventilstell- gliedhalter bis zum Ventilstellglied geführt ist und dieses druckbeaufschlagt.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Einspritzventils wird erreicht, daß das bei extrem hohem Druckniveau und mit hohen Stellgeschwindigkeiten arbeitende Ventilstellglied geringstmögliche Masse aufweisen kann und somit die dynamischen Kräfte am Ventilsitz maßgeblich reduziert werden. Die ortsfeste Anordnung eines Ventiistellgliedhalters, der sich bis in unmittelbare Nähe des Ventilsitzes erstreckt und dort das Ventilstellglied aufnimmt, ist die Voraussetzung für die geringe Abmessung und damit die geringe Masse des Ventilstellgliedes. Anstelle einer im Stand der Technik bekannten Düsennadel, deren Länge verglichen mit der Ausdehnung des Düsennadelsitzes ein Vielfaches beträgt und die dementsprechend beachtliche Masse aufweist, ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein Ventilstellglied vorhanden, dessen Abmessung in Richtung der Steilbewegung nur sehr gering ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilstellglied eine Kugel. Es sind jedoch auch zylindrische Ventilstellglieder in Form von Kolben möglich, wobei die Er- Streckung in Achsrichtung nicht wesentlich größer gewählt wird als der Durchmesser. Zur Erzielung eines exakt schließenden Ventilsitzes wird gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Ventilstellgliedhalter am unteren Ende in dem Ventilsitz selbst zentriert ist.
Zur Sicherung exakter Stellbewegungen des Ventilstellgliedes kann es vorteilhaft sein, wie an sich bekannt, das Ventilstellglied zusätzlich zum hydraulischen Druck mit Federkraft zu beaufschlagen. Dabei kann das Einspritzventil sowohl in der Weise ausgebildet sein, daß die Federkraft das Ventilstellglied in Schließrichtung beaufschlagt, als auch in gegenteiliger Weise so, daß eine Feder eine dauernde Kraft auf das Ventilstellglied in Öffnungsrichtung auf- bringt. Die Steuerung und die exakte Bewegung des Ventilstellglieds wird durch hydrauli sehen Druck bewirkt. Dabei steht einerseits der Hochdruck aus der Brennstoffzulaufleitung zur Verfügung, zum andern der Niederdruck aus der Brennstoffablaufleitung. Die Stellkräfte werden durch entsprechende geometrische Ausbildung des Ventilstellgliedes mit Druckan- griffsflächen festgelegt.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Einspritzventil im Mittellängsschnitt,
Fig. 2 den unteren Bereich des in Fig. 1 dargestellten Einspritzventiis in vergrößerter Darstellung,
Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 noch einmal vergrößerte Darstellung des Ventilsitzbereiches des Einspritzventils nach den Fig. 1 und 2 und
Fig. 4 den unteren Bereich eines Einspritzventils entsprechend Fig. 1, jedoch mit einem als zylindrischer Kolben ausgebildeten Ventilstellglied.
Das in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Einspritzventil weist ein Ventilgehäuse 9 mit einem Anschlußstutzen 29 für eine Brennstoffhochdruckleitung auf. An das untere Ende des Ventilgehäuses 9 ist mittels einer Düsenmutter 10 ein Düsenkörper 11 einer Einspritzdüse ver- schraubt. Vom Anschlußstutzen 29 führt eine Brennstoffzulaufleitung 13 durch das Ventilgehäuse 9 und durch den Düsenkörper 11 bis zu einem Ventilsitz 6 der Einspritzdüse. Anstelle der bei herkömmlichen Einspritzdüsen zentrisch angeordneten üblichen Düsennadel ist in den Düsenkörper 11 ein im wesentlichen zylindrisch ausgebildeter Ventiistellgliedhalter 14 eingesetzt, der einen als zentrale Bohrung ausgebildeten Steuerraum 2 aufweist. Der Ventil- stellgliedhalter 14 erstreckt sich nach unten bis zum Ventilsitz 6. Im mittleren Bereich des Ventiistellgliedhalters 14 ist eine Zulaufdrosselbohrung 3 vorgesehen, die die Brennstoffzulaufleitung 13 mit dem Steuerraum 2 verbindet. Am oberen Ende des Ventiistellgliedhalters 14 ist eine Ablaufdrosselbohrung 18 vorgesehen, die im Steuerraum 2 mit einer Brennstoffablaufleitung 12 verbindet. Der Querschnitt der Ablaufdrosslbohrung 18 ist größer als der Quer- schnitt der Zulaufdrosselbohrung 3. In Ruhestellung des Einspritzventils, d. h. wenn kein Kraftstoff eingespritzt wird, ist die Ablaufdrosselbohrung 18 durch ein Steuerventilelement 8, welches die Form einer zylindrischen Nadel aufweist, verschlossen. Das Steuerventilelement 8 ist in Axialrichtung durch einen Elektromagneten 28 bewegbar. Die Funktion des Einspπtzventils wird anhand der vergrößerten Darstellung des unteren Bereichs gemäß Fig 2 erläutert Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig 1 versehen Aus dieser Darstellung ist erkennbar, daß der Ventilstellgliedhalter 14 an seinem unteren Ende über einen Zentrierbund 16 im konischen Ventilsitz 6 zentriert ist Der Steuerraum 2 des Ventiistellgliedhalters 14 erweitert sich nach unten zu einer Bohrung, in der das Ventilstellglied 4, welches als Kugel ausgebildet ist, axial beweglich gefaßt ist In geschlossener Stellung der Kraftstoffduse sitzt die Kugel auf dem konischen Ventilsitz 6 auf, so daß das stromabwärtige Sackloch 7, von dem Spritzlöcher 17 ausgehen, drucklos bleibt Wie in der Fig 2 dargestellt, ist bei geschlossener Einspritzdüse das Ventilstellglied 4, nämlich die Kugel durch den Druck im Steuerraum 2 beaufschlagt, wobei dieser Druck über die Zulaufdrosselbohrung 3 gleich dem Hochdruck in der Brennstoffzulaufleitung 13 ist Die Ablaufdrosselbohrung 18 des Steuerraums 2 wird von dem Steuerventilelement 8 abgeschlossen Wird nun durch den Elektromagneten 28 das Steuerventilelement 8 angehoben und somit die Ablaufdrosselbohrung gegen die Ablaufleitung 12 geöffnet, so fällt der Druck im Steuerraum 2 ab und das kugelförmige Ventilstellglied 4 wird infolge des von unten auf einen Teilquer- schnitt des Ventilstellglieds wirkenden Hochdrucks vom Ventilsitz 6 abgehoben Der Ventil- querschnitt wird freigegeben und es erfolgt eine Einspritzung, die solange andauert, bis der Druck im Steuerraum 2 durch Schließen der Abiaufdrosselbohrung 18 mittels des Steuer- ventilelements 8 wieder ansteigt und das Ventilstelielement auf den Ventilsitz preßt We aus der Fig 2 leicht erkennbar, wird die Beanspruchung des Ventilsitzes 6 selbst bei höchsten Drucken und Druckunterschieden und extrem hohen Stellgeschwindigkeiten des Ventilstellglieds 4 gering bleiben, da die Masse des Ventilstellglieds 4 erheblich geringer ist als die einer herkömmlichen Dusennadel
Zur Erzielung exakter Positionierung des Ventilstellglieds kann es wünschenswert sein, zusätzlich zur Betätigung über hydraulischen Druck bzw Differenzdruck eine Beaufschlagung des Ventilstellglieds 4 durch Federkraft vorzusehen In Fig 3 ist eine Ausfuhrungsform vorgesehen, bei der das kugelförmige Ventilstellglied 4 mitteis einer Druckfeder 24 in Schließ- position auf dem Ventilsitz 6 gehalten wird In der dargestellten Schließposition wirkt auf das Ventilstellglied von oben die Druckkraft der Feder und die sich aus der freien Querschnittsflä- che und dem im Steuerraum herrschenden Druck ergebende hydraulische Druckkraft Entgegen der Schließdruckkraft wirkt eine Druckkraft, die sich aus der unteren Querschnittspro- jektion des kugelförmigen Ventilstellglieds 4 zwischen dem Ventilsitz 6 und dem größten freien Querschnitt ergibt und dem zugehörigen Druck der dem Hochdruck in der Brennstoff- zulaufleitung entspricht Falls die geometrischen Verhaltnisse es erfordern, ist es jedoch ohne weiteres denkbar, daß das Ventilstelielement 4 nicht in Schließrichtung von einer Druckfeder beaufschlagt wird sondern entgegen der Schließrichtung, d. h. die Druckfeder würde dann in Sackloch 7 angebracht sein.
Die Darstellung gemäß Fig. 4 gleicht weitgehend dem Bild nach Fig. 3 und unterscheidet sich nur dadurch, daß als Ventilstellglied anstelle einer Kugel ein abgesetzter zylindrischer Kolben 4a verwendet wird. Der Kolben 4a wirkt, wie oben beschrieben, mit dem konischen Ventilsitz 6 zusammen und wird in Schließrichtung von einer Druckfeder 24 beaufschlagt. Die übrigen Elemente der Einspritzdüse entsprechen der obigen Beschreibung zu den Fig. 1 bis 3. Die axiale Erstreckung des Kolbens 4a ist nur unwesentlich größer als der Durchmesser des Ventilsitzes. Dadurch wird die Masse des Kolbens 4a und damit wiederum das Auftreten dynamischer Kräfte beim öffnungs- und Schließvorgang gering gehalten.

Claims

Patentansprüche
Einspritzventil zur intermittierenden Brennstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
mit einem in einem Ventilgehäuse (9) zwischen einer Schließ- und Offenstellung axial beweglich geführten Ventilstellglied (4), welches in Schließstellung gegen einen im wesentlichen konischen Ventilsitz (6) angedrückt wird und so die in einem Sackloch (7) stromabwärts des Ventilsitzes (6) befindlichen Einspritzöffnungen (5) verschließt
und mit einem Steuerraum (2) der über wenigstens eine Zulaufdrosselbohrung (3) mit einer Hochdruck führenden Brennstoffzulaufleitung (13) in Verbindung steht und über eine Ablaufdrosselbohrung (18) mit einer unter Niederdruck stehenden Ablauf leitung,
wobei der Druck im Steuerraum (2) über ein elektromagnetisch betätigtes Steuerventilelement steuerbar ist und abhängig vom Steuerraumdruck das Ventilsteuerglied betätigt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
a) im Ventigehäuse (9) ein Ventilstellgliedhalter (14) angeordnet ist, welcher sich mit einem unteren Ende bis in unmittelbare Nähe des Ventilsitzes (6) erstreckt,
b) das Ventilstellglied (4) im unteren Ende des Ventiistellgliedhalters (14) die Stellbewe gung zulassend geführt ist und
c) der Steuerraum (2) als Bohrung im Ventilstellgliedhalter (14) bis zum Ventilstellglied
(4) geführt ist und dieses druckbeaufschlagt.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilstellglied eine Kugel ist.
3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ventiistellgliedhalter am unteren Ende in dem Ventilsitz (6) zentriert ist.
4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilstellglied zusätzlich in Schließrichtung von einer Druckfeder beaufschlagt ist.
5. Einspritzventil nach den Ansprüchen 1 , 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilstellglied die Form eines Kolbens (4a) aufweist, dessen Erstreckung in Achs richtung nur unwesentlich größer ist als der Durchmesser.
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