Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraf maschinen
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraf maschinen aus, wie es der Gattung des Patentanspruchs 1 entspricht. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der Schrift US 4,202,500 bekannt und umfasst ein Gehäuse, in dem in einer Bohrung eine kolbenförmige äußere Ventilnadel längsverschiebbar angeord- net ist. Am brennraumseitigen Ende der Bohrung ist ein Ventilsitz angeordnet, von welchem eine äußere Einspritzöffnungsreihe und eine innere Einspritzöffnungsreihe ausgehen. Die äußere Ventilnadel wirkt mit dem Ventilsitz zur Steuerung der äußeren Einspritzöffnungsreihe zusammen, so dass die äußere Einspritzöffnungsreihe bei Anlage der Ventilnadel am Ventilsitz verschlossen wird und bei vom Ventilsitz abgehobener äußerer Ventilnadel geöffnet ist. In der äußeren Ventilnadel ist eine innere Ventilnadel langsverschiebbar angeordnet, die mit dem Ventilsitz zur Steuerung der inneren Einspritzöffnungsreihe zusammenwirkt. An der inneren Ventilnadel ist eine Anlageschulter ausgebildet, an der die äußere Ventilnadel nach einem Teil ihres gesamten Vollhubs zur Anlage kommt und so die innere Ventilnadel vom Ventilsitz wegbewegt. Die Öffnungsbewegung sowohl der äuße-
ren Ventilnadel als auch der inneren Ventilnadel erfolgt entgegen der Kraft jeweils einer Schließfeder.
Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist hierbei jedoch 5 den Nachteil auf, dass nicht selektiv nur die äußere Einspritzöffnungsreihe einerseits oder die äußere Einspritzöffnungsreihe und die innere Einspritzöffnungsreihe andererseits aufgesteuert werden können, sondern stets ein sukzessives Aufsteuern zuerst der äußeren Einspritzöffnungs- L0 reihe durch die äußere Ventilnadel und anschließend der inneren Einspritzöffnungsreihe durch die innere Ventilnadel erfolgt. Es ist also nur eine Einspritzverlaufsformung möglich, jedoch nicht ein gezieltes Aufsteuern nur eines Teils der Einspritzöffnungen.
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Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist dem-
Ϊ 0 gegenüber den Vorteil auf, dass mittels eines einzigen Aktors entweder nur die äußere Einspritzöffnungsreihe oder die äußere Einspritzöffnungsreihe und die innere Einspritzöffnungsreihe aufsteuerbar sind. Die äußere Ventilnadel bewegt sich gesteuert durch den Aktor in der Bohrung in
>5 Längsrichtung und kann durch den Aktor entweder in ihrer Schließstellung, im Vollhub oder auch im Teilhub gehalten werden. Der Teilhub ist hierbei so bemessen, dass die äußere Ventilnadel nicht an der Anschlagschulter der inneren Ventilnadel anliegt, jedoch die äußere Einspritzöffnungs-
50 reihe öffnet. Die innere Ventilnadel bleibt hierbei in ihrer Schließstellung, so dass die innere Einspritzöffnungsreihe geschlossen bleibt. Durchfährt die äußere Ventilnadel hingegen gesteuert durch den Aktor ihren Vollhub, so nimmt sie die innere Ventilnadel durch Anlage an einer Anlage-
!5 schulter mit und beide Ventilnadeln öffnen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung wird die innere Ventilnadel von einer auf das brennraumabgewandte Ende der inneren Ventilnadel wirkenden Schließkraft in Anlage am Ventilsitz gehalten, solange die äußere Ventilnadel nicht an der Anlageschulter der inneren Ventilnadel zur Anlage kommt. Dadurch bleibt die innere Einspritzöffnungsreihe dicht geschlossen, unabhängig von der genauen Position der äußeren Ventilnadel. Die Schließkraft wird in vorteilhafter Weise entweder durch eine vorgespannte Feder oder durch den hydraulischen Druck in einem Steuerraum erzeugt. Wird die Schließkraft durch den hydraulischen Druck in einem Steuerraum erzeugt, so ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Steuerraum in einem hohl- zylinderförmigen Druckstück auszubilden, wobei der Steuerraum von der brennraumabgewandten Stirnseite der inneren Ventilnadel begrenzt wird. Über den Druck im Steuerraum lässt sich so die Schließkraft auf die innere Ventilnadel steuern. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Druckstück am brennraumabgewandten Ende der äußeren Ventilnadel anliegt und sich stets synchron mit diesen bewegt. Die Kräfte, die der Aktor auf die äußere Ventilnadel ausübt, lassen sich so indirekt über das Druckstück auf die äußere Ventilnadel ausüben, so dass eine sehr kompakte Bauweise möglich ist.
Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Aktors als Piezo-Aktor, da ein Piezo-Aktor besonders schnell schaltet und jede beliebige Position zwischen seinen Endstellungen ansteuern kann. Dadurch lässt sich die äußere Ventilnadel in jede beliebige Längsposition bewegen und kann dort gehalten werden.
Zeichnungen
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspπtzventils dargestellt.
Es zeigt
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil ,
Figur 2 eine Vergrößerung von Figur 1 im mit II bezeichneten Ausschnitt,
Figur 3 eine Vergrößerung von Figur 1 im mit III bezeichneten Ausschnitt,
Figur 4 und
Figur 5 denselben Ausschnitt wie Figur 3 bei verschiedenen Stellungen der äußeren bzw. der inneren Ventilnadel ,
Figur 6 einen Längsschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil ,
Figur 7 eine Vergrößerung des mit VII bezeichneten Ausschnitts von Figur 6 und
Figur 8 denselben Ausschnitt wie Figur 7 eines weiteren Ausführungsbeispiels .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraf stoffeinspritzventil dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 3 und einen Ventilhaltekörper 4 umfasst, die durch eine Spannmutter 8 gegeneinander gepresst werden. Im Ventilkörper 3 ist eine Bohrung 6 ausgebildet, in der eine äußere Ventilnadel 10 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Bohrung 6 wird an ihrem brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz 18 begrenzt, von dem mehrere Einspritzöffnungen 16 abgehen. Die äußere Ventilnadel 10 wird in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung 6 dichtend geführt und
verjüngt sich dem Ventilsitz 18 zu unter Bildung einer Druckschulter 9. Zwischen der äußeren Ventilnadel 10 und der Wand der Bohrung 6 ist ein Druckraum 14 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 9 radial erweitert ist. In 5 die radiale Erweiterung des Druckraums 14 mündet ein im
Ventilhaltekörper 4 und im Ventilkörper 3 verlaufender Zulaufkanal 15, über den der Druckraum 14 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. Brennraumabgewandt liegt die äußere Ventilnadel 10 an einem Druckstück 30 an,
L0 das wiederum an einem im Ventilhaltekörper 4 angeordneten
Aktor 20 anliegt. Der Aktor 20, der vorzugsweise als Piezo- Aktor ausgeführt ist, ist in seiner Länge variabel, so dass sich die äußere Ventilnadel 10 abhängig von der Stellung des Aktors 20 in der Bohrung 6 in Längsrichtung bewegen
.5 kann.
In der äußeren Ventilnadel 10 ist eine innere Ventilnadel 12 angeordnet, die in der äußeren Ventilnadel 10 längsverschiebbar ist. Die innere Ventilnadel 12 liegt in ihrer »0 Schließstellung am Ventilsitz 18 an und erstreckt sich über die gesamte Länge der äußeren Ventilnadel 10. In Figur 2 ist das Zusammenspiel von äußerer Ventilnadel 10 und innerer Ventilnadel 12 mit dem Ventilsitz 18 zur Steuerung der Einspritzöffnungen 16 dargestellt. Die äußere Ventilnadel !5 10 geht an ihrem brennraumseitigen Ende in eine konische äußere Ventildichtfläche 11 über, so dass eine äußere Dichtkante 19 gebildet wird, mit der die äußere Ventilnadel 10 am Ventilsitz 18 in ihrer Schließstellung anliegt. Die innere Ventilnadel 12 weist an ihrem brennraumseitigen Ende
0 eine konische innere Ventilfläche 13 und eine Konusfläche 17 auf, so dass eine innere Dichtkante 21 gebildet wird, mit der die innere Ventilnadel 12 am Ventilsitz 18 in ihrer Schließstellung anliegt. Die Einspritzöffnungen 16 sind in einer äußeren Einspritzöffnungsreihe 116 und einer inneren
5 Einspritzöffnungsreihe 216 angeordnet. Jede der Einspritz-
Öffnungsreihen umfasst dabei wenigstens eine Einspritzöffnung 16. Ist mehr als eine Einspritzöffnung 16 pro Einspritzöffnungsreihe 116, 216 vorgesehen, so sind die Einspritzöffnungen 16 der jeweiligen Einspritzöffnungsreihe 116, 216 in einer Radialebene bezüglich der Bohrung 6 angeordnet .
Die äußere Ventilnadel 10 unterbricht in ihrer Schließstellung die Verbindung vom Druckraum 14 zur äußeren Einspritzöffnungsreihe 116. Bei vom Ventilsitz 18 abgehobener äußerer Ventilnadel 10 kann Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zur äußeren Einspritzöffnungsreihe 116 strömen und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die innere Einspritzöffnungsreihe 216 ist hierbei so ausgebildet, dass sie in Schließstellung der inneren Ventilnadel 12 von dieser gegen den Druckraum 14 verschlossen wird. Hebt auch die innere Ventilnadel 12 vom Ventilsitz 18 ab, so kann Kraftstoff außer zur äußeren Einspritzöffnungsreihe 116 auch zur inneren Einspritzöffnungsreihe 216 gelangen, so dass Kraftstoff durch sämtliche Einspritzöffnungen 16 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
In Figur 3 ist der mit III bezeichnete Ausschnitt von Figur 1 vergrößert dargestellt. Das Druckstück, das zwischen dem Aktor 20 und der äußeren Ventilnadel 10 angeordnet ist, ist in seiner Außenfläche zylindrisch ausgebildet und in der Bohrung 6 verschiebbar. Über das Druckstück 30 drückt der Aktor 20 die äußere Ventilnadel 10 in Richtung des Ventilsitzes 18 und hält so die äußere Ventilnadel 10 in ihrer Schließstellung. Im Druckstück 30 ist ein Hohlraum 28 ausgebildet, in dem die innere Ventilnadel 12 mit einem Kopfstück 24 hineinragt. An das Kopfstück 24 schließt sich ein Kolben 42 an, der in einer im Druckstück 30 ausgebildeten Kolbenbohrung 44 geführt ist und der einen Steuerraum 40 begrenzt. Der Steuerraum 40 ist über einen Druckkanal 34
mit einem Ringkanal 36 verbunden, der in der Wand der Bohrung 6 ausgebildet ist und der über einen Verbindungskanal 38 mit dem Zulaufkanal 15 verbunden ist. Der Hohlraum 28 im Druckstück 30 ist über einen Ablaufkanal 32 mit einem im 5 Ventilhaltekörper 4 ausgebildeten Leckölraum 29 verbunden, so dass der Hohlraum 28 wie der Leckölraum 29 stets drucklos ist. Am Kopfstück 24 ist eine konische Anschlag- schulter 25 ausgebildet, der eine an der äußeren Ventilnadel 10 ausgebildete, ebenfalls konische Anlagefläche 27 ge- 10 genüberliegt. In Schließstellung beider Ventilnadeln 10, 12 sind die Anlagefläche 27 und die Anschlagschulter 25 axial voneinander beabstandet, so, wie es in Figur 3 dargestellt is .
L5 Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Zu Beginn eines Einspritzzyklus sind sowohl die äußere Ventilnadel 10 als auch die innere Ventilnadel 12 in ihrer Schließstellung in Anlage am Ventilsitz 18. Im Druckraum 14 wird durch entsprechenden Kraftstoffzulauf durch
10 den Zulaufkanal 15 stets ein hoher Kraftstoffdruck aufrechterhalten, mit dem die Einspritzung in den Brennraum erfolgen soll. Es wirkt also permanent eine hydraulische Kraft auf die Druckschulter 9 der äußeren Ventilnadel 10, welche der Kraft des Aktors 20 entgegengerichtet ist. Wird
>5 der Aktor 20 verkürzt, was bei einem Piezo-Aktor durch das Anlegen einer entsprechenden Spannung erreicht wird, so hebt die äußere Ventilnadel 10, bewegt durch die Kraft auf die Druckschulter 9, vom Ventilsitz 18 ab. Hierdurch wird die äußere Einspritzöffnungsreihe 116 geöffnet und Kraft -
S0 stoff fließt aus dem Druckraum 14 zur äußeren Einspritzöffnungsreihe 116 und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Da im Steuerraum 40 nach wie vor ein hoher Kraftstoffdruck anliegt, der dem Druck im Zulaufkanal 15 entspricht, bleibt die innere Ventilnadel 12
15 in ihrer Schließstellung, da die Kraft auf den Kolben 42
größer ist als die hydraulische Kraft auf die innere Ventildichtfläche 13. Die äußere Ventilnadel 10 gleitet bei diesem ersten Teilhub, der die äußere Ventilnadel 10 um eine Strecke h^ verschiebt, nur so weit, dass die Anlageflä-
5 ehe 27 nicht an der Anschlagschulter 25 zur Anlage kommt .
Von diesem Betriebszustand, der in Figur 4 dargestellt ist, wird die äußere Ventilnadel 10 durch eine entsprechende Längenänderung des Aktors 20 wieder zurück in ihre Schließstellung gefahren, so dass die Einspritzung im sogenannten
.0 Teillastbetrieb beendet ist.
Soll durch sämtliche Einspritzöffnungen 16 eingespritzt werden, also mit Vollast, so wird der Aktor 20 um einen größeren Betrag verkürzt. Die äußere Ventilnadel 10 bewegt
.5 sich in der eben dargestellten Art und Weise von ihrer
Schließstellung weg und gibt die äußere Einspritzöffnungsreihe 116 frei. Im Zuge ihrer weiteren Öffnungshubbewegung bei ihrem Vollhub kommt die Anlagefläche 27 an der Anschlagschulter 25 des Kopfstücks 24 zur Anlage, so dass die
!0 innere Ventilnadel 12 durch die äußere Ventilnadel 10 mitgenommen wird und vom Ventilsitz 18 abgehebt . Hierdurch ergibt sich jetzt eine hydraulische Kraft auf die Konusfläche 17 der inneren Ventilnadel 12, so dass die gesamte, auf die innere Ventildichtfläche 13 und die Konusfläche 17 wirkende
15 hydraulische Kraft die hydraulische Kraft auf den Kolben 42 überwiegt. Durch diese hydraulischen Kräfte angetrieben, bewegt sich die innere Ventilnadel 12 um den Vollhub h2 / bis das Kopfstück am Boden des Hohlraums 28 im Druckstück 30 zur Anlage kommt. Der Kraftstoff fließt aus dem Druck- 0 räum 14 zu sämtlichen Einspritzöffnungen 16, also auch zur inneren Einspritzöffnungsreihe 216. Dieser Öffnungszustand des Kraftstoffeinspritzventils ist in Figur 5 dargestellt. Soll die Einspritzung beendet werden, so verlängert sich der Aktor 20 wieder und drückt über das Druckstück 30 die 5 äußere Ventilnadel 10 zurück in ihre Schließstellung. Hier-
durch entfällt die hydraulische Kraft auf die Konusfläche 17 und die innere Ventildichtfläche 13 der inneren Ventilnadel 12, so dass auch diese, angetrieben durch den hydraulischen Druck auf den Kolben 42, zurück in ihre Schließ- Stellung fährt.
In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Die äußere Ventilnadel 12 liegt an ihrem brennraumseitigen Ende an einem Druckbolzen 50 an, der wiederum an den Aktor 20 grenzt. In Figur 7 ist eine Vergrößerung des mit VII bezeichneten Ausschnitts der Figur 6 im Bereich des Druckbolzens 50 dargestellt. Der Druckbolzen 50 weist einen Federraum 54 auf, in dem eine Feder 52 unter Druckvorspannung angeordnet ist, die die innere Ventilnadel 12 beaufschlagt. Die äußere Ventilnadel 10 wird in gleicher Art und Weise wie bei dem in Figur 1 dargestellten Kraf stoffeinspritzventil durch eine Längenänderung des Aktors 20 in der Bohrung 6 bewegt. Die Schließkraft auf die innere Ventilnadel 12 wird hier jedoch durch die Kraft der Feder 52 erzeugt, so dass keine weitere hydraulische Verbindung zum Zulaufkanal 15 notwendig ist. Soll eine Einspritzung durch sämtliche Einspritzöffnungen 16 stattfinden, so wird der Aktor 20 entsprechend stark verkürzt, so dass sich das Druckstück 50, angetrieben durch die hydraulische Kraft auf die äußere Ventilnadel 10, um dieselbe Strecke bewegt. Hierbei kommt bei einem Teil des Gesamthubs die Anlagefläche 27 an der Anschlagschulter 25 der inneren Ventilnadel 12 zur Anlage und bewegt diese vom Ventilsitz 18 weg. Durch die auf die Konusfläche 17 wirkende hydraulische Kraft bewegt sich nun die innere Ventilnadel 12 in gleicher Art und Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel entgegen der Kraft der Feder 52, bis die innere Ventilnadel 12 am Druckbolzen 50 zur Anlage kommt . Das Schließen des Kraftstoffeinspritzventils
geschieht analog wie beim ersten Ausführungsbeispiel durch Betätigung des Aktors 20.
In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des in Figur 6 dargestellten Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Die innere Ventilnadel 12 und die äußere Ventilnadel 10 schließen hier in ihrer Schließstellung bündig am Ende des Ventilkörpers 3 ab. Die äußere Ventilnadel 10 liegt, wie bei dem in Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiel, am Druckbolzen 50 an. Die innere Ventilnadel 12 weist kein Kopfstück auf, sondern liegt an einem Federteller 58 an, der im Federraum 54 des Druckbolzens 50 angeordnet ist und zwischen dem und dem Grund des Federraums 54 die Feder 52 unter Druckvorspannung angeordnet ist. Im Federraum 54 ist ein Ringabsatz 60 ausgebildet, an dem der Federteller 58 zur Begrenzung des Öffnungshubs der inneren Ventilnadel 12 zur Anlage kommt .
Der Aktor 20 ist vorzugsweise als Piezo-Aktor ausgebildet, da Piezo-Aktoren den Vorteil haben, praktisch instantan auf eine Änderung der angelegten Spannung zu reagieren, womit sich äußerst kurze Schaltzeiten realisieren lassen. Darüber hinaus lässt sich die Längenänderung des Piezo-Aktors zwischen dem Null- und dem Vollhub auf jede beliebige Stufe einstellen, so dass sich der Hub der äußeren Ventilnadel 10 zwischen dem Nullhub, also der Schließstellung, über den Teilhub, in dem die Anlagefläche 27 gerade noch nicht an der Anschlagschulter 25 zur Anlage kommt, bis zum Vollhub auf jeden beliebigen Wert einstellen. Dadurch ist es auch möglich, die Zulaufbedingungen an den äußeren Einspritzöff- nungsreihen 116 zu variieren, um beispielsweise eine Vor- einspritzung mit nur sehr geringer Einspritzrate zu realisieren.