WO2011015405A1 - Vorrichtung zur kraftstoffhochdruckeinspritzung - Google Patents

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WO2011015405A1
WO2011015405A1 PCT/EP2010/058580 EP2010058580W WO2011015405A1 WO 2011015405 A1 WO2011015405 A1 WO 2011015405A1 EP 2010058580 W EP2010058580 W EP 2010058580W WO 2011015405 A1 WO2011015405 A1 WO 2011015405A1
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valve
pressure
valve needle
armature
pressure chamber
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PCT/EP2010/058580
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Sebastian Jansen
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M61/10—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type

Definitions

  • the present invention relates to a device for high pressure fuel injection, in particular in internal combustion engines with direct injection in
  • Valve body are particularly suitable for combustion processes with beam-guided stratified operation. However, with injectors with outward opening
  • Valve needle due to the larger diameter seat of the valve needle the hydraulic force generated by the fuel pressure significantly higher than compared to injectors with inwardly opening needle. Because of the high forces and short switching times are therefore usually injectors with
  • an injection valve with outwardly opening valve needle is disclosed, which is actuated by a solenoid actuator and having a guide element on the valve needle, which in a
  • Valve housing is guided, wherein the diameter of the guide element and a valve seat of the valve needle are selected so that the valve needle in
  • the high-pressure injection valves of the prior art are only insufficiently suitable to a simple and inexpensive to produce device for To provide high-pressure injection for internal combustion engines with direct injection in stratified charge mode, which provides a high sealing force between the valve seat and valve needle in the closed state, and can be operated by a magnetic actuator with low actuation force or low power consumption, while a comparable switching dynamics as a
  • Claim 1 in contrast, has the advantage that it has a simple and thus more cost-effective design with a magnetic actuator having a valve needle opening outwardly due to a pressure equalization effective at the valve needle with a significantly reduced
  • Valve assembly solenoid actuators with low power requirements, especially at injection pressures of 20 MPa or higher, are used, which allow sufficient switching dynamics and a reliable sealing of the valve needle on the valve seat of the valve in the closed state. This is inventively achieved in that when activating a
  • Low pressure region of the valve assembly disposed control valve is opened in front of an outwardly opening valve needle.
  • Pressure chamber in the low pressure region of the valve assembly is a
  • Pressure equalization, d. H. a pressure increase in the low pressure region, which causes a hydraulic force on an active surface of a valve element of the control valve in the opening direction of the valve needle and thereby significantly reduces an opening force of the electromagnetic actuator for the valve needle.
  • the control valve is opened by means of a freely movable magnet armature or a component connected to the magnet armature.
  • the device according to the invention for high-pressure fuel injection further comprises a driver attached to the valve needle with an armature contact region, wherein the driver is arranged in the starting position at a predetermined distance from the armature and the armature movable on the
  • Valve needle is arranged.
  • a closing spring for closing the valve needle also restores the armature. This ensures that upon activation of the electromagnetic actuator whose armature first moves from the starting position to the armature contact region of the driver and thereby opens the control valve for pressure equalization, without operating the valve needle. Only when the armature is applied to the driver, the
  • Valve needle operated and opened directly via the armature.
  • a ring-cylindrical component is attached to the armature, wherein on a free end face of the annular-cylindrical component of the valve seat of the
  • Control valve is arranged. This will be a simple design of the
  • Valve housing formed a gap seal. As a result, a simple and cost-effective seal between the two components is realized with a small amount of leakage.
  • a diameter of the gap seal is formed larger than a diameter of the valve seat of the valve needle.
  • Valve needle which causes a reliable sealing of the valve.
  • the distance from the starting position of the magnet armature to the driver attached to the valve needle is smaller than a total stroke of the magnet armature, ie, there is a residual stroke for opening the valve needle.
  • a first partial stroke the magnet armature from the starting position to the driver is a rapid opening of the control valve for pressure equalization and thus a rapid pressure equalization for the easier opening of the valve needle achieved, which is then opened with a second partial stroke.
  • valve element of the control valve acts as another actuated by the armature driver for the return of the valve needle.
  • the device for high-pressure fuel injection between the pressure chamber and the low-pressure region further comprises a throttle. This is going to be easy
  • a leakage stop valve can be used. As a result, a leakage or return amount of fuel to a fuel return when opening the valve needle is significantly reduced.
  • inventive device can be used very economically.
  • the leakage check valve has a closing member on the
  • Valve needle formed collar-like extension and a seat which is formed on the valve housing. This is a simple structure of the
  • Figure 1 is a simplified schematic sectional view of
  • FIG. 2 is an enlarged schematic sectional view of a part of the device of FIG. 1,
  • Figure 3 is a simplified schematic sectional view of
  • Figure 4 is a simplified schematic sectional view of
  • FIG. 5 is an enlarged schematic sectional view of part of the device of FIG. 4;
  • Figure 6 is a simplified schematic sectional view of
  • Figure 7 is a simplified schematic sectional view of a second
  • Figure 8 is a simplified schematic sectional view of
  • FIG. 9 shows an enlarged schematic sectional view of a part of the device of FIG. 7 with the valve needle closed
  • FIG. 10 shows an enlarged schematic sectional view of part of the device of FIG. 7 with the valve needle open.
  • Figure 1 shows a schematically simplified sectional view of
  • the device 1 in the closed state.
  • the device 1 comprises a valve housing 2, an outwardly opening valve needle 3, which is arranged in the valve housing 2 in a pressure chamber 4 filled with fuel.
  • This pressure chamber 4 a fuel K is supplied via a fuel inlet 24 under pressure, wherein the valve needle 3 to a valve seat 16 on
  • Valve housing 2 seals. Furthermore, the device 1 has a closing spring 5, which returns the valve needle 3 to a starting position, and an electromagnetic actuator 6 with a magnetic coil 63, an inner pole 62, a magnet housing 61 and a movably arranged magnet armature 7, the valve needle 3 via a thereto trained or attached driver 9 is actuated.
  • a control valve 8 with a valve element 10 and a valve seat 1 1 is arranged on one of the injection side opposite end portion 29 of the valve needle 3.
  • the valve element 10 has a first active surface 13, which faces the pressure chamber 4, and a second active surface 14, which faces a pressure chamber 12, which communicates with a low-pressure region 19.
  • the valve element 10 of the control valve 8 is designed to release a connection between the pressure chamber 4 and the pressure chamber 12 and to close, wherein the valve seat 1 1 of the control valve 8 at an end face of an am
  • Magnet armature 7 attached annular cylindrical member 17 is arranged.
  • Valve housing 2 is a gap seal 18 is formed with a small guide clearance.
  • annular cylindrical member 17 through openings 30, 31, formed for the supply of fuel K. Accordingly, when the valve needle 3 is closed and the control valve 8 is closed, the high pressure of the fuel inlet 24 is present supplied fuel in all connected to the pressure chamber 4
  • Valve seat 16 is smaller than a diameter d1 of the valve element 10, the valve needle 3 is additionally pressed in addition to the force of the closing spring 5 by a hydraulic force component in the valve seat 16, resulting from this difference in diameter. This is a reliable seal the
  • Figure 2 is an enlarged schematic sectional view illustrating a part of the device 1 of Figure 1 in more detail. As can be seen from the illustration of FIG. 2, when the housing is in the closed state
  • the closing spring 5 acts on the armature 7 and is supported on the housing 2 from. In this initial position, the axially freely movable armature 7 due to the spring force of the closing spring 5 a
  • FIG. 3 shows a schematically simplified sectional view of the device 1 of FIG. 1 when the valve needle 3 is opened.
  • the magnetic coil 63 of the electromagnetic actuator 6 is supplied with current (which is illustrated by a lightning-shaped symbol), the magnet armature 7 making a first partial stroke in the direction of the inner pole 62, which corresponds to the dimension of the distance A, until it touches the driver 9.
  • the control valve 8 opens, so that fuel K flows from the fuel inlet 24 into the pressure chamber 4 and via the flow opening 31 into the pressure chamber 12 (as illustrated by an arrow B in FIG. 3).
  • the pressure in the pressure chamber 12 rises directly and causes a force on the valve needle 3, the ratio of the hydraulically effective first and second active surfaces 13 and 14 am
  • Valve element 10 results, which are each subjected to high pressure. This resulting hydraulic force acts in the open control valve 8 in addition to Magnetic force of the armature 7 in the opening direction of the valve needle 3 and reduces the contact pressure of the valve needle 3 on the valve seat 16. The valve needle 3 can now be taken or moved with little force from the armature 3 via the driver 9 in the opening direction, so that the valve needle 3 opens and the injection process can begin.
  • FIG. 4 shows a schematically simplified sectional view of the device of FIG. 1 with the valve needle open. Due to the continued energization of the solenoid 63, the magnet armature 7 was pulled together with the valve needle 3 in the opening direction of the device 1 and has a second partial stroke to stop at the inner pole 62 executed, and thereby raised the valve needle 3 from the valve seat 16 to the outside and opened.
  • the second partial stroke for opening the valve needle 3 is designed to be larger than the first partial stroke A for opening the control valve 8. The between the valve needle 3 and the
  • Valve body 2 outflowing fuel spray is indicated by small arrows C in the
  • FIG. 5 is an enlarged schematic sectional view illustrating a part of the device 1 of FIG. 4 in more detail. As can be seen from the illustration of FIG. 5, part of the valve flows when the control valve 8 is open
  • This leakage amount through the throttle 21 is defined or limited to a predetermined value, so that the pressure drop in the pressure chamber 12 after the
  • FIG. 6 illustrates a schematically simplified sectional illustration of the device of FIG. 1 when the valve needle 3 is closed.
  • the valve needle 3 is closed.
  • Magnetic coil 63 of the electromagnetic actuator 6 sets, wherein first the control valve 8 is closed. Thereafter, the pressure in the pressure chamber 12 decreases due to the connection to the fuel return 25 via the throttle 21 again, so that the second effective area 14 only with the low pressure from the
  • Fuel return 25 is acted upon.
  • the first active surface 13 is still with the high pressure in the interior of the annular cylindrical member 17 acted upon.
  • a hydraulic closing force is generated, which presses the valve needle 3 in addition to the spring force of the closing spring 5 in the valve seat 16 until the closed state of the valve needle 3 (see Figure 1) is restored and the
  • the device 1 can already provide a high switching dynamics with high sealing force with relatively low magnetic forces.
  • a device 1 for high-pressure fuel injection according to a second preferred
  • FIG. 7 shows a schematically simplified sectional illustration of a second exemplary embodiment of the device 1 according to the invention
  • Embodiment of the device 1 according to the invention differs from the first embodiment described above in that in this case between the pressure chamber 12 and the low-pressure region 19 of
  • a leakage check valve 26 is arranged.
  • the leakage check valve 26 has a collar-like extension 22 of the diameter at the end region 29 of the valve needle 3.
  • the leakage check valve 26 closes the pressure chamber in the closed state
  • FIG. 9 shows an enlarged schematic sectional view of a part of the device of FIG. 7, which illustrates the pressure conditions when the valve needle 3 is closed.
  • an annular groove 27 is in FIG. 9
  • Valve housing 2 is formed in an area between the annular cylindrical member 17 and the valve element 10 of the control valve 8 to an unhindered
  • Control valve 8 is closed and the leakage check valve 26 is opened.
  • the closed valve element 10 of the control valve 8 d. H. in the annular groove 27, the pressure chamber 12 and the adjacent fuel return 25th
  • Valve element 10 is applied high pressure (indicated by the reference numeral 28).
  • FIG. 8 shows a schematically simplified sectional representation of the second embodiment of FIG. 7 with the valve needle 3 open
  • the leakage check valve 26 is closed and the control valve 8 is opened.
  • high pressure prevails in the pressure chamber 12, so that the valve needle 3 can be opened with small forces. Since that
  • Leakage check valve 26 is closed, no leakage occurs in the
  • Extension 22 of the leakage check valve 26 also defines a stroke stop of the opened valve needle 3.
  • FIG. 10 shows an enlarged schematic sectional view of a part of the device of FIG. 8, which illustrates the pressure conditions when the valve needle 3 is open.
  • the control valve 8 is opened and the leakage blocking valve 26 is closed.
  • the high-pressure region 28 is in this case both in the control valve 8 and in the leakage check valve 26 formed while only in the fuel return 25 of the low pressure region 19 is formed.
  • Device 1 for high-pressure fuel injection.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung, umfassend ein Ventilgehäuse (2), eine nach außen öffnende Ventilnadel (3), welche im Ventilgehäuse (2) in einem mit Kraftstoff gefüllten Druckraum (4) angeordnet ist, dem Kraftstoff (K) unter Druck zugeführt wird, wobei die Ventilnadel (3) an einem Ventilsitz (16) abdichtet, eine Schließfeder (5), welche die Ventilnadel (3) in eine Ausgangsposition zurückführt, einen elektromagnetischen Aktuator (6) mit einem beweglich angeordneten Magnetanker (7) zur Betätigung der Ventilnadel (3), und ein Steuerventil (8) mit einem Ventilelement (10) und einem Ventilsitz (11), wobei das Ventilelement (10) eine erste Wirkfläche (13) und eine zweite Wirkfläche (14) aufweist, wobei die erste Wirkfläche (13) dem Druckraum (4) zugewandt ist, die zweite Wirkfläche (14) einer Druckkammer (12) zugewandt ist, die mit einem Niederdruckbereich (ND) in Verbindung steht, und das Ventilelement (10) eine Verbindung zwischen dem Druckraum (4) und der Druckkammer (12) freigibt und verschließt, und der Ventilsitz (11) am Magnetanker (7) oder an einem mit dem Magnetanker (7) verbundenen Bauteil angeordnet ist, wobei bei einer Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators (6) das Steuerventil (8) vor der nach außen öffnenden Ventilnadel (3) öffnet, um eine Öffnungskraft für die Ventilnadel (3) durch Freigabe der Verbindung zwischen dem Druckraum (4) und der Druckkammer (12) zu reduzieren.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung, die insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung im
Schichtladebetrieb einsetzbar ist.
Als Vorrichtungen zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung bei Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung werden Hochdruckeinspritzventile mit nach außen
öffnender Ventilnadel verwendet, die wegen ihrer vorteilhaften
Spraycharakteristik infolge des ringförmigen Spalts zwischen Ventilnadel und
Ventilkörper besonders für Brennverfahren mit strahlgeführtem Schichtbetrieb geeignet sind. Jedoch ist bei Einspritzventilen mit nach außen öffnender
Ventilnadel aufgrund des größeren Sitzdurchmessers der Ventilnadel die durch den Kraftstoffdruck erzeugte hydraulische Kraft deutlich höher als im Vergleich zu Einspritzventilen mit nach innen öffnender Nadel. Wegen der hohen Kräfte und kurzen Schaltzeiten werden daher üblicherweise Einspritzventile mit
Piezoaktoren verwendet, die jedoch einen erhöhten Kostenaufwand verursachen.
Bei einem in EP 1783 358A1 beschriebenen Konzept ist ein Einspritzventil mit nach außen öffnender Ventilnadel offenbart, das durch einen Magnetaktuator betätigt wird und ein Führungselement an der Ventilnadel aufweist, das in einem
Ventilgehäuse geführt ist, wobei die Durchmesser des Führungselements und eines Ventilsitzes der Ventilnadel so gewählt sind, dass die Ventilnadel im
Wesentlichen druckausgeglichen ist. Die Hochdruckeinspritzventile des Standes der Technik sind nur unzureichend geeignet, um eine einfache und kostengünstig herstellbare Vorrichtung zur Hochdruckeinspritzung für Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung in Schichtladebetrieb bereitzustellen, die eine hohe Dichtkraft zwischen Ventilsitz und Ventilnadel im geschlossenen Zustand bereitstellt, sowie durch einen Magnetaktuator mit geringer Betätigungskraft bzw. geringem Leistungsbedarf betrieben werden kann und dabei eine vergleichbare Schaltdynamik wie ein
Einspritzventil mit Piezoaktuator aufweist.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Ventilanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass diese einen einfachen und damit kostengünstigeren Aufbau mit einem Magnetaktuator aufweist, der eine nach außen öffnende Ventilnadel aufgrund eines an der Ventilnadel wirksamen Druckausgleichs mit einer deutlich reduzierten
Betätigungskraft öffnet. Daher können bei der erfindungsgemäßen
Ventilanordnung Magnetaktuatoren mit niedrigem Leistungsbedarf, insbesondere auch bei Einspritzdrücken von 20 MPa oder höher, eingesetzt werden, die eine ausreichende Schaltdynamik sowie eine zuverlässige Abdichtung der Ventilnadel am Ventilsitz des Ventils in geschlossenem Zustand ermöglichen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei der Aktivierung eines
elektromagnetischen Aktuators ein zwischen dem Hochdruckbereich und
Niederdruckbereich der Ventilanordnung angeordnetes Steuerventil vor einer nach außen öffnenden Ventilnadel geöffnet wird. Durch die Freigabe einer Verbindung zwischen einem Druckraum im Hochdruckbereich und einer
Druckkammer im Niederdruckbereich der Ventilanordnung erfolgt ein
Druckausgleich, d. h. eine Druckerhöhung im Niederdruckbereich, der eine hydraulische Kraft auf eine Wirkfläche eines Ventilelements des Steuerventils in Öffnungsrichtung der Ventilnadel bewirkt und dadurch eine Öffnungskraft des elektromagnetischen Aktuators für die Ventilnadel deutlich reduziert. Hierdurch ist ein leichtes und schnelles Schalten möglich. Das Steuerventil wird dabei mittels eines frei beweglichen Magnetankers oder eines mit dem Magnetanker verbundenen Bauteils geöffnet.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung ferner einen an der Ventilnadel befestigten Mitnehmer mit einem Ankerkontaktbereich auf, wobei der Mitnehmer in der Ausgangsposition in einem vorgegebenen Abstand vom Magnetanker angeordnet ist und der Magnetanker beweglich auf der
Ventilnadel angeordnet ist. Eine Schließfeder zum Schließen der Ventilnadel stellt dabei auch den Magnetanker zurück. Dadurch wird gewährleistet, dass bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators, dessen Magnetanker zuerst von der Ausgangsposition bis zum Ankerkontaktbereich des Mitnehmers bewegt und dadurch das Steuerventil zum Druckausgleich öffnet, ohne die Ventilnadel zu betätigen. Erst wenn der Magnetanker am Mitnehmer anliegt, wird die
Ventilnadel direkt über den Magnetanker betätigt und geöffnet.
Vorzugsweise ist am Magnetanker ein ringzylindrisches Bauteil befestigt, wobei an einer freien Stirnseite des ringzylindrischen Bauteils der Ventilsitz des
Steuerventils angeordnet ist. Dadurch wird ein einfacher Aufbau des
Steuerventils mit einer minimalen Anzahl von Bauteilen erreicht.
Weiterhin bevorzugt ist zwischen dem ringzylindrischen Bauteil und dem
Ventilgehäuse eine Spaltdichtung ausgebildet. Hierdurch wird eine einfache und kostengünstige Abdichtung zwischen den beiden Bauteilen mit einer geringen Leckagemenge realisiert.
Besonders bevorzugt ist ein Durchmesser der Spaltdichtung größer als ein Durchmesser des Ventilsitzes der Ventilnadel ausgebildet. Auf diese Weise wird bei geöffnetem Steuerventil und erfolgtem Druckausgleich eine resultierende hydraulische Kraft in Öffnungsrichtung der Ventilnadel erzeugt und somit die vom Magnetanker zu überwindende Öffnungskraft der Ventilnadel reduziert. Bei geschlossenem Steuerventil resultiert durch den Niederdruck in der
Druckkammer hingegen eine hydraulische Kraft in Schließrichtung der
Ventilnadel, die eine zuverlässige Abdichtung des Ventils bewirkt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand von der Ausgangsposition des Magnetankers bis zum an der Ventilnadel befestigten Mitnehmer kleiner als ein Gesamthub des Magnetankers, d. h., es ergibt sich ein Resthub zum Öffnen der Ventilnadel. Durch einen ersten Teilhub des Magnetankers von der Ausgangsposition bis zum Mitnehmer wird ein schnelles Öffnen des Steuerventils für den Druckausgleich und somit ein rascher Druckausgleich für das erleichterte Öffnen der Ventilnadel erreicht, die danach mit einem zweiten Teilhub geöffnet wird. Beim Schließen der Ventilnadel wird zuerst ein erster Teilhub des Magnetankers vom Mitnehmer bis zur
geschlossenen Stellung des Steuerventils ausgeführt und das Steuerventil somit geschlossen. Hierbei wirkt das Ventilelement des Steuerventils als ein weiterer vom Magnetanker betätigter Mitnehmer für die Rückstellung der Ventilnadel. Durch die am Steuerventil somit wieder auftretende Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich der Vorrichtung kann danach das Schließen der Ventilnadel durch eine in Schließrichtung der
Ventilnadel unterstützend wirkende hydraulische Kraft schneller erfolgen.
Dadurch kann die Verwendung von Magnetaktuatoren mit geringer
Leistungsaufnahme ermöglicht und die für die Benzineinspritzung im
Schichtbetrieb von Verbrennungsmotoren erforderliche Schaltdynamik realisiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung zwischen der Druckkammer und dem Niederdruckbereich ferner eine Drossel auf. Dadurch wird auf einfache
Weise ein rascher Druckabbau über einen Ringspalt zwischen der Ventilnadel und dem Ventilgehäuse in der Druckkammer bei geschlossenem Steuerventil und somit eine hohe Anpresskraft sowie eine gute Dichtwirkung zwischen der Ventilnadel und dem Ventilsitz erreicht.
Alternativ zur Drossel kann zwischen der Druckkammer und dem
Niederdruckbereich ein Leckagesperrventil eingesetzt werden. Hierdurch wird eine Leckage- bzw. Rücklaufmenge des Kraftstoffs zu einem Kraftstoffrücklauf beim Öffnen der Ventilnadel deutlich reduziert. Somit kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung sehr wirtschaftlich eingesetzt werden.
Vorzugsweise weist das Leckagesperrventil als Schließglied eine an der
Ventilnadel gebildete kragenartige Erweiterung und einen Sitz auf, der am Ventilgehäuse gebildet ist. Hierdurch ist ein einfacher Aufbau des
Leckagesperrventils mit einer minimalen Anzahl von Bauteilen realisierbar.
Ferner kann dadurch eine sehr betriebssichere Vorrichtung bereitgestellt werden. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung bei geschlossener Ventilnadel Figur 2 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Teils der Vorrichtung von Figur 1 ,
Figur 3 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der
Vorrichtung von Figur 1 beim Öffnen der Ventilnadel,
Figur 4 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der
Vorrichtung von Figur 1 bei geöffneter Ventilnadel,
Figur 5 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Teils der Vorrichtung von Figur 4,
Figur 6 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der
Vorrichtung von Figur 1 beim Schließen der Ventilnadel, Figur 7 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung einer zweiten
Ausführungsform der Vorrichtung bei geschlossener
Ventilnadel,
Figur 8 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der
Vorrichtung von Figur 7 bei geöffneter Ventilnadel,
Figur 9 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Teils der Vorrichtung von Figur 7 bei geschlossener Ventilnadel, und Figur 10 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Teils der Vorrichtung von Figur 7 bei geöffneter Ventilnadel. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6 eine Vorrichtung 1 zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung gemäß einem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung im geschlossenen Zustand. Wie aus der schematischen Schnittdarstellung von Figur 1 ersichtlich, umfasst die Vorrichtung 1 ein Ventilgehäuse 2, eine nach außen öffnende Ventilnadel 3, welche im Ventilgehäuse 2 in einem mit Kraftstoff gefüllten Druckraum 4 angeordnet ist.
Diesem Druckraum 4 wird ein Kraftstoff K über einen Kraftstoffzulauf 24 unter Druck zugeführt, wobei die Ventilnadel 3 an einem Ventilsitz 16 am
Ventilgehäuse 2 abdichtet. Ferner weist die Vorrichtung 1 eine Schließfeder 5, welche die Ventilnadel 3 in eine Ausgangsposition zurückführt, und einen elektromagnetischen Aktuator 6 mit einer Magnetspule 63, einem Innenpol 62, einem Magnetgehäuse 61 und einem beweglich angeordneten Magnetanker 7 auf, der die Ventilnadel 3 über einen daran ausgebildeten bzw. befestigten Mitnehmer 9 betätigt. Ein Steuerventil 8 mit einem Ventilelement 10 und einem Ventilsitz 1 1 ist an einem der Einspritzseite entgegengesetzten Endbereich 29 der Ventilnadel 3 angeordnet.
Das Ventilelement 10 weist eine erste Wirkfläche 13, die dem Druckraum 4 zugewandt ist, und eine zweite Wirkfläche 14 auf, die einer Druckkammer 12 zugewandt ist, die mit einem Niederdruckbereich 19 in Verbindung steht. Das Ventilelement 10 des Steuerventils 8 ist ausgelegt, um eine Verbindung zwischen dem Druckraum 4 und der Druckkammer 12 freizugeben und zu verschließen, wobei der Ventilsitz 1 1 des Steuerventils 8 an einer Stirnseite eines am
Magnetanker 7 befestigten ringzylindrischen Bauteils 17 angeordnet ist.
Zwischen dem Außenumfang des ringzylindrischen Bauteils 17 und dem
Ventilgehäuse 2 ist eine Spaltdichtung 18 mit geringem Führungsspiel ausgebildet.
Wie aus Figur 1 ferner ersichtlich, sind im Magnetanker 7 und im
ringzylindrischen Bauteil 17 Durchflussöffnungen 30, 31 , für die Zuführung des Kraftstoffs K ausgebildet. Demzufolge liegt bei geschlossener Ventilnadel 3 und geschlossenem Steuerventil 8 der hohe Druck des über den Kraftstoffzulauf 24 zugeführten Kraftstoffs in allen mit der Druckkammer 4 verbundenen
Innenräumen der Vorrichtung an. In der Druckkammer 12 herrscht Niederdruck, da diese über eine Drossel 21 mit dem Kraftstoffrücklauf 25 verbunden ist und das Steuerventil 8 geschlossen ist.
Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ein Durchmesser ds des
Ventilsitzes 16 kleiner gewählt ist als ein Durchmesser d1 des Ventilelements 10, wird die Ventilnadel 3 neben der Kraft der Schließfeder 5 zusätzlich auch durch eine hydraulische Kraftkomponente in den Ventilsitz 16 gedrückt, die aus dieser Durchmesserdifferenz resultiert. Dadurch ist eine zuverlässige Abdichtung der
Vorrichtung 1 bei geschlossener Ventilnadel 3 gewährleistet.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung, die einen Teil der Vorrichtung 1 von Figur 1 detaillierter veranschaulicht. Wie aus der Abbildung von Figur 2 ersichtlich, befindet sich beim geschlossenen Zustand der
Vorrichtung 1 mit geschlossenem Steuerventil 8 und inaktiviertem
elektromagnetischen Aktuator 6 dessen Magnetanker 7 in seiner
Ausgangsposition. Die Schließfeder 5 greift dabei am Magnetanker 7 an und stützt sich am Gehäuse 2 ab. In dieser Ausgangsposition weist der axial frei bewegliche Magnetanker 7 aufgrund der Federkraft der Schließfeder 5 einen
Abstand A zum Mitnehmer 9 an der Ventilnadel 3, sowie einen Abstand H zum Innenpol 62 auf.
Figur 3 zeigt eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der Vorrichtung 1 von Figur 1 beim Öffnen der Ventilnadel 3. Hierbei wird die Magnetspule 63 des elektromagnetischen Aktuators 6 bestromt (was durch ein blitzförmiges Symbol verdeutlicht ist), wobei der Magnetanker 7 einen ersten Teilhub in Richtung zum Innenpol 62 ausführt, der dem Maß des Abstands A entspricht, bis er den Mitnehmer 9 berührt. Dadurch öffnet sich das Steuerventil 8, so dass Kraftstoff K vom Kraftstoffzulauf 24 in den Druckraum 4 und über die Durchflussöffnung 31 bis in die Druckkammer 12 strömt (wie dies durch einen Pfeil B in der Figur 3 verdeutlicht ist). Dadurch steigt der Druck in der Druckkammer 12 unmittelbar an und bewirkt eine Kraft auf die Ventilnadel 3, die aus dem Verhältnis der hydraulisch wirksamen ersten und zweiten Wirkflächen 13 und 14 am
Ventilelement 10 resultiert, die jeweils mit hohem Druck beaufschlagt sind. Diese resultierende hydraulische Kraft wirkt bei geöffnetem Steuerventil 8 zusätzlich zur Magnetkraft des Magnetankers 7 in Öffnungsrichtung der Ventilnadel 3 und verringert die Anpresskraft der Ventilnadel 3 am Ventilsitz 16. Die Ventilnadel 3 kann nun mit geringer Kraft vom Magnetanker 3 über den Mitnehmer 9 in Öffnungsrichtung mitgenommen bzw. verschoben werden, so dass sich die Ventilnadel 3 öffnet und der Einspritzvorgang beginnen kann.
Figur 4 zeigt eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der Vorrichtung von Figur 1 bei geöffneter Ventilnadel. Durch die fortgesetzte Bestromung der Magnetspule 63 wurde der Magnetanker 7 zusammen mit der Ventilnadel 3 in Öffnungsrichtung der Vorrichtung 1 gezogen und hat einen zweiten Teilhub bis zum Anschlag am Innenpol 62 ausgeführt, und dadurch die Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 16 nach außen angehoben und geöffnet. Der zweite Teilhub zum Öffnen der Ventilnadel 3 ist hierbei größer ausgelegt als der erste Teilhub A zum Öffnen des Steuerventils 8. Das zwischen der Ventilnadel 3 und dem
Ventilgehäuse 2 ausströmende Kraftstoffspray ist durch kleine Pfeile C in der
Figur 4 veranschaulicht.
Figur 5 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung, die einen Teil der Vorrichtung 1 von Figur 4 detaillierter veranschaulicht. Wie aus der Abbildung von Figur 5 ersichtlich, strömt bei geöffnetem Steuerventil 8 ein Teil des
Kraftstoffs in der Druckkammer 12 über die Drossel 21 (wie durch einen Pfeil D verdeutlicht) in den Kraftstoffrücklauf 25 als Leckagemenge zurück. Diese Leckagemenge durch die Drossel 21 ist definiert bzw. auf einen vorgegebenen Wert begrenzt, damit der Druckabfall in der Druckkammer 12 nach dem
Abschalten des elektromagnetischen Aktuators 6 (Schließen der Ventilnadel 3) nicht zu lange dauert und die Pausenzeiten der Schaltzyklen verlängert und somit die Schaltdynamik verschlechtert.
In Figur 6 ist eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der Vorrichtung von Figur 1 beim Schließen der Ventilnadel 3 veranschaulicht. Hierbei ist der
Zustand der Vorrichtung 1 gezeigt, der sich nach dem Abschalten der
Magnetspule 63 des elektromagnetischen Aktuators 6 einstellt, wobei zuerst das Steuerventil 8 geschlossen wird. Danach sinkt der Druck in der Druckkammer 12 aufgrund der Verbindung zum Kraftstoffrücklauf 25 über die Drossel 21 wieder ab, so dass die zweite Wirkfläche 14 nur noch mit dem niedrigen Druck aus dem
Kraftstoffrücklauf 25 beaufschlagt ist. Die erste Wirkfläche 13 ist noch mit dem hohen Druck im Inneren des ringzylindrischen Bauteils 17 beaufschlagt. Dadurch wird eine hydraulische Schließkraft erzeugt, die die Ventilnadel 3 zusätzlich zur Federkraft der Schließfeder 5 in den Ventilsitz 16 drückt, bis der geschlossene Zustand der Ventilnadel 3 (vgl. Figur 1 ) wieder hergestellt und der
Einspritzvorgang beendet ist. Die Schließfeder 5 greift dabei über den
Magnetanker 7, das ringzylindrische Bauteil 17 und das Ventilelement 10 an der Ventilnadel 3 an.
Dadurch, dass das Öffnen und Schließen der Ventilnadel 3 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung
hydraulisch unter Nutzung des im Inneren der Vorrichtung 1 herrschenden Hochdrucks in Verbindung mit den am Ventilelement 10 des Steuerventils 8 angeordneten ersten und zweiten Wirkflächen 13 und 14 unterstützt wird, kann die Vorrichtung 1 bereits mit verhältnismäßig geringen Magnetkräften eine hohe Schaltdynamik bei gleichzeitig hoher Dichtkraft bereitstellen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 7 bis 10 eine Vorrichtung 1 zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung gemäß einem zweiten bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten
Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Figur 7 zeigt eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur
Kraftstoffhochdruckeinspritzung bei geschlossener Ventilnadel 3. Das zweite
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 unterscheidet sich vom zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass hierbei zwischen der Druckkammer 12 und dem Niederdruckbereich 19 des
Kraftstoffrücklaufs 25 ein Leckagesperrventil 26 angeordnet ist. Durch das Leckagesperrventil 26 wird eine Leckagemenge zum Kraftstoffrücklauf 25, wie sie beim ersten Ausführungsbeispiel in der Drossel 21 auftritt, drastisch reduziert. Das Leckagesperrventil 26 weist eine kragenartige Erweiterung 22 des Durchmessers am Endbereich 29 der Ventilnadel 3 auf. In Verbindung mit einem am Ausgang der Druckkammer 12 angeordneten Anschlag 23 am Ventilgehäuse 2 sperrt das Leckagesperrventil 26 im geschlossenem Zustand die Druckkammer
12 vom Kraftstoffrücklauf 25 ab. Wie aus Figur 7 ferner ersichtlich, ist bei geschlossener Ventilnadel 3 das Steuerventil 8 geschlossen und das Leckagesperrventil 26 geöffnet, sodass in der Druckkammer 12 ein Niederdruck herrscht.
Figur 9 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Teils der Vorrichtung von Figur 7, die die Druckverhältnisse bei geschlossener Ventilnadel 3 veranschaulicht. Wie aus Figur 9 ersichtlich, ist eine Ringnut 27 im
Ventilgehäuse 2 in einem Bereich zwischen dem ringzylindrischen Bauteil 17 und dem Ventilelement 10 des Steuerventils 8 ausgebildet, um einen ungehinderten
Kraftstoffzufluss in die Druckkammer 12 bei geöffnetem Steuerventil 8 (vgl. hierzu Figur 10) zu ermöglichen. Bei geschlossener Ventilnadel 3 ist das
Steuerventil 8 geschlossen und das Leckagesperrventil 26 geöffnet. Hierbei ist hinter dem geschlossenen Ventilelement 10 des Steuerventils 8, d. h. in der Ringnut 27, der Druckkammer 12 und im angrenzenden Kraftstoffrücklauf 25
Niederdruck vorhanden (gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 19), während in den übrigen Innenräumen der Vorrichtung 1 bis zum geschlossenen
Ventilelement 10 Hochdruck anliegt (gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 28).
Wie aus Figur 8 ersichtlich, die eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der zweiten Ausführungsform von Figur 7 bei geöffneter Ventilnadel 3 zeigt, ist in diesem Zustand das Leckagesperrventil 26 geschlossen und das Steuerventil 8 geöffnet. Hierbei herrscht in der Druckkammer 12 Hochdruck, sodass die Ventilnadel 3 mit kleinen Kräften geöffnet werden kann. Da das
Leckagesperrventil 26 geschlossen ist, tritt keine Leckagemenge in den
Kraftstoffrücklauf 25 aus. Die am Anschlag 23 anliegende kragenartige
Erweiterung 22 des Leckagesperrventils 26 definiert zugleich einen Hubanschlag der geöffneten Ventilnadel 3.
Figur 10 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Teils der Vorrichtung von Figur 8, die die Druckverhältnisse bei geöffneter Ventilnadel 3 veranschaulicht. Wie aus Figur 10 ersichtlich, ist hierbei das Steuerventil 8 geöffnet und das Leckagesperrventil 26 geschlossen. Der Hochdruckbereich 28 ist hierbei sowohl im Steuerventil 8 als auch im Leckagesperrventil 26 ausgebildet, während lediglich im Kraftstoffrücklauf 25 der Niederdruckbereich 19 ausgebildet ist.
Aufgrund der geringen Kräfte, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung zum Öffnen und Schließen der Ventilnadel 3 erforderlich sind, kann die Betätigung der Ventilnadel 3 direkt durch einen kostengünstigen elektromagnetischen Aktuator, auch bei hohen
Einspritzdrücken von 20 MPa, mit einer ausreichend hohen Schaltdynamik erfolgen. Wegen des dementsprechend geringen Leistungsbedarfs des elektromagnetischen Aktuators kann die Ansteuerung der Vorrichtung 1 deshalb mit herkömmlichen, d. h. verfügbaren Endstufen für Magnet- Hochdruckeinspritzventile erfolgen. Dies trägt zu einer weiteren
Kostenreduzierung und somit einer erhöhten Wirtschaftlichkeit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung bei.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung, umfassend
- ein Ventilgehäuse (2),
- eine nach außen öffnende Ventilnadel (3), welche im Ventilgehäuse (2) in einem mit Kraftstoff gefüllten Druckraum (4) angeordnet ist, dem Kraftstoff
(K) unter Druck zugeführt wird, wobei die Ventilnadel (3) an einem
Ventilsitz (16) abdichtet,
- eine Schließfeder (5), welche die Ventilnadel (3) in eine Ausgangsposition zurückführt,
- einen elektromagnetischen Aktuator (6) mit einem beweglich
angeordneten Magnetanker (7) zur Betätigung der Ventilnadel (3), und
- ein Steuerventil (8) mit einem Ventilelement (10) und einem Ventilsitz (1 1 ), wobei das Ventilelement (10) eine erste Wirkfläche (13) und eine zweite Wirkfläche (14) aufweist, wobei die erste Wirkfläche (13) dem Druckraum (4) zugewandt ist, die zweite Wirkfläche (14) einer
Druckkammer (12) zugewandt ist, die mit einem Niederdruckbereich (19) in Verbindung steht, und das Ventilelement (10) eine Verbindung zwischen dem Druckraum (4) und der Druckkammer (12) freigibt und verschließt, und der Ventilsitz (11 ) am Magnetanker (7) oder an einem mit dem Magnetanker (7) verbundenen Bauteil angeordnet ist,
wobei bei einer Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators (6) das Steuerventil (8) vor der nach außen öffnenden Ventilnadel (3) öffnet, um eine Öffnungskraft für die Ventilnadel (3) durch Freigabe der Verbindung zwischen dem Druckraum (4) und der Druckkammer (12) zu reduzieren.
2. Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach Anspruch 1 , ferner umfassend einen an der Ventilnadel (3) befestigten Mitnehmer (9) mit einem Ankerkontaktbereich (20), wobei der Mitnehmer (9) in der Ausgangsposition in einem Abstand (A) vom Magnetanker (7) angeordnet ist, und der
Magnetanker (7) beweglich auf der Ventilnadel (3) angeordnet ist.
3. Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Magnetanker (7) ein ringzylindrisches Bauteil (17) befestigt ist, wobei an einer freien Stirnseite des
ringzylindrischen Bauteils (17) der Ventilsitz (1 1 ) des Steuerventils (8) angeordnet ist.
4. Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Außenumfang des ringzylindrischen Bauteils (17) und dem Ventilgehäuse (2) eine Spaltdichtung (18) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (d1 ) der Spaltdichtung (18) größer ist als ein Durchmesser (ds) des Ventilsitzes (16).
6. Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen Mitnehmer (9) und Magnetanker (7) in der Ausgangsposition kleiner als eine Differenz eines Gesamthubes (H) des Magnetankers (7) und des Abstands (A) ist.
7. Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Druckkammer (12) und dem Niederdruckbereich (19) eine Drossel (21 ) angeordnet ist.
8. Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Druckkammer (12) und dem Niederdruckbereich (19) ein Leckagesperrventil (26) geordnet ist.
9. Vorrichtung zur Kraftstoffhochdruckeinspritzung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Leckagesperrventil (26) als Schließglied eine an der Ventilnadel (3) gebildete kragenartige Erweiterung (22) umfasst und ein Sitz (23) des Leckagesperrventils (26) am Ventilgehäuse (2) gebildet ist.
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