WO2012085186A1

WO2012085186A1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen

Info

Publication number: WO2012085186A1
Application number: PCT/EP2011/073755
Authority: WO
Inventors: Michael Mennicken; Sonny Tran
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-06-28
Also published as: EP2655850A1; CN103261660A; EP2655850B1; CN103261660B; DE102010064057A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Gehäuse (1), in dem eine kolbenförmige Ventilnadel (5) längsverschiebbar angeordnet ist, die von einem Druckraum (3) umgeben ist und die mit einem Ventilsitz (8) zur Steuerung eines Kraftstoffflusses aus dem Druckraum (3) zu wenigstens einer Einspritzöffnung (9) zusammenwirkt. Im Gehäuse (1) ist ein Speichervolumen (7) ausgebildet, das mit dem Druckraum (3) über eine Dämpfungsdrossel (12) verbunden ist, und zusätzlich ein kraftstoffgefüllter Steuerraum (16), der über ein Steuerventil (25) mit einem Leckölraum (28) verbindbar ist und dessen Druck zumindest mittelbar auf die Ventilnadel (5) in Richtung des Ventilsitzes (8) wirkt. Speichervolumen (7) ist mit dem Steuerraum (16) über eine Zulaufdrossel (26) verbunden.

Description

Beschreibung

Titel

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein K raftstoff ei ns p ritz ve nti I für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise für schnelllaufende Brennkraftmaschinen Verwendung findet.

Stand der Technik Aus dem Stand der Technik sind K raftstoff ei nspritzventile, die zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in Brennräume von Brennkraftmaschinen dienen, seit längerer Zeit bekannt, insbesondere Einspritzventile, die in sogenannten Common- Rail- Einspritzsystemen Verwendung finden. Diese Einspritzventile bzw. Einspritzsysteme, wie sie z. B. aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 002 153 AI bekannt sind, arbeiten nach dem Prinzip, dass Kraftstoff durch eine Pumpe verdichtet wird und einem Hochdruckspeicher - dem sogenannten Rail - zugeführt wird. Der dort gespeicherte, verdichtete Kraftstoff wird über Leitungen Kraftstoffinjektoren bzw. K raftstoff ei ns p ritz ve nti I en zugeleitet und von diesen zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Dosierung in Brennräume der entsprechenden Brennkraftmaschine eingespritzt.

Die Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt in einer sehr kurzen Zeitspanne von kaum mehr als 2 Millisekunden und bei Drücken bis zu 2000 bar und darüber. Diese hochdynamischen Vorgänge führen periodisch zur Beschleunigung und zum Ab- bremsen des Kraftstoffs in den Kraftstoffleitungen und im Injektor. Insbesondere beim Abbremsen des Kraftstoffs, also bei Beendigung der Einspritzung, kommt es zu Druckschwingungen im Injektor und in den Kraftstoff leitungen sowie dem Rail. Dabei kann der Druck, der üblicherweise im Hochdruckspeicher zur Verfügung gestellt wird, lokal deutlich überschritten werden. Insbesondere werden dann besonders hohe Drücke erreicht, wenn sich verschiedene Druckwellen ausbilden, beispielweise im K raftstoff ei ns p ritz ve nti I und im Hochdruckspeicher, und sich diese Druckwellen konstruktiv überlagern. Dies führt zum einen zu einer hohen Belastung des Materials von Kraftstoffeinspritzventil, Leitungen und Hochdruckspeicher, und kann zum anderen dazu führen, dass der Druckzustand im K raftstoff ei ns p ritz venti I und/oder im Hochdruckspeicher zu Beginn der nachfolgenden Einspritzung nicht genau definiert ist, was sich negativ auf die Einspritzgenauigkeit auswirkt.

Zur Dämpfung dieser Druckschwingungen ist es bekannt, im K raftstoff e i ns p ritz - ventil einen Dämpfungsraum auszubilden. Aus der DE 101 21 891 AI ist ein

K raftstoff ei ns p ritz venti I bekannt, das einen Dämpfungsraum aufweist, der im Gehäuse des Kraftstoffe i ns p ritz ve nti Is ausgebildet ist und mit dem Druckraum, der die Ventilnadel umgibt, über eine Drossel verbunden ist. Dadurch lassen sich Druckschwingungen innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils dämpfen, insbeson- dere im Bereich der Ventilnadel, jedoch nur sehr punktuell, da die Ausbildung des Dämpfungsvolumens und der Verbindungsdrossel zum jeweiligen Hochdruckbereich nur für eine Dämpfung im Bereich dieser Verbindungsbohrung sorgt. Bei dem bekannten K raftstoff e i ns p ritz ve nti I bzw. K raftstoff ei ns p ritzsystem , bei denen ein Teil des Speichervolumens nicht mehr vom eigentlichen Hochdruckspeicher zur Verfügung gestellt wird, sondern in Form von Druckräumen innerhalb der Injektoren vorhanden ist, ist diese Art der Dämpfung nicht mehr umsetz - bar. Große Volumina bedeuten immer eine gute Schwingungsfähigkeit, da viel Energie aufgenommen werden kann, so dass das Problem der Druckschwingungen insbesondere bei diesen Injektoren problematisch sein kann.

Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist eine kolbenförmige Ventilnadel auf, die von einem Druckraum umgeben ist und die mit einem Ventilsitz zur Steuerung des Kraftstoffdurchflusses aus dem Druckraum zu wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt. Im Gehäuse des K raftstoff ei ns p ritz ve nti Is ist ein Speichervolumen ausgebildet, das mit dem Druckraum über eine Dämpfungs- drossel verbunden ist, wobei weiterhin eine Zulaufdrossel vorhanden ist, die den Dämpfungsraum mit einem Steuerraum verbindet, dessen Kraftstoff druck zumindest mittelbar auf die Ventilnadel in Schließrichtung einwirkt. Durch diese Anordnung des Druckraums und des Speichervolumens, von dem die Zulaufdrossel abgeht, kann einerseits eine sehr effektive Drosselung von Druckschwingungen erreicht werden, die im Druckraum auftreten und die zu einer unpräzisen oder mengenmäßig abweichenden Einspritzung führen würden. Andererseits kann das Speichervolumen jedoch nach wie vor zu einer guten Kraftstoffversorgung des Druckraums beitragen, d. h. eine ergänzende Funktion zum eigentlichen Rail bzw. zentralen Hochdruckspeicher haben, wobei die Druckschwingungen innerhalb des Speichervolumens des Kraftstoffeinspritzventils gering bleiben. Dies führt dazu, dass an der Zulaufdrossel, über die das Speichervolumen mit dem Steuerraum verbunden ist, stets ein definierter Druck anliegt, der nur geringen Druckschwankungen unterliegt. Dadurch lässt sich das Steuerventil und somit die Kraft auf die Ventilnadel, die zur Steuerung des Öffnungsverhaltens dient, sehr genau steuern.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist die Dämpfungsdrossel zwischen dem Druckraum und dem Speichervolumen als Bohrung innerhalb der Ventilnadel ausgebildet, wobei die Ventilnadel sowohl den Druckraum als auch das Speichervolumen durchdringt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Dämpfungsdrossel an einem separat zu fertigenden Bauteil, nämlich der Ventilnadel, ausgebildet werden kann, so dass eine einfache, kostengünstige und hochgenaue Fertigung möglich ist. Außerdem bietet es den Vorteil, dass verschiedene Ventilnadeln mit unterschiedlichen Dämpfungsdrosseln verwendet werden können, die den Bedürfnissen bei der Applikation des Injektors auf die jeweilige Brennkraftmaschine angepasst werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Dämpfungsdrossel als Bohrung innerhalb des Gehäuses des K raftstoff e inspritzventils ausgebildet, was den Vorteil mit sich bringt, dass die Ventilnadel bei allen zu erwartenden Einspritzventiltypen die gleiche sein kann, während die Dämpfungsdrossel jeweils angepasst werden muss. Insbesondere dann, wenn das Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils mehrteilig ausgebildet ist, kann diese Dämpfungsdrossel in einem entsprechend gut zugänglichen separaten Bauteil ausgebildet sein, so dass sich das K raftstoff ei ns p ritzve nti I einfach und zu vertretbaren Kosten herstellen lässt. ln einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Druckraum direkt mit einem Hochdruckzulauf verbunden, über den Kraftstoff aus hohem Druck einleitbar ist. Vorteilhaft vorgesehen ist hierbei insbesondere, dass der Hochdruckzulauf über eine Hochdruckleitung mit einem gemeinsamen Hochdruckspeicher verbunden ist, dem sogenannten Rail. Durch diese Konstruktion wird es ermöglicht, dass das Speichervolumen im Injektor bis auf die Däm pf u ngsd rossel und die Zulaufdrossel allseitig abgeschlossen ist und damit seine Aufgabe als Speicher und Dämpfungsvolumen optimal erfüllen kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Hochdruckzulauf als Bohrung im Gehäuse ausgebildet, wobei die Bohrung je nach Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils entweder auf Höhe des Druckraums aus dem Gehäuse austritt oder durch eine Hochdruckbohrung an einen anderen Punkt des Einspritzventils geführt wird, wobei die Hochdruckbohrung innerhalb des Gehäuses verläuft und keine Verbindung zum Speichervolumen innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils aufweist.

Zeichnungen

In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils im Längsschnitt zusammen mit einigen Anbaukomponenten,

Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie Figur 1 und

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie Figur 1 oder 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoff - einspritzventils dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein Druckraum 3 und ein Speichervolumen 7 ausgebildet sind. Innerhalb des Druckraums 3 bzw. des Speichervolumens 7 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet, wobei die Ventilnadel 5 in einem Führungsabschnitt 15 im Gehäuse 1 geführt ist, so dass in diesem Bereich zwischen der Ventilnadel 5 und dem Gehäuse 1 praktisch kein Kraftstoff zwischen dem Druckraum 3 und dem Speichervolumen 7 fließen kann. Die Ventilnadel 5 weist an ihrem in der Zeichnung unteren Ende eine Ventildichtfläche 10 auf, die im Wesentlichen konisch gestaltet ist und mit einem ebenfalls im Wesentlichen konischen Ventilsitz 8, der am brennraumseitigen Ende des Druckraums 3 ausgebildet ist, zur Steuerung des Kraftstoffflusses aus dem Druckraum 3 zu mehreren Einspritzöffnungen 9 zusammenwirkt. Die Einspritzöffnungen 9 sind hierbei im Gehäuse 1 ausgebildet und bilden die Öffnungen, über die der Kraftstoff in den Brennraum der entsprechenden Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Die Ventilnadel 5 wird an ihrem ventilsitzabgewandten Ende innerhalb des Gehäuses 1 geführt und begrenzt zusammen mit dem Gehäuse 1 einen Steuerraum 16. Der im Steuerraum 16 wirkende Kraftstoff druck wirkt auf die ventilsitzabge- wandte Stirnseite der Ventilnadel 5 und erzeugt eine resultierende Schließkraft auf die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 8. Zusätzlich zu dieser hydraulischen Kraft wirkt auf die Ventilnadel 5 die Kraft einer Schließfeder 17, die innerhalb des Speichervolumen 7 angeordnet ist und sich an einem mit der Ventilnadel 5 verbundenen Stützring 18 abstützt. Diese Schließfeder 17 dient hauptsächlich dazu, die Ventilnadel 5 im drucklosen Zustand des Kraftstoffeinspritzsystems in ihrer Schließstellung zu halten.

Zur Steuerung der Längsbewegung der Ventilnadel 5 kann im Steuerraum 16 ein wechselnder Kraftstoffdruck eingesetzt werden. Hierzu dient ein Steuerventil 25, das entweder im Gehäuse 1 integriert, oder - wie hier gezeigt - als separates Bauteil gefertigt sein kann. Das Steuerventil 25 ist als 2/2-Wegeventil ausgebildet und steuert den Kraftstofffluss aus einer Ablaufdrossel 27, über die Kraftstoff aus dem Steuerraum 16 in einem Leckölraum 28 abgesteuert werden kann. Je nach Stellung des Steuerventils 25 fließt so Kraftstoff aus dem Steuerraum 16 in den Leckölraum 28, wobei im Leckölraum 28 stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht, der zumeist nur einige bar beträgt. Zur Kraftstoffversorgung des Steuerraums 16 dient die Zulaufdrossel 26, die im Gehäuse 1 ausgebildet ist und die das Speichervolumen 7 mit dem Steuerraum 16 verbindet. Die Zulaufdrossel 26 und die Ablaufdrossel 27 sind hierbei so aufeinander abgestimmt, dass bei geöffnetem Steuerventil 25 mehr Kraftstoff aus dem Steuerraum 16 abfließt, als über die Zulaufdrossel 26 nachfließen kann, so dass es zu einer Druckverminderung im Steuerraum 16 kommt. Ist das Steuerventil 25 geschlossen, so fließt Kraftstoff über die Zulaufdrossel 26 in den Steuerraum 16 nach, bis der Kraftstoffdruck im Steuerraum 16 dem Druck im Speichervolumen 7 entspricht und die Ventilnadel 5 in ihre Schließstellung, d. h. in Anlage an dem Ventilsitz 8 gedrückt wird.

Zwischen dem Druckraum 3 und dem Speichervolumen 7 ist eine Dämpfungsdrossel 12 innerhalb der Ventilnadel 5 ausgebildet, so dass Kraftstoff gedämpft zwischen dem Druckraum 3 und dem Speichervolumen 7 fließen kann. Die Ver- sorgung des Kraftstoffeinspritzventils mit Kraftstoff unter hohem Druck, der zur

Einspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine dient, ist ein Hochdruck- anschluss 20 im Gehäuse 1 auf Höhe des Druckraums 3 vorgesehen, der über eine Hochdruckleitung 22 mit einem Hochdruckspeicher 24 verbunden ist. Im Hochdruckspeicher 24 wird stets Kraftstoff unter Einspritzdruck zu Verfügung ge- stellt, der je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine einige hundert oder bis zu 2000 bar betragen kann, in Einzelfällen auch höher.

Bei der Einspritzung bewegt sich die Ventilnadel 5 aufgrund der Erniedrigung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum 16 vom Ventilsitz 8 weg und gibt die Einspritzöff- nungen 9 frei. Dadurch tritt Kraftstoff aus dem Druckraum 3 durch die Einspritzöffnungen 9 aus und gelangt so in den Brennraum der entsprechenden Brennkraftmaschine. Der über die Einspritzöffnungen 9 austretende Kraftstoff wird über die Hochdruckleitung 22 und damit letztendlich aus dem Hochdruckspeicher 24 und ebenso aus dem Speichervolumen 7 des Kraftstoffeinspritzventils nachge- führt, so dass an den Einspritzöffnungen 9 annäherungsweise konstanter Einspritzdruck vorhanden ist. Bei Beendigung der Einspritzung wird die Kraftstoff- säule, die sich durch die Einspritzung im Druckraum 3 und ebenso in den Hochdruckleitungen 22 in Bewegung gesetzt hat, abrupt abgebremst, so dass sich die kinetische Energie in Druckenergie umwandelt und zu entsprechenden Druck- Schwingungen innerhalb des Druckraums 3 und in der Hochdruckleitung 22 führt. Da es nun zu Druckunterschieden an der Dämpfungsdrossel 12 zwischen dem Druckraum 3 und dem Speichervolumen 7 kommt, strömt Kraftstoff durch die Dämpfungsdrossel 12 vom Druckraum 3 in das Speichervolumen 7 und umgekehrt, so dass die Druckschwingungen innerhalb des Druckraums 3 und gegebenenfalls der Hochdruckleitung 22 rasch abgedämpft werden und sehr schnell wieder ein statischer Zustand erreicht wird. Das Einspritzventil befindet sich vor der nächsten Kraftstoffeinspritzung dadurch in einem definierten Zustand. Da die Kraftstoffzufuhr nicht durch das Speichervolumen 7 erfolgt, bleibt der Zustand innerhalb des Speichervolumens 7 während des ganzen Einspritzvorganges und danach weitgehend konstant, so dass entsprechend auch an der Zulaufdrossel 26 ein definierter Kraftstoffdruck erhalten bleibt, der für eine zuverlässige Funktion des Steuerventils 25 und damit für eine präzise Steuerung des Kraftstoff - drucks im Steuerraum 16 unerlässlich ist.

In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, wobei sich die Figur 2 von der Figur 1 nur in der Anordnung der Dämpfungsdrossel 12 unterscheidet. Diese ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht mehr als Querbohrung innerhalb der Ventilnadel 5 ausgebildet, sondern als Bohrung bzw. Kanal innerhalb des Gehäuses 1 des Kraftstoffeinspritzventils. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass das Gehäuse 1 mehrteilig ausgebildet ist und die Dämpfungsdrossel 12 in einem Bauteil ausgebildet ist, das sich gut bearbeiten lässt, so dass die Dämpfungsdrossel kostengünstig und mit der nötigen Präzision herstellbar ist.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, wobei sich dieses Ausführungsbeispiel von dem in Figur 1 gezeigten nur dadurch unterscheidet, dass der Hochdruckanschluss 20 nicht seitlich am Gehäuse ausgebildet ist. Die Anordnung des Hochdruckanschlusses 20 seitlich am K raftstoff ei ns p ritz venti I , wie in Figur 1 gezeigt, erfordert an dieser Stelle eine Zugänglichkeit für die Hochdruckleitung 22, was nicht in allen Brennkraftmaschinen gegeben ist. Soll die Zuführung des Kraftstoffs von der brennraumabgewandten Stirnseite des Kraftstoffseinspritzventils her erfolgen, so kann ein Hochdruckkanal 21 innerhalb des Gehäuses 1 ausgebildet werden, der den Druckraum 3 direkt mit dem Kraftstoffanschluss an der brennraumabge- wandten Stirnseite des K raftstoff ei ns p ritz venti I s verbindet, von wo aus schließlich die Hochdruckleitung 22 zum Hochdruckspeicher 24 ausgeht.

Der Durchmesser der Dämpfungsdrossel 12 bemisst sich nach den Volumina von Druckraum 3 und Speichervolumen 7, wobei sich Querschnittsflächen der

Dämpfungsdrossel als sinnvoll erwiesen haben, die kleiner als 1 mm² vorzugsweise kleiner als 1,5 mm² sein sollten.

Claims

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (1), in dem eine kolbenförmige Ventilnadel (5) längsverschiebbar angeordnet ist, die von einem Druckraum (3) umgeben ist und die mit einem Ventilsitz (8) zur Steuerung eines Kraftstoffflusses aus dem Druckraum (3) zu wenigstens einer Einspritzöffnung (9) zusammenwirkt, und mit einem Speichervolumen (7), das im Gehäuse (1) ausgebildet ist und das mit dem Druckraum (3) über eine Dämpfungsdrossel (12) verbunden ist, und mit einem kraftstoffgefüllten Steuerraum (16), der über ein Steuerventil (25) mit einem Leckölraum (28) verbindbar ist und dessen Druck zumindest mittelbar auf die Ventilnadel (5) in Richtung des Ventilsitzes (8) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen (7) mit dem Steuerraum (16) über eine Zulaufdrossel (26) verbunden ist.

2. K raftstoff ei ns p ritz ve nti I nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (5) sowohl durch den Druckraum (3) als auch durch das Speichervolumen (7) reicht und die Dämpfungsdrossel (12) als Bohrung in der Ventilnadel (5) ausgebildet ist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (5) sowohl durch den Druckraum (3) als auch durch das Speichervolumen (7) reicht und die Dämpfungsdrossel (12) als Bohrung im Gehäuse (1) ausgebildet ist.

4. K raftstoff e i ns p ritz ve nti I nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (3) mit einem Hochdruckzulauf (20) verbunden ist, über den Kraftstoff unter hohem Druck einleitbar ist.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen (7) bis auf die Dämpfungsdrossel (12) und die Zulaufdrossel (26) abgeschlossen ist.

6. K raftstoff e i n s p ritz ve nti I nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckzulauf (20) als Bohrung im Gehäuse (1) auf Höhe des Druckraums (3) ausgebildet ist.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckzulauf (20) als Hochdruckbohrung (21) im Gehäuse (1) ausgebildet ist, die zumindest zum Teil in dem das Speichervolumen (7) umgebenden Gehäuseabschnitt verläuft.