WO2016059059A1 - Einspritzventil zum einspritzen von fluid in einen brennraum einer brennkraftmaschine - Google Patents

Einspritzventil zum einspritzen von fluid in einen brennraum einer brennkraftmaschine Download PDF

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Vincent Dian
Willibald SCHÜRZ
Diego TURRADO BLANCO
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    • F02M2547/001—Control chambers formed by movable sleeves

Definitions

  • Injection valve for injecting fluid into a combustion chamber of an internal combustion engine
  • the invention relates to an injection valve for injecting fluid into a combustion chamber of an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine. Due to increasingly stringent legal regulations regarding permissible pollutant emissions of internal combustion engines, which are arranged in motor vehicles, it is necessary to take various measures that contribute to reducing pollutant emissions. A possible starting point here is to optimize the operation of injection valves of the internal combustion engine.
  • An object of the invention is to describe an injection valve which enables reliable and precise operation.
  • an injection valve for injecting fluid into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the injection valve has an injector body with a fluid inlet and a fluid outlet. Furthermore, the injection valve has a nozzle body with a hydraulically coupled to the fluid inlet recess in which a nozzle needle is arranged axially movable. The nozzle needle prevents fluid flow through an injection opening of the nozzle body in a closed position and otherwise releases it.
  • the injection valve further has a control chamber, which is hydraulically coupled to the fluid inlet and the nozzle needle.
  • the A ⁇ injection valve also has a control valve with a valve body and a valve chamber. The valve chamber is hydraulic with the Control room coupled.
  • valve chamber can be hydraulically coupled to the fluid outlet.
  • an actuator is provided, which can be coupled to the valve body for actuating the control valve.
  • the valve body is additionally coupled directly to the control chamber in such a way that a force component, which depends on a pressure prevailing in the control chamber, can be transmitted to the valve body.
  • the control room is via a throttle with the
  • Valve chamber hydraulically coupled. This contributes to the fact that when opening or closing the control valve in the rule
  • Control chamber a much higher pressure prevails, as in the valve chamber. Due to the direct, additional coupling of VEN til stressess with the control chamber can be ge ⁇ controls a precise closing of the control valve, for example by discharging the actuator.
  • direct coupling is meant a coupling without interposed choke or the like. As a result, the force component is transmitted almost undamped to the valve body. Furthermore, the direct allows
  • Coupling of the valve body with the control chamber that a high closing force can be achieved to close the valve.
  • the direct coupling contributes to a high injection accuracy and precise controllability of the injection valve.
  • an injection quantity of the fluid which depends on the movement of the nozzle needle, can be controlled particularly well.
  • tolerances in the nozzle needle movement can be compensated by the direct coupling of the control chamber with the valve body.
  • the injection valve has a me ⁇ chanic coupling element for transmitting the force component, wherein a valve space associated with the end of the coupling element mechanically interacts with the valve body and a Ven- til ecology remote end of the coupling element is hydraulically coupled to the control chamber.
  • the mechanical coupling element is designed as a pin or pin.
  • the mechanical Kop ⁇ pelelement is disposed axially movable in a bore connecting the control chamber and the valve chamber. This provides a secure guidance of the coupling element when transmitting the
  • the coupling element is fitted into the bore such that a forming sealing gap between the bore and the coupling element in the dynamic operation of the injection valve substantially prevents a fluid exchange between the control chamber and the valve chamber.
  • the sealing gap is preferably about 1 ⁇ m. This results in a mating clearance between the coupling element and the bore, so that no pinching of the pin occurs.
  • the sealing gap is virtually sealed.
  • the hydraulic coupling between the control chamber and the valve chamber is defined, for example, only by an outlet throttle between the control chamber and the valve chamber. In other words, in the dynamic operation of the injection valve, a fluid exchange between the control chamber and the valve chamber is prevented, in particular substantially prevented.
  • the sealing gap is approximately
  • the sealing gap in about 0.5 ym to 1.5 ym.
  • the sealing gap is approximately
  • Force component dependent on a control chamber facing surface of the coupling element is dependent on a cross-sectional area of the coupling element.
  • the injection valve has a spring element which exerts a force on the valve body in a closing direction of the control valve.
  • the Fe ⁇ derelement is preferably a compression spring.
  • the spring element contributes to a safe closing of the control valve.
  • the spring element ensures that the control valve is securely closed even with a non-pressurized injection valve.
  • the actuator is designed to generate a measurement signal which is representative of the force component.
  • Information from an opening start and closing of the nozzle needle can be determined from this measurement signal, since characteristic changes in the prevailing pressure in the control space occur at this time.
  • this measurement signal for example, the injection quantity accuracy can be determined particularly well.
  • the actuator for actuating the valve body is hydraulically coupled to the valve body.
  • a hydraulic clearance compensation integrated into the valve body is provided.
  • FIG. 3 shows a first diagram representation of three voltage curves of an actuator at the time of opening a nozzle needle
  • FIG. 4 shows a second diagram representation of a needle lift profile at the time of opening a nozzle needle
  • Figure 5 is a third diagram showing three voltage waveforms of the actuator at the time of closing of a nozzle needle and Figure 6 is a fourth diagram showing three Nadelhubverrise at the time of closing a due ⁇ nozzle needle.
  • the injection valve 1 shows a schematic sectional view of an injection valve 1.
  • the injection valve 1 has a
  • Injector body 2 in which a fluid inlet 3 is formed
  • the fluid inlet 3 is hydraulically coupled to a high-pressure power accumulator, such as a so-called common rail, and thus is pressurized r
  • the pressure is, for example, up to 2500 bar or higher.
  • the term "fluid" may include a fuel, such as a diesel or gasoline fuel, but the term may include other materials, such as organic compounds such as urea.
  • the injection valve 1 has a nozzle body 4, in which a recess 5 is formed.
  • a nozzle needle 6 is arranged axially movable with respect to a longitudinal axis of the nozzle needle 6.
  • the nozzle needle 6 is seated in a closed position near a tip of the nozzle body 4 on an associated needle valve seat and prevents fluid flow through one or more injection ports 7. If the nozzle needle 6 lifts off from the needle valve seat, a fluid flow is released.
  • the nozzle needle 6 is biased by a nozzle spring 20.
  • the nozzle body 4 is connected via a nozzle retaining nut 18 with the
  • Injector body 2 mechanically coupled. Furthermore, a combustion chamber seal 19 is provided.
  • the recess 5 and the nozzle needle 6 are hydraulically coupled via a nozzle orifice 22 to the fluid inlet 3.
  • the nozzle diaphragm 22 is inserted in a throttle plate 17.
  • the injection valve 1 further has a control chamber 8, which is hydraulically coupled via an inlet throttle 21 of the throttle plate 17 with the fluid inlet 3.
  • the control chamber 8 is further hydraulically coupled to the nozzle needle 6.
  • the control chamber 8 is also hydraulically coupled to a valve space 11 of a control valve 9 via an outlet throttle 23 of the Dros ⁇ selplatte 17.
  • the control valve 9 is arranged in a Ven ⁇ tilplatte 16 and is referred to as a servo valve.
  • the control valve 9 has a valve body 10 which is arranged axially movable in the valve chamber 11.
  • valve body 10 In a closed position of Control valve 9, the valve body 10 is seated on an associated valve seat and prevents fluid flow from the Ven ⁇ tilraum 11 to a fluid drain (not shown).
  • the fluid drain is hydraulically coupled to a low pressure region, such as a fuel tank.
  • the injection valve 1 has an actuator 12, which is designed as a piezoelectric actuator. Alternatively, other materials, such as a magnetostrictive material, may be used for the actuator 12.
  • the actuator 12 is integrated into the injector body 2 and has an actuator head plate 13 and an actuator ⁇ bottom plate 14. About the actuator head plate 13, the actuator 12 is mechanically coupled to the injector body 2.
  • the actuator 12 can be coupled to the control valve 9, in particular to the valve body 10, via the actuator bottom plate 14 in order to actuate it.
  • the actuator 12 is surrounded by a wave spring 15, which biases this.
  • the wave spring 15 seals the actuator 12 itself against the fluid.
  • the injection valve 1 is closed. About the fluid inlet 3, the recess 5, the control chamber 8 and the valve chamber 11 are completely filled with fluid under high pressure.
  • the valve body 10 of the control valve 9 By a balance of forces acting on the valve body 10 of the control valve 9, the valve body 10 is in the closed position.
  • the nozzle needle 6 By another balance of forces, the nozzle needle 6 is also in the closed position.
  • the actuator 12 If the actuator 12 is acted upon by voltage, then the actuator 12 expands and actuates the control valve 9. As a result, the control valve 9 is opened and the pressure in the valve chamber 11 decreases. For example, the pressure drops by 90% to, for example, 200 bar. Due to this pressure drop, fluid flows through the outlet throttle 0
  • valve chamber 11 In the valve chamber 11 from. At the same time less fluid flows through the inlet throttle 21 into the control chamber 8, so that the pressure in the control chamber 8 decreases, but less than compared to the valve chamber 11. For example, the pressure drops to 1300 to 1400 bar the force acting on the nozzle needle 6 force ratio is changed, so that the nozzle needle 6 lifts off from its associated needle valve seat and fluid exits through the injection ports 7. If the actuator 12 is discharged, the control valve 9 closes again, wherein the valve body 10 is pressed back into its valve seat. As a result, the pressure builds up in the valve chamber 11, in the control chamber 8 and in the recess 5 again. The force acting on the nozzle needle 6 balance of power ensures that the nozzle needle 6 is moved back to its closed position.
  • valve body 10 is additionally coupled directly to the control chamber 8. This will be described with the aid of FIG.
  • FIG. 2 shows a schematic, enlarged sectional view of the valve plate 16 with the control valve 9 and the throttle plate 17. Furthermore, the control chamber 8 is partially shown.
  • the valve body 10 is coupled via a mechanical coupling element 24, which is designed as a pin, directly to the control chamber 8.
  • the coupling element 24 is fitted axially movably in a bore 29.
  • the bore 29 connects the valve chamber 11 with the control chamber 8.
  • a valve body 10 facing the end 25 of the valve body 10 is mechanically coupled to the coupling element 24.
  • a valve body 10 facing away from the end 26 faces the control chamber 8.
  • the Ven ⁇ til Economics 10 is separated from the coupling element 24th This he ⁇ makes it possible that the valve body 10 and the Coupling element 24 axially, in particular axially to each other, from ⁇ can judge.
  • Control valve 9 is securely closed.
  • the coupling ⁇ elements 24 and its cross-sectional area can be adjusted in a simple manner, the closing force for closing the control valve 9 precisely.
  • a sealing gap 30 is provided with about 1 ym.
  • a Paa ⁇ approximately play between the bore 29 and the coupling element 24 is set, which causes the dynamic operation of the injection valve 1 is almost no fuel over the sealing gap 30 can flow into the valve chamber. 11
  • the sealing gap 30 is almost dense in dynamic operation.
  • a spring element 28 is provided, which acts on a spring plate 27 and exerts a force on the valve body 10 in the closing direction of the control valve 9.
  • the spring element 28 serves to securely close the control valve 9 even with a non-pressurized injection valve 1.
  • a hydraulic coupling with a play compensation integrated in the valve body 10 is provided instead of a mechanical coupling between the actuator 12 and the valve body 10 which is subject to idling.
  • the actuator 12 is hydraulically connected via a coupling pin 31 to the valve body 10 for actuating the valve body
  • a central bore is introduced into the valve body 10, in which the coupling pin 31 is fitted.
  • the coupling pin 31 defines in the central bore with the valve body 10 a coupling volume 32.
  • a sealing gap is formed, which is analogous to above in about 1 ym.
  • valve space In the exemplary embodiment can be found at about half the height of the valve body 10, two radial bores 33, which the valve space
  • valve body 10 also directly via the coupling element 24 with the control chamber. 8 is coupled. Due to the described force transfer to the valve body 10 by means of the coupling element 24 is always ensured despite the hydraulic clearance compensation that the valve body 10 closes tight and thus no fluid can flow through the valve seat.
  • a voltage U applied to the actuator 12 is plotted in volts (V) against a time t in milliseconds (ms). There are three voltage ⁇ courses when opening the nozzle needle 6 shown.
  • FIG. 4 shows a second schematic diagram representation correlating to FIG. 3, wherein a needle stroke n in millimeters (mm) is plotted against the time t in milliseconds (ms).
  • the needle stroke is understood to mean an axial movement of the nozzle needle 6. Shown are three Nadelhubverstructure at the time of opening the nozzle needle 6, have been determined from the voltage waveforms and plotted against time.
  • Figures 5 and 6 show further Diagrammdar ⁇ positions with voltage waveforms and Nadelhubverierin at the time of closing the nozzle needle. 6

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Abstract

Ein Einspritzventil (1) zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine weist einen Injektorkörper (2) mit einem Fluidzulauf (3) und einem Fluidablauf sowie einen Düsenkörper (4) mit einer mit dem Fluidzulauf (3) hydraulisch gekoppelten Ausnehmung (5) auf. In der Ausnehmung (5) ist eine Düsennadel (6) axial beweglich angeordnet, wobei die Düsennadel (6) in einer Schließstellung einen Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung (7) des Düsenkörpers (4) unterbindet und ansonsten freigibt. Weiter ist ein Steuerraum (8) vorgesehen, der hydraulisch mit dem Fluidzulauf (3), dem Fluidablauf und der Düsennadel (6) gekoppelt ist. Das Einspritzventil (1) weist ein Steuerventil (9) mit einem Ventilkörper (10) und einem Ventilraum (11) auf, der hydraulisch mit dem Steuerraum (8) gekoppelt ist, wobei abhängig von einer Schließstellung des Ventilkörpers (10) der Ventilraum (11) mit dem Fluidablauf hydraulisch koppelbar ist. Weiter ist ein Aktor (12) vorgesehen, der mit dem Ventilkörper (10) zum Betätigen des Steuerventils (9) gekoppelt ist, wobei der Ventilkörper (10) zusätzlich mit dem Steuerraum (8) derart direkt gekoppelt ist, dass eine Kraftkomponente, welche von einem in dem Steuerraum (8) vorherrschenden Druck abhängt, auf den Ventilkörper (10) übertragbar ist.

Description

Beschreibung
Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine. Aufgrund von immer strenger werdenden gesetzlichen Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, ist es erforderlich, verschiedene Maßnahmen vorzunehmen, die zum Senken der Schadstoffemissionen beitragen. Ein möglicher Ansatzpunkt hierbei ist es, den Betrieb von Einspritzventilen der Brennkraftmaschine zu optimieren.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Einspritzventil zu beschreiben, welches einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine offenbart. Das Einspritzventil weist einen Injektorkörper mit einem Fluidzulauf und einem Fluidablauf auf. Weiterhin weist das Einspritzventil einen Düsenkörper mit einer mit dem Fluidzulauf hydraulisch gekoppelten Ausnehmung auf, in welcher eine Düsennadel axial beweglich angeordnet ist. Die Düsennadel unterbindet in einer Schließstellung einen Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung des Düsenkörpers und gibt diesen ansonsten frei. Das Einspritzventil weist weiterhin einen Steuerraum auf, der hydraulisch mit dem Fluidzulauf sowie der Düsennadel gekoppelt ist. Das Ein¬ spritzventil weist zudem ein Steuerventil mit einem Ventilkörper und einem Ventilraum auf. Der Ventilraum ist hydraulisch mit dem Steuerraum gekoppelt. Abhängig von einer Schließstellung des Ventilkörpers ist der Ventilraum mit dem Fluidablauf hydraulisch koppelbar. Weiterhin ist ein Aktor vorgesehen, der mit dem Ventilkörper zum Betätigen des Steuerventils koppelbar ist. Der Ventilkörper ist zusätzlich mit dem Steuerraum derart direkt gekoppelt, dass eine Kraftkomponente, welche von einem in dem Steuerraum vorherrschenden Druck abhängt, auf den Ventilkörper übertragbar ist. Typischerweise ist der Steuerraum über eine Drossel mit dem
Ventilraum hydraulisch gekoppelt. Dies trägt dazu bei, dass beim Öffnen oder Schließen des Steuerventils im Regelfall im
Steuerraum ein wesentlich höherer Druck vorherrscht, als in dem Ventilraum. Durch die direkte, zusätzliche Kopplung des Ven- tilkörpers mit dem Steuerraum kann ein präzises Schließen des Steuerventils, beispielsweise nach Entladen des Aktors, ge¬ steuert werden. Unter der direkten Kopplung ist eine Kopplung ohne zwischengeschaltete Drossel oder dergleichen zu verstehen. Dadurch wird die Kraftkomponente nahezu ungedämpft auf den Ventilkörper übertragen. Weiterhin ermöglicht die direkte
Kopplung des Ventilkörpers mit dem Steuerraum, dass eine hohe Schließkraft zum Schließen des Ventils erreicht werden kann. Des Weiteren wird durch die direkte Kopplung zu einer hohen Ein- spritzgenauigkeit und präzisen Steuerbarkeit des Einspritz- ventils beigetragen . Insbesondere lässt sich eine Einspritzmenge des Fluids, die von der Bewegung der Düsennadel abhängig ist, besonders gut steuern. Weiterhin können Toleranzen bei der Düsennadelbewegung durch die direkte Kopplung des Steuerraums mit dem Ventilkörper ausgeglichen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Einspritzventil ein me¬ chanisches Koppelelement zum Übertragen der Kraftkomponente auf, wobei ein dem Ventilraum zugeordnetes Ende des Koppelelements mit den Ventilkörper mechanisch zusammenwirkt und ein dem Ven- tilkörper abgewandtes Ende des Koppelelements hydraulisch mit dem Steuerraum gekoppelt ist. Bevorzugt ist das mechanische Koppelelement als Bolzen oder Pin ausgebildet. Mittels des mechanischen Koppelelements lässt sich die Kraftkomponente auf dem Ventilkörper übertragen, wobei eine besonders hohe hyd¬ raulische Steifigkeit erreicht wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das mechanische Kop¬ pelelement in einer den Steuerraum und den Ventilraum ver- bindenden Bohrung axial bewegbar angeordnet. Dies stellt eine sichere Führung des Koppelelements beim Übertragen der
Kraftkomponente auf den Ventilkörper dar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Koppelelement derart in die Bohrung eingepasst, dass ein sich ausbildender Dichtspalt zwischen der Bohrung und dem Koppelelement im dynamischen Betrieb des Einspritzventils im Wesentlichen einen Fluidaustausch zwischen dem Steuerraum und dem Ventilraum unterbindet. Bevorzugt beträgt der Dichtspalt in etwa 1 ym. Dadurch ergibt sich ein Paarungsspiel zwischen dem Koppelelement und der Bohrung, so dass kein Klemmen des Pins erfolgt. Für hochdynamische Bewe¬ gungen, wie dies die Bewegung des Aktors zum Betätigen des Steuerventils darstellt, ist der Dichtspalt nahezu dicht. Dadurch ist die hydraulische Kopplung zwischen Steuerraum und Ventilraum beispielsweise nur durch eine Ablaufdrossel zwischen Steuerraum und Ventilraum definiert. Mit anderen Worten ist in dem dynamischen Betrieb des Einspritzventils ein Fluidaustausch zwischen dem Steuerraum und dem Ventilraum unterbunden, insbesondere im Wesentlichen unterbunden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Dichtspalt in etwa
0.5 ym bis 5 ym. Bevorzugt beträgt der Dichtspalt in etwa 0,5 ym bis 1,5 ym. Besonders bevorzugt beträgt der Dichtspalt in etwa
1, 0 ym. Dadurch ist die oben beschriebene Funktion gewährleistet. „
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die übertragbare
Kraftkomponente abhängig von einer dem Steuerraum zugewandten Fläche des Koppelelements. Insbesondere ist die Kraft abhängig von einer Querschnittsfläche des Koppelelements . Durch geeignete Wahl der Fläche ist somit die zu übertragende Kraftkomponente präzise einstellbar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Einspritzventil ein Federelement auf, welches eine Kraft auf den Ventilkörper in einer Schließrichtung des Steuerventils ausübt. Bei dem Fe¬ derelement handelt es sich bevorzugt um eine Druckfeder. Das Federelement trägt zu einem sicheren Schließen des Steuerventils bei. Insbesondere stellt das Federelement sicher, dass das Steuerventil auch bei einem drucklosen Einspritzventil sicher geschlossen ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Aktor ausgebildet, ein Messsignal zu erzeugen, das repräsentativ für die Kraftkom- ponente ist. Aus diesem Messsignal können Informationen eines Öffnungsbeginns und eines Schließens der Düsennadel ermittelt werden, da sich zu diesem Zeitpunkt charakteristische Änderungen des im Steuerraum vorherrschenden Drucks ergeben. Mittels diesem Messsignal kann beispielsweise die Einspritzmengengenauigkeit besonders gut bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Aktor zum Betätigen des Ventilkörpers hydraulisch mit dem Ventilkörper gekoppelt. Insbesondere ist ein in den Ventilkörper integrierter hyd- raulischer Spielausgleich vorgesehen. Trotz der hydraulischen Kopplung des Aktors mit dem Ventilkörper ist durch die direkte Kopplung des Steuerraums mit dem Ventilkörper eine ausreichende Schließkraft am Ventilkörper zum Schließen des Steuerventils sichergestellt . Weitere Vorteile und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren beschrieben.
In den Figuren zeigen: eine schematische Schnittansicht eines Einspritz¬ ventils, eine vergrößerte Schnittansicht des Einspritzventils und
Figur 3 eine erste Diagrammdarstellung dreier Spannungs- verlaufe eines Aktors zum Zeitpunkt eines Öffnens einer Düsennadel,
Figur 4 eine zweite Diagrammdarstellung eines Nadelhubverlaufs zum Zeitpunkt eines Öffnens einer Düsennadel,
Figur 5 eine dritte Diagrammdarstellung dreier Spannungsverläufe des Aktors zum Zeitpunkt eines Schließens einer Düsennadel und Figur 6 eine vierte Diagrammdarstellung dreier Nadelhubverläufe zum Zeitpunkt eines Schließens einer Dü¬ sennadel .
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Einspritzventils 1. Das Einspritzventil 1 hat einen
Injektorkörper 2, in welchem ein Fluidzulauf 3 ausgebildet ist Der Fluidzulauf 3 ist mit einem Krafthochdruckspeicher, wie beispielsweise einem sogenannten Common-Rail, hydraulisch gekoppelt und wird somit mit einem unter Druck stehenden r
Kraftstoff versorgt . Bei dem Druck handelt es sich beispielsweise um bis zu 2500 bar oder höher. Der Begriff „Fluid" kann einen Kraftstoff bzw. Brennstoff, beispielsweise einen Diesel- oder Benzinkraftstoff, umfassen. Der Begriff kann allerdings auch andere Stoffe, beispielsweise organische Verbindungen wie Harnstoff, umfassen.
Das Einspritzventil 1 hat einen Düsenkörper 4, in welchem eine Ausnehmung 5 ausgebildet ist. In der Ausnehmung 5 ist eine Düsennadel 6 axial beweglich bezüglich einer Längsachse der Düsennadel 6 angeordnet. Die Düsennadel 6 sitzt in einer Schließstellung nahe einer Spitze des Düsenkörpers 4 auf einem zugehörigen Nadelventilsitz auf und verhindert einen Fluidfluss durch eine oder mehrere Einspritzöffnungen 7. Hebt die Düsennadel 6 von dem Nadelventilsitz ab, so ist ein Fluidfluss freigegeben. Die Düsennadel 6 ist über eine Düsenfeder 20 vorgespannt. Der Düsenkörper 4 ist über eine Düsenspannmutter 18 mit dem
Injektorkörper 2 mechanisch gekoppelt. Weiterhin ist eine Brennraumdichtung 19 vorgesehen.
Die Ausnehmung 5 und die Düsennadel 6 sind hydraulisch über eine Düsenblende 22 mit dem Fluidzulauf 3 gekoppelt. Die Düsenblende 22 ist in eine Drosselplatte 17 eingebracht. Das Einspritzventil 1 weist weiterhin einen Steuerraum 8 auf, welcher hydraulisch über eine Zulaufdrossel 21 der Drosselplatte 17 mit dem Fluidzulauf 3 gekoppelt ist. Der Steuerraum 8 ist weiterhin hydraulisch mit der Düsennadel 6 gekoppelt. Der Steuerraum 8 ist zudem mit einem Ventilraum 11 eines Steuer- ventils 9 hydraulisch über eine Ablaufdrossel 23 der Dros¬ selplatte 17 gekoppelt. Das Steuerventil 9 ist in einer Ven¬ tilplatte 16 angeordnet und wird als Servoventil bezeichnet. Das Steuerventil 9 hat einen Ventilkörper 10, der in dem Ventilraum 11 axial beweglich angeordnet ist. In einer Schließstellung des Steuerventils 9 sitzt der Ventilkörper 10 auf einem zugehörigen Ventilsitz auf und unterbindet einen Fluidfluss aus dem Ven¬ tilraum 11 zu einem Fluidablauf (nicht dargestellt) . Der Fluidablauf ist mit einem Niederdruckbereich, wie beispielsweise mit einem Kraftstofftank, hydraulisch gekoppelt.
Das Einspritzventil 1 weist einen Aktor 12 auf, welcher als Piezoaktor ausgebildet ist. Alternativ können auch andere Materialien, wie ein magnetostriktives Material, für den Aktor 12 verwendet werden. Der Aktor 12 ist in den Injektorkörper 2 integriert und hat eine Aktorkopfplatte 13 sowie eine Aktor¬ bodenplatte 14. Über die Aktorkopfplatte 13 ist der Aktor 12 mit dem Injektorkörper 2 mechanisch gekoppelt. Über die Aktorbodenplatte 14 ist der Aktor 12 mit dem Steuerventil 9, ins- besondere mit dem Ventilkörper 10 zum Betätigen dieses koppelbar .
Der Aktor 12 ist von einer Wellenfeder 15 umgeben, welche diesen vorspannt. Die Wellenfeder 15 dichtet den Aktor 12 selbst gegenüber dem Fluid ab.
Zu Beginn eines Einspritzvorgangs ist das Einspritzventil 1 geschlossen. Über den Fluidzulauf 3 sind die Ausnehmung 5, der Steuerraum 8 und der Ventilraum 11 vollständig mit Fluid unter hohem Druck gefüllt. Durch ein Kräfteverhältnis, das auf dem Ventilkörper 10 des Steuerventils 9 wirkt, befindet sich der Ventilkörper 10 in der Schließposition. Durch ein weiteres Kräfteverhältnis befindet sich die Düsennadel 6 ebenfalls in der Schließposition . Wird der Aktor 12 mit Spannung beaufschlagt, so dehnt sich der Aktor 12 und betätigt das Steuerventil 9. Dadurch wird das Steuerventil 9 geöffnet und der Druck im Ventilraum 11 sinkt ab. Beispielsweise sinkt der Druck um 90% ab auf beispielsweise 200 Bar. Durch diesen Druckabfall fließt Fluid über die Ablaufdrossel 0
o
23 in den Ventilraum 11 ab. Gleichzeitig fließt weniger Fluid über die Zulaufdrossel 21 in den Steuerraum 8 nach, so dass der Druck in dem Steuerraum 8 sinkt, jedoch weniger stark als im Vergleich zu dem Ventilraum 11. Beispielsweise sinkt der Druck auf 1300 bis 1400 Bar. Dies sorgt dafür, dass das auf die Düsennadel 6 wirkende Kräfteverhältnis verändert wird, so dass die Düsennadel 6 von ihrem zugehörigen Nadelventilsitz abhebt und Fluid durch die Einspritzöffnungen 7 austritt. Wird der Aktor 12 entladen, schließt das Steuerventil 9 wieder, wobei der Ventilkörper 10 wieder in seinen Ventilsitz gedrückt wird. Dadurch baut sich der Druck im Ventilraum 11, in dem Steuerraum 8 sowie in der Ausnehmung 5 wieder auf. Das auf die Düsennadel 6 wirkende Kräfteverhältnis sorgt dafür, dass die Düsennadel 6 wieder in ihre Schließposition bewegt wird.
Um zum Schließen des Steuerventils 9 eine ausreichend hohe Schließkraft zu gewährleisten, ist der Ventilkörper 10 zusätzlich direkt mit dem Steuerraum 8 gekoppelt. Dies wird unter Zuhilfenahme der Figur 2 beschrieben.
Figur 2 zeigt eine schematische, vergrößerte Schnittansicht der Ventilplatte 16 mit dem Steuerventil 9 und der Drosselplatte 17. Weiterhin ist der Steuerraum 8 teilweise dargestellt. Der Ventilkörper 10 ist über ein mechanisches Koppelelement 24, welches als Stift ausgebildet ist, direkt mit dem Steuerraum 8 gekoppelt. Hierzu ist das Koppelelement 24 in eine Bohrung 29 axial beweglich eingepasst. Die Bohrung 29 verbindet den Ventilraum 11 mit dem Steuerraum 8. Mit einem dem Ventilkörper 10 zugewandten Ende 25 ist der Ventilkörper 10 mechanisch koppelbar mit dem Koppelelement 24. Ein dem Ventilkörper 10 abgewandtes Ende 26 ist dem Steuerraum 8 zugewandt. Der Ven¬ tilkörper 10 ist von dem Koppelelement 24 getrennt. Dies er¬ möglicht es, dass sich der Ventilkörper 10 sowie auch das Koppelelement 24 axial, insbesondere axial zueinander, aus¬ richten können.
Durch die direkte Koppelung mittels des Koppelelements 24 kann insbesondere eine zusätzliche Schließkraft am Ventilkörper 10 zum Schließen des Steuerventils 9 erzielt werden. Beim Schließen der Düsennadel 6 baut sich der Druck in dem Steuerraum 8 schneller auf als in dem Ventilraum 11. Dies liegt daran, dass der Steuerraum 8 mit dem Ventilraum 11 über die Ablaufdrossel 23 hydraulisch gekoppelt ist. Mittels des Koppelelements 24 wird nun eine Kraftkomponente direkt auf den Ventilkörper 10 übertragen. Die Kraftkomponente hängt von dem Druck in dem Steuerraum 8 und von einem Querschnitt der dem Steuerraum 8 zugewandten Fläche des Koppelelements 24, insbesondere dessen Querschnittsfläche, ab. Die übertragbare Kraftkomponente trägt dazu bei, dass das
Steuerventil 9 sicher geschlossen wird. Mittels des Koppel¬ elements 24 und dessen Querschnittsfläche lässt sich auf einfache Art und Weise die Schließkraft zum Schließen des Steuerventils 9 präzise einstellen.
Zwischen der Bohrung 29 und dem Koppelelement 24 ist ein Dichtspalt 30 mit etwa 1 ym vorgesehen. Somit wird ein Paa¬ rungsspiel zwischen Bohrung 29 und Koppelelement 24 eingestellt, welches bewirkt, dass im dynamischen Betrieb des Einspritz- ventils 1 nahezu kein Kraftstoff über den Dichtspalt 30 in den Ventilraum 11 abfließen kann. Somit ist der Dichtspalt 30 im dynamischen Betrieb nahezu dicht.
Zusätzlich ist ein Federelement 28 vorgesehen, welches an einem Federteller 27 angreift und eine Kraft auf dem Ventilkörper 10 in Schließrichtung des Steuerventils 9 ausübt. Das Federelement 28 dient dazu, das Steuerventil 9 auch bei einem drucklosen Einspritzventil 1 sicher zu schließen. Wie weiter anhand von Figur 2 im Folgenden beschrieben wird, ist anstelle einer leerhubbehafteten mechanischen Kopplung zwischen dem Aktor 12 und dem Ventilkörper 10 eine hydraulische Kopplung mit einem in dem Ventilkörper 10 integrierten Spielausgleich vorgesehen. Der Aktor 12 ist über einen Koppelstift 31 hydraulisch mit dem Ventilkörper 10 zur Betätigung des Ventilkörpers
10 gekoppelt. Hierzu ist in den Ventilkörper 10 eine zentrale Bohrung eingebracht, in welcher der Koppelstift 31 eingepasst ist. Der Koppelstift 31 begrenzt in der zentralen Bohrung mit dem Ventilkörper 10 ein Koppelvolumen 32. Zwischen dem Koppelstift 31 und dem Ventilkörper 10 ist wiederum ein Dichtspalt ausgebildet, welcher analog zu oben in etwa 1 ym beträgt.
Im Ausführungsbeispiel finden sich auf etwa der halben Höhe des Ventilkörpers 10 zwei radiale Bohrungen 33, welche den Ventilraum
11 mit dem Dichtspalt zwischen dem Koppelstift 31 und dem Ventilkörper 10 verbinden. Im geschlossenen Zustand des Ein- spritzventils 1 beziehungsweise des Steuerventils 9 liegt im Ventilraum 11 Hochdruck an, welcher über die radialen Bohrungen 33 und den Dichtspalt in das Koppelvolumen 32 übertragen wird. Dieser Druck bewirkt, dass der Koppelstift 31 stets in Richtung der Aktorbodenplatte 14 des Aktors 12 gedrückt wird und an dieser anliegt. Damit ist ein spielfreier Kontakt zwischen dem Aktor 12 und dem Ventilkörper 10 gewährleistet. Bewegungen mit sehr geringer Dynamik, wie beispielsweise die Temperaturausdehnung und der Verschleiß, können durch Änderung des Koppelvolumens 32 ausgeglichen werden. Für hochdynamische Bewegungen jedoch, wie bei dem Einspritzvorgang, ist der Dichtspalt 30 nahezu dicht und somit die Kopplung zwischen dem Ventilkörper 10 und dem Kop- pelstift 31 steif.
Bei einer derartigen hydraulischen Kopplung des Ventilkörpers 10 mit dem Aktor 12 ist besonders von Vorteil, dass der Ventilkörper 10 auch direkt über das Koppelelement 24 mit dem Steuerraum 8 gekoppelt ist. Aufgrund des beschriebenen Kraftübertrags auf den Ventilkörper 10 mittels des Koppelelements 24 ist trotz des hydraulischen Spielausgleichs stets sichergestellt, dass der Ventilkörper 10 dicht schließt und somit kein Fluid über den Ventilsitz abfließen kann.
Aus der mittels des Koppelelements 24 übertragenen Kraftkom¬ ponente, lässt sich auf eine Information eines Öffnungsbeginns und eines Schließens der Düsennadel 6 schließen. Zu diesen Zeitpunkten ergeben sich charakteristische Änderungen des in dem Steuerraum 8 vorherrschenden Druckes. Durch die entsprechende Kopplung des Ventilkörpers 10 mit dem Aktor 12 wird die zu dem Druck im Steuerraum 8 proportionale Kraftkomponente auf den Aktor 12 rückgekoppelt. Dadurch erzeugt der Aktor 12 ein Messsignal, welches abgegriffen werden kann. Dies ist in den schematischen Diagrammdarstellungen der Figuren 3 bis 6 gezeigt.
In der in Figur 3 gezeigten Diagrammdarstellung ist eine an dem Aktor 12 anliegende Spannung U in Volt (V) gegenüber einer Zeit t in Millisekunden (ms) aufgetragen. Es sind drei Spannungs¬ verläufe beim Öffnen der Düsennadel 6 abgebildet. Jeder
Spannungsverlauf entspricht einem leicht variierten Ein¬ spritzventil 1, wobei Düsenparameter wie Ventilsitzdurchmesser oder dergleichen verändert sind. Unabhängig von den unter- schiedlichen Düsenparametern ergibt sich jeweils ein charakteristischer Verlauf, aus welchem exakt der Zeitpunkt des Nadelöffnens ermittelt werden kann. Figur 4 zeigt eine zu Figur 3 korrelierende zweite schematische Diagrammdarstellung, wobei ein Nadelhub n in Millimeteren (mm) gegenüber der Zeit t in Millisekunden (ms) aufgetragen ist. Unter dem Nadelhub wird eine axiale Bewegung des Düsennadel 6 verstanden. Dargestellt sind drei Nadelhubverläufe zum Zeitpunkt des Öffnens der Düsennadel 6, aus den Spannungsverläufen ermittelt worden sind und gegenüber der Zeit aufgetragen sind. Analog dazu zeigen die Figuren 5 und 6 weitere Diagrammdar¬ stellungen mit Spannungsverläufen und Nadelhubverläufen zum Zeitpunkt eines Schließens der Düsennadel 6.
Aufgrund der Kopplung mittels dem Koppelelement 24 können somit durch Rückkopplung des in dem Steuerraum 8 vorherrschenden Druckes auf den Aktor 12 Sensorsignale abgeleitet werden, welche der präzisen Regelung der Einspritzmenge dienen. Insgesamt wird somit eine Einspritzmengenstabilität des Einspritzventils 1 verbessert im dynamischen Betrieb eines Motors.

Claims

Einspritzventil (1) zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, aufweisend
- einen Injektorkörper (2) mit einem Fluidzulauf (3) und einem Fluidablauf;
- einen Düsenkörper (4) mit einer mit dem Fluidzulauf (3) hydraulisch gekoppelten Ausnehmung (5) , in welcher eine Düsennadel (6) axial beweglich angeordnet ist, wobei die Düsennadel (6) in einer Schließstellung einen Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung (7) des Düsenkörpers (4) unterbindet und ansonsten freigibt;
- einen Steuerraum (8) , der hydraulisch mit dem Fluidzulauf (3) und der Düsennadel (6) gekoppelt ist;
- ein Steuerventil (9) mit einem Ventilkörper (10) und einem Ventilraum (11), der hydraulisch mit dem Steuerraum (8) gekoppelt ist, wobei abhängig von einer Schließstellung des Ventilkörpers (10) der Ventilraum (11) mit dem Fluidablauf hydraulisch koppelbar ist; und
- einen Aktor (12), der mit dem Ventilkörper (10) zum Betätigen des Steuerventils (9) koppelbar ist, wobei der Ventilkörper (10) zusätzlich mit dem Steuerraum (8) derart direkt gekoppelt ist, dass eine Kraftkomponente, welche von einem in dem Steuerraum (8) vorherrschenden Druck abhängt, auf den Ventilkörper (10) übertragbar ist.
Einspritzventil (1) nach Anspruch 1, aufweisend ein me¬ chanisches Koppelelement (24) zum Übertragen der Kraft¬ komponente, wobei ein dem Ventilraum (11) zugeordnetes Ende (25) des Koppelelements (24) mit dem Ventilkörper (10) mechanisch zusammenwirkt und ein dem Ventilkörper (10) abgewandtes Ende (26) des Koppelelements (24) hydraulisch mit dem Steuerraum (8) gekoppelt ist. Einspritzventil (1) nach Anspruch 2, wobei das mechanische Koppelelement (24) in einer den Steuerraum (8) und den Ventilraum (11) verbindenden Bohrung (29) axial bewegbar angeordnet ist.
Einspritzventil (1) nach Anspruch 3, wobei das Koppel¬ element (24) derart in die Bohrung (29) eingepasst ist, dass ein sich ausbildender Dichtspalt (30) zwischen der Bohrung
(29) und dem Koppelelement (24) im dynamischen Betrieb des Einspritzventils (1) im Wesentlichen einen Fluidaustausch zwischen dem Steuerraum (8) und dem Ventilraum (11) unterbindet .
Einspritzventil (1) nach Anspruch 4, wobei der Dichtspalt
(30) in etwa 0,5 ym bis 5 ym beträgt.
Einspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die übertragbare Kraftkomponente abhängig von einer dem Steuerraum (8) zugewandten Fläche des Koppelelements (24) ist.
Einspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein Federelement (28), welches eine Kraft auf den Ventilkörper (10) in einer Schließrichtung des Steuerventils (9) ausübt.
Einspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktor (12) ausgebildet ist, ein
Messsignal zu erzeugen, das repräsentativ für die
Kraftkomponente ist.
Einspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktor (12) zum Betätigen des Ventil- körpers (10) hydraulisch mit dem Ventilkörper (10) gekoppelt ist.
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