DE10039543C2 - Einspritzventil - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungs
raum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Um den Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen, werden
zunehmend Einspritzventile eingesetzt, denen der von einer Kraftstoffpumpe bereitgestellte
Kraftstoff unter hohem Druck zugeführt wird. Über eine Kraftstoffleitung gelangt der Kraftstoff
an die Einspritzdüse, wobei die Injektion des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum über die
Betätigung einer Düsennadel der Einspritzdüse entweder mittels einer nach außen öffnenden
Einspritzdüse ("A-Düse") oder einer nach innen öffnenden Einspritzdüse ("I-Düse") erfolgt. Zur
Betätigung der Düsennadel sind Aktoren vorgesehen (bsp. piezoelektrische Aktoren oder
magnetostriktive Aktoren), die in der Regel mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wer
den und sich hierdurch entsprechend ausdehnen oder entspannen; die Düsennadel kann ent
weder direkt oder indirekt vom Aktor betätigt werden. Der Hub des Aktors kann bei sich än
dernden Systemeigenschaften des Einspritzventils oder variierenden äußeren Bedingungen
(bsp. Temperaturschwankungen), insbesondere durch unterschiedliche Wärmedehnungen der
einzelnen Komponenten des Einspritzventils, beeinträchtigt werden. Um ein in der Serie repro
duzierbares und im gesamten Temperaturbereich stabil arbeitendes Einspritzventil zu realisie
ren, ist deshalb ein Toleranz- und Temperaturausgleich erforderlich. In der nicht vorveröffent
lichten DE 100 07 735 A1 ist dieser Toleranz- und Temperaturausgleich als Ventilspielausgleich
ausgebildet und auf der Oberseite des Aktors, also entgegengesetzt zu der der Düsennadel
zugewandten Unterseite des Aktors, angeordnet. Der Ventilspielausgleich besitzt eine mit
Kraftstoff unter niedrigem Druck gefüllte Druckkammer und einen mit der Druckkammer ver
bundenen Ausgleichskolben. Hierbei tritt jedoch bei einer Entspannung des Aktors (und der
hierdurch bedingten Bewegung des Ausgleichskolbens) aufgrund von Schwingungen des durch
den Ausgleichskolben, einer Kolbenfeder und den Kraftstoff in der Druckkammer gebildeten
Feder-Masse-Systems eine starke Entspannung des Kraftstoffs in der Druckkammer auf, der
Unterdruck in der Druckkammer verbunden mit der Gefahr von Kavitation zur Folge hat. Dies
kann insbesondere im Dauerbetrieb des Einspritzventils bei einer hohen Anzahl an Einspritz
vorgängen Probleme verursachen, so daß ein störungsfreier Betrieb des Einspritzventils nur
bedingt und kurzfristig gewährleistet ist.
Aus der DE 35 33 085 A1 ist ein Einspritzventil für Kraftstoff-Einspritzsysteme in Brennkraft
maschinen bekannt, das einen Ventilspielausgleich zur Kompensation von Längenänderungen
eines piezoelektrischen Aktors mittels eines infolge Temperaturänderungen bewegten Dämp
fungskolbens aufweist, bei dem ein von der Stirnseite eines Dämpfungskolbens begrenzter
Dämpfungsraum über einen Drosselspalt mit einem Ausgleichsraum in Verbindung steht.
Des gleichen ist aus der DE 29 31 874 A1 ein elektrisch betätigbares Ventil mit einem Ventil
spielausgleich bekannt, bei dem ein in einer Dämpferkammer längsverschieblicher Dämpfer
kolben vorgesehen ist.
Schließlich ist aus der JP 62 199 963 A ein Einspritzventil mit einem Ventilspielausgleich be
kannt, bei dem eine Kraftstoff enthaltende Kraftstoffkammer über einen Spalt mit einer Vor
ratskammer verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in
den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1 anzugeben, mit dem auf einfache Weise ein zuverlässiger und reproduzierbarer Ein
spritzvorgang und ein störungsfreier Betrieb des Einspritzventils gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentan
spruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.
Beim vorgestellten Einspritzventil ist der auf der Oberseite des Aktors, also entgegengesetzt zu
der der Düsennadel zugewandten Unterseite des Aktors, angeordnete Ventilspielausgleich zur
Gewährleistung eines Temperatur- und Toleranzausgleichs bei sich ändernden Systemeigen
schaften des Einspritzventils oder variierenden äußeren Bedingungen (bsp. Temperatur
schwankungen) durch das Zusammenspiel zweier über eine erste Entlüftungsdrossel (bsp.
einen Drosselspalt) miteinander verbundenen, mit Kraftstoff gefüllten Druckkammern mit ei
nem mit dem Aktor in Verbindung stehenden Ausgleichskolben realisiert; die beiden Druck
kammern werden jeweils zwischen dem sich bis zur Gehäusewandung erstreckenden Aus
gleichskolben und mindestens einer als Abstützung bzw. Lager für den Ausgleichskolben die
nenden Ausformung der Gehäusewandung gebildet. Die beiden Druckkammern
können entweder ein gleich großes Volumen aufweisen oder unterschiedlich groß
sein, insbesondere sich in ihrer Stirnfläche und Höhe voneinander unterscheiden.
Die beiden Druckkammern können entweder mittels eines Doppelkolbens als Aus
gleichskolben realisiert werden, der ein als Abstützung bzw. Lager für den Aus
gleichskolben dienendes, die beiden Kolben des Doppelkolbens separierendes Ge
häuseteil als Ausformung der Gehäusewandung einschließt oder mittels zweier ei
nen Einfachkolben als Ausgleichskolben einschließender, als Abstützung bzw. Lager
für den Ausgleichskolben dienender Gehäuseteile als Ausformungen der Gehäuse
wandung. Die erste Druckkammer wird somit entweder durch das von dem ersten
Kolben des Doppelkolbens und dem Gehäuseteil eingeschlossene Volumen gebildet
oder durch das von dem Einfachkolben und dem ersten Gehäuseteil eingeschlosse
ne Volumen; die zweite Druckkammer wird somit entweder durch das von dem zwei
ten Kolben des Doppelkolbens und dem Gehäuseteil eingeschlossene Volumen ge
bildet oder durch das von dem Einfachkolben und dem zweiten Gehäuseteil einge
schlossene Volumen.
Die erste Druckkammer ist entweder über den ersten Kolben des Doppelkolbens
vom auf der Unterseite des Ventilspielausgleichs angrenzenden ersten Niederdruck
bereich (Druck bsp. 5-10 bar) oder durch das erste Gehäuseteil vom auf der Ober
seite des Ventilspielausgleichs angrenzenden zweiten Niederdruckbereich (Druck
bsp. 5-10 bar) separiert und über ein Rückschlagventil an den jeweiligen Nieder
druckbereich gekoppelt; durch das Rückschlagventil wird eine zu schnelle Druck
verminderung des Kraftstoffs in dieser Druckkammer bei der Entspannung des Ak
tors und der damit verbundenen Bewegung des Ausgleichskolbens verhindert. Wei
terhin ist zwischen dem zweiten Niederdruckbereich und der angrenzenden Druck
kammer eine zweite Entlüftungsdrossel vorgesehen, die zur Entlüftung dieser
Druckkammer dient. Diese zweite Entlüftungsdrossel kann bsp. durch eine definier
te Bohrung im zweiten Kolben bei einem Doppelkolben bzw. im ersten Gehäuseteil
bei einem Einfachkolben oder durch einen definierten Drosselspalt (Ringspalt) zwi
schen dem zweiten Kolben des Doppelkolbens und der Gehäusewandung bzw. zwi
schen der Kolbenstange des Einfachkolbens und dem ersten Gehäuseteil realisiert
werden.
Die zweite Druckkammer ist entweder über den zweiten Kolben des Doppelkolbens
vom zweiten Niederdruckbereich oder durch das zweite Gehäuseteil vom ersten
Niederdruckbereich separiert und über ein Rückschlagventil an den jeweiligen Nie
derdruckbereich gekoppelt; durch das Rückschlagventil wird eine zu schnelle
Druckverminderung des Kraftstoffs in dieser Druckkammer bei der Aktivierung (Be
stromung) des Aktors und der damit verbundenen Bewegung des Ausgleichskolbens
verhindert wird. Weiterhin kann optional zwischen dem ersten Niederdruckbereich
und der angrenzenden Druckkammer eine dritte Entlüftungsdrossel vorgesehen
werden, die zur Entlüftung dieser Druckkammer dient. Diese dritte Entlüftungsdros
sel kann bsp. durch eine definierte Bohrung im ersten Kolben bei einem Doppelkol
ben bzw. im zweiten Gehäuseteil bei einem Einfachkolben oder durch einen definier
ten Drosselspalt (Ringspalt) zwischen dem ersten Kolben des Doppelkolbens und
der Gehäusewandung bzw. zwischen der Kolbenstange des Einfachkolbens und dem
zweiten Gehäuseteil realisiert werden.
Zur Begrenzung der im Betrieb des Einspritzventils auftretenden Leckageverluste im
Ventilspielausgleich kann optional zwischen dem ersten Kolben und/oder dem zwei
ten Kolben des Doppelkolbens und der Gehäusewandung bzw. zwischen dem ersten
Gehäuseteil und/oder dem zweiten Gehäuseteil und der Kolbenstange jeweils eine
Dichtung vorgesehen werden. Falls die zweite Entlüftungsdrossel und die optional
vorgesehen dritte Entlüftungsdrossel als Drosselspalte ausgebildet sind, werden
zwischen den beiden Kolben des Doppelkolbens und der Gehäusewandung bzw.
zwischen den beiden Gehäuseteilen und der Kolbenstange keine Dichtungen benö
tigt.
Bei der Versorgung des Einspritzventils mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff
fließt über eine zwischen der Einspritzdüse und dem Aktor angeordnete, den Druck
reduzierende Drossel ein permanenter Leckagestrom von Kraftstoff aus dem Hoch
druckbereich in den Niederdruckbereich; danach strömt ein Teil dieses Leckage
stroms über eine Drosselbohrung am Ventilspielausgleich vorbei, der andere Teil
durch den Ventilspielausgleich zur Kraftstoffpumpe oder zum Kraftstofftank zurück.
Durch diesen Volumenstrom an Kraftstoff wird der Ventilspielausgleich mit Kraftstoff
gefüllt (geflutet) und auch ständig entlüftet. Die Drosselbohrung ist so auf die Entlüf
tungsdrosseln des Ventilspielausgleichs abgestimmt, daß die Druckdifferenz zwi
schen dem ersten Niederdruckbereich am Aktor und dem zweiten Niederdruckbe
reich am Rücklauf zur Kraftstoffpumpe bsp. 0.5 bar beträgt.
Der Doppelkolben kann entweder einstückig oder zweistückig ausgebildet werden,
wobei im letzteren Falle die beiden Kolben des Doppelkolbens für den Betrieb des
Einspritzventils starr (kraftschlüssig oder formschlüssig) miteinander verbunden
werden.
Die zwischen den beiden Druckkammern und den beiden jeweils angrenzenden
Kraftstoffkammern vorgesehenen Rückschlagventile sind so ausgebildet, daß sie auf
Druckänderungen in der zugeordneten Druckkammer schnell ansprechen; vorzugs
weise sind sie als dünne topfförmige Blechteile realisiert, die über einen Befesti
gungsstreifen entweder am jeweils zugeordneten Kolben bei einem Doppelkolben
oder am jeweils zugeordneten Gehäuseteil bei einem Einfachkolben befestigt sind.
Bei einer Aktivierung des Aktors (bei einer Beaufschlagung des Aktors mit einer vor
gegebenen Spannung) bewegt sich die Düsennadel nach Kompression des Kraft
stoffs in der ersten Druckkammer und gleichzeitiger Entspannung des Kraftstoffs in
der zweiten Druckkammer (wobei Kraftstoff aus dem an die zweite Druckkammer
angrenzenden Niederdruckbereich angesaugt werden kann) sowie nach Kompensa
tion der Vorspannkraft der zwischen der Düsennadel und dem Kopfstück des Ge
häuses angeordneten Ventilfeder in die vorgegebene Richtung (bsp. bei einer A-
Düse mit einer sich nach außen öffnenden Einspritzdüse nach außen), wodurch die
Einspritzöffnung der Düsennadel vom Ventilsitz abhebt und ein Öffnungsspalt ent
steht. Nach der Deaktivierung des Aktors wird die Düsennadel wieder in ihre ur
sprüngliche Position zurückbewegt und damit der Öffnungsspalt zwischen Düsenna
del und Ventilsitz geschlossen, wobei die Kontaktkraft zwischen Aktor und Aus
gleichskolben schlagartig abnimmt. Dadurch ist das aus dem Ausgleichskolben, ei
ner auf der Oberseite des Ventilspielausgleichs angeordneten Kolbenfeder und dem
komprimiertem Kraftstoff in der ersten Druckkammer bestehende Feder-Masse-
System nicht mehr kraftausgeglichen, und der Ausgleichskolben wird in Richtung
des Aktors beschleunigt. Durch die aufgrund der unmittelbar einsetzenden Kom
pression des Kraftstoffs in der zweiten Druckkammer entstehende Gegenkraft wird
die Schwingung des Ausgleichskolbens stark gedämpft; demzufolge entsteht nur ein
geringer Unterdruck in der ersten Druckkammer, der durch das erste Rückschlag
ventil zusätzlich begrenzt wird, so daß die Gefahr von Kavitation in der ersten
Druckkammer vermindert wird.
Durch die Ausbildung des Toleranz- und Temperaturausgleichs mit den beiden über
eine Entlüftungsdrossel (bsp. einen Drosselspalt) miteinander verbundenen und
durch Rückschlagventile gegenüber dem jeweils angrenzenden Niederdruckbereich
in Verbindung stehenden Druckkammern kann der im Ventilspielausgleich bei der
Bewegung des Aktors entstehende Unterdruck in der jeweils betroffenen Druck
kammer stark reduziert werden und daher das Auftreten von Kavitation in jeder der
beiden Druckkammern verhindert werden, insbesondere falls ein leichter Überdruck
im Niederdruckbereich (von 5-10 bar) vorhanden ist. Hierdurch lassen sich Ein
spritzventile mit (insbesondere über die gesamten im Betrieb des Einspritzventils
vorkommenden Temperaturschwankungen) reproduzierbaren Eigenschaften auch in
Serienfertigung realisieren, die ein konstantes Betriebsverhalten über einen großen
Temperaturbereich aufweisen.
Die zweite Druckkammer bietet insbesondere bei der Deaktivierung des Aktors fol
gende Vorteile bei der Verhinderung von Kavitation:
Der in der ersten Druckkammer entstehende Unterdruck wird vermindert.
Über das Rückschlagventil der ersten Druckkammer muß weniger Kraftstoff aus dem angrenzenden Niederdruckbereich angesaugt werden.
die Verstellung des Ausgleichskolbens aus der Nullage (Aufpumpen) wird mini miert.
Der Druck im Niederdruckbereich kann klein gehalten werden (bsp. 5-10 bar).
Der in der ersten Druckkammer entstehende Unterdruck wird vermindert.
Über das Rückschlagventil der ersten Druckkammer muß weniger Kraftstoff aus dem angrenzenden Niederdruckbereich angesaugt werden.
die Verstellung des Ausgleichskolbens aus der Nullage (Aufpumpen) wird mini miert.
Der Druck im Niederdruckbereich kann klein gehalten werden (bsp. 5-10 bar).
Das Einspritzventil wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zu
sammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben.
Hierbei zeigt
Fig. 1 als Schnittzeichnung die wesentlichen Komponenten des Einspritzventils
zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Ottomotors
mit einer ersten Ausführungsform des Temperatur- und Toleranzausgleichs,
Fig. 2 als Schnittzeichnung die wesentlichen Komponenten des Einspritzventils
zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Ottomotors
mit einer zweiten Ausführungsform des Temperatur- und Toleranzaus
gleichs,
Fig. 3 die Detailansicht eines Rückschlagventils.
Die Einspritzdüse 1 ist als nach außen öffnende Düse (A-Düse) ausgebildet, bei der
die Düsennadel 2 außen am Ventilsitz 3 anliegt und diesen durchdringt. Die Dü
sennnadel 2 wird über eine Ventilfeder 4 in den Ventilsitz 3 gepreßt, deren Feder
kraft klein gehalten werden kann; somit wird die Einspritzdüse 1 durch die Ventilfe
der 4 im spannungslosen Zustand des Aktors 6 verschlossen. Die Vorspannkraft der
Ventilfeder 4 wird für die jeweilige Ausführung des Einspritzventils und der Einspritz
düse 1 so eingestellt, daß ein sicheres Verschließen der Einspritzdüse 1 im span
nungslosen Zustand des Aktors 6 erreicht wird. Der für den Betrieb des Einspritzven
tils benötigte Einspritzdruck des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs 11 von bis
zu 300 bar (typischerweise 50 bar-200 bar) wird von einer dem Einspritzventil vor
geschalteten Kraftstoffpumpe bereitgestellt. Der unter Hochdruck stehende Kraft
stoff 11 wird von der Kraftstoffpumpe vorzugsweise über ein Rail an einen Kraft
stoffanschluß 13 und über die Kraftstoffleitung 5 sowie über die als ringförmig um
laufender Hohlzylinder ausgebildete Kraftstoffleitung 30 im Inneren des Einspritzven
tils bis an die Düsennadel 2 geführt; die Kraftstoffleitung 5 mündet in die zur Kraft
stoffzuführung an die Einspritzdüse 1 bzw. Düsennadel 2 vorgesehene Kraftstoff
kammer 8. Die Kraftstoffkammer 8 ist bsp. als Drallkammer mit zur Verwirbelung
des Kraftstoffs dienenden tangentialen Strömungskanälen ausgebildet; an der Ober
seite 19 der Kraftstoffkammer 8 ist eine bsp. ringförmige Ausformung 9 vorgesehen.
Die Düsennadel 2 ist kraftschlüssig oder formschlüssig auf dem Trägerteil 7 aufge
bracht (bsp. aufgepreßt), wobei beim Fügen von Düsennadel 2 und Trägerteil 7 eine
sehr exakte Positionierung (und damit eine genaue Ausrichtung) der Düsennadel 2
ermöglicht wird. Der für den Einspritzvorgang notwendige Öffnungsweg (Hub) der
Düsennadel 2 wird durch die an der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 ange
brachte, einen Anschlag für das Trägerteil 7 bildende Ausformung 9 auf bsp. 80 µm
begrenzt (maximaler Öffnungsweg der Düsennadel 2). Das Trägerteil 7 besitzt eine
den unteren Bereich 17 begrenzende Ausformung 10 in der Art eines Federtellers;
mit dieser Ausformung wird die Ventilfeder 4 vorgespannt. In dem sich nach der
Ausformung 10 des Trägerteils 7 in Richtung Aktor 6 erstreckenden oberen Bereich
18 des Trägerteils 7, d. h. zwischen der Ventilfeder 4 und der Aktorfeder 15, ist eine
zur Druckreduzierung des sich in der Kraftstoffleitung 5, der Kraftstoffleitung 30 und
in der Kraftstoffkammer 8 befindlichen, unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs
11 dienende Drossel 14 vorgesehen; die Drossel 14 wird durch auf der Außenfläche
(Mantelfläche) des Trägerteils 7 eingebrachte Aussparungen 27 und einem das Trä
gerteil 7 im Bereich der Aussparungen 27 umgebenden, als Drosselführung ausge
bildeten Drosselzylinder 16 gebildet. Das bsp. aus Stahl bestehende, im oberen Be
reich 18 in der Form eines Zylinders ausgebildete Trägerteil 7 besitzt einen Außen
durchmesser von bsp. 3 mm; auf einer Länge von bsp. 10 mm sind bsp. 8 umlau
fende Nuten mit einer Tiefe von bsp. 0.2 mm als Aussparungen 27 in die Außenflä
che (Mantelfläche) des Trägerteils 7 eingebracht. Das Trägerteil 7 wird im oberen
Bereich 18 von dem als Drosselführung ausgebildeten Drosselzylinder 16 im Ab
stand von bsp. 2 µm umschlossen, so daß bei einem Druckgefälle von bsp. ca. 250 bar
zwischen Hochdruckbereich 23 und erstem Niederdruckbereich 24 ein Lecka
gestrom an Kraftstoff von bsp. 2 l/h bis 4 l/h vom Hochdruckbereich 23 mit sich
unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff 11 (Druck bsp. 250 bar) zum ersten Nie
derdruckbereich 24 mit sich unter niedrigem Druck befindlichen Kraftstoff 12
(Druck bsp. 5 bar-10 bar) auftritt. Nach dem Einsetzen von Düsennadel 2 und Trä
gerteil 7 in das Kopfstück 25 des Gehäuses des Einspritzventils wird die Düsennadel
2 mit dem Trägerteil 7 kraft- oder formschlüssig verbunden, bsp. auf das Trägerteil 7
aufgepreßt. Anschließend wird der Drosselzylinder 16 in das Kopfstück 25 einge
bracht und dort bsp. eingeschweißt. Das durch die Ventilfeder 4 vorgespannte Trä
gerteil 7 ist direkt kraftschlüssig mit dem Aktor 6 gekoppelt; hierdurch wird die vom
Aktor 6 hervorgerufene Bewegung direkt auf das Trägerteil 7 und damit auf die Dü
sennadel 2 bzw. Einspritzdüse 1 übertragen. Der Aktor 6 ist von einem als Kapse
lung gegenüber dem Kraftstoff 12 fungierenden Aktorgehäuse 28 umgeben. Als mit
einer elektrischen Spannung beaufschlagter Aktor 6 ist bsp. ein piezoelektrischer
Aktor 6 mit den Maßen Höhe × Breite × Tiefe von bsp. 80 mm × 7 mm × 7 mm vor
gesehen, der sich proportional zur an den Aktor 6 angelegten Spannung ausdehnt.
Gemäß der Fig. 1 ist der Ventilspielausgleich 21 zur Realisierung eines Tempera
tur- und Toleranzausgleichs an der der Einspritzdüse 1 bzw. der Düsennadel 2 ab
gewandten Oberseite 20 des Aktors 6 ein als Doppelkolben 35, 36 ausgebildeter
Ausgleichskolben 22 vorgesehen (Durchmesser bsp. 15 mm), wobei die beiden Kol
ben 35, 36 über die Kolbenstange 38 miteinander verbunden sind; der Ausgleichs
kolben 22 schließt ein als Lager bzw. Abstützung für den Doppelkolben 35, 36 fun
gierendes Gehäuseteil 42 als Ausformung der Gehäusewandung 26 ein, so daß zwi
schen der Unterseite des Ausgleichskolbens 22 (dem ersten Kolben 35 des Doppel
kolbens 35, 36) und dem Gehäuseteil 42 eine erste Druckkammer 39 (Höhe bsp.
≦ 1 mm) und zwischen der Oberseite des Ausgleichskolbens 22 (dem zweiten Kol
ben 36 des Doppelkolbens 35, 36) und dem Gehäuseteil 42 eine zweite Druckkam
mer 40 (Höhe bsp. ≦ 1 mm) gebildet wird. Beide Druckkammern 39, 40 sind mit
sich unter niedrigem Druck befindlichen Kraftstoff 12 gefüllt (Kraftstoffdruck bsp. 5
bis 10 bar) und über die bsp. als Drosselspalt ausgebildete erste Entlüftungsdrossel
41 miteinander verbunden; die erste Entlüftungsdrossel 41 (der Drosselspalt) besitzt
bsp. einen Durchmesser von ca. 7 mm, eine Länge von ca. 8 mm und eine Breite
von bsp. 5 µm. Die erste Druckkammer 39 ist gegenüber dem angrenzenden ersten
Niederdruckbereich 24 über das erste Rückschlagventil 45 gesichert, die zweite
Druckkammer 40 ist gegenüber dem angrenzenden zweiten Niederdruckbereich 50
über das zweite Rückschlagventil 46 gesichert. Die gemäß der Fig. 3 bsp. eine als
topfförmiges Blechteil ausgebildete Ventilklappe 47 aufweisenden und mit dem Ven
tilsitz 49 zusammenspielenden Rückschlagventile 45, 46 mit einem Dichtungs-
Durchmesser von bsp. 3 mm sind über den Befestigungsstreifen 48 am jeweiligen
Kolben des Doppelkolbens 35, 36 befestigt, d. h. das erste Rückschlagventil 45 am
ersten Kolben 35 des Doppelkolbens 35, 36 und das zweite Rückschlagventil 46 am
zweiten Kolben des Doppelkolbens 35, 36.
Zwischen der zweiten Druckkammer 40 und dem die Kraftstoff-Rückleitung 29 auf
weisenden zweiten Niederdruckbereich 50 ist die zweite Entlüftungsdrossel 33
(Durchmesser ca. 0.25 mm, Länge ca. 1 mm) zur Entlüftung der zweiten Druck
kammer 40 vorgesehen; zwischen dem ersten Niederdruckbereich 24 und der an
grenzenden ersten Druckkammer 39 kann optional die dritte Entlüftungsdrossel 53
vorgesehen werden; die Entlüftungsdrosseln 33, 53 können jeweils über definierte
Bohrungen im jeweiligen Kolben des Doppelkolbens 35, 36 und/oder durch Spalte
zwischen dem jeweiligen Kolben 35 bzw. 36 des Doppelkolbens 35, 36 und der Ge
häusewandung 26 bei Verzicht auf Dichtungen realisiert werden. Der Verschluß 31
und der Stopfen 51 dienen zur Abdichtung der Drosselbohrung 52, der Stecker 34
zur Abdichtung des zweiten Niederdruckbereichs 50 sowie zur Kontaktierung des
Aktors 6.
Der aus der ersten Druckkammer 39 verdrängte Kraftstoff 12 wird über die erste
Entlüftungsdrossel 41, die zweite Druckkammer 40 und die zweite Entlüftungsdros
sel 33 sowie optional über die dritte Entlüftungsdrossel 53 dem Kraftstofftank bzw.
der Kraftstoffpumpe zur Verfügung gestellt, der aus der zweiten Druckkammer 40
verdrängte Kraftstoff 12 wird über die zweite Entlüftungsdrossel 33 sowie optional
über die erste Entlüftungsdrossel 41, die erste Druckkammer 39 und die dritte Ent
lüftungsdrossel 53 dem Kraftstofftank bzw. der Kraftstoffpumpe zur Verfügung ge
stellt. Die im Betrieb des Einspritzventils auftretenden Leckageverluste an Kraftstoff
12 in den beiden Druckkammern 39, 40 werden nach der Deaktivierung des Aktors
6 über die erste Entlüftungsdrossel 41 und die zweite Entlüftungsdrossel 33 und
optional über die dritte Entlüftungsdrossel 53 aus dem jeweiligen Niederdruckbe
reich 24, 50 ausgeglichen.
Gemäß der Fig. 2 ist der Ventilspielausgleich 21 zur Realisierung eines Tempera
tur- und Toleranzausgleichs an der Einspritzdüse 1 bzw. der Düsennadel 2 abge
wandten Oberseite 20 des Aktors 6 mittels eines als Einfachkolben 37 ausgebilde
ten Ausgleichskolbens 22 vorgesehen (Durchmesser bsp. 15 mm), der von zwei als
Lager bzw. Abstützung für den Einfachkolben 37 und damit als Führung für die Kol
benstange 38 fungierenden Gehäuseteilen 43, 44 als Ausformungen der Gehäuse
wandung 26 eingeschlossen wird, so daß zwischen der Oberseite des Ausgleichs
kolbens 22 (dem Einfachkolben 37) und dem ersten Gehäuseteil 43 eine erste
Druckkammer 39 (Höhe bsp. 1 mm) und zwischen der Unterseite des Ausgleichs
kolbens 22 (dem Einfachkolben 37) und dem zweiten Gehäuseteil 44 eine zweite
Druckkammer 40 (Höhe bsp. 1 mm) gebildet wird. Beide Druckkammern 39, 40
sind mit sich unter niedrigem Druck befindlichen Kraftstoff 12 gefüllt (Kraftstoff
druck bsp. 5 bis 10 bar) und über die bsp. als Drosselspalt ausgebildete erste Entlüf
tungsdrossel 41 miteinander verbunden; der Drosselspalt 41 besitzt bsp. einen
Durchmesser von ca. 15 mm, eine Länge von ca. 8 mm und eine Breite von bsp. 5 µm.
Die erste Druckkammer 39 ist gegenüber dem angrenzenden zweiten Nieder
druckbereich 50 über das erste Rückschlagventil 45 gesichert, die zweite Druck
kammer 40 ist gegenüber dem angrenzenden ersten Niederdruckbereich 24 über
das zweite Rückschlagventil 46 gesichert. Die gemäß der Fig. 3 bsp. eine als topf
förmiges Blechteil ausgebildete Ventilklappe 47 aufweisenden und mit dem Ventil
sitz 49 zusammenspielenden Rückschlagventile 45, 46 mit einem Dichtungs-
Durchmesser von bsp. 3 mm sind über den Befestigungsstreifen 48 am jeweiligen
Gehäuseteil 43, 44 befestigt, d. h. das erste Rückschlagventil 45 am ersten Gehäu
seteil 43 und das zweite Rückschlagventil 46 am zweiten Gehäuseteil 44.
Zwischen der ersten Druckkammer 39 und dem die Kraftstoff-Rückleitung 29 auf
weisenden zweiten Niederdruckbereich 50 ist die zweite Entlüftungsdrossel 33
(Durchmesser ca. 0.25 mm, Länge ca. 1 mm) zur Entlüftung der ersten Druckkam
mer 39 vorgesehen; zwischen dem ersten Niederdruckbereich 24 und der angren
zenden zweiten Druckkammer 40 kann optional die dritte Entlüftungsdrossel 53
vorgesehen werden; die Entlüftungsdrosseln 33, 53 können jeweils über definierte
Bohrungen in den beiden Gehäuseteilen 43, 44 und/oder durch Spalte zwischen
den beiden Gehäuseteilen 43, 44 und der Kolbenstange 38 bei Verzicht auf Dich
tungen realisiert werden. Der Verschluß 31 und der Stopfen 51 dienen zur Abdich
tung der Drosselbohrung 52, der Stecker 34 zur Abdichtung des zweiten Nieder
druckbereichs 50 sowie zur Kontaktierung des Aktors 6.
Der aus der ersten Druckkammer 39 verdrängte Kraftstoff 12 wird über die Entlüf
tungsdrossel 33 sowie optional über die erste Entlüftungsdrossel 41, die zweite
Druckkammer 40 und die Entlüftungsdrossel 53 dem Kraftstofftank bzw. der Kraft
stoffpumpe zur Verfügung gestellt, der aus der zweiten Druckkammer 40 verdrängte
Kraftstoff 12 wird über die erste Entlüftungsdrossel 41, die erste Druckkammer 39
und die Entlüftungsdrossel 33 sowie optional über die Entlüftungsdrossel 53 dem
Kraftstofftank bzw. der Kraftstoffpumpe zur Verfügung gestellt.
Bei der Versorgung des Einspritzventils mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff
11 fließt über die Drossel 14 ein permanenter Leckagestrom von Kraftstoff 11 aus
dem Hochdruckbereich 23 als Kraftstoff 12 in den Niederdruckbereich 24; danach
strömt ein Teil dieses Leckagestroms über die Drosselbohrung 52, der andere Teil
durch den Ventilspielausgleich 21, vorzugsweise über das erste Rückschlagventil 45
(Doppelkolben) bzw. über das zweite Rückschlagventil 46 (Einfachkolben) und op
tional über die dritte Entlüftungsdrossel 53, die erste Entlüftungsdrossel 41 und die
zweite Entlüftungsdrossel 33 zur Hochdruckpumpe zurück. Durch diesen Volumen
strom an Kraftstoff 12 wird der Ventilspielausgleich 21 mit Kraftstoff 12 gefüllt (ge
flutet) und auch ständig entlüftet.
Während eines Einspritzvorgangs wird der Aktor 6 (bsp. von einem Steuergerät) mit
einer konstanten oder zeitlich sich ändernden Spannung beaufschlagt und hierdurch
aktiviert; infolge der Bestromung wird durch die Ausdehnung des sich am Aus
gleichskolben 22 des Ventilspielausgleichs 21 abstützenden Aktors 6 der Kraftstoff
12 in der ersten Druckkammer 39 komprimiert (verdichtet) und der Kraftstoff 12 in
der zweiten Druckkammer 40 entspannt. Das erste Rückschlagventil 45 ist ge
schlossen, das zweite Rückschlagventil 46 geöffnet, um Unterdruck in der zweiten
Druckkammer 40 zu verhindern. Durch die Druckdifferenz zwischen den beiden
Druckkammern 39, 40 wird über den sich zwischen den beiden Druckkammern 39,
40 befindlichen Drosselspalt 41 Kraftstoff 12 von der ersten Druckkammer 39 zur
zweiten Druckkammer 40 gedrückt. Durch die Druckdifferenz zwischen der ersten
Druckkammer 39 und dem ersten Niederdruckbereich 24 bzw. zweiten Nieder
druckbereich 50 wird Kraftstoff 12 von der ersten Druckkammer 39 durch die zwei
te Entlüftungsdrossel 33 in den ersten Niederdruckbereich 24 bzw. zweiten Nieder
druckbereich 50 gedrückt. Nach der Kompression des Kraftstoffs in der ersten
Druckkammer 39 und der Kompensation der Vorspannung der Düsennadel 2 wird
das Trägerteil 7 nach unten bewegt, wodurch die Düsennadel 2 vom Ventilsitz 3
abhebt und über den hierdurch entstehenden Öffnungsspalt als Einspritzöffnung 32
eine bestimmte Menge an sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff 11 pro
portional zur (Zeitdauer der) Bestromung des Aktors 6 in den entsprechenden Ver
brennungsraum des Ottomotors eingespritzt wird. Der Öffnungsweg bzw. die Aus
lenkung der Düsennadel 2 wird dadurch begrenzt, daß der Spalt zwischen dem Trä
gerteil 7 und der an der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 befindlichen Ausfor
mung 9 geschlossen wird, d. h. daß das Trägerteil 7 gegen den durch die Ausfor
mung 9 gebildeten Anschlag fährt.
Nach dem Deaktivieren des Aktors 6 (der Aktor 6 wird entladen bzw. entstromt)
werden die Düsennadel 2 bzw. das Trägerteil 7 sowie der Aktor 6 und der Ventil
spielausgleich 21 durch die Federn (Ventilfeder 4, Aktorfeder 15, Kolbenfeder 54) in
ihre Ausgangslage zurückgestellt. Bei der Entstromung des Aktors 6 nimmt durch
die Kontraktion des Aktors 6 die Kontaktkraft zwischen Aktor 6 und Ausgleichskol
ben 22 des Ventilspielausgleichs 21 schlagartig stark ab. Durch das nun vorhandene
Kräfteungleichgewicht am Ventilspielausgleich 21 (der sich in der ersten Druck
kammer 39 befindliche komprimierte Kraftstoff 12 entspricht einer gespannten Fe
der) wird der Ausgleichskolben 22 in Richtung des Aktors 6 beschleunigt und hier
durch der Kraftstoff 12 in der ersten Druckkammer 39 entspannt und der Kraftstoff
12 in der zweiten Druckkammer 40 komprimiert (verdichtet); durch diese Gegen
kraft schwingt das aus Ausgleichskolben 22, Kraftstoff 12 und Kolbenfeder 54 ge
bildete Feder-Masse-System nur gering, so daß nur ein geringer Unterdruck in der
ersten Druckkammer 39 entsteht. Das zweite Rückschlagventil 46 ist geschlossen,
das erste Rückschlagventil 45 geöffnet, wodurch das Auftreten von Unterdruck in
der ersten Druckkammer 39 noch weiter begrenzt bzw. verhindert wird, so daß sich
der Ventilspielausgleich 21 kaum aus der Nullage verstellt (kaum aufpumpt). Über
den Drosselspalt 41 zwischen den beiden Druckkammern 39, 40 wird Kraftstoff 12
von der zweiten Druckkammer 40 zur ersten Druckkammer 39 gedrückt. Der Aus
gleichskolben 22 des Ventilspielausgleichs 21 kehrt in seine Ausgangslage zurück.
Da nur ein geringer Unterdruck in den beiden Druckkammern 39, 40 auftritt, kann
der Druck in den beiden an den Ventilspielausgleich 21 angrenzenden Niederdruck
bereichen 24, 50 gering gewählt werden. Durch die Drossel 14 wird der Druck des
sich im Hochdruckbereich 23 befindlichen Kraftstoffs 11 gegenüber dem sich im
Niederdruckbereich 24, 50 befindlichen Kraftstoff 12 stark reduziert, bsp. von 300 bar
auf 5-10 bar. Um eine hohe Dynamik im Betrieb des Einspritzventils zu errei
chen, besitzen alle bewegten Bauteile des Einspritzventils (insbesondere Trägerteil
7, Aktorfeder 15 und Düsennadel 2) eine geringe Masse.
Claims (11)
1. Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff (11) unter hohem Druck in den Ver
brennungsraum einer Brennkraftmaschine, mit
einer eine axial verschiebbare Düsennadel (2) aufweisenden Einspritzdüse (1), einem mit einer elektrischen Spannung beaufschlagten Aktor (6) zur Betätigung der Düsennadel (2),
einem auf der Oberseite (20) des Aktors (6) angeordneten, mit dem Aktor (6) gekoppelten Ventilspielausgleich (21),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ventilspielausgleich (21) zwei durch einen Ausgleichskolben (22) und mindestens eine Ausformung der Gehäusewandung (26) begrenzte, mit Kraft stoff (12) gefüllte Druckkammern (39, 40) aufweist,
daß die beiden Druckkammern (39, 40) über eine erste Entlüftungsdrossel (41) miteinander verbunden sind,
daß die beiden Druckkammern (39, 40) jeweils über ein Rückschlagventil (45, 46) mit zwei an den Ventilspielausgleich (21) angrenzenden Niederdruck bereichen (24, 50) gekoppelt sind,
und daß der sich oberhalb des Ventilspielausgleichs (21) befindliche zweite Nie derdruckbereich (50) mit der angrenzenden Druckkammer (40) über ei ne zweite Entlüftungsdrossel (33) verbunden ist.
einer eine axial verschiebbare Düsennadel (2) aufweisenden Einspritzdüse (1), einem mit einer elektrischen Spannung beaufschlagten Aktor (6) zur Betätigung der Düsennadel (2),
einem auf der Oberseite (20) des Aktors (6) angeordneten, mit dem Aktor (6) gekoppelten Ventilspielausgleich (21),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ventilspielausgleich (21) zwei durch einen Ausgleichskolben (22) und mindestens eine Ausformung der Gehäusewandung (26) begrenzte, mit Kraft stoff (12) gefüllte Druckkammern (39, 40) aufweist,
daß die beiden Druckkammern (39, 40) über eine erste Entlüftungsdrossel (41) miteinander verbunden sind,
daß die beiden Druckkammern (39, 40) jeweils über ein Rückschlagventil (45, 46) mit zwei an den Ventilspielausgleich (21) angrenzenden Niederdruck bereichen (24, 50) gekoppelt sind,
und daß der sich oberhalb des Ventilspielausgleichs (21) befindliche zweite Nie derdruckbereich (50) mit der angrenzenden Druckkammer (40) über ei ne zweite Entlüftungsdrossel (33) verbunden ist.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Entlüftungsdrossel (41) als Drosselspalt ausgebildet ist.
3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sich
unterhalb des Ventilspielausgleichs (21) befindliche erste Niederdruckbereich
(24) mit der angrenzenden Druckkammer (39) über eine dritte Entlüf
tungsdrossel (53) verbunden ist.
4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Rückschlagventile (45, 46) über Befestigungsmittel (48) mit dem
Ausgleichskolben (22) oder der mindestens einen Ausformung der Gehäuse
wandung (26) verbunden sind.
5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ausgleichskolben (22) als Doppelkolben und die mindestens eine Ausfor
mung der Gehäusewandung (26) als ein von den beiden Kolben (35, 36) des
Doppelkolbens eingeschlossener Kolbenträger (42) ausgebildet sind.
6. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ausgleichskolben (22) als Einzelkolben (37) und die mindestens eine Aus
formung der Gehäusewandung (26) als zwei den Einzelkolben (37) einschließen
de Kolbenträger (43, 44) ausgebildet sind.
7. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Rückschlagventile (45, 46) eine topfförmige Ventilklappe (47) aufwei
sen.
8. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Rückschlagventile (45, 46) aus Metallblech bestehen und einen Befe
stigungsstreifen (48) zur Verbindung mit dem Ausgleichskolben (22) oder der
mindestens einen Ausformung der Gehäusewandung (26) aufweisen.
9. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
sich der Kraftstoff (12) in den beiden Druckkammern (39, 40) unter niedrigem
Druck befindet.
10. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der sich oberhalb des Ventilspielausgleichs (21) befindliche zweite Niederdruck
bereich (50) mit einer Kraftstoff-Rückleitung (29) in Verbindung steht.
11. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Düsennadel nach außen öffnet.
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- 2000-08-12 DE DE2000139543 patent/DE10039543C2/de not_active Expired - Fee Related
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