-
Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
-
Einspritzventile,
insbesondere moderne Diesel-Einspritzventile,
benötigen
für eine
saubere Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes eine sehr präzise Regelung
der Einspritzvorgänge.
Dabei sind wesentliche Parameter die Einspritzzeit, das Einspritzende
und das dynamische Verhalten der Ventilnadel beim Beginn und beim
Ende der Einspritzung. Da bei Diesel-Einspritzsystemen hohe Kraftstoffdrücke von 2000
bar und darüber
verwendet werden, bestehen hohe Anforderungen an das dynamische
Verhalten der Einspritzventile.
-
Aus
EP 0 675 282 B1 ist
eine Pumpe-Düse-Anordnung
bekannt, bei der eine Kraftstoffpumpe in Zusammenspiel mit einem
Steuerventil den Einspritzvorgang steuert. In der bekannten Anordnung wird
aus einem Kraftstofftank über
das Steuerventil Kraftstoff der Kraftstoffpumpe zur Verfügung gestellt. Die
Kraftstoffpumpe ist über
eine weitere Leitung mit einem Druckraum verbunden, in dem die Einspritznadel
des Einspritzventils angeordnet ist. Die Einspritznadel weist im
Druckraum Druckflächen
auf, wobei der an den Druckflächen
anliegende Kraftstoffdruck die Einspritznadel vom Dichtsitz abhebt.
Die Einspritznadel ist über
eine Vorspannfeder, die in einem Federraum angeordnet ist, gegen
den Dichtsitz vorgespannt. Der Federraum ist über eine Kraftstoffleitung
an die Zuleitung angeschlossen, die das Rückschlagventil mit dem Steuerventil
verbindet. Die Zuleitung ist über
ein Rückschlagventil
mit einem Kraftstoffrücklauf
verbunden. Durch die Ankopplung des Federraumes an die Zuleitung
wird die Einspritznadel über
den Kraftstoffdruck zusätzlich
zur Vorspannfeder gegen den Dichtsitz vorgespannt. In Abhängigkeit
von der Schließstellung
des Steuerventils wird der von der Kraftstoffpumpe verdichtete Kraftstoff
in den Druckraum oder über
die Zuleitung und das Rückschlagventil
zum Kraftstofftank zurückgeführt. Eine
Einspritzung wird gestartet, wenn beim Verdichtungsvorgang der Kraftstoffpumpe
das Steuerventil geschlossen ist und dadurch der Kraftstoffdruck
im Druckraum über
einen festgelegten Wert steigt, so dass die Einspritznadel aufgrund
des Druckes im Druckraum gegen die Vorspannung der Vorspannfeder
und gegen den Kraftstoffdruck im Federraum vom Dichtsitz abgehoben
wird.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Rückschlagventil
durch ein Ventil ersetzt, das durch einen Federteller als Schließglied gebildet
ist. Der Federteller ist über
einen Federkolben mit der Ventilnadel gekoppelt und die Vorspannfeder
ist zur Vorspannung der Ventilnadel auf dem Federteller abgestützt. Befindet
sich die Einspritznadel auf dem Dichtsitz, so dass keine Einspritzung
erfolgt, dann ist das Ventil geöffnet,
so dass der von der Kraftstoffpumpe verdichtete Kraftstoff bei geöffnetem
Steuerventil über
den Federraum vorbei am Federteller zum Kraftstofftank zurückbefördert wird.
Findet eine Einspritzung statt, so ist die Einspritznadel vom Dichtsitz
abgehoben. Wird nun das Steuerventil geöffnet, dann wird der von der
Kraftstoffpumpe bereitgestellte Kraftstoffdruck über das Steuerventil in den
Federraum und damit auf den Federteller geleitet. Da das Federtellerventil
geschlossen ist, wirkt der im Federraum herrschende Kraftstoffdruck
auf die Einspritznadel und unterstützt den Schließvorgang
der Einspritznadel, bis das Federtellerventil geöffnet wird.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Einspritzventil
bereitzustellen.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird durch das Einspritzventil gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
-
Ein
Vorteil des beschriebenen Einspritzventils besteht darin, dass die
Einspritznadel über
einen Kraftstoffdruck im Federraum vorgespannt wird, der an den
Kraftstoffdruck, der in dem Zulaufkanal zum Steuerventil herrscht,
gedämpft
gekoppelt ist. Dadurch wird eine verbesserte Funktion der Druckbeaufschlagung
der Einspritznadel erreicht. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht,
dass der Federraum über eine
Federraumdrossel an den Zulaufkanal angeschlossen ist, die das Steuerventil
mit einem Kraftstoffreservoir verbindet.
-
Weiterhin
ist im Zulaufkanal eine Zulaufdrossel vorgesehen, die den Zulaufkanal über einen
kurzen Abschnitt verjüngt.
Zwischen der Zulaufdrossel und dem Steuerventil ist die Federraumdrossel
an den Zulaufkanal angeschlossen. Durch die Anordnung der Zulaufdrossel
ist bei einem Spülvorgang, bei
dem das Steuerventil geöffnet
ist, um Kraftstoff von der Pumpe über das Steuerventil zurück in das Kraftstoffreservoir
zu pumpen, der Kraftstoffdruck zwischen dem Steuerventil und der
Zulaufdrossel erhöht.
Somit ist in dieser Situation der über den Zulaufkanal und die
Zulaufdrossel auf die Einspritznadel einwirkende Kraftstoffdruck
erhöht.
Auf diese Weise wird erreicht, dass auch in der Situation, in der keine
Einspritzung erfolgt, die Einspritznadel sicher auf dem Dichtsitz
gehalten wird. Dies bietet den Vorteil, dass der für das Abheben
der Einspritznadel erforderliche minimale Kraftstoffdruck reduziert
werden kann. Der minimale Kraftstoffdruck, bei dem die Einspritznadel
vom Dichtsitz abhebt und eine Einspritzung startet, wird bei geschlossenem
Steuerventil im Wesentlichen durch die Vorspannkraft der Vorspannfeder
festgelegt.
-
Auf
diese Weise wird die bei der Verbrennung des Kraftstoffes entstehende
Geräuschentwicklung
deutlich reduziert und trotzdem wird die Einspritznadel über die
Druckbeaufschlagung durch den Federraum in Zeiten, zu denen das
Steuerventil geöffnet
ist und keine Einspritzung erfolgen soll, sicher auf dem Dichtsitz
gehalten.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
-
Vorzugsweise
sind die Federraumdrossel und die Zulaufdrossel in einer Zwischenscheibe
angeordnet, die den Federraum nach oben begrenzt.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist zudem eine Pumpenraumdrossel, die die Kraftstoffpumpe mit dem
Druckkanal verbindet, in der Zwischenscheibe angeordnet. Auf diese
Weise ist eine präzise
und kostengünstige
Fertigung der Drosseln möglich.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist ein Federteller vorgesehen, der eine größere wirksame Fläche zur Übertragung
des im Federraum herrschenden Druckes auf die Einspritznadel bereit stellt.
Damit wird eine auf die Einspritznadel wirkende Druckerhöhung erreicht.
Dies unterstützt
auch bei geringen Drücken
im Federraum die Vorspannkraft, die auf die Einspritznadel wirkt.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Federteller über
einen umlaufenden Dichtspalt von der Innenwandung des Federraumes beabstandet.
Zudem ist der Bereich des Federraumes, der zwischen dem Federteller
und der Einspritznadel ausgebildet ist, über eine zweite Federraumdrossel
mit dem Zulaufkanal verbunden. Die zweite Federraumdrossel mündet zwischen
einem Eingangsbereich des Zulaufkanals und der Zulaufdrossel in
den Zulaufkanal. Diese Ausbildung bietet den Vorteil, dass eine
zusätzliche
Druckerhöhung
erreicht wird und dadurch der im Federraum wirkende Druck dynamischer
auf die Einspritznadel übertragen
wird.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Seitenwand des Federtellers, die der Innenwandung des Federraumes
zugeordnet ist, abgerundet ausgebildet. Eine zusätzliche Verbesserung wird dadurch
erreicht, dass die Seitenwand als Teilschnittku gelfläche ausgebildet
ist, so dass ein Verkanten des Federtellers bei einem Verkippen
des Federtellers sicher vermieden wird.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorspannfeder zwischen dem Federteller und einer in den
Federraum eingepressten Hülse
eingespannt. In der Hülse
ist eine Öffnung
vorgesehen, durch die eine Kolbenstange geführt ist. Die Kolbenstange am
dem Federteller befestigt und bewirkt eine Führung des Federtellers im Federraum.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Zulaufdrossel und die erste Federraumdrossel annähernd den
gleichen Querschnitt auf. Dies führt
zu günstigen
Druckverhältnissen,
die eine effiziente Vorspannung der Einspritznadel unterstützen.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die zweite Federraumdrossel einen kleineren Querschnitt als
die erste Federraumdrossel auf. Damit werden verbesserte Druckverhältnisse
im Federraum bewirkt.
-
Vorzugsweise
mündet
die zweite Federraumdrossel zwischen einem Einlassbereich des Zulaufkanals
und der Zulaufdrossel in den Zulaufkanal.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
mündet
die erste Federraumdrossel direkt nach der Zulaufdrossel in den
Zulaufkanal. Zudem ist es vorteilhaft, ein festgelegtes Dämpfungsvolumen
zwischen der Zulaufdrossel und dem Steuerventil im Zulaufkanal auszubilden.
Dadurch werden Druckschwankungen, die ebenfalls auf die Einspritznadel über die
erste Federraumdrossel wirken, ausgeglichen.
-
Die
Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Pumpe-Düse-Einheit; und
-
2 zeigt
einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Pumpe-Düse-Einheit.
-
1 zeigt
im Querschnitt eine Pumpe-Düse-Einheit 1,
die im Wesentlichen aus einem Einspritzventil 2, einem
Aktor 3, einer Kraftstoffpumpe 5 und einem Steuerventil 4 aufgebaut
ist. Der Aktor 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
in Form eines piezoelektrischen Aktors ausgeführt, der in Abhängigkeit
von der Bestromung des Steuerventil 4 öffnet oder schließt. Die
Pumpe-Düse-Einheit
weist zudem die Kraftstoffpumpe 5 auf, die von einer Nockenwelle
betätigt
wird. Im Einspritzventil 2 ist ein Zulaufkanal 6 vorgesehen,
der zum Steuerventil 4 geführt ist. Der Zulaufkanal 6 steht über das
Steuerventil 4 mit einem Druckkanal 7 in Verbindung.
Der Druckkanal 7 ist über
eine Pumpendrossel 8 mit einem Pumpraum 9 der
Kraftstoffpumpe 5 verbunden. Zudem ist der Druckkanal 7 in
einen Druckraum 10 geführt,
der zwischen einer Einspritznadel 11 und einen Düsenkörper 13 eingebracht
ist. Im Düsenkörper 13 ist
ein Nadelraum 12 ausgebildet, in dem die Einspritznadel 11 verschiebbar
angeordnet ist. Die Einspritznadel 11 ist mit einer Dichtfläche, die
an der Spitze der Einspritznadel 11 angeordnet ist, einem Dichtsitz 14 zugeordnet,
der an einer Innenwandung am Nadelraum 12 ausgebildet ist.
Der Dichtsitz 14 ist zwischen einem Einspritzloch 15 und
dem Druckraum 10 angeordnet. Zwischen der Einspritznadel 11 und
dem Düsenkörper 13 sind
Kraftstoffkanäle
ausgebildet, die bei einer vom Dichtsitz 14 abgehobenen Einspritznadel 11 eine
Verbindung zwischen dem Einspritzloch 15 und dem Druckraum 10 für eine Einspritzung
herstellen. Die Einspritznadel 11 ist über einen Nadelkolben 16 nach
oben in einen Federraum 17 geführt.
-
Im
Bereich des Druckraumes 10 weist die Einspritznadel 11 Druckflächen 18 in
der Weise auf, dass der im Druckraum 10 herrschende Druck
die Einspritznadel 11 vom Dichtsitz 14 weg vorspannt.
-
Der
Federraum 17 ist im Wesentlichen als zylindrische Bohrung
ausgeführt,
wobei im Federraum 17 eine Vorspannfeder 19 angeordnet
ist. Die Vorspannfeder 19 ist zwischen einem Federteller 20 und
einer Hülse 21 eingespannt.
Der Federteller 20 steht in Wirkverbindung mit dem Nadelkolben 16.
Die Hülse 21 ist
im oberen Endbereich des Federraumes 17 angeordnet und
vorzugsweise über
einen Presssitz gehaltert. Die Hülse 21 weist
eine mittlere Bohrung 22 auf, die den Bereich oberhalb
der Hülse 21 mit
dem Bereich unterhalb der Hülse 21,
in dem der Federteller 20 angeordnet ist, verbindet. Es
ist eine Federraumdrossel 23 vorgesehen, die den Federraum 17 oberhalb
der Hülse 21 mit
dem Zulaufkanal 6 verbindet. Im Zulaufkanal 6 ist
eine Zulaufdrossel 27 angeordnet, wobei zwischen dem Steuerventil 4 und
der Zulaufdrossel 27 ein Dämpfungsabschnitt 26 ausgebildet
ist. Die Federraumdrossel 23 mündet vorzugsweise zwischen
der Zulaufdrossel 27 und dem Steuerventil 4 in
den Zulaufkanal 6. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
mündet
die Federraumdrossel 23 in den Zulaufkanal 6 direkt
bei der Zulaufdrossel 27. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Platte 24 vorgesehen, die einen Teil des Einspritzventils 2 darstellt
und den Federraum 17 nach oben hin begrenzt. In der Platte 24 sind
vorzugsweise die Zulaufdrossel 27, die Federraumdrossel 23 und
die Pumpendrossel 8 angeordnet. Weiterhin sind der Zulaufkanal 27 und
der Druckkanal 7 durch die Platte 24 geführt. Anstelle
einer Platte 24 kann auch jede andere Art von Bauteil vorgesehen sein,
in dem die vorgenannten Elemente enthalten sind. Die Anordnung der
Zulaufdrossel 27 und der Federraumdrossel 23 in
einer Platte 24 Bauteil weist den Vorteil auf, dass die
Drosseln einfach und präzise
bearbeitbar sind.
-
Im
Pumpraum 9 ist ein Pumpkolben (nicht dargestellt) geführt, der
von der Kraftstoffpumpe 5 angetrieben wird. Bei geöffnetem
Steuerventil 4 wird bei einem Ansaugtakt der Kraftstoffpumpe 5 der Kraftstoff über einen
Einlass 25 in den Zulaufkanal 6 gesaugt. Der Kraftstoff
wird über
die Zulaufdrossel 6 in den Dämpfungsabschnitt 26 des
Zulaufkanals 6 geführt.
An schließend
wird der Kraftstoff über
das Steuerventil 4 zum Druckkanal 7 und über die
Pumpendrossel 8 in den Pumpraum 9 gesaugt. Wird
nun das Steuerventil 4 auch bei einem Verdichtungstakt des
Kolbens, bei dem der Kolben sich nach unten bewegt und den Kraftstoff
aus dem Pumpraum 9 herausdrückt, nicht geschlossen, so
wird ein Teil des Kraftstoffes wieder zurück in den Zulaufkanal 6 gedrückt.
-
Aufgrund
der Federraumdrossel 23 ist der Federraum 17 immer
an den Kraftstoffdruck angekoppelt, der im Dämpfungsabschnitt 26 zwischen
der Zulaufdrossel 27 und dem Steuerventil 4 herrscht. Somit
entstehen sowohl im Dämpfungsabschnitt 26 als
auch im Druckkanal 7 aufgrund der zeitlichen Aufeinanderfolge
der Ansaug- und Verdichtungstakte der Kraftstoffpumpe 5 Druckschwankungen. Über den
Druckkanal 7 werden die Druckschwankungen bis zu den Druckflächen 18 geführt. Im
Stand der Technik wurde bisher der Druck, bei dem die Einspritznadel 11 vom
Dichtsitz abgehoben wird, relativ hoch festgelegt, damit die Druckschwankungen
nicht zu einem unbeabsichtigten Öffnen
des Einspritzventils führt.
Dies wird beispielsweise durch die Größe der Druckflächen 18 und
die Vorspannung der Vorspannfeder 19 festgelegt. Für eine Geräuschminimierung
und eine Verbesserung des Einspritzverhaltens ist es vorteilhaft,
den Öffnungsdruck,
ab dem das Einspritzventil öffnet,
insbesondere bei geringen Drehzahlen, kleiner festzulegen.
-
Damit
auch bei einem niedrigen Öffnungsdruck
kein unbeabsichtigtes Öffnen
des Einspritzventils durch die möglichen
Druckschwankungen erreicht wird, wird bei dem beschriebenen Einspritzventil über die
Federraumdrossel 23 die Einspritznadel 11 mit
Druck in Richtung auf den Dichtsitz vorgespannt. Damit ausreichend
hohe Drücke
im Federraum 17 erreicht werden, ist die Zulaufdrossel 27 vorgesehen,
die eine Druckerhöhung
im Dämpfungsabschnitt 26 beim
Ausschieben von Kraftstoff in den Zulaufkanal 6 bewirkt.
In einer einfachen Ausführungsform
wird der Druck, der im Federraum 17 herrscht, direkt auf
den Nadelkolben 16 geführt,
ohne dass der Federteller 20 eine druckerhöhende Wirkung
erzeugt.
-
Eine
weitere Druckerhöhung
wird dadurch erreicht, dass der Federteller 20 einen Dichtspalt 30 von
der Innenwandung des Federraumes 17 beabstandet ist und
dadurch die Druckübertragung
verbessert ist. In dieser Ausführungsform
ist unterhalb des Federtellers 20 eine zweite Federraumdrossel 28 vorgesehen,
die den Bereich des Federraumes, der unterhalb des Federtellers 20 angeordnet
ist, mit dem Zulaufkanal 6 verbindet.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Zulaufdrossel 27 und die Federraumdrossel 23 den
gleichen Querschnitt auf. Vorzugsweise weist die zweite Federraumdrossel 28 einen
geringeren Querschnitt als die erste Federraumdrossel 23 auf. Günstige Werte
für die
Querschnitte der Zulaufdrossel 27 und der ersten Federraumdrossel 23 liegen
im Bereich von 0,8 bis 1,5 mm. Vorzugsweise weist der kreisförmige Querschnitt
der Zulaufdrossel 27 einen Durchmesser von 0,9 bis 1,1
mm und der Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts der ersten
Federraumdrossel 23 einen Durchmesser von 1,1 bis 1,3 mm
auf. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Pumpendrossel einen kreisförmigen Querschnitt auf, dessen
Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 1,4 mm liegt.
-
Vorzugsweise
ist die Seitenfläche
des Federtellers 20 abgerundet ausgebildet, so dass ein
Verkanten des Federtellers 20 im Federraum 17 vermieden
wird. In einer bevorzugten Ausführungsform weist
die Seitenfläche
des Federtellers 20 eine Teilkugelfläche auf, die ein Verkanten
weitgehend vermeidet. Der Dichtspalt 30 zwischen dem Federteller 20 und
der Wandung des Federraumes 17 liegt vorzugsweise im Bereich
von 3 bis 10 μm.
-
2 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt eines Querschnitts
des Einspritzventils 2, bei dem der Federteller 20 in
Form eines Kolbens ausgebildet ist und über einen Dichtspalt 30 im
Federraum 17 geführt
ist. Zur Führung
des Federtellers 20 ist eine Kolbenstange 29 vorgesehen,
die am Federteller 20 befestigt ist und nach oben bis durch
die Bohrung 22 der Hülse 21 geführt ist.
Die Kolbenstange 29 ist in der Bohrung 22 geführt und
der Federteller 20 ist auf den Nadelkolben 16 aufgelegt.
Damit trotz der Führung
der Kolbenstange 29 in der Bohrung 22 eine hydraulische Kopplung
zwischen den Bereichen des Federraumes 17 oberhalb und
unterhalb der Hülse 21 ausgebildet ist,
sind in der Hülse 21 Löcher und/oder
im oberen Endbereich der Kolbenstange 29 Schlitze 31 vorgesehen, über die
eine hydraulische Kopplung stattfindet.
-
- 1
- Pumpe-Düse-Einheit
- 2
- Einspritzventil
- 3
- Aktor
- 4
- Steuerventil
- 5
- Kraftstoffpumpe
- 6
- Zulaufkanal
- 7
- Druckkanal
- 8
- Pumpendrossel
- 9
- Pumpraum
- 10
- Druckraum
- 11
- Einspritznadel
- 12
- Nadelraum
- 13
- Düsenkörper
- 14
- Dichtsitz
- 15
- Einspritzloch
- 16
- Nadelkolben
- 17
- Federraum
- 18
- Druckfläche
- 19
- Vorspannfeder
- 20
- Federteller
- 21
- Hülse
- 22
- Bohrung
- 23
- Federraumdrossel
- 24
- Platte
- 25
- Einlass
- 26
- Dämpfungsabschnitt
- 27
- Zulaufdrossel
- 28
- zweite
Federraumdrossel
- 29
- Kolbenstange
- 30
- Dichtspalt
- 31
- Schlitz