DE102009000185A1

DE102009000185A1 - Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff

Info

Publication number: DE102009000185A1
Application number: DE102009000185A
Authority: DE
Inventors: Juergen Graner; Martin Maier; Guenther Hohl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2010-07-15
Also published as: JP2012515291A; KR20110102898A; CN102282356B; JP5627604B2; US20150136878A1; WO2010081584A1; KR101680579B1; CN102282356A; US20120012679A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, umfassend einen elektrodynamischen Antrieb (30) mit einer beweglich angeordneten Spule (7), eine nach innen öffnende Nadel (2), welche Spritzlöcher (18) an einem Ventilsitz (2a) freigibt und verschließt, ein Verbindungselement (9), welches die Nadel (2) mit der beweglich angeordneten Spule (7) verbindet, und einen Druckraum (15), welcher an der Nadel (2) vor dem Ventilsitz (2a) angeordnet ist und welcher unter Druck stehenden Kraftstoff enthält.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, wobei insbesondere ein unter Druck stehender Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Bekannte Vorrichtungen zur Kraftstoffeinspritzung werden beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff bei Fahrzeugmotoren verwendet. Neben einer Einspritzung von Dieselkraftstoff werden in jüngster Zeit auch Otto-Kraftstoffe eingespritzt. Häufig wird für die Kraftstoffeinspritzung dabei Kraftstoff aus einem Speicher (Rail) bereitgestellt und über die Einspritzvorrichtung in einen Brennraum oder eine Ansaugleitung eingespritzt. Als Aktoren werden hierbei einerseits elektromagnetische Aktoren verwendet oder alternativ auch Piezoaktoren. Elektromagnetische Aktoren sind hierbei relativ kostengünstig, allerdings auch relativ langsam. Piezoaktoren hingegen sind schnell, jedoch relativ teuer. Daher wäre es wünschenswert, eine Einspritzvorrichtung zu haben, welche einen relativ schnellen und trotzdem kostengünstigen Aktor aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie kurze Schaltzeiten aufweist und trotzdem kostengünstig und kompakt herstellbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner problemlos zwei oder mehrere Einspritzungen pro Zyklus ausführen. Hierbei verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine nach innen öffnende Düse, so dass ein sehr gut ausgebildetes, kegelförmiges Spray bei der Einspritzung erzeugt wird.
Hierbei können problemlos auch eine Vielzahl von Spritzlöchern vorgesehen werden, um individuell angepasste Sprays, beispielsweise für verschiedene Motorenhersteller oder ein Drallspray, bereitzustellen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung einen elektrodynamischen Aktor bzw. Antrieb mit einer beweglichen Spule aufweist. Hierdurch kann der Antrieb sehr kostengünstig bereitgestellt werden und eine schnelle Bewegungsumkehr der Spule durch eine Umkehrung der Bestromung der Spule erreicht werden. Die bewegliche Spule des elektrodynamischen Antriebs ist dabei mit einer Nadel der Einspritzvorrichtung verbunden, was mittels eines Verbindungselements realisiert ist. Hierbei ist die Verbindung zwischen den Verbindungselementen der Nadel derart, dass die Nadel durch Umpolen der Stromrichtung der Spule jeweils aktiv geöffnet bzw. geschlossen werden kann.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise umfasst der elektrodynamische Antrieb neben der beweglichen Spule einen ersten und einen zweiten Dauermagneten, eine Zwischenscheibe, welche zwischen dem ersten und zweiten Dauermagneten angeordnet ist, und einen Mantel, welcher aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt ist. Hierdurch wird ein sehr kompakter und einfacher Aufbau realisiert.
Weiter bevorzugt umfasst das Verbindungselement, welches die Nadel mit dem elektrodynamischen Antrieb verbindet, eine Vielzahl von Fingern. Dies ermöglicht eine sichere Verbindung zwischen der Nadel und dem elektrodynamischen Antrieb und stellt ferner eine verlässliche Kopplung in beide Bewegungsrichtungen dar. Die Finger sind dabei vorzugsweise formschlüssig mit einer Nadelscheiben, welche an der Nadel fixiert ist, verbunden.
Weiter bevorzugt umfasst die Nadel eine Schließfeder und insbesondere eine Federscheibe, welche an der Nadel fixiert ist und welche zur Abstützung der Schließfeder dient. Die Schließfeder unterstützt einen Schließvorgang der Nadel.
Weiter bevorzugt umfasst die Einspritzvorrichtung ein Rohr, welches in Axialrichtung mittig durch den elektrodynamischen Antrieb hindurchgeführt ist. Das Rohr ist dabei ausgelegt, um Kraftstoff durch den elektrodynamischen Antrieb hindurchzuführen.
Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau erreicht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der elektrodynamische Antrieb in einem mit Kraftstoff gefüllten Raum angeordnet, wobei der Kraftstoff in diesem Raum unter Druck steht.
Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Wellbalg, welcher den elektrodynamischen Antrieb von dem unter Druck stehenden Kraftstoff trennt. Hierdurch ist es möglich, dass der elektrodynamische Antrieb nicht in einem mit Kraftstoff gefüllten Raum angeordnet ist.
Um einen besonders kompakten Aufbau bereitzustellen, ist die Nadel mit einer zentralen Durchgangsbohrung ausgebildet, welche über eine Querbohrung mit einem Druckraum an einem freien Nadelende verbunden ist. Dadurch kann Kraftstoff durch das Innere der Nadel zum Druckraum zugeführt werden.
Um eine möglichst sichere Führung der Nadel zu erreichen, ist ein Endbereich des Rohrs als Führungsbereich ausgebildet, um die Nadel zu führen. Hierdurch kann auf separate Führungseinrichtungen für die Nadel verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schließfeder vorzugsweise im Rohr angeordnet. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau der Vorrichtung, wobei die Schließfeder im Rohr nicht die durch das Rohr erfolgte Zuführung von Kraftstoff behindert.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
3 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Vorrichtung 1 zur Einspritzung von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff im Detail beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorrichtung 1 einen elektrodynamischen Aktor 30, eine Nadel 2 und eine Kraftstoffzuleitung 19. Über die Kraftstoffzuleitung 19 wird ein unter hohem Druck stehender Kraftstoff zur Vorrichtung 1 zugeführt. Der elektrodynamische Aktor 30 umfasst einen ersten Dauermagneten 4, einen zweiten Dauermagneten 6, eine Zwischenscheibe 5, eine bewegbare Spule 7 und einen Mantel 8. Die Zwischenscheibe 5 ist aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt und ist zwischen dem ersten Dauermagneten 4 und dem zweiten Dauermagneten 6 angeordnet. Die beweglich angeordnete Spule 7 ist am Außenumfang des ersten und zweiten Dauermagneten 4, 6 sowie der Zwischenscheibe 5 angeordnet. Der Mantel 8 ist ebenfalls aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt und umgibt die Spule 7 am Umfang sowie die beiden Stirnseiten des ersten Dauermagneten 4 bzw. des zweiten Dauermagneten 6 in axialer Richtung X-X. Die beiden Dauermagneten 4, 6 sind derart angeordnet, dass gleiche Pole zur Zwischenscheibe 5 gerichtet sind. Hierdurch bilden die Dauermagneten 4, 6 über die Zwischenscheibe 5 ein Magnetfeld aus, dass sich radial nach außen in Richtung des Mantels 8 erstreckt. Wenn nun die Spule 7 bestromt wird, erfährt die Spule 7 eine Lorentzkraft, die je nach Stromrichtung in eine öffnende oder schließende Richtung der Nadel (d. h., in Axialrichtung X-X) wirkt. Hierdurch wird die Spule 7 in die jeweils entsprechende Richtung bewegt.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Schließfeder 3, welche auf die Nadel 2 eine Schließkraft ausübt. Hierzu ist an der Nadel 2 eine Federscheibe 13 befestigt, an welcher sich Schließfeder 3 einerends abstützt. Ein anderes Ende der Schließfeder 3 wird an einem Gehäusebauteil 14a abgestützt. An der Nadel 2 ist ferner eine Nadelscheibe 11 befestigt, welche an einem Ende der Nadel 2, welches von den Spritzlöchern 18 entfernt ist, befestigt ist. Die Spritzlöcher 18 sind im Gehäuse 14 ausgebildet und in einem vorbestimmten Winkel zur Axialrichtung X-X angeordnet. Die bewegbare Spule 7 ist über eine Verbindungsvorrichtung 9 mit der Nadel 2 verbunden. Hierbei umfasst die Verbindungsvorrichtung 9 mehrere Finger 10, welche in Öffnungen 11a in der Nadelscheibe 11 eingreifen.
Weiter ist ein Rohr 12 vorgesehen, welches durch den elektrodynamischen Aktor 30 hindurchgeführt ist. Das Rohr 12 dient zur Durchleitung von Kraftstoff von der Kraftstoffzuleitung 19. Der Kraftstoff wird in einen Kraftstoffraum 16 geleitet, wobei er zwischen den Fingern 10 der Verbindungsvorrichtung 9 hindurchströmt. Dies ist in 1 durch die Pfeile B angedeutet. Der Pfeil A charakterisiert die Zuströmrichtung des Kraftstoffs in die Kraftstoffzuleitung 19. Im Kraftstoffraum 16 ist dabei ein rückwärtiger Teil der Nadel 2 sowie die Schließfeder 3 angeordnet. Vor den Spritzlöchern 18 ist weiter ein ringförmiger Druckraum 15 vorgesehen. Der Druckraum 15 ist über einen Zuleitungskanal 17 mit dem Kraftstoffraum 16 verbunden. Wenn somit die Nadel 2 geöffnet wird, was in 1 durch den Pfeil D angedeutet ist, kann Kraftstoff aus dem Kraftstoffraum 16 in den Zuleitungskanal 17 strömen, was mit dem Pfeil C angedeutet ist, und von dort zum Druckraum 15.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei wie folgt. Kraftstoff, welcher schon unter Druck steht, wird, wie durch den Pfeil A angedeutet, für die Kraftstoffzuleitung 19 und das Rohr 12 in den Kraftstoffraum 16 zugeführt. Im Kraftstoffraum 16 ist über den Zuleitungskanal 17 eine Verbindung zum ringförmigen Druckraum 15 gegeben. Wenn nun eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgen soll, wird der elektrodynamische Aktor 30 aktiviert. Hierzu wird die Spule 7 derart bestromt, dass sie die Spule, wie durch den Pfeil E angedeutet, bewegt. Hierdurch wird über die Verbindungsvorrichtung 9 und die Finger 10 auch die Nadel 2 in Richtung des Pfeils D bewegt. Dadurch hebt die Nadel 2 vom Ventilsitz 2a ab, so dass die Spritzlöcher 18 freigegeben sind und Kraftstoff aus den Spritzlöchern in einen Brennraum oder eine Saugleitung eingespritzt werden kann. Bei der Bewegung der Nadel 2 wird dabei die Schließfeder 3 zusammengedrückt. Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird die Stromrichtung an der bewegbaren Spule 7 umgepolt, so dass sich die Spule entgegengesetzt bewegt. Dadurch wird ein aktives Schließen der Nadel 2 erreicht, wobei die gespannte Schließfeder 3 unterstützend zum Schließvorgang mitwirkt. Somit wird über die feste Verbindung zwischen der bewegbaren Spule 7 und der Nadel 2 die Nadel 2 aktiv geschlossen. Dadurch ist die Einspritzung von Kraftstoff beendet.
Erfindungsgemäß kann somit bei einem nach innen öffnenden Ventil unter Verwendung eines elektrodynamischen Aktors 30 durch Umpolung der Stromrichtung an einer bewegbaren Spule 7 ein aktives Öffnen und Schließen der Nadel 2 erreicht werden. Dadurch können sehr kurze Schließzeiten erreicht werden, welche signifikant kürzer sind als z. B. Schließzeiten bei elektromagnetischen Aktoren. Dies wird bei einem kompakten Aufbau der Vorrichtung 1 sowie einer sehr kostengünstigen Herstellbarkeit der Vorrichtung 1 erreicht. Durch das Vorsehen von einer Vielzahl von Spritzlöchern 18 können auch in kurzen Schaltzeiten große Mengen von Kraftstoff eingespritzt werden. Hierbei kann insbesondere ein sehr gut verteiltes Spray erreicht werden.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 2 und 3 weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
2 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Zuführung des Kraftstoffs zum ringförmigen Druckraum 15 über eine zentrale Nadelbohrung 21 und eine Querbohrung 22 erfolgt. Somit kann Kraftstoff durch die gesamte Vorrichtung 1 ohne große Druckverluste zum ringförmigen Druckraum 15 zugeführt werden. Eine Zentrierung des elektrodynamischen Aktors 30 erfolgt dabei über den Gehäusebereich 14a, an welchem das Rohr 12 gelagert ist, wobei der elektrodynamische Aktor 30 am Rohr 12 fixiert ist.
3 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, welche im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist beim dritten Ausführungsbeispiel kein Kraftstoffraum 16 vorhanden. Der Kraftstoff wird in axialer Richtung von der Kraftstoffzuleitung 19 durch das Rohr 12 und die zentrale Durchgangsbohrung 21 sowie die Querbohrungen 23 zum ringförmigen Druckraum 15 zugeführt. Die Schließfeder 3 ist dabei im Rohr 12 angeordnet. Ferner weist das Rohr 12 an dem zur Nadel 2 gerichteten Ende einen Führungsbereich 12a auf, an welchem die Nadel 2 geführt ist. Dabei wird das Rohr 12 selbst von einem Bodenbereich 8a des Mantels 8 zentriert. In der Nadel 2 ist ferner eine weitere Querbohrung 23 vorgesehen, welche eine Verbindung zu einem zweiten Druckraum 24 herstellt. Über diese Verbindungsbohrung 23 wird somit sichergestellt, dass der elektrodynamische Aktor 30 selbst im Kraftstoff angeordnet ist.
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Vorrichtung 1 weist somit durch Verwendung des elektrodynamischen Aktors 30 Eigenschaften auf, welche den Eigenschaften von Piezoaktoren sehr nahekommen. Hierbei ist insbesondere eine sehr kurze Schaltzeit und Mehrfacheinspritzungen während eines Zyklus zu nennen. Trotzdem sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 sehr kompakt und kostengünstig aufgebaut.

Claims

Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, umfassend – einen elektrodynamischen Antrieb (30) mit einer beweglich angeordneten Spule (7), – eine nach innen öffnende Nadel (2), welche Spritzlöcher (18) an einem Ventilsitz (2a) freigibt und verschließt, – ein Verbindungselement (9), welches die Nadel (2) mit der beweglich angeordneten Spule (7) verbindet, und – einen Druckraum (15), welcher an der Nadel (2) vor dem Ventilsitz (2a) angeordnet ist und welcher unter Druck stehenden Kraftstoff enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrodynamische Antrieb (30) ferner einen ersten Dauermagneten (4), einen zweiten Dauermagneten (6), eine Zwischenscheibe (15), einen Mantel (8) und die bewegliche Spule (7) umfasst, wobei die Zwischenscheibe (15) zwischen dem ersten Dauermagneten (4) und dem zweiten Dauermagneten (6) angeordnet ist und wobei die bewegliche Spule (7) am Außenumfang des ersten und zweiten Dauermagneten angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Schließfeder (3), welche ausgelegt ist, eine Rückstellkraft auf die Nadel (2) auszuüben, um die Nadel nach einem Öffnungsvorgang wieder zu verschließen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtung (9) eine Vielzahl von Fingern (10) umfasst und die Nadel (2) eine Nadelscheibe (11) umfasst, welche fest an der Nadel (2) befestigt ist, und wobei die Verbindungsvorrichtung (9) über die Finger (10) mit der Nadelscheibe (11) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Federscheibe (13), welche an der Nadel (2) befestigt ist und welche zur Abstützung der Schließfeder (3) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Rohr (12), welches durch den elektrodynamischen Antrieb (13) hindurchgeführt ist und durch welches Kraftstoff zuführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrodynamische Antrieb (30) in einem mit Kraftstoff gefüllten Kraftstoffraum (24) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Wellbalg, welcher den elektrodynamischen Antrieb (30) von dem unter Druck stehenden Kraftstoff trennt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadel (2) eine zentrale Durchgangsbohrung (21) umfasst, welche über wenigstens eine Querbohrung (22) mit dem Druckraum (15) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endbereich (12a) des Rohrs (12) als Führungsbereich für die Nadel (2) ausgebildet ist, um die Nadel (2) in Axialrichtung (X-X) zu führen.