DE102012223244A1 - Fuel injection valve for internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (1), in dem eine längsverschiebbare Düsennadel (8) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (16) mit einem Düsensitz (15) zusammenwirkt. Die Düsennadel (8) begrenzt mit ihrer dem Düsensitz (15) abgewandten Stirnfläche (108) einen im Gehäuse (1) ausgebildet Steuerraum (10), der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist, wobei der Steuerraum (10) über ein Steuerventil (22) mit einem Niederdruckraum (18) verbindbar ist. Es ist ein Druckstift (33) vorgesehen, dessen Stirnseite (133) den Steuerraum (33) begrenzt und dessen dem Steuerraum (33) abgewandte Stirnfläche mit einem Kraftsensor (35) zusammenwirkt.Fuel injection valve for internal combustion engines with a housing (1) in which a longitudinally displaceable nozzle needle (8) cooperates with a nozzle seat (15) for opening and closing at least one injection opening (16). The nozzle needle (8), with its end face (108) facing away from the nozzle seat (15), delimits a control chamber (10) formed in the housing (1), which can be filled with fuel under high pressure, the control chamber (10) via a control valve (22 ) can be connected to a low pressure chamber (18). A pressure pin (33) is provided, the end face (133) of which delimits the control chamber (33) and the end surface facing away from the control chamber (33) cooperates with a force sensor (35).
Description
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in Brennräume von schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwendet wird. The present application relates to a fuel injection valve for internal combustion engines, as it is preferably used for the injection of fuel under high pressure in combustion chambers of high-speed, self-igniting internal combustion engines.
Stand der TechnikState of the art
Kraftstoffeinspritzventile, wie sie zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in Brennräume von Brennkraftmaschinen verwenden werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt, die dabei Kraftstoff unter hohem Druck von derzeit bis zu 2500 bar ausspritzen können. Hierbei weisen die Kraftstoffeinspritzventile ein Gehäuse auf, in dem eine längsverschiebbare Düsennadel zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung mit einem Düsensitz zusammenwirkt. Die Steuerung der Düsennadel erfolgt zumeist servo-hydraulisch, das heißt, dass ein Steuerraum vorgesehen ist, dessen hydraulischer Druck eine Schließkraft auf die Düsennadel ausübt, während gleichzeitig ein öffnender Druck durch den anstehenden hohen Kraftstoffdruck auf die Düsennadel in entgegengesetzter Richtung ausgeübt wird. Zur Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel und damit zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen wird der Druck im Steuerraum mit Hilfe eines Steuerventils reguliert, das den Steuerraum mit einem Niederdruckraum verbindet oder von diesem trennt. Damit die Einspritzung in der richtigen Menge und zum genau richtigen Zeitpunkt stattfindet, wobei jede Einspritzung noch in mehrere Teileinspritzungen unterteilt sein kann, ist eine äußerst präzise Ansteuerung der Düsennadel notwendig. Fuel injectors, as will be used to inject fuel directly into combustion chambers of internal combustion engines, are well known in the art which can eject fuel under high pressure from currently up to 2500 bar. In this case, the fuel injection valves have a housing in which a longitudinally displaceable nozzle needle for opening and closing at least one injection opening cooperates with a nozzle seat. The control of the nozzle needle is usually servo-hydraulic, that is, a control chamber is provided, the hydraulic pressure exerts a closing force on the nozzle needle, while an opening pressure is exerted by the upcoming high fuel pressure to the nozzle needle in the opposite direction. To control the longitudinal movement of the nozzle needle and thus to open and close the injection ports of the pressure in the control chamber is regulated by means of a control valve which connects the control chamber with a low-pressure chamber or separates from this. In order for the injection to take place in the correct amount and at the exact right time, with each injection still being able to be subdivided into several partial injections, an extremely precise control of the nozzle needle is necessary.
Die verwendeten Steuerventile werden in der Regel entweder mittels eines Elektromagneten oder eines Piezoaktors betätigt, wobei der benötigte Steuerstrom mit einem Steuergerät erzeugt wird, das zur präzisen Ansteuerungen den genauen Zustand der Brennkraftmaschine kennen muss. Darüber hinaus ist es auch zur Regulierung von Verschleiß und zum Ausgleich von Bauteilunterschieden zwischen den Einspritzventilen sehr hilfreich, wenn bekannt ist, zu welchem Zeitpunkt die Düsennadel öffnet und schließt, wenn ein bestimmter Steuerstrom am Elektromagneten bzw. Piezoaktor angelegt wird. Zu diesem Zweck sind eine ganze Reihe von Nadelhubsensoren entwickelt worden, die den Nadelhub entweder direkt bestimmen oder aber indirekt, indem beispielsweise der Körperschall des Injektors gemessen wird oder indem der Druck in bestimmten Bereichen des Einspritzventils detektiert wird. The control valves used are usually operated either by means of an electromagnet or a piezoelectric actuator, wherein the required control current is generated by a control unit, which must know the precise state of the internal combustion engine for precise control. In addition, it is also very helpful in regulating wear and for compensating component differences between the injectors when it is known at what time the nozzle needle opens and closes when a particular control current is applied to the solenoid or piezo actuator. For this purpose, a whole series of needle lift sensors have been developed, which determine the needle stroke either directly or indirectly, for example by measuring the structure-borne noise of the injector or by detecting the pressure in certain areas of the injection valve.
Aus der Offenlegungsschrift
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sich der Druck direkt im Steuerraum messen lässt und damit einen genaue Detektion der Düsennadelbewegung unabhängig vom Schaltzustand des Steuerventils erlaubt, ohne dass die Funktionsfähigkeit des Kraftstoffeinspritzventils eingeschränkt wird und ohne dass gegenüber den früheren Bauformen wesentliche bauliche Änderungen vorgenommen werden müssen. Zu diesem Zweck ist im Kraftstoffeinspritzventil ein Druckstift vorgesehen, dessen Stirnseite den Steuerraum begrenzt und dessen dem Steuerraum abgewandte Stirnfläche mit einem Kraftsensor zusammenwirkt. Da sich der Druckstift innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils nicht bewegt, beeinflusst der Druckstift die Funktionsweise des Steuerventils und damit des gesamten Einspritzventils nicht, sodass es in der gewohnten Art und Weise betrieben werden kann. Gleichzeitig kann über die genaue Analyse der Kraft auf den Druckstift die Bewegung der Düsennadel sehr genau detektiert werden, insbesondere der Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Düsennadel, wobei diese Daten zur Steuerung der genauen Einspritzmenge und des Einspritzzeitpunkts in dem Steuergerät verwendet werden, das den Steuerstrom des elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktors steuert. The fuel injection valve according to the invention has the advantage that the pressure can be measured directly in the control chamber and thus allows accurate detection of the nozzle needle movement regardless of the switching state of the control valve, without the functionality of the fuel injection valve is limited and without compared to the previous designs essential structural changes must be made. For this purpose, a pressure pin is provided in the fuel injection valve whose end face delimits the control chamber and whose end face remote from the control chamber interacts with a force sensor. Since the pressure pin within the fuel injection valve does not move, the pressure pin does not affect the operation of the control valve and thus of the entire injection valve, so that it can be operated in the usual manner. At the same time, the precise analysis of the force on the pressure pin, the movement of the nozzle needle can be detected very accurately, in particular the opening and closing time of the nozzle needle, these data are used to control the exact injection quantity and the injection timing in the control unit, the control current of the electromagnetic or piezoelectric actuator controls.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung umfasst das Steuerventil ein Steuerventilglied, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und damit eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Niederdruckraum öffnet und schließt. Diese hydraulische Verbindung umfasst in vorteilhafter Weise eine Ablaufdrossel, sodass der Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum in den Niederdruckraum genau dosiert geschieht. In vorteilhafter Weise ist dabei die Ablaufdrossel im Druckstift ausgebildet, was große Vorteile hinsichtlich der Fertigung erbringt, da die Ablaufdrossel eine Präzisionsbohrung darstellt, die an einem Druckstift separat gefertigt werden kann, der während des Produktionsprozesses leicht zugänglich ist. In a first advantageous embodiment of the subject of the invention, the control valve comprises a control valve member which cooperates with a valve seat and thus opens and closes a hydraulic connection between the control chamber and the low-pressure chamber. This hydraulic connection advantageously comprises an outlet throttle, so that the outflow of fuel the control room in the low-pressure room is precisely metered happens. Advantageously, while the outlet throttle is formed in the pressure pin, which provides great advantages in terms of manufacturing, since the outlet throttle is a precision bore that can be made separately on a pressure pin that is easily accessible during the production process.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ablaufdrossel im Gehäuse ausgebildet. In bestimmten Bauformen kann auch dies vorteilhaft sein, was auch den Vorteil hat, dass ein und derselbe Druckstift in verschiedenen Injektoren eingesetzt werden kann, ohne dass bauliche Änderungen vorgenommen werden müssen. In a further advantageous embodiment, the outlet throttle is formed in the housing. In certain designs, this can also be advantageous, which also has the advantage that one and the same pressure pin can be used in various injectors without having to make any structural changes.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Steuerventilglied hülsenförmig ausgebildet und umgibt den Druckstift. Dies erlaubt eine kompakte Bauweise des Steuerventils und damit des Kraftstoffeinspritzventils, sodass keine oder nur unwesentliche bauliche Änderungen des Kraftstoffeinspritzventils gegenüber den bekannten Bauformen notwendig sind. In a further advantageous embodiment, the control valve member is sleeve-shaped and surrounds the pressure pin. This allows a compact design of the control valve and thus the fuel injection valve, so that no or only insignificant structural changes of the fuel injection valve over the known types are necessary.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Vorsteuerraum vorgesehen, der den Druckstift umgibt und der über das Steuerventil mit dem Niederdruckraum verbindbar ist, wobei der Vorsteuerraum über die Ablaufdrossel mit dem Steuerraum verbunden ist. Die Größe des Vorsteuerraums und dessen Form beeinflusst die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils, da es insbesondere beim Schließen des Kraftstoffeinspritzventils zu einem Druckausgleich zwischen dem Vorsteuerraum und dem Steuerraum kommt. Da die Ablaufdrossel zwischen dem Vorsteuerraum und dem Steuerraum vorgesehen ist, lässt sich so auch ein Teil der Druckschwingungen, die sich beim Schließen des Steuerventils bilden können, abbauen. In a further advantageous embodiment, a pilot chamber is provided which surrounds the pressure pin and which is connectable via the control valve to the low-pressure chamber, wherein the pilot chamber is connected via the outlet throttle to the control chamber. The size of the pilot chamber and its shape affect the operation of the fuel injection valve, since there is a pressure equalization between the pilot chamber and the control chamber in particular when closing the fuel injection valve. Since the outlet throttle is provided between the pilot chamber and the control chamber, so can also part of the pressure oscillations, which can form when closing the control valve, reduce.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Druckstift dem Steuerraum zugewandt in einer Führungsbohrung des Gehäuses geführt. Dies stellt sicher, dass der Druckstift, der in Längsrichtung beweglich sein muss, in radialer Richtung unbeweglich bleibt und die Kraft direkt auf den Kraftsensor am anderen Ende des Druckstifts übertragen wird. Darüber hinaus ist es in vorteilafter Weise möglich, dass am Druckstift ein oder mehrere Anschliffe ausgebildet sind, die die Ablaufdrossel bilden, sodass keine weiteren Bohrungen innerhalb des Druckstifts oder im Gehäuse ausgebildet werden müssen, die die Ablaufdrossel bilden. In a further advantageous embodiment, the pressure pin facing the control chamber is guided in a guide bore of the housing. This ensures that the pressure pin, which must be movable in the longitudinal direction, remains immobile in the radial direction and the force is transmitted directly to the force sensor at the other end of the pressure pin. In addition, it is possible in vorteilafter way that one or more contours are formed on the pressure pin, which form the outlet throttle, so that no further holes must be formed within the pressure pin or in the housing, which form the outlet throttle.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar. Further advantages and advantageous embodiments of the description and the drawing can be removed.
Zeichnungdrawing
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigtIn the drawing, several embodiments of the fuel injection valve according to the invention are shown. It shows
Beschreibung der AusführungsbeispielDescription of the embodiment
In
Im Gehäuse
Durch die Bohrung
Das Steuerventilglied
Der Kraft des Elektromagneten
Zur Verbindung des Steuerraums
Die Funktionsweise des Steuerventils ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung ist das Steuerventil
Der verringerte Kraftstoffdruck im Steuerraum
In
Das untere Diagramm zeigt den Hub h der Düsennadel
Wird der Druck nur innerhalb des Vorsteuerraums
In
Die Ablaufdrossel
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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