DE102013206383A1

DE102013206383A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102013206383A1
Application number: DE102013206383.0A
Authority: DE
Inventors: Henning Kreschel; Holger Rapp; Thomas Schwarz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2014-10-16
Also published as: EP2984328B1; WO2014166651A1; CN105102804B; CN105102804A; EP2984328A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck mit einem Druckraum (14) und einem in einem Ventilkörper (4) ausgebildeten Steuerventil (30). Im Druckraum (14) ist eine Düsennadel (10) längsverschiebbar angeordnet, die durch ihre Längsbewegung mit einem Düsensitz (13) zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung (12) öffnet und schließt. Die Düsennadel (10) erfährt durch den Druck in einem Steuerraum (20) eine in Richtung des Düsensitzes (13) gerichtete Schließkraft. Durch das Steuerventil (30) ist der Druck im Steuerraum (20) einstellbar, wobei das Steuerventil (30) einen mit dem Steuerraum (20) verbindbaren Steuerventilraum (31) umfasst, in dem ein Steuerventilglied (34) längsbewegbar angeordnet ist. Eine Ablaufdrossel (1) verbindet den Steuerraum (20) mit dem Steuerventilraum (31) und eine Zulaufdrossel (3) verbindet den Druckraum (14) schaltbar mit dem Ventilraum (31). Der Steuerventilraum (31) ist durch einen Bypass (2) mit dem Steuerraum (20) verbindbar, wobei das Steuerventilglied (34) den Bypass (2) und die Zulaufdrossel (3) öffnen und schließen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
Stand der Technik
Kraftstoffeinspritzventile, wie sie vorzugsweise zur Kraftstoffeinspritzung direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Einspritzsystemen, die nach dem sogenannten Common-Rail-Prinzip arbeiten, wird mittels einer Hochdruckpumpe verdichteter Kraftstoff in einem Rail zur Verfügung gestellt und mittels Injektoren in die jeweiligen Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Einspritzung wird mittels einer Düsennadel gesteuert, die eine Längsbewegung ausführt und dadurch eine oder mehrere Einspritzöffnungen öffnet und schließt. Da es insbesondere bei der Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck nicht sinnvoll oder nicht möglich ist, die Düsennadel direkt durch einen elektrischen Aktor zu bewegen, werden hydraulische Kräfte, die der verdichtete Kraftstoff auf die Düsennadel ausübt, zur Ansteuerung verwendet. Hierzu ist im Kraftstoffeinspritzventil ein Steuerraum ausgebildet, dessen Druck direkt oder indirekt auf die Düsennadel wirkt und sie dadurch gegen einen Düsensitz presst, so dass die Düsennadel die Einspritzöffnungen verschließt. Durch Änderung des Drucks im Steuerraum und damit der Schließkraft auf die Düsennadel kann die Längsbewegung der Düsennadel gezielt gesteuert werden.
Der Kraftstoffdruck im Steuerraum wird mittels eines Steuerventils beeinflusst, wobei der Steuerraum abwechselnd mit einem Niederdruckraum verbunden wird oder diese Verbindung wird durch das Steuerventil unterbrochen. Aus der DE 10 2008 001 330 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das ein solches Steuerventil aufweist. Das Steuerventil ist hier als sogenanntes 3/2-Wege-Ventil ausgeführt und steuert die Verbindung des Steuerraums einerseits zur Hochdruckquelle, aus der der verdichtete Kraftstoff dem Einspritzventil zugeführt wird, und andererseits zu einem Niederdruckraum. Das Steuerventil weist ein Steuerventilglied auf, das mittels eines elektrischen Aktors, beispielsweise einem Magnet oder einem Piezoaktor, innerhalb des Steuerventilraums bewegt werden kann und so mit einem ersten Steuerventilsitz und einem zweiten Steuerventilsitz zusammenwirkt. Befindet sich das Steuerventilglied in Anlage am ersten Steuerventilsitz, so wird die Verbindung des Steuerventilraums zum Niederdruckraum bzw. einem Leckageanschluss, der eine Verbindung zu einem Niederdruckbereich aufweist, geschlossen. Der Steuerraum ist über eine Zulaufdrossel mit dem Hochdruckkanal und über eine Ablaufdrossel mit dem Steuerventilraum verbunden.
Bei dem Steuerventil aus der DE 10 2008 001 330 A1 kommt es während des Einspritzvorganges, also bei geöffneter Stellung des Einspritzventils, zu einer Durchströmung des Injektors von der Zulaufdrossel über den Steuerraum und die Ablaufdrossel in den Niederdruckbereich des Injektors und dadurch zu einer Verringerung der Effizienz des Kraftstoffeinspritzventils und zu einem hohen Wärmeeintrag in den Niederdruckraum und damit in das Rücklaufsystem. Dies erhöht außerdem den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass während des Einspritzvorganges im Wesentlichen nur die Menge an Kraftstoff, die zur Druckerniedrigung im Steuerraum notwendig ist, in den Niederdruckraum abgeführt werden muss. Dadurch erhöht sich die Effizienz des Kraftstoffeinspritzventils bei gleichzeitiger Verringerung des Wärmeeintrags in Aktor und Rücklaufsystem. Der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine wird somit verringert.
Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil einen Druckraum auf, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Düsennadel durch ihre Längsbewegung mit einem Düsensitz zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung öffnet und schließt, wobei die Düsennadel durch den Druck in einem Steuerraum eine in Richtung des Düsensitzes gerichtete Schließkraft erfährt. Weiter ist ein Steuerventil vorhanden, durch welches der Druck im Steuerraum einstellbar ist, wobei das Steuerventil einen mit dem Steuerraum verbindbaren Steuerventilraum umfasst, in dem ein Steuerventilglied längsbewegbar angeordnet ist. Der Steuerventilraum ist über eine Ablaufdrossel mit dem Steuerraum und über eine Zulaufdrossel mit dem Druckraum verbunden. Weiter ist der Steuerventilraum über einen Bypass mit dem Steuerraum verbunden. Das Steuerventilglied kann den Bypass und die Zulaufdrossel öffnen und schließen.
Aufgrund des Verschließens der Zulaufdrossel durch das Steuerventilglied strömt während des Einspritzvorgangs kein Kraftstoff aus dem Druckraum in den Steuerventilraum nach, so dass der Verlust an verdichtetem Kraftstoff minimiert wird. Zusätzlich kann über die Auslegung von Zulaufdrossel und Bypass das Schließverhalten und über die Auslegung der Ablaufdrossel das Öffnungsverhalten der Düsennadel bestimmt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuerventilglied so ausgebildet, dass es bei Anlage an einem ersten Steuerventilsitz den Bypass und die Zulaufdrossel öffnet und die Verbindung zwischen dem Steuerventilraum und einem Niederdruckraum schließt, und bei Anlage an einem zweiten Steuerventilsitz die Verbindung zwischen dem Steuerventilraum und dem Niederdruckraum öffnet und den Bypass und die Zulaufdrossel verschließt. Das ermöglicht eine geringe Absteuermenge zum Start des Einspritzvorgangs und eine schnelle Druckerhöhung im Steuerraum zur Beendigung des Einspritzvorgangs.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite Steuerventilsitz an einer Drosselscheibe ausgebildet, wobei die Ablaufdrossel, der Bypass und die Zulaufdrossel ebenfalls in der Drosselscheibe ausgebildet sind. Bei diesem kompakten und leicht zu fertigenden Aufbau kann das Steuerventilglied Bypass und Zulaufdrossel direkt öffnen und verschließen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung grenzt eine Hülse den Steuerraum von einem hochdruckführenden Druckraum ab und führt gleichzeitig die Düsennadel bei der Öffnungs- und Schließbewegung. Durch diesen einfachen und gleichzeitig zuverlässigen Aufbau können die düsenseitigen Öffnungen von Bypass und Zulaufdrossel so ausgebildet werden, dass der Bypass in den Steuerraum mündet und die Zulaufdrossel in den Druckraum. Zudem kann für verschiedene Einstellungen das Volumen des Steuerraums leicht variiert werden.
Zeichnung
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur die wesentlichen Bereiche schematisch gezeigt sind.
Beschreibung
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil 11 im Längsschnitt. Das Kraftstoffeinspritzventil 11 weist einen Ventilkörper 4 und einen Düsenkörper 8 auf, die unter Zwischenlage einer Drosselscheibe 6 mit Hilfe einer nicht dargestellten Spannvorrichtung gegeneinander verspannt sind. Im Düsenkörper 8 ist ein Druckraum 14 ausgebildet, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 10 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 10 weist an ihrem dem Brennraum zugewandten Ende eine Dichtfläche 15 auf, mit der sie mit einem Düsensitz 13 zusammenwirkt, der am brennraumseitigen Ende des Druckraums 14 ausgebildet ist. Vom Düsensitz 13 gehen eine oder mehrere Einspritzöffnungen 12 ab, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils 11 direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine münden. Die Düsennadel 10 wird durch eine Schließfeder 18, die an einem Absatz 16 angreift und über eine Hülse 22 gegen die Drosselplatte 6 vorgespannt ist, gegen den Düsensitz 13 gepresst. Die Hülse 22 dient gleichzeitig der Führung der Längsbewegung der Düsennadel 10 und grenzt einen Steuerraum 20 vom Druckraum 14 ab.
Im Ventilkörper 4 ist ein Steuerventil 30 umfassend einen Steuerventilraum 31, ein Steuerventilglied 34, zwei Steuerventilsitze 37 und 39 und eine Feder 38 angeordnet. Das Steuerventilglied 34, das über einen in einem Niederdruckraum 40 angeordneten Aktor 41 bewegt werden kann, ist im Steuerventilraum 31 längsverschiebbar angeordnet und bildet an einer Dichtkante 50 mit dem Ventilkörper 4 einen ersten Steuerventilsitz 37 und an einer Dichtfläche 51 mit der Drosselscheibe 6 einen zweiten Steuerventilsitz 39 aus. An ihrem ventilkörperseitigen Ende dient die Drosselscheibe 6 als Anlage für die Feder 38, die das Steuerventilglied 34 umgibt und dieses mit einer Kraft in Richtung des Niederdruckraums 40 beaufschlagt. An ihrem düsenkörperseitigen Ende grenzt die Drosselscheibe 6 sowohl an den Druckraum 14 als auch an den Steuerraum 20. In der Drosselscheibe 6 sind sowohl eine Ablaufdrossel 1, ein Bypass 2 und eine Zulaufdrossel 3, als auch eine Hochdruckbohrung 26, die den Druckraum 14 mit dem Hochdruckkanal 25 verbindet, ausgebildet. Dabei ist der Steuerventilraum 31 über die Ablaufdrossel 1 mit dem Steuerraum 20 und über die Zulaufdrossel 3 mit dem Druckraum 14 verbunden. Weiter ist der Steuerventilraum 31 über den Bypass 2 mit dem Steuerraum 20 verbunden. Das Steuerventilglied 34 kann einerseits den Bypass 2 und die Zulaufdrossel 3 und andererseits die Verbindung des Steuerventilraums 31 zum Niederdruckraum 40 öffnen und schließen.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung ist der Niederdruckraum 40 ohne Druck oder nur auf einem sehr geringen Druckniveau, so dass durch ihn nur sehr geringe Kräfte auf das Steuerventilglied 34 ausgeübt werden. Im Steuerraum 20 und im Steuerventilraum 31 liegt ein hoher Kraftstoffdruck an, wie er auch im Hochdruckkanal 25 herrscht. Dadurch befindet sich das Steuerventilglied 34 in Anlage am ersten Steuerventilsitz 37. Durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum 20 wird auf die düsensitzabgewandte Stirnseite der Düsennadel 10 eine hydraulische Kraft in Richtung auf den Düsensitz 13 ausgeübt, der die Düsennadel 10 gegen den Düsensitz 13 drückt. Da die Düsennadel 10 in Anlage am Düsensitz 13 ist, wird der Druckraum 14 gegen die Einspritzöffnungen 12 abgedichtet, so dass kein Kraftstoff aus dem Druckraum 14 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen kann.
Soll eine Einspritzung erfolgen, wird mittels des Aktors 41 das Steuerventilglied 34 vom ersten Steuerventilsitz 37 weg in Anlage an den zweiten Steuerventilsitz 39 gedrückt. Dadurch wird zwischen der Dichtkante 50 des Steuerventilglieds 34 und dem ersten Steuerventilsitz 37 eine Verbindung aufgesteuert, die den Steuerventilraum 31 mit dem Niederdruckraum 40 verbindet. Durch die Anlage des Steuerventilglieds 34 am zweiten Steuerventilsitz 39 werden über die Dichtfläche 51 des Steuerventilglieds 34 die Zulaufdrossel 3, und damit die Verbindung des Steuerventilraums 31 zum Druckraum 14, und der Bypass 2 geschlossen. In dieser Stellung des Steuerventils 30 fällt der Druck wegen des abfließenden Kraftstoffs im Steuerventilraum 31 rasch ab. Der aus dem Steuerraum 20 über die Ablaufdrossel 1 nachströmende Kraftstoff in den Steuerventilraum 31 führt auch im Steuerraum 20 zu einem Druckabfall. Der sich im Steuerraum 20 abbauende Kraftstoffdruck führt zu einer verminderten hydraulischen Kraft auf die düsensitzabgewandte Stirnfläche der Düsennadel 10, so dass die hydraulischen Kräfte, die durch den Druck im Druckraum 14 auf die Düsennadel 10, insbesondere auf Teile der Dichtfläche 15 wirken, dazu führen, dass die Düsennadel 10 vom Düsensitz 13 abhebt und entgegen der Kraft der Schließfeder 18 in Richtung des Ventilkörpers 4 bewegt wird. Hierdurch wird zwischen der Dichtfläche 15 und dem Düsensitz 13 ein Spalt aufgesteuert, durch den Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zu den Einspritzöffnungen 12 fließt und durch die Einspritzöffnungen 12 in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Zur Beendigung der Einspritzung wird mittels des Aktors 41 das Steuerventilglied 34 zurück in Anlage an den ersten Steuerventilsitz 37 bewegt. Dadurch wird die Verbindung des Steuerventilraums 31 mit dem Niederdruckraum 40 unterbrochen. Gleichzeitig hebt die Dichtfläche 51 vom zweiten Steuerventilsitz 39 ab, so dass der Steuerventilraum 31 über die Zulaufdrossel 3 mit dem hochdruckführenden Druckraum 14 verbunden wird. Der Steuerventilraum 31 ist wiederum sowohl über die Ablaufdrossel 1 als jetzt auch über den Bypass 2 mit dem Steuerraum 20 verbunden. Dadurch baut sich in Steuerventilraum 31 und Steuerraum 20 rasch wieder ein hoher Kraftstoffdruck auf.
Bei Beendigung der Einspritzung kommt es wegen der Befüllung des Steuerraums 20 sowohl durch die Ablaufdrossel 1 als auch den Bypass 2 zu einem sehr raschen Druckanstieg im Steuerraum 20. Das Druckabbauverhalten kann über die Ablaufdrossel 1 gestaltet werden, das Druckaufbauverhalten über die Zulaufdrossel 3 und den Bypass 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008001330 A1 [0003, 0004]

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck mit einem Druckraum (14), in dem eine Düsennadel (10) längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Düsennadel (10) durch ihre Längsbewegung mit einem Düsensitz (13) zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung (12) öffnet und schließt, und wobei die Düsennadel (10) durch den Druck in einem Steuerraum (20) eine in Richtung des Düsensitzes (13) gerichtete Schließkraft erfährt, und mit einem in einem Ventilkörper (4) ausgebildeten Steuerventil (30), durch welches der Druck im Steuerraum (20) einstellbar ist, wobei das Steuerventil (30) einen mit dem Steuerraum (20) verbindbaren Steuerventilraum (31) umfasst, in dem ein Steuerventilglied (34) längsbewegbar angeordnet ist, und mit einer Ablaufdrossel (1), die den Steuerraum (20) mit dem Steuerventilraum (31) verbindet, und einer Zulaufdrossel (3), die den Druckraum (14) schaltbar mit dem Ventilraum (31) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilraum (31) durch einen Bypass (2) mit dem Steuerraum (20) verbindbar ist, wobei das Steuerventilglied (34) den Bypass (2) und die Zulaufdrossel (3) öffnen und schließen kann.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilglied (34) bei Anlage an einem ersten Steuerventilsitz (37) den Bypass (2) und die Zulaufdrossel (3) öffnet und die Verbindung zwischen dem Steuerventilraum (31) und einem Niederdruckraum (40) schließt, und bei Anlage an einem zweiten Steuerventilsitz (39) die Verbindung zwischen dem Steuerventilraum (31) und dem Niederdruckraum (40) öffnet und den Bypass (2) und die Zulaufdrossel (3) verschließt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Steuerventilsitz (39) an einer Drosselscheibe (6) ausgebildet ist und dass die Ablaufdrossel (1), der Bypass (2) und die Zulaufdrossel (3) in der Drosselscheibe (6) ausgebildet sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülse (22) den Steuerraum (20) begrenzt.