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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Aufgrund von immer strenger werdenden gesetzlichen Vorschriften (beispielsweise Abgasnormen) bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, ist es erforderlich, verschiedene Maßnahmen vorzunehmen, die zum Senken der Schadstoffemissionen beitragen. Ein möglicher Ansatzpunkt hierbei ist es, den Betrieb von Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine zu optimieren.
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Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Einspritzventil zu beschreiben, welches einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine offenbart. Das Einspritzventil weist einen Injektorkörper mit einem Fluidzulauf und einem Fluidablauf auf. Weiterhin weist das Einspritzventil einen Düsenkörper mit einer mit dem Fluidzulauf hydraulisch gekoppelten Ausnehmung auf, in welcher eine Düsennadel axial beweglich angeordnet ist. Die Düsennadel unterbindet in einer Schließstellung einen Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung des Düsenkörpers und gibt diesen ansonsten frei. Des Weiteren weist das Einspritzventil einen Steuerraum auf, der hydraulisch mit dem Fluidzulauf und der Düsennadel gekoppelt ist. Das Einspritzventil weist zudem ein Steuerventil mit einem Ventilkörper und einem Ventilraum auf. Der Ventilraum ist hydraulisch mit dem Steuerraum gekoppelt. Abhängig von einer Schließstellung des Ventilkörpers ist der Ventilraum mit dem Fluidablauf hydraulisch koppelbar. Weiterhin ist ein Aktor vorgesehen, der über zwei axial beweglich geführte Kolben mit dem Ventilkörper zum Betätigen des Steuerventils gekoppelt ist. Zwischen beiden Kolben ist ein Volumen begrenzt, welches über einen Dichtspalt hydraulisch mit dem Fluidablauf derart gekoppelt ist, dass der Dichtspalt im dynamischen Betrieb des Einspritzventils im Wesentlichen einen Fluidaustausch zwischen dem Volumen und dem Fluidablauf unterbindet. In dem Volumen ist ein erstes Federelement angeordnet, welches auf beide Kolben jeweils eine Kraft ausübt, so dass der erste Kolben gegen den Aktor und der zweite Kolben in Richtung des Ventilkörpers gedrückt werden.
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Erfindungsgemäß drückt das erste Federelement die beiden Kolben auseinander. Dadurch wird der erste Kolben immer gegen den Aktor gedrückt und steht somit in einer direkten mechanischen Wirkverbindung mit diesem. Der zweite Kolben wird in Richtung des Ventilkörpers gedrückt und steht somit mit diesem ebenfalls in direkter Wirkverbindung. Bei Betätigung des Aktors findet nun kein oder nahezu kein Leerhub statt. Mit anderen Worten ist die Betätigung des Ventilköpers über die beiden Kolben und das dazwischen befindliche hydraulische Volumen somit nahezu spielfrei. Dadurch trägt das Einspritzventil dazu bei, dass zur Betätigung des Ventilkörpers nicht beispielsweise bis zu 20 µm Hub verloren gehen. Somit wird im Vergleich zu einem leerhubbehafteten Aktor zu einem geringeren Gesamtaktorhub und zu einer geringeren Ansteuerenergie des Aktors beigetragen.
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Durch die Kopplung des Volumens über den Dichtspalt mit dem Fluidablauf weist das Einspritzventil einen hydraulischen Spielausgleich auf. Dadurch werden Längenänderungen des Aktors kompensiert. Die Längenänderungen entstehen beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Wärmesenken und Wärmequellen, Polarisationsänderungen und/oder Verschleiß des Aktors. Dadurch wird beispielsweise verhindert, dass bei nicht angesteuertem Aktor das Steuerventil offen steht. Der Dichtspalt ist dabei so bemessen, dass im dynamischen Betrieb des Einspritzventils ein Fluidaustausch zwischen dem Volumen und dem Fluidablauf unterbunden ist, insbesondere im Wesentlichen unterbunden. Mit anderen Worten ist die Kraftübertragung nahezu steif. Längerfristige, (quasi-)statische Änderungen wie die oben beschriebenen Längenänderungen des Piezoaktors werden jedoch ausgeglichen, wobei sich das Volumen zwischen den beiden Kolben durch Abfluss oder Zufluss von Fluid über den Dichtspalt verändert. Durch den hydraulischen Spielausgleich wird zudem zu einer hohen Einspritzgenauigkeit und einer präzisen Steuerbarkeit des Einspritzventils beigetragen. Insbesondere lässt sich eine Einspritzmenge des Fluids, die von der Bewegung der Düsennadel abhängig ist, besonders gut steuern.
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Die beschriebene Ausgestaltung des Einspritzventils trägt unter anderem dazu bei, dass eine Dichtmembran zum Abdichten des Aktors beziehungsweise eines Aktorraumes um den Aktor vermieden werden kann. Dabei muss aber ein Abdichten des Aktors gegenüber Fluid sichergestellt werden, das beispielsweise mittels einer Wellenfeder realisierbar ist, die um den Aktor angeordnet ist. Weiterhin kann auf eine Invarhülse verzichtet werden, mittels welcher die Längenänderungen eines insbesondere leerhubbehafteten Aktors zumindest teilweise kompensiert werden könnten. Dadurch können Herstellungs- und Materialkosten eingespart werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind der erste Kolben und der zweite Kolben in eine Bohrung eingepasst, wobei sich zwischen der Bohrung und den beiden Kolben der Dichtspalt ausbildet. Die Bohrung stellt eine sichere Führung der beiden Kolben dar und ermöglicht eine besonders gute Kraftübertragung von dem Aktor auf die beiden Kolben.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Bohrung als Stufenbohrung ausgebildet und der erste Kolben und der zweite Kolben weisen unterschiedliche Durchmesser auf. Durch das Vorsehen verschiedener Durchmesser können Kraft- und/oder Hubübersetzungen eingestellt werden.
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Bevorzugt weist der erste Kolben einen größeren Durchmesser als der zweite Kolben auf. Auf diese Weise ist es möglich, einen relativ kleinen Hub des Piezoaktors in einen größeren Hub zur Betätigung des Ventilkörpers zu übersetzen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Bohrung in eine Ventilplatte des Einspritzventils eingebracht. Dadurch ist keine separate Führung der Kolben notwendig. Insbesondere müssen keine weiteren Komponenten, wie beispielsweise Hülsen, vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Dichtspalt in etwa 1 µm. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise ein Bereich des Dichtspalts von 1 µm bis 2 µm vorteilhaft und einfach realisierbar. Dadurch ist die oben beschriebene Funktion des hydraulischen Spielausgleichs besonders gut verwirklichbar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist ein zweites Federelement vorgesehen, welches sich an dem Injektorkörper abstützt und derart an einem Federteller des ersten Kolbens angreift, dass das zweite Federelement eine Kraft auf den ersten Kolben in Richtung des Aktors ausübt. Das zweite Federelement trägt dazu bei, dass der erste Kolben sicher mit dem Aktor in Kontakt steht und somit kein Spiel vorliegt. Dadurch wird zum Vermeiden des Leerhubs des Aktors beigetragen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das erste Federelement derart ausgebildet, dass eine auf den zweiten Kolben ausgeübte Kraft des ersten Federelements nicht größer als eine Schließkraft einer Ventilfeder, welche die Ventilfeder in einer Schließrichtung des Steuerventils ausübt. Dadurch ist sichergestellt, dass mittels des ersten Federelements das Steuerventil nicht unfreiwillig geöffnet wird.
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Weitere Vorteile und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren beschrieben.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Einspritzventils und
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2 eine vergrößerte Schnittansicht des Einspritzventils.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Einspritzventils 1. Das Einspritzventil 1 hat einen Injektorkörper 2, in welchem ein Fluidzulauf 3 ausgebildet ist. Der Fluidzulauf 3 ist mit einem Krafthochdruckspeicher, wie beispielsweise einem sogenannten Common-Rail, hydraulisch gekoppelt und wird somit mit einem unter Druck stehenden Kraftstoff versorgt. Bei dem Druck handelt es sich beispielsweise um bis zu 2500 bar oder mehr. Der Begriff "Fluid" kann einen Kraftstoff beziehungsweise Brennstoff, beispielsweise einen Diesel- oder Benzinkraftstoff umfassen. Der Begriff kann allerdings auch andere Stoffe, beispielsweise organische Verbindung wie Harnstoff, umfassen.
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Das Einspritzventil 1 hat einen Düsenkörper 4, in welchem eine Ausnehmung 5 ausgebildet ist. In der Ausnehmung 5 ist eine Düsennadel 6 axial beweglich bezüglich einer zentralen Längsachse der Düsennadel 6 angeordnet. Die Düsennadel 6 sitzt in einer Schließstellung nahe einer Spitze des Düsenkörpers 4 auf einem zugehörigen Nadelventilsitz auf und verhindert einen Fluidfluss durch eine oder mehrere Einspritzöffnungen 7. Hebt die Düsennadel 6 von dem Nadelventilsitz ab, so ist ein Fluidfluss freigegeben. Die Düsennadel 6 ist über eine Düsenfeder 20 vorgespannt. Der Düsenkörper 4 ist über eine Düsenspannmutter 18 mit dem Injektorkörper 2 mechanisch verbunden. Weiterhin ist eine Brennraumdichtung 19 vorgesehen. Die Ausnehmung 5 und die Düsennadel 6 sind hydraulisch über eine Düsenblende 22 mit dem Fluidzulauf 3 gekoppelt. Die Düsenblende 22 ist in eine Drosselplatte 17 eingebracht. Es ist aber auch möglich, dass die Düsenblende 22 in einer anderen Lage des Fluidzulaufs angeordnet ist.
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Das Einspritzventil 1 weist weiterhin einen Steuerraum 8 auf, welcher hydraulisch über eine Zulaufdrossel 21 der Drosselplatte 17 mit dem Fluidzulauf 3 gekoppelt ist. Weiterhin ist der Steuerraum 8 hydraulisch mit der Düsennadel 6 gekoppelt. Der Steuerraum 8 ist zudem mit einem Ventilraum 11 eines Steuerventils 9 hydraulisch über eine Ablaufdrossel 23 der Drosselplatte 17 gekoppelt. Das Steuerventil 9 ist in einer Ventilplatte 16 angeordnet und wird als Servoventil bezeichnet. Das Steuerventil 9 hat einen Ventilkörper 10, der in dem Ventilraum 11 axial beweglich bezüglich einer zentralen Längsachse des Ventilkörpers 10 angeordnet ist. In einer Schließstellung des Steuerventils 9 sitzt der Ventilkörper 11 auf einem zugehörigen Ventilsitz auf und unterbindet einen Fluidfluss aus dem Ventilraum 11 zu einem Fluidablauf 13. Der Fluidablauf 13 ist mit einem Niederdruckbereich, wie beispielsweise mit einem Kraftstofftank, hydraulisch gekoppelt. Im Regelfall herrscht ein Gegendruck von zirka 8 +/– 2 bar im Fluidablauf 13 vor.
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Das Einspritzventil 1 weist einen Aktor 12 auf, welcher als Piezoaktor ausgebildet ist. Alternativ können auch andere Materialien, wie ein magnetostriktives Material, für den Aktor 12 verwendet werden. Der Aktor 12 ist in den Injektorkörper 2 integriert und hat eine Aktorbodenplatte 14. Weiter ist eine Invarhülse 15 vorgesehen, über welche der Aktor 12 in dem Injektorkörper 2 abgestützt ist. Über die Aktorbodenplatte 14 ist der Aktor 12 mit dem Steuerventil 9, insbesondere mit dem Ventilkörper 10, zum Betätigen dieses gekoppelt.
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Zu Beginn eines Einspritzvorgangs ist das Einspritzventil 1 geschlossen. Über den Fluidzulauf 3 sind die Ausnehmung 5, der Steuerraum 8 und der Ventilraum 11 vollständig mit Fluid unter hohem Druck gefüllt. Ebenso ist der Fluidablauf 13 mit Fluid im Niederdruckbereich gefüllt. Durch ein Kräfteverhältnis, das auf dem Ventilkörper 10 des Steuerventils 9 wirkt, befindet sich der Ventilkörper 10 in der Schließposition. Durch ein weiteres Kräfteverhältnis befindet sich die Düsennadel 6 ebenfalls in der Schließposition.
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Wird der Aktor 12 mit Spannung beaufschlagt, so dehnt sich der Aktor 12 aus und betätigt das Steuerventil 9. Dadurch wird das Steuerventil 9 geöffnet, sodass der Druck im Ventilraum 11 absinkt. Beispielsweise sinkt der Druck auf einen Bruchteil des anliegenden Drucks durch den Fluidzulauf 3 ab. Dies betrifft zum Beispiel einen anliegenden Raildruck eines Common-Rail. Durch diesen Druckabfall fließt Fluid über die Ablaufdrossel 23 in den Ventilraum 11 ab. Gleichzeitig fließt weniger Fluid über die Zulaufdrossel 21 in den Steuerraum nach, sodass der Druck in dem Steuerraum 8 ebenfalls sinkt, jedoch weniger stark als im Vergleich zu dem Ventilraum 11. Beispielsweise sinkt der Druck auf 1300 bis 1400 bar. Dies sorgt dafür, dass das auf die Düsennadel 6 wirkende Kräfteverhältnis verändert wird, sodass die Düsennadel 6 von ihrem zugehörigen Nadelventilsitz abhebt und Fluid durch die Einspritzöffnung 7 austritt.
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Wird der Aktor 12 entladen, schließt das Steuerventil 9 wieder, wobei der Ventilkörper 10 wieder in seinen Ventilsitz gedrückt wird. Dadurch baut sich der Druck im Ventilraum 11, in dem Steuerraum 8 sowie in der Ausnehmung 5 wieder auf. Das auf die Düsennadel 6 wirkende Kräfteverhältnis sorgt dafür, dass die Düsennadel 6 wieder in ihre Schließposition bewegt wird.
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Bei dem Einspritzventil 1 sind der eingangs erwähnte Leerhub vermieden und ein hydraulisches Spielausgleich vorgesehen. Dies wird anhand der 2 detailliert beschrieben.
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2 zeigt eine schematische, vergrößerte Schnittansicht des Einspritzventils 1. Insbesondere sind die Ventilplatte 16 sowie die Drosselplatte 17 dargestellt. Weiterhin sind teilweise der Steuerraum 8 sowie ein unterer Bereich des Aktors 12 mit der Aktorbodenplatte 14 dargestellt. Zur Betätigung des Ventilkörpers 10 mittels des Aktors 12 sind ein erster Kolben 24 und ein zweiter Kolben 25 vorgesehen. Diese sind in eine Bohrung 29 in der Ventilplatte 16 axial beweglich eingepasst. Im Ausführungsbeispiel fallen zentrale Längsachsen des Aktors 12 und der beiden Kolben 24 beziehungsweise 25 zusammen. Der erste Kolben 24 ist dem Aktor 12 zugewandt, während der zweite Kolben 25 dem Ventilkörper 10 zugewandt ist. Die beiden Kolben 24 beziehungsweise 25 sind beispielsweise im Wesentlichen aus Stahl ausgebildet, es sind aber auch andere Materialien oder Materialkombinationen möglich.
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Zwischen den beiden Kolben 24 und 25 ist ein erstes Federelement 26 vorgesehen. Das erste Federelement 26 ist beispielsweise eine Tellerfeder. Aber auch andere Federarten sind denkbar. Das erste Federelement 26 ist so vorgespannt, dass dieses die beiden Kolben 24 und 25 auseinanderdrückt. Dadurch ist der erste Kolben 24 in direktem Kontakt mit der Aktorbodenplatte 14 des Aktors 12. Zusätzlich ist der zweite Kolben 25 in direkter Wirkverbindung mit dem Ventilkörper 10. Des Weiteren ist ein optionales zweites Federelement 27 vorgesehen, was zwischen einem Federteller 28 des ersten Kolbens und der Ventilplatte 16 vorgespannt ist. Das zweite Federelement 27 übt eine Kraft auf den ersten Kolben 24 in Richtung des Aktors 12 aus. Dadurch wird der erste Kolben 24 weiter in Richtung des Aktors 12 unterstützend gedrückt. Mittels der beiden Federelemente 26 und 27 werden der erste Kolben 24 kraftschlüssig gegen die Aktorbodenplatte 14 und der zweite Kolben 25 kraftschlüssig gegen den Ventilkörper 10 gedrückt.
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Weiterhin ist zwischen den beiden Kolben 24 und 25 ein Volumen 31 ausgebildet, welches mit Kraftstoff des Fluidablaufs 13 vollständig gefüllt ist. Das Volumen 31 ist über einen Dichtspalt 30, welcher zwischen der Bohrung 29 und den beiden Kolben 24 und 25 ausgebildet ist, mit Kraftstoff beziehungsweise Fluid gefüllt. Das Füllen des Volumens 31 mit Fluid wird über den Gegendruck von zirka 8 +/– 2 bar in dem Fluidablauf 13 sichergestellt. Der Dichtspalt 30 beträgt im Ausführungsbeispiel 1 µm.
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Wird nun der Aktor 12 betätigt, so wird über den ersten Kolben 24 und das mit Fluid gefüllte Volumen 31 der zweite Kolben 25 bewegt und somit der Ventilkörper 10 von seinem Ventilsitz abgehoben. Dadurch wird das Steuerventil 9 geöffnet. Bei Betätigung des Aktors 12 wird somit im Wesentlichen ohne Leerhub und Spiel direkt eine Kraftübertragung auf den Ventilkörper 10 erzeugt. Eingangs erwähnte Längenänderungen des Aktors 12 werden über das Volumen 31 und die darin befindliche Feder 26 ausgeglichen. Der hydraulische Spielausgleich wird dadurch erreicht, dass der Dichtspalt 30 so ausgebildet ist, dass im dynamischen Betrieb des Einspritzventils, das heißt bei Betätigung des Piezoaktors 12, der Dichtspalt 30 nahezu dicht ist und somit die Kopplung zwischen dem Ventilkörper 10 und dem Aktor 12 nahezu steif ist. Bewegungen über einen längeren Zeitraum, wie beispielsweise die erwähnten Temperaturausdehnungen und der Verschleiß des Aktors 12, werden dadurch kompensiert, dass über den Dichtspalt 30 Fluid in das Volumen 31 nachfließt oder aus diesem abfließt. Das trägt zu einem effizienteren Hub des Aktors 12 bei. Weiterhin werden vom Motorbetrieb abhängige und schwankende Leerhübe des Aktors 12 kompensiert. Dadurch wird insgesamt eine stabile Funktion des Einspritzventils 1 sichergestellt. Weiterhin können somit Geräusche und Motorlaufunruhen vermieden werden.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auf die im Ausführungsbeispiel gezeigte Invarhülse 15 zur Abdichtung des Aktors 12 verzichtet werden kann. Aufgrund des beschriebenen hydraulischen Spielausgleichs ist die Invarhülse 15 nicht mehr zwingend notwendig.
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Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass auf das zweite Federelement 27 verzichtet werden kann. Dies ist abhängig von der Auslegung des ersten Federelements 26. Insgesamt ist jedoch sicherzustellen, dass die auf den zweiten Kolben 25 wirkende Kraft des ersten Federelements 26 nicht größer sein darf als eine Kraft einer Ventilfeder 32, welche auf dem Ventilkörper 10 zum Schließen des Steuerventils 9 ausgeübt wird. Die Ventilfeder 32 dient insbesondere dazu, das Steuerventil 9 auch bei einem drucklosen Einspritzventil 1 sicher zu schließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einspritzventil
- 2
- Injektorkörper
- 3
- Fluidzulauf
- 4
- Düsenkörper
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Düsennadel
- 7
- Einspritzöffnung
- 8
- Steuerraum
- 9
- Steuerventil
- 10
- Ventilkörper
- 11
- Ventilraum
- 12
- Aktor
- 13
- Fluidablauf
- 14
- Bodenplatte
- 15
- Invarhülse
- 16
- Ventilplatte
- 17
- Drosselplatte
- 18
- Düsenspannmutter
- 19
- Brennraumdichtung
- 20
- Düsenfeder
- 21
- Zulaufdrossel
- 22
- Düsenblende
- 23
- Ablaufdrossel
- 24
- erster Kolben
- 25
- zweiter Kolben
- 26
- erstes Federelement
- 27
- zweites Federelement
- 28
- Federteller
- 29
- Bohrung
- 30
- Dichtspalt
- 31
- Volumen
- 32
- Ventilfeder
