DE10305187A1

DE10305187A1 - Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, insbesondere für Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE10305187A1
Application number: DE10305187A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-02-08
Filing date: 2003-02-08
Publication date: 2004-08-19
Also published as: EP1597473A1; EP1597473B1; ATE348951T1; WO2004070191A1; JP2006521484A; US20060151638A1; DE50306076D1; CN1745241A

Abstract

Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) umfasst ein Gehäuse (30) sowie ein in diesem angeordnetes äußeres Ventilelement (42), welches eine Ausnehmung (64) aufweist. In dieser ist ein inneres Ventilelement (44) angeordnet, welches mindestens einen mit einem Ventilsitz (36) zusammenarbeitenden Dichtabschnitt (70) sowie einen mit diesem verbundenen Betätigungsabschnitt (72) aufweist. Dichtabschnitt (70) und Betätigungsabschnitt (72) weisen unterschiedliche Durchmesser auf. Es wird vorgeschlagen, dass die Ausnehmung (64) im äußeren Ventilelement (42), in welcher das innere Ventilelement (44) angeordnet ist, Abschnitte (66, 68) mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, welche an die Durchmesser der Abschnitte (70, 72) des inneren Ventilelements (44) wenigstens in etwa angepasst sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, insbesondere für Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse, mit einem in diesem Gehäuse angeordneten äußeren Ventilelement, welches eine Ausnehmung aufweist, in der ein inneres Ventilelement wenigstens bereichsweise angeordnet ist, welches mindestens einen mit einem Ventilsitz zusammenarbeitenden Dichtabschnitt und einen mit diesem verbundenen Betätigungsabschnitt aufweist, welche unterschiedliche Durchmesser aufweisen.

Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist aus der DE 30 36 583 A1 bekannt. Diese zeigt ein Einspritzventil mit zwei koaxial zueinander angeordneten Ventilelementen. Ein länglicher und vergleichsweise dünner Betätigungsabschnitt des inneren Ventilelements trägt an seinem Ende einen vergleichsweise dicken Dichtabschnitt. Die Ausnehmung im äußeren Ventilelement, in welcher das innere Ventilelement angeordnet ist, hat insgesamt einen gleichbleibenden Durchmesser.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie noch individueller an die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Brennkraftmaschine, bei der sie zum Einsatz kommt, angepasst ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Ausnehmung im äußeren Ventilelement, in welcher das innere Ventilelement angeordnet ist, Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, welche an die Durchmesser der Abschnitte des inneren Ventilelements wenigstens in etwa angepasst sind.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sind einerseits der Außendurchmesser des inneren Ventilelements und der Innendurchmesser der Ausnehmung im äußeren Ventilelement gestuft und aufeinander abgestimmt. Hierdurch können die Wandstärken beziehungsweise Querschnittsflächen der Dichtabschnitte und der Betätigungsabschnitte der Ventilelemente optimal an die gewünschten Funktionen angepasst werden. Dies ist vor allem in Anbetracht der äußerst kleinen Gesamtabmessungen (Durchmesser eines Ventilelements von höchstens ein paar Millimetern, bisweilen auch deutlich weniger) vorteilhaft.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Dichtabschnitt des inneren Ventilelements einen kleineren Durchmesser aufweist als dessen Betätigungsabschnitt. Somit kann das äußere Ventilelement einen relativ großen Dichtabschnitt aufweisen, so dass eine dort vorhandene Druckfläche ebenfalls vergleichsweise groß ist, was die hydraulische Betätigung des äußeren Ventilelements vor allem bei kleinen Drücken vereinfacht. Gleichzeitig weist der Betätigungsabschnitt des inneren Ventilelements einen dennoch so ausreichend großen Durchmesser auf, dass er eine hohe Steifigkeit besitzt.

Alternativ kann der Dichtabschnitt des inneren Ventilelements aber auch einen größeren Durchmesser aufweisen als der Betätigungsabschnitt des inneren Ventilelements. Dies hat dann Vorteile, wenn vom inneren Ventilelement relativ große Kraftstoffmengen eingespritzt werden sollen, was Kraftstoff-Austrittskanäle mit entsprechend großen Durchmessern erforderlich macht. Deren Anordnung wird erleichtert, wenn, wie vorliegend, der Dichtabschnitt des inneren Ventilelements und, in der Folge, auch der zugehörige Ventilsitz einen vergleichsweise großen Durchmesser haben. Aufgrund des vergleichsweise dünnen Betätigungsabschnitts des inneren Ventilelements kann der Betätigungsabschnitt des äußeren Ventilelements eine vergleichsweise hohe Wandstärke haben, so dass in diesem Falle das äußere Ventilelement insgesamt eine hohe Steifigkeit aufweist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das äußere Ventilelement einen unteren Führungsbereich aufweist, in dem der Dichtabschnitt des inneren Ventilelements wenigstens bereichsweise geführt ist. Der Begriff "unten" ist hier nicht absolut, sondern relativ zur Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zu verstehen. Hierdurch wird eine besonders gute Zentrierung des inneren Ventilelements erreicht, was zu optimalen und reproduzierbaren Strömungsverhältnissen bei einer Einspritzung von Kraftstoff führt.

Analog hierzu wird auch vorgeschlagen, dass das äußere Ventilelement einen oberen Führungsbereich aufweist, in dem der Betätigungsabschnitt des inneren Ventilelements wenigstens bereichsweise geführt ist (der Begriff "oben" ist hier nicht absolut, sondern relativ zur Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zu verstehen). Auch dies kommt der Zentrierung des inneren Ventilelements im äußeren Ventilelement sowie der Absenkung der Betätigungsdrücke und somit letztlich der Qualität der Kraftstoffeinspritzung zugute.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bildet ein zwischen dem Dichtabschnitt und dem Betätigungsabschnitt des inneren Ventilelements vorhandener Absatz eine Druckfläche. Dies gestattet eine gleichmäßige Verteilung der am inneren Ventilelement angreifenden hydraulischen Kräfte.

In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass in der Mantelfläche des vom oberen Führungsbereich geführten Bereichs des inneren Ventilelements und/oder in der Mantelfläche des oberen Führungsbereichs des äußeren Ventilelements in Längsrichtung verlaufende Ausnehmungen vorhanden sind. Hierdurch wird eine Druckbeaufschlagung der Druckfläche durch den Spalt zwischen dem inneren Ventilelement und dem äußeren Ventilelement und durch die Ausnehmungen im Führungsbereich ermöglicht. Auf einen separaten zusätzlichen Druckkanal kann in diesem Falle also verzichtet werden.

Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems mit mehreren Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen;
2 einen teilweisen Schnitt durch einen Bereich eines ersten Ausführungsbeispiels einer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen von 1; und
3 eine Darstellung ähnlich 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen von 1.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein Kraftstoffsystem trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es kommt in einer Brennkraftmaschine 12 zum Einsatz, welche in 1 nicht im Detail dargestellt ist.
Das Kraftstoffsystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 14, aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 16 den Kraftstoff zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 fördert. Diese komprimiert den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn in eine Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail") 20. An diese sind über Hochdruckleitungen 22 mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 24 angeschlossen, welche den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 26 einspritzen. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 24 sind über eine Niederdruck-Rücklaufleitung 28 wieder mit dem Kraftstoffbehälter 14 verbunden.
Ein dem Brennraum 26 zugewandter Bereich einer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 24 ist in 2 im Detail dargestellt:
Danach umfasst die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 ein Gehäuse 30, in dem eine Stufen-Sackbohrung 32 vorhanden ist. Diese ist über einen Kanal 34 mit der Hochdruck-Leitung 22 verbunden. Der in 2 untere Bereich der Stufen-Sackbohrung 32 verjüngt sich konisch. Er wird durch eine konische Ventilsitzfläche 36 begrenzt. In die Ventilsitzfläche 36 münden über den Umfang des Gehäuses 30 verteilt angeordnete radial äußere Kraftstoff-Austrittskanäle 38 sowie radial innere Kraftstoff-Austrittskanäle 40, welche jeweils die Gehäusewand durchsetzen.
In der Stufen-Sackbohrung 32 des Gehäuses 30 sind zwei zueinander koaxiale Ventilelemente angeordnet, nämlich ein äußeres Ventilelement 42 und ein inneres Ventilelement 44. Das äußere Ventilelement 42 wird in einem Führungsbereich 46 vom Gehäuse 30 fluiddicht geführt. Ein in 2 unterhalb des Führungsbereichs 46 vorhandener Ringraum 48 zwischen dem äußeren Ventilelement 42 und der Wand der Stufen-Sackbohrung 32 ist über den Hochdruck-Kanal 34 mit der Hochdruck-Leitung 22 verbunden. Unmittelbar unterhalb vom Führungsbereich 46 weist der Ringraum 48 eine Ausbuchtung 50 auf, auf deren Höhe am äußeren Ventilelement 42 eine in Öffnungsrichtung des äußeren Ventilelements 42 wirkende Druckfläche 52 vorhanden ist.
Das in 2 untere Ende des äußeren Ventilelements 42 ist ebenfalls konisch ausgebildet mit zwei Konusflächen 54 und 56 unterschiedlicher Konizität. Zwischen diesen ist eine Dichtkante 58 vorhanden. Die beiden Konusflächen 54 und 56 mit der Dichtkante 58 sind an einem Dichtabschnitt 60 des äußeren Ventilelements 42 vorhanden, wohingegen die Druckfläche 52 an einem Betätigungsabschnitt 62 des äußeren Ventilelements 42 vorhanden ist.
Das innere Ventilelement 44 ist in einer Stufenbohrung 64 des äußeren Ventilelements 42 aufgenommen. Die Stufenbohrung 64 weist dabei einen Abschnitt 66 mit kleinerem und einen Abschnitt 68 mit größerem Durchmesser auf. Das innere Ventilelement 44 weist im Abschnitt 68 der Stufenbohrung 64 einen Dichtabschnitt 70 auf, der einen größeren Durchmesser hat als ein Betätigungsabschnitt 72 des inneren Ventilelements 44, der im Abschnitt 66 der Stufenbohrung 64 des äußeren Ventilelements 42 angeordnet ist. Zwischen den beiden Abschnitten 70 und 72 des inneren Ventilelements 44 ist ein Absatz vorhanden, der eine ringförmige Druckfläche 74 bildet.
Der Dichtabschnitt 70 des inneren Ventilelements 44 umfasst einen Zylinderabschnitt 76, der im Abschnitt 68 der Stufenbohrung 64 fluiddicht geführt ist. Der Abschnitt 68 wird daher auch als "unterer Führungsbereich" bezeichnet. In 2 unterhalb des Zylinderabschnitts 76 umfasst der Dichtabschnitt 70 zwei Bereiche unterschiedlicher Konizität. Diese werden von einer äußeren Konusfläche 78 beziehungsweise einer inneren Konusfläche 80 begrenzt, zwischen denen eine Dichtkante 82 vorhanden ist. Bei geschlossenem inneren Ventilelement 44 liegt die Dichtkante 82 an der Ventilsitzfläche 36 des Gehäuses 30 an. Analog hierzu liegt bei geschlossenem äußeren Ventilelement 42 dessen Dichtkante 48 an der gleichen Ventilsitzfläche 36 an.
Der Betätigungsabschnitt 72 des inneren Ventilelements 44 hat zwei Bereiche 84 und 86 mit unterschiedlichen Durchmessern. Der unmittelbar an den Dichtabschnitt 70 anschließende Bereich 84 weist einen etwas kleineren Durchmesser als der Abschnitt 66 der Stufenbohrung 64 im äußeren Ventilelement 42 auf. Der Außendurchmesser des Bereichs 86 des Betätigungsabschnitte 72 entspricht dagegen in etwa dem Innendurchmesser des Abschnitts 66 der Stufenbohrung 64 im äußeren Ventilelement 42. Dieser Bereich der Stufenbohrung 62 bildet daher einen oberen Führungsbereich 88, in dem der Betätigungsabschnitt 72 des inneren Ventilelements 44 geführt ist. In den Bereich 86 des Betätigungsabschnitts 72 des inneren Ventilelements 44 sind in axialer Richtung verlaufende Nuten 90 eingebracht.
Die in 2 dargestellte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 kann hub- oder druckgesteuert oder in einer Kombination aus beiden Ansteuerprinzipien betrieben werden. Denkbar ist beispielsweise, dass das äußere Ventilelement 42 druckgesteuert arbeitet, dass eine Öffnungsbewegung des äußeren Ventilelements 42 also durch eine Druckerhöhung im Ringraum 48 bewirkt wird. Hierdurch erhöht sich die an der Druckfläche 52 und an der äußeren Konusfläche 54 angreifende hydraulische Kraft, welche schließlich entgegen einer konstanten Schließkraft zu einem Abheben der Dichtkante 58 von der Ventilsitzfläche 36 führt.
Das innere Ventilelement 44 kann hubgesteuert sein. Dies bedeutet, dass dessen Dichtkante 82 nur dann aufgrund einer konstanten Öffnungskraft von der Ventilsitzfläche 36 abhebt, wenn die an der ringförmigen Druckfläche 74 in Schließrichtung wirkende hydraulische Kraft wenigstens kurzzeitig abgesenkt wird. Dies ist möglich durch den zwischen dem Bereich 84 des Betätigungsabschnitts 72 und der Innenwand der Stufenbohrung 64 vorhandenen Ringraum und durch die Nuten 90, welche den Bereich 86 des Betätigungsabschnitts 72 des inneren Ventilelements 44 durchsetzen. Denkbar ist aber auch, dass das innere Ventilelement 44 druckgesteuert wird, dass zu einer Öffnungsbewegung des inneren Ventilelements 44 also eine entsprechende kurzzeitig erhöhte hydraulische Kraft an der äußeren Konusfläche 78 angreifen muss. In diesem Fall dient der Ringraum zwischen dem Bereich 84 des Betätigungsabschnitts 72 und der Stufenbohrung 64 sowie die Nuten 90 in dem Bereich 86 zur Druckentlastung der zwischen dem Betätigungsabschnitt 72 und dem Dichtabschnitt 70 gebildeten Druckfläche 74.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 weisen die inneren Kraftstoff-Austrittskanäle 40 einen vergleichsweise großen Durchmesser auf. Dies erfordert einen vergleichsweise großen Durchmesser im Bereich des Ventilsitzes oder, mit anderen Worten, einen großen Durchmesser des Dichtabschnitts 70 im Bereich der Dichtkante 82. Durch die gestufte Bohrung 64 im äußeren Ventilelement 42 kann dennoch eine hohe Steifigkeit des äußeren Ventilelements 42 realisiert werden.
In 3 ist eine alternative Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 dargestellt. Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen der in 2 dargestellten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im Detail erläutert.
Im Gegensatz zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel hat der Dichtabschnitt 70 des inneren Ventilelements 44 einen kleineren Durchmesser als sein Betätigungsabschnitt 72. Entsprechend hat auch der Abschnitt 66 der Stufenbohrung 64 im äußeren Ventilelement 42 einen größeren Durchmesser als der Abschnitt 68. Ferner ist der Durchmesser der inneren Kraftstoff-Austrittskanäle 40 deutlich kleiner als bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
Auf diese Weise kann der Dichtabschnitt 60 des äußeren Ventilelements 42 insgesamt größer sein, so dass auch die innere Konusfläche 56 größer sein kann. Hierdurch wird auch bei geringen Drücken im Ringraum 48 ein sicheres Öffnen des äußeren Ventilelements 42 gewährleistet. Gleichzeitig sind hohe Drücke erforderlich, um an der vergleichsweise kleinen äußeren Konusfläche 78 des inneren Ventilelements 44 jene in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft zu erzeugen, die schließlich zu einem Abheben der Dichtkante 82 von der Ventilsitzfläche 36 führt. Die hohen Kräfte können durch den vergleichsweise dicken Betätigungsabschnitt 72 des inneren Ventilelements 44 gut aufgenommen werden, dieses weist also eine ausreichende Steifigkeit aus. Durch die Nuten 90 und den Spalt zwischen dem Bereich 84 des Betätigungsabschnitts 72 des inneren Ventilelements 44 und der Innenwand der Stufenbohrung 64 kann die Druckfläche 74 dennoch in ausreichender Weise entlastet werden.

Claims

Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24), insbesondere für Brennkraftmaschinen (12) mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse (30), mit einem in diesem angeordneten äußeren Ventilelement (42), welches eine Ausnehmung (64) aufweist, in der ein inneres Ventilelement (44) wenigstens bereichsweise angeordnet ist, welches mindestens einen mit einem Ventilsitz (36) zusammenarbeitenden Dichtabschnitt (70) und einen mit diesem verbundenen Betätigungsabschnitt (72) aufweist, welche unterschiedliche Durchmesser aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (64) im äußeren Ventilelement (42), in welcher das innere Ventilelement (44) angeordnet ist, Abschnitte (66, 68) mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, welche an die Durchmesser der Abschnitte (70, 72) des inneren Ventilelements (44) wenigstens in etwa angepasst sind.
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtabschnitt (70) des inneren Ventilelements (44) einen kleineren Durchmesser aufweist als dessen Betätigungsabschnitt (72).
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtabschnitt (70) des inneren Ventilelements (44) einen größeren Durchmesser aufweist als dessen Betätigungsabschnitt (72).
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Ventilelement (42) einen unteren Führungsbereich (68) aufweist, in dem der Dichtabschnitt (70) des inneren Ventilelements (44) wenigstens bereichsweise geführt ist.
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Ventilelement (42) einen oberen Führungsbereich (88) aufweist, in dem der Betätigungsabschnitt (72) des inneren Ventilelements (44) wenigstens bereichsweise geführt ist.
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen dem Dichtabschnitt (70) und dem Betätigungsabschnitt (72) des inneren Ventilelements (44) vorhandener Absatz eine Druckfläche (74) bildet.
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mantelfläche des vom oberen Führungsbereich (88) geführten Bereichs des inneren Ventilelements (44) und/oder in der Mantelfläche des oberen Führungsbereichs des äußeren Ventilelements insgesamt in Längsrichtung verlaufende Ausnehmungen (90) vorhanden sind.