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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil zur Verwendung
bei der Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff zu einem Verbrennungsraum einer
Verbrennungskraftmaschine. Die Erfindung betrifft insbesondere ein
Einspritzventil von elektromagnetisch betätigbarer Art, das für eine Verwendung
in Kraftstoffsystemen der "common
rail"-Art geeignet
ist und angeordnet ist, um Diesel-Kraftstoff einer Verbrennungskraftmaschine
mit Druckzündung
zuzuführen.
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Ein
bekanntes Kraftstoffeinspritzventil zur Verwendung in einem derartigen
Kraftstoffsystem ist in der 1 dargestellt
und umfasst eine Ventilnadel 10, die innerhalb einer Bohrung 11 gleiten
kann. Die Nadel 10 beinhaltet eine Fläche, die dem Kraftstoffdruck
innerhalb einer Steuerkammer 12 ausgesetzt ist. Der Steuerkammer 12 wird
Kraftstoff von einem Versorgungsdurchlass 13 durch eine
Verengung 14 zugeführt,
weshalb Kraftstoff nur in einem eingeschränkten Maß in die Steuerkammer 12 einströmen kann.
Ein elektromagnetisch betätigbares
Steuerventil 15 steuert die Verbindung zwischen der Steuerkammer 12 und
einer Kammer 16, die über
einen Rückleck-Durchlass,
der bei einigen Einspritzventilen üblich ist, mit einem Niederdrucksammelreservoir verbunden.
Das Einspritzventil der 1 wird ausführlicher im Nachfolgenden beschrieben
werden.
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Es
ist wichtig, einen verlässlichen,
konstanten Betrieb des Steuerventils 15 zu erreichen, da Konstanzschwankungen
(inconsistencies) beim Betrieb des Steuerventils zu unerwünschten
Schwankungen der Menge des eingespritzten Kraftstoffs sowie in der
zeitlichen Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung führen können. Von
anderen identischen Einspritzventilen können über den gemeinsamen Rückführungsdurchlass
Druckwellen in die Steuerkammer 16 übertragen werden. Offensichtlich
kann die Wirkung von Druckwellen auf die Kammer 16 die Leistungsfähigkeit
des Ventils beeinträchtigen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Einspritzventil zu schaffen,
in der dieser Nachteil gemindert oder verhindert wird.
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Die
Druckschrift
EP 0908618 ,
die nach dem Prioritätsdatum
der Anmeldung allerdings vor dem Erteilungsdatum (seling date) veröffentlicht
wurde, zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer Dämpfungsanordnung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzventil geschaffen, umfassend
eine innerhalb einer Bohrung gleitbare Ventilnadel, wobei eine mit
der Ventilnadel verbundene oder ihr zugeordnete Fläche dem
Kraftstoffdruck innerhalb einer Steuerkammer ausgesetzt ist, ein
elektromagnetisch betätigbares
Steuerventil, das die Verbindung zwischen der Steuerkammer und einer
Niederdruckkammer steuert, und eine Dämpfungsanordnung, die angeordnet
ist, um auf die Niederdruckkammer aufgebrachte Druckwellen zu dämpfen, dadurch
gekennzeichnet, dass das Steuerventil ein Ventilelement aufweist,
welches in einem Ventilgehäuse
bewegbar ist und dass die Bohrung über einen Versorgungsdurchlass
mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt wird, wobei
sich ein Teil des Versorgungsdurchlasses angrenzend zu dem Steuerventil befindet
und durch das Ventilgehäuse
hindurchführt.
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Die
Dämpfungsanordnung
umfasst in geeigneter Weise ein Volumen, das mit der Niederdruckkammer
verbunden ist und während
des Gebrauches Gas enthält.
Das Gas, beispielsweise Luft, Kraftstoffdampf oder eine Mischung
daraus, ist einfach kompressibel und dient dazu, Druckwellen, die
auf die Niederdruckkammer wirken, zu dämpfen.
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Das
Volumen ist in geeigneter Weise durch eine Blindbohrung definiert,
die während
des Gebrauches mit ihrem Sackende nach oben orientiert ist, um das
Gas darin zu halten. Die Bohrung erstreckt sich in geeigneter Weise
angrenzend an einen Teil des Betätigungsmittels
für das
Steuerventil.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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die 1 eine
Schnittansicht zeigt, die ein Kraftstoffeinspritzventil darstellt,
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die 2 eine
einen Teil des Einspritzventils der 1 darstellende
Ansicht zeigt, und
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die 3 eine
zu der 2 ähnliche
Ansicht zeigt, die einen Teil des Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Wie
zuvor kurz beschrieben wurde, umfasst das teilweise in den 1 und 2 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil
eine Ventilnadel, die innerhalb einer Bohrung 11 gleiten
kann. Die Bohrung 11 besitzt die Form einer in einem Düsenkörper 17 ausgebildeten
Blindbohrung. Angrenzend an das Sackende der Bohrung 11 ist
eine Mehrzahl von Auslassöffnungen
(nicht dargestellt) vorgesehen. Die Bohrung 11 ist so geformt,
dass sie einen Dichtsitz bildet, mit dem die Nadel 11 in
Eingriff gelangen kann, um die Verbindung zwischen dem Bereich der
Bohrung 11 oberhalb des Dichtsitzes und den Auslassöffnungen
zu steuern.
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Während des
Gebrauches wird der Bohrung 11 unter hohem Druck stehender
Kraftstoff durch den Versorgungsdurchlass 13 zugeführt, wobei
der Versorgungsdurchlass 13 mit einer Kraftstoffquelle
in Form einer gemeinsamen Leitung (common rail) verbunden ist, die
während
des Betriebs mittels einer geeigneten Kraftstoffpumpe mit Kraftstoff
unter einem hohen Druck beschickt wird. Wie in der 1 dargestellt
ist, ist der Versorgungsdurchlass 13 so geformt, dass er
einen Bereich 18 von verringertem Durchmesser ausbildet,
wobei durch den Bereich 18 die Menge, in der Kraftstoff
durch den Versorgungsdurchlass 13 in Richtung der Bohrung 11 strömen kann,
begrenzt wird.
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Der
Düsenkörper 17 stößt gegen
ein Distanzstück 19,
das so geformt ist, dass es eine Ausnehmung umfasst, die die Steuerkammer 12 bildet, wobei
eine obere Endfläche
der Nadel 10 dem Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 12 ausgesetzt
ist. Wie zuvor beschrieben wurde, ist die Steuerkammer 12 über eine
Verengung 14 mit dem Versorgungsdurchlass 13 verbunden.
In der Steuerkammer 12 ist eine Feder 20 angeordnet,
wobei die Feder 20 eine vorspannende Kraft auf die Nadel 10 ausübt, die
die Nadel 10 in einen Eingriff mit dem Dichtsitz bringt.
Die Ausnehmung, die die Steuerkammer 12 bildet, ist so geformt,
dass sie einen inneren Vorsprung bildet, der als Hubbegrenzung dient,
um die Strecke, über
die die Nadel 10 von ihrem Dichtsitz abheben kann, zu steuern.
Innerhalb des Vorsprungs ist eine Bohrung 21 vorgesehen,
wobei die Bohrung 21 über
eine weitere Bohrung 22 mit einer Fläche des Distanzstückes 19 verbunden
ist, die von dem Düsenkörper 17 entfernt
ist.
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Das
von dem Düsenkörper 17 entfernte Ende
des Distanzstückes 19 stößt gegen
ein Ventilgehäuse 23,
das mit einer Durchgangsbohrung 24 versehen ist, innerhalb
der ein Ventilelement 25 bewegbar ist. Das Ventilelement 25 bildet
einen Teil des elektromagnetisch betätigten Steuerventils 15 aus. Das
Ventilelement 25 ist so geformt, dass es einen Bereich
von geringerem Durchmesser aufweist als der angrenzende Teil der
Bohrung 24, der eine ringförmige Kammer definiert und über Durchlässe 26 mit der
Bohrung 22 und damit mit der Steuerkammer 12 verbunden
ist. Das Ventilelement 25 beinhaltet einen Bereich eines
vergrößerten Durchmessers,
der mit einem an einem Ende der Bohrung 24 angrenzenden Sitz
in Eingriff gelangen kann, um die Verbindung zwischen den Durchlässen 26 und
der unteren Druckkammer 16 zu steuern. Wie in der 2 dargestellt
ist, ist die Niederdruckkammer 16 mit einem Rückführungsdurchlass 27 verbunden,
der in einem Betätigungsmittelgehäuse 28 vorgesehen
ist, das gegen die Fläche
des Ventilgehäuses 23 entfernt
von dem Distanzstück 19 stößt. Der
Rückführungsdurchlass 27 ist
während
des Gebrauches mit einem Rückleck-Durchlass
(nicht dargestellt) verbunden, wobei der Rückleck-Durchlass in sämtlichen
der mit dem Motor verbundenen Einspritzventilen vorliegt und des Weiteren
mit einem Niederdruckkraftstoffreservoir, beispielsweise einem Kraftstofftank,
verbunden ist.
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In
der Kammer 16 ist ein Anker 29 vorgesehen, wobei
der Anker 29 an dem Ventilelement 25 befestigt
ist und unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Betätigungsmittels 30,
das in einer in dem Betätigungsmittelgehäuse 28 vorgesehenen
Bohrung angeordnet ist, bewegt werden kann. Das Betätigungsmittel 30 beinhaltet
eine Rückholfeder,
die dazu bestimmt ist, das Ventilelement 25 in einen Eingriff
mit seinem Dichtsitz vorzuspannen.
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Das
untere Ende des Ventilelementes 25 erstreckt sich in eine
Kammer 31, die zwischen dem Ventilgehäuse 23 und dem Distanzstück 19 ausgebildet
ist, wobei die Kammer 31 über einen (nicht dargestellten)
Durchlass mit einem entsprechenden Niederdruckkraftstoffreservoir
verbunden ist.
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Zur
Befestigung des Düsenkörpers 17,
des Distanzstückes 19 und
des Ventilgehäuses 23 an dem
Betätigungsmittelgehäuse 28 wird
in üblicher Weise
eine Kappenmutter 32 verwendet.
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Wie
zuvor beschrieben wurde, ist der Versorgungsdurchlass 13 dazu
bestimmt, Kraftstoff unter hohem Druck aufzunehmen. Vorausgesetzt,
dass das Betätigungsmittel 30 nicht
energetisiert ist und somit das Ventilelement in seinen Dichtsitz
eingreift, wird verstanden werden, dass dann sowohl die Bohrung 11 als
auch die Steuerkammer 12 einen hohen, darauf wirkenden
Kraftstoffdruck besitzen. Der Kraftstoffdruck in der Bohrung 11 übt eine
Kraft auf in geeigneter Weise gewinkelte Druckflächen 10a der Nadel 10 aus,
die die Nadel 10 von ihrem Sitz fort drängt. Der Wirkung des Kraftstoffs
auf die Druckflächen 10a wirkt
die Wirkung des unter Druck stehenden Kraftstoffes innerhalb der
Steuerkammer 12 und die Wirkung der Feder 20 entgegen.
Der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 12, der über einen
verhältnismäßig großen effektiven
Bereich der Nadel 12 wirkt, ist in Kombination mit der
Wirkung der Feder 20 ausreichend, um sicherzustellen, dass
die Ventilnadel 10 in Eingriff mit ihrem Dichtsitz bleibt.
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Wenn
die Einspritzung beginnt, wird das Betätigungsmittel 30 energetisiert
und zwingt der Anker 29 und das Ventilelement 25,
sich gegen die Wirkung der Feder 33 des Betätigungsmittels 30 zu
bewegen, wodurch das Ventilelement 25 von seinem Dichtsitz abgehoben
wird. Im Ergebnis kann Kraftstoff von der Steuerkammer 12 in
die Kammer 16 gelangen, die, wie zuvor beschrieben wurde,
auf Grund ihrer Verbindung mit dem Niederdruckreservoir durch den
Rückführungsdurchlass 27 und
den Rückleck-Durchlass unter einem
verhältnismäßig geringen
Druck steht. Da Kraftstoff lediglich in einem geringen Maß durch die
Verengung 14 in Richtung der Kammer 12 strömen kann,
ist zu verstehen, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 12 absinkt
und im Ergebnis die auf die Nadel 10 ausgeübte Kraft,
die die Nadel 10 in Richtung ihres Dichtsitzes drängt, ebenfalls
absinkt. Nachfolgend wird ein Punkt erreicht werden, an dem der
auf die Druckflächen 10a wirkende
Kraftstoffdruck ausreichend ist, um die Ventilnadel 10 von
ihrem Dichtsitz abzuheben, wodurch ermöglicht wird, dass Kraftstoff von
der Bohrung 11 über den
Dichtsitz in die Auslassöffnungen
und in den Verbrennungsraum strömen
kann, mit dem das Einspritzventil verbunden ist.
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Da
Kraftstoff in einem eingeschränkten
Maß durch
die Verengung 18 in Richtung der Bohrung 11 strömen kann
und Kraftstoff aus der Bohrung 11 entkommen kann, indem
er durch die Auslassöffnungen eingespritzt
wird, wird zu verstehen sein, dass der Kraftstoffdruck innerhalb
der Bohrung 11 während des
Einspritzens von Kraftstoff absinkt und daher die Größe der die
Ventilnadel 10 von ihrem Dichtsitz fort drängenden
Kraft verringert wird.
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Um
die Einspritzung zu beenden, wird das Betätigungsmittel 30 deenergetisiert,
wodurch das Ventilelement 25 unter der Wirkung der Feder
des Betätigungsmittels 30 in
einen Eingriff mit seinem Dichtsitz zurückkehrt. Im Ergebnis ist der
Kraftstoff nicht in der Lage, aus der Steuerkammer 12 in
die Niederdruckkammer 16 zu gelangen. Da Kraftstoff durch
die Verengung 14 zu der Kammer 12 strömen kann,
wird der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 12 ansteigen
und daher die die Nadel 10 in einen Eingriff mit ihrem
Dichtsitz drängende
Kraft ansteigen. Es wird ein Punkt erreicht werden, nach dem sich
die Nadel 10 auf Grund des Kraftstoffdrucks innerhalb der
Steuerkammer 12 und der Wirkung der Feder 20,
die die Wirkung des Kraftstoff-Unterdruckes auf die Druckfläche 10a überwinden,
in einen Eingriff mit ihrem Dichtsitz bewegt. Nachdem die Nadel
sich in einen Eingriff mit ihrem Dichtsitz bewegt hat, endet die
Einspritzung des Kraftstoffs. Da während des Einspritzens der
Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrung 11 absinkt, wird
die Beendigung der Einspritzung in vorteilhafter Weise schneller
auftreten, als dies anderenfalls der Fall sein würde. Zusätzlich ist es vorteilhaft,
dass eine erneute Druckbeaufschlagung der Steuerkammer 12 verhältnismäßig schnell erreicht
werden kann, da der innere Vorsprung, der als Hubbegrenzung dient,
das Volumen der Steuerkammer 12 verringert, wodurch ein
schnelles Schließen
der Ventilnadel 10 unterstützt wird.
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Wie
zuvor erläutert
wurde, ist die Niederdruckkammer 16 mit einem gemeinsamen
Rückleck-Durchlass
verbunden. Im Ergebnis besteht ein Risiko, das der Betrieb von anderen
Einspritzventilen, die mit dem Motor verbunden sind, zu Druckwellen
führen
kann, die über
den Rückleck-Durchlass und
den Rückführungsdurchlass 27 zur
Niederdruckkammer 16 übertragen
werden, und dass die Wirkung der Druckwellen auf das Ventilelement 25 und den
Anker 29 den Betrieb des Steuerventils 15 behindern
kann, so dass sich das Steuerventil 15 bei einer Energetisierung
des Betätigungsmittels 30 nicht
sofort öffnet
oder dass sich das Steuerventil frühzeitig öffnet. In ähnlicher Weise kann eine Bewegung
des Ventilelementes 25 in einen Eingriff mit seinem Dichtsitz
behindert werden.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird eine Dämpfungsanordnung
geschaffen, die zusammen mit der Niederdruckkammer 16 Druckwellen dämpft und
daher das Risiko verringert, dass der Betrieb des Steuerventils 15 beeinträchtigt wird.
In der in der 3 dargestellten Ausführungsform
umfasst die Dämpfungsanordnung
ein Volumen 33, das durch eine Blindbohrung 34,
die sich angrenzend an das Betätigungsmittel 30 erstreckt
und mit der Niederdruckkammer 16 verbunden ist, gebildet
ist. Die Orientierung der Blindbohrung 34 ist derart, dass
während
des Gebrauches Luft oder Kraftstoffdampf oder eine Mischung daraus
in der Bohrung 34 eingeschlossen wird. Das Ventil wird
in einer vertikalen Ebene betrieben und die Bohrung ist kontinuierlich gefüllt, indem
Verbrennungsgasblasen (fire bubbles) eingeschlossen werden, die
während
der starken Verdichtung des Kraftstoffs, die innerhalb der Kammer 16 auftritt,
abgetrennt werden. Da derartige Gase einfach zu verdichten sind,
werden über
den Rückführungsdurchlass 27 auf
die Kammer 16 übertragene
Druckwellen in einem großen
Maß durch
das Vorliegen der kompressiblen Gase innerhalb des Volumens 33 gedämpft. Die
Dämpfung
der auf die Niederdruckkammer 16 wirkenden Druckwellen
verringert das Risiko, dass die Leistung des Steuerventils 15 beeinträchtigt wird
und dass im Ergebnis folgerichtig ein verlässlicher Betrieb des Einspritzventils einfacher
erreicht werden kann.
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Obwohl
in der obigen Beschreibung die Dämpfungsanordnung
eine Blindbohrung umfasst, die sich angrenzend an das Betätigungsmittel 30 erstreckt,
ist zu beachten, dass andere Techniken verwendet werden können, um
die Wirkung von Druckwellen auf die Niederdruckkammer 16 zu
dämpfen.