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Diese
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil zur Verwendung
bei der Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff an dem Verbrennungsraum
eines Verbrennungsmotors mit Kompressionszündung (Dieselmotors). Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzventil der Art, die
vorgesehen ist, um Kraftstoff von einer zugeordneten Kraftstoffpumpe
zu empfangen, beispielsweise ein Pumpen-Einspritzventil oder eine
Anordnung, in welcher eine Pumpe und ein Einspritzventil durch eine
Hochdruckleitung miteinander verbunden sind, wobei die Pumpe Kraftstoff
ausschließlich
an das Einspritzventil abgibt.
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Bei
einer bekannten Pumpen-/Einspritzventil-Anordnung wird der Zeitpunkt
bzw. der Zeitverlauf der Kraftstoffeinspritzung dadurch gesteuert,
dass der Kraftstoffdruck innerhalb einer Steuerkammer gesteuert
wird, die eine Kraft auf eine Ventilnadel des Einspritzventils aufbringt
und damit die Nadel in Richtung eines Sitzes drückt. Der Kraftstoffdruck innerhalb
der Steuerkammer wird günstigerweise
mit Hilfe eines elektromagnetischen Betätigungsventils gesteuert. Der
Einsatz einer solchen Steuerkammer beim Steuern des Betriebs des
Einspritzventils erfordert das Vorsehen einer Anzahl von zusätzlichen Bohrungen
oder Drillbohrungen, was das Einspritzventil komplizierter macht.
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Die
DE 195 12 270 A1 (MTU
GmbH) beschreibt ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventil für die Einspritzung,
bei dem ein Ventilelement im Ventil verschiebbar ist und damit die
Bewegung einer Ventilnadel steuert. Ein erster Kanal in dem Kraftstoffeinspritzventil,
durch den Kraftstoff zur Ventilnadel fließt, ist offen, wenn das Ventil
von seinem Sitz getrennt ist. Wenn der erste Kanal durch Verschieben des
Ventils von seinem Sitz weg geöffnet
wird, wird ein zweiter Kanal, der zu einem Niederdruck-Kraftstoffspeicher
führt,
dadurch geschlossen, dass ein zweiter Bereich des Ventils in Anlage
mit einem weiteren Sitz gelangt. Die Sitze dieses Kraftstoffeinspritzventils,
die sich entlang der axialen Länge
des Ventilelements befinden, haben beide eine kegelstumpfförmige Gestalt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellt, umfassend eine
Ventilnadel, die zur Steuerung der Abgabe von Kraftstoff mit Hilfe
einer Feder in Anlage gegen einen Sitz gespannt ist, wobei die Ventilnadel
eine Druckfläche aufweist,
die so ausgerichtet ist, dass das Aufbringen von unter Druck stehendem
Kraftstoff darauf eine Kraft auf die Nadel aufbringt, die die Nadel
weg von dem Sitz drückt,
und ein Ventil mit einem Ventilelement zur Steuerung der Zufuhr
von unter Druck stehendem Kraftstoff zur Druckfläche, wobei das Ventilelement
einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser
aufweist, der an einem weiteren Sitz zur Anlage gelangen kann, um
den Fluss von Kraftstoff entlang einer Drillbohrung zu steuern,
dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit vergrößertem Durchmesser
eine Endfläche
besitzt, die zur Anlage mit einer Oberfläche ausgeformt ist, um einen
Durchlass zu schließen,
wenn der Bereich mit vergrößertem Durchmesser
des Ventilelements von seinem Sitz beabstandet ist. Das Einspritzventil
umfasst günstigerweise
weiterhin eine Kraftstoffpumpe, die angeordnet ist, um der Druckfläche Kraftstoff
zuzuführen, wenn
das Ventil offen ist. Vorzugsweise umfasst das Einspritzventil weiterhin
ein Abflussventil, das die Verbindung zwischen einer Pumpenkammer
der Kraftstoffpumpe und einem Kraftstoffspeicher steuert.
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Solch
ein Einspritzventil besitzt den Vorteil, dass das Vorsehen einer
Steuerkammer vermieden wird, und damit besitzt das Einspritzventil
eine relativ einfache Bauweise.
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Die
Erfindung wird nachstehend rein beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Figuren näher
beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um
gleiche Teile zu bezeichnen, und in denen:
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1 eine
Schnittansicht eines Teils eines Einspritzventils gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
Schnittansicht ist, die in Bezug auf das Einspritzventil von 1 eine
Abwandlung darstellt; und
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3 eine
schematische Zeichnung des Einspritzventils der 1 ist.
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Das
in 1 dargestellte Einspritzventil umfasst einen Düsenkörper 10,
der mit einer geschlossenendigen Bohrung 12 ausgestattet
ist, in welcher eine Ventilnadel 14 verschieblich angeordnet
ist. In Nachbarschaft zu dem geschlossenen Ende der Bohrung 12 ist
ein Sitz ausgebildet, an welchem ein Endteil der Nadel 14 zur
Anlage gelangen kann, um die Zufuhr von Kraftstoff aus der Bohrung 12 an
eine oder mehrere Auslassöffnungen
zu steuern, die sich stromabwärts
des Sitzes befinden. Die Nadel 14 ist so geformt, dass
sie einen Bereich aufweist, der im Wesentlichen denselben Durchmesser
wie der benachbarte Teil der Bohrung 12 besitzt, um mit
diesem eine im Wesentlichen flüssigkeitsdichte
Abdichtung zu bilden, und um die Nadel hinsichtlich ihrer gleitenden
Bewegung innerhalb der Bohrung 12 zu führen. Ein unterer Teil der
Nadel 14 besitzt einen geringeren Durchmesser und bildet
zusammen mit der Bohrung 12 eine Kammer 12a (siehe 3),
aus der während des
Betriebs unter Druck stehender Kraftstoff an dem Sitz vorbei fließen kann,
um in den Verbrennungsraum eines zugehörigen Motors eingespritzt zu
werden. Im Grenzbereich zwischen dem oberen Teil der Nadel 14 mit
vergrößertem Durchmesser
und dem unteren Teil davon mit geringerem Durchmesser bildet die
Ventilnadel 14 eine Druckfläche 14a, die dem Kraftstoffdruck
innerhalb der Kammer 12a ausgesetzt ist.
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Die
Bohrung 12 ist so geformt, dass sie einen ringförmigen Galerieraum 16 bildet.
Die Nadel 14 ist so geformt, dass sie Nuten oder Sicken
aufweist, wodurch Kraftstoff vom ringförmigen Galerieraum 16 zur Kammer 12a fließen kann.
Der ringförmige
Galerieraum wird während
des Betriebs über
einen Einlasskanal 18 mit Kraftstoff versorgt, der im Düsenkörper 10 ausgebildet
ist.
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Die
obere Außenfläche des
Düsenkörpers 10 liegt
an einem ersten Abstandsstück 20 an,
welches eine sich axial erstreckende, durchgehende Bohrung, in die
sich ein oberes Ende der Nadel 14 hinein erstreckt, und
eine Drillbohrung 22 aufweist, die mit dem Versorgungskanal 18 des
Düsenkörpers 10 kommuniziert.
Das erste Abstandsstück 20 liegt
an einem Federgehäuse 24 an,
welches eine Drillbohrung 26 aufweist, die mit der Drillbohrung 22 in
Verbindung steht. Das Federgehäuse 24 ist
außerdem mit
einer durchgehenden Bohrung ausgestattet, die einen Bereich mit
relativ großem
Durchmesser besitzt, und eine Federkammer 28 bildet, in
der sich eine schraubenförmige
Druckfeder 30 befindet. Die Feder 30 greift an
einer Beilagscheibe 32 an, die sich im Grenzbereich zwischen
der Federkammer 28 und einem Teil der durchgehenden Bohrung
mit verringertem Durchmesser befindet, wobei die Feder 30 weiterhin
an einem Feder-Anlageelement 34 angreift, das vom oberen
Ende der Nadel 14 getragen wird. Die Feder 30 hat
die Wirkung, dass sie die Ventilnadel 14 in Anlage mit
dem Sitz spannt. Die Federkammer 28 steht über einen
Kanal 36 mit einem Niederdruck-Abflussspeicher in Verbindung.
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Die
obere Außenfläche des
Federgehäuses 24 liegt
an einem Steuerventil-Gehäuse 38 an,
welches eine durchgehende Bohrung 40 aufweist, in der ein
Steuerventilelement 42 verschieblich angeordnet ist. Die
durchgehende Bohrung 40 bildet einen Sitz, an dem ein Teil
des Ventilelements 42 mit vergrößertem Durchmesser zur Anlage
gelangen kann, um den Fluss von Kraftstoff entlang einer Drillbohrung 44 zu steuern,
die sich von der oberen Außenfläche des Steuerventils-Gehäuses 35 zu
einem Teil der unteren Außenfläche des
Ventilgehäuses 38 erstreckt,
der mit der Drillbohrung 26 in Verbindung steht. Der obere
Teil des Steuerventilelements 42 besitzt einen Durchmesser,
der im Wesentlichen dem des benachbarten Teils der Bohrung 40 gleich
ist, so dass er mit diesem eine im Wesentlichen flüssigkeitsdichte
Abdichtung bildet. Der untere Teil des Steuerventilelements 42 bildet
ebenfalls eine gute Abdichtung mit der Bohrung 40, aber
da es schwierig ist, Bohrungen mit Bereichen von unterschiedlichem
Durchmesser herzustellen, wenn die Bereiche untereinander konzentrisch
sein sollen, ist eine geringe Leckage zwischen dem unteren Teil
des Ventilelements 42 und dem benachbarten Teil der Bohrung 40 zu
erwarten. Kraftstoff, der zwischen dem Ventilelement 42 und dem
unteren Teil der Bohrung 40 herausläuft, fließt durch den oberen Teil der
durchgehenden Bohrung des Federgehäuses 24 mit kleinem
Durchmesser zur Federkammer 28. Um die auf diese Weise
fließende Menge
an Kraftstoff minimal zu halten, wenn das Steuerventilelement 42 eine
Stellung einnimmt, in der sein verbreiterter Teil von seinem Sitz
beabstandet ist, ist das untere Ende des Steuerventilelements 42 so
geformt, dass es an der oberen Außenfläche des Federgehäuses 24 angreift
und mit diesem eine im Wesentlichen flüssigkeitsdichte Abdichtung
bildet.
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Das
obere Ende des Steuerventilelements 42 trägt einen
Anker 46, wobei der Anker 46 mit Hilfe eines Elements 48 mit
Innengewinde am Steuerventilelement 42 befestigt ist. Der
Anker 46 ist unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes
bewegbar, das während
des Betriebs durch eine erste Wicklung 50 eines Betätigungsorgans 52 erzeugt
wird, das sich in einem Betätigungsorgan-Gehäuse 54 befindet,
welches an der oberen Außenfläche des
Steuerventil-Gehäuses 38 anliegt.
Das Betätigungsorgan-Gehäuse 54 weist
eine Drillbohrung 56 auf, die mit dem oberen Teil der Drillbohrung 44 in
Verbindung steht.
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Die
obere Außenfläche des
Betätigungsorgan-Gehäuses 54 liegt
an einem Abflussventil-Gehäuse 58 an,
das eine durchgehende Bohrung 60 aufweist, in welcher ein
Abflussventilelement 62 gleiten kann. Das Abfluss- oder
Ablassventilelement 62 besitzt einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser,
der an einem Sitz zur Anlage gelangen kann, um den Fluss von Kraftstoff
zwischen einem Kanal 64, der mit dem Abflussspeicher in
Verbindung steht, und einem Kanal 66, der mit einer in
der oberen Außenfläche des
Abflussventil-Gehäuses 58 ausgebildeten Ausnehmung 68 in
Verbindung steht, zu steuern.
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Die
Ausnehmung 68 steht weiterhin mit einer Drillbohrung 70 in
Verbindung, die in einem Pumpengehäuse 72 ausgebildet
ist, das an der oberen Außenfläche des
Abflussventil-Gehäuses 58 anliegt. Das
Pumpengehäuse 72 weist
eine Kolbenbohrung 74 auf, in der ein Kolben 76 unter
dem Einfluss einer üblichen
Nocken- und Stößel-Anordnung (nicht
gezeigt) hin- und herbewegbar ist.
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Das
untere Ende des Abflussventilelements 62 trägt einen
Anker 78, wobei der Anker 78 mit Hilfe eines mit
einem Innengewinde ausgestatteten Elements 80 am Abflussventilelement 62 befestigt
ist. Der Anker 78 ist unter dem Einfluss eines magnetischen
Feldes bewegbar, das während
des Betriebs von einer zweiten Wicklung 82 erzeugt wird,
die Teil des Betätigungsorgans 52 ist.
Das Abflussventilelement 62 trägt weiterhin eine Beilagscheibe 84,
wobei eine Feder 86 zwischen der Beilagscheibe 84 und dem
Element 48 angeordnet ist. Die Feder 86 hat die Funktion,
das Abflussventilelement 62 weg von seinem Sitz zu spannen
und das Steuerventilelement 42 weg von seinem Sitz zu spannen.
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Die
verschiedenen Gehäuse,
die einen Teil des Einspritzventils bilden, sind mit Hilfe einer
Hutmutter 88, die an einer vom Düsenkörper 10 gebildeten
Schulter angreift, am Pumpengehäuse 72 befestigt,
wobei die Hutmutter 88 über
ein Schraubgewinde mit einem am Pumpengehäuse 72 ausgebildeten äußeren Schraubgewinde
in Eingriff steht. Die Hutmutter 88 und verschiedene Gehäuseteile
des Einspritzventils bilden zusammen eine Kammer, mit der der Kanal 36 und
der Kanal 64 in Verbindung stehen, wobei die Kammer über in der
Hutmutter 88 ausgebildete Kanäle 90 mit dem Niederdruckspeicher
in Verbindung steht.
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Im
Betrieb, wenn der Kolben 76 seine innerste Stellung einnimmt
und die ersten und zweiten Wicklungen 50, 82 des
Betätigungsorgans 52 nicht mit
Energie beaufschlagt sind, nehmen das Abflussventilelement 62 und
das Steuerventilelement 42 jeweils Stellungen ein, in denen
sie von ihren entsprechenden Sitzen beabstandet sind. Eine Zurückziehung
des Kolbens 76 unter der Wirkung einer Rückstellfeder
(nicht gezeigt) saugt Kraftstoff aus dem Niederdruck-Kraftstoffspeicher
am Abflussventilelement 62 vorbei an und belädt die Kolbenbohrung 74 mit
unter relativ niedrigem Druck stehendem Kraftstoff. Kraftstoff fließt kontinuierlich
in das Einspritzventil, bis der Kolben 76 seine äußerste Stellung
einnimmt. Wenn der Kolben 76 seine äußerste Stellung eingenommen
hat, verdrängt
die nachfolgende, nach innen gerichtete Bewegung des Kolbens 76 Kraftstoff zurück, am Abflussventilelement 62 vorbei,
zum Niederdruck-Kraftstoffspeicher.
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Wenn
festgelegt ist, dass eine Beaufschlagung des Kraftstoffs mit Druck
beginnen soll, werden die erste und die zweite Wicklung 50, 82 des
Betätigungsorgans 52 mit
Energie beaufschlagt, was bewirkt, dass sich das Steuerventilelement 42 in
Anlage mit seinem Sitz bewegt, und dass sich das Abflussventilelement 62 in
Anlage mit seinem Sitz bewegt. Infolge der Anlage des Abflussventilelements 62 an seinem
Sitz verdrängt
die fortgesetzte, nach innen gerichtete Bewegung des Kolbens 76 nicht
länger Kraftstoff
in Richtung des Niederdruck-Kraftstoffspeichers, und statt dessen
wird der Kraftstoff, der sich in der Kolbenbohrung 74 und
in den mit diesem in Verbindung stehenden Kanälen befindet, mit Druck beaufschlagt.
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Wenn
das Steuerventil geschlossen ist, befindet sich dessen Ventilelement 42 im
Wesentlichen in Druck-Gleichgewicht, so dass der Anstieg des Kraftstoffdrucks
nicht dazu führt,
dass sich das Steuerventilelement 42 bewegt oder dass eine
Einspritzung beginnt.
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Wenn
festgelegt ist, dass eine Einspritzung beginnen soll, wird Energie
von der ersten Wicklung 50 des Betätigungsorgans 52 genommen,
was es ermöglicht,
dass sich das Steuerventilelement 42 unter der Wirkung
der Feder 86 weg von dem Sitz bewegt. Die Abmessungen des
Steuerventilelements 42 sind derart, dass dann, wenn die
Bewegung des Ventilelements 42 weg von seinem Sitz begonnen
hat, das Steuerventilelement nicht länger im Druckgleichgewicht
steht, und der Kraftstoffdruck, der auf das Steuerventilelement 42 einwirkt,
bringt darauf eine Kraft auf, die die Feder 86 dabei unterstützt, das
Steuerventilelement 42 in Abwärtsrichtung zu bewegen. Die Bewegung
des Steuerventilelements 42 macht es möglich, dass der Bohrung 12 des
Düsenkörpers 10 unter
Druck stehender Kraftstoff zugeführt
wird, was den Kraftstoffdruck erhöht, der auf die Druckflächen der
Nadel wirkt, und es wird ein Punkt erreicht, jenseits dessen der
auf die Nadel 14 einwirkende Kraftstoffdruck ausreicht,
um eine Bewegung der Nadel 14 weg von ihrem Sitz gegen
die Wirkung der Feder 30 zu bewirken. Wenn eine solche
Bewegung aufgetreten ist, findet eine Einspritzung statt.
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Während der
Einspritzung kann eine geringe Menge an Kraftstoffleckage zwischen
dem Steuerventilelement 42 und der Bohrung 40 auftreten,
aber dieser Fluss von Kraftstoff wird durch den Sitz des unteren
Endes des Ventilelements 42 gegen die obere Außenfläche des
Federgehäuses 24 beschränkt.
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Um
die Einspritzung zu beendigen, wird Energie von der zweiten Wicklung 82 des
Betätigungsorgans 52 genommen,
und das Abflussventilelement bewegt sich unter dem Einfluss der
Feder 86 so, dass sich das Abflussventilelement 62 weg
von seinem Sitz anhebt, was die Verbindung zwischen der Kolbenbohrung 74 und
dem Niederdruck-Abflussspeicher
wieder herstellt. Der Kraftstoffdruck innerhalb der Kolbenbohrung 74 und
der damit in Verbindung stehenden Kanäle nimmt schnell ab, und deshalb
fällt der
Kraftstoffdruck, der auf die Druckflächen 14a der Nadel 14 einwirkt,
schnell ab, und die Ventilnadel 14 bewegt sich unter der
Wirkung der Feder 30 in Anlage mit ihrem Sitz, wodurch
der Fluss von Kraftstoff zu den Auslassöffnungen des Düsenkörpers 10 beendet wird.
Nach Beendigung der Einspritzung sorgt die fortgesetzte, nach innen
gerichtete Bewegung des Kolbens 76 weiterhin dafür, dass
Kraftstoff zum Niederdruck-Kraftstoffspeicher
verdrängt
wird, bis der Kolben 76 seine innerste Stellung erreicht
hat. Wenn diese Stellung erreicht ist, beginnt der Kolben 76 eine nach
außen
gerichtete Bewegung, wie hier voranstehend beschrieben.
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Es
sollte klar sein, dass die Verwendung des Steuerventils und des
Abflussventils zur Steuerung des Beginns der Druckbeaufschlagung,
des Beginns der Einspritzung und der Beendigung der Einspritzung
eine genaue Steuerung des Einspritzventils erlaubt. Es sollte außerdem klar
sein, dass das Einspritzventil eine relativ einfache Bauweise besitzt, weil
das Vorhandensein einer Steuerkammer vermieden ist.
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2 illustriert
eine Abwandlung gegenüber der
Anordnung der 1. In der Abwandlung von 2 umfasst
das Abflussventilelement 62 einen Endbereich 62a mit vergrößertem Durchmesser,
der an einem von der Bohrung 60 begrenzten Sitz zur Anlage
gelangen kann, um den Fluss von Kraftstoff zwischen dem Kanal 66 und
einer Kammer 60a zu steuern, die von einem Teil der Bohrung 60 gebildet wird.
Die Kammer 60a steht über
einen Kanal 64a mit einem Niederdruck-Kraftstoffspeicher
in Verbindung. Weil die Kammer 60a unter niedrigem Druck
steht, kann das Vorsehen von zusätzlichen
Kanälen
im Abflussventil-Gehäuse
zur Vermeidung der Bildung einer hydraulischen Blockade, durch die
die Bewegung des Ventilelements 62 verhindert würde, vermieden werden.
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Die
in 2 dargestellte Abwandlung wird betrieben wie unter
Bezugnahme auf die 1 beschrieben.
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Obwohl
die voranstehende Beschreibung sich auf ein Pumpen-Einspritzventil
bezieht, sollte klar sein, dass die Erfindung auch auf eine Anordnung
anwendbar ist, in welcher sich die Pumpe in einer vom Einspritzventil
beabstandeten Stellung befindet und über eine Hochdruckleitung mit
diesem verbunden ist, wobei die Kraftstoffpumpe Kraftstoff ausschließlich dem
Einspritzventil zuführt.
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In
der voranstehenden Beschreibung wird die erste Wicklung 50 zur
selben Zeit mit Energie beaufschlagt, zu der die Energie-Beaufschlagung
der zweiten Wicklung 82 erfolgt. Es sollte jedoch klar sein,
dass die erste Wicklung 50 während eines Stadiums im Betriebszyklus
des Einspritzventils mit Energie beaufschlagt werden kann, um das
Steuerventil 42 zu schließen, der früher liegt als voranstehend
beschrieben. Beispielsweise kann das Steuerventilelement 42 in
Anlage mit seinem Sitz bewegt werden, während der Kolben 76 aus
der Kolbenbohrung 74 herausgezogen wird, anstatt dass der
Beginn der Beaufschlagung mit Druck abgewartet wird.