[0001] Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil gemäß der Gattung des Patentanspruchs
aus, wie es durch die EP-0 690 223 A2 bekannt ist.
[0002] Bei sogenannten Common Rail Systemen werden die Einspritzdüsen für die verschiedenen
Zylinder des Motors aus einer zentralen Hochdruckleitung mit Kraftstoff versorgt.
Damit möglichst niedrige Abgaswerte, niedriger Kraftstoffverbrauch und ein ruhiger
Motorlauf gewährleistet sind, müssen alle Einspritzventile den Kraftstoff exakt gleich
in den Motor einspritzen. Dies kann nur gewährleistet werden, wenn alle Einspritzventile
zum exakt gleichen Zeitpunkt bei einem Betriebspunkt das gleiche Öffnungsverhalten
besitzen.
[0003] Zur genauen Steuerung des Einspritzvorganges mit Common Rail Systemen sind daher
im Stand der Technik elektromagnetische oder piezogesteuerte Ventile bekannt, die
sich vor dem eigentlichen Emspritzventil befinden. Bei einem solchen Kraftstoffeinspritzventil
wird die Düsennadel über einen Steuerkolben bewegt. Der Steuerkolben wird über den
Druck im Steuerraum bewegt. Die Präzision des Einspritzvorganges wird von der Bewegung
des Steuerkolbens bestimmt, die vom Druck im Steuerraum und damit vom Durchfluß durch
Drosseln und ein Schaltventil abhängt.
[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzventil
für eine Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff aus einer zentralen Hochdruckleitung
in Brennräume zu schaffen, bei welchem der Öffnungs- und Schließvorgang des Schaltventils
und der durchgeflossene Kraftstoff durch das Schaltventil möglichst genau kontrollierbar
wird.
Vorteile der Erfindung
[0005] Das erfindungsgemäße Kraftstoffventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
daß der hydraulische Durchfluß durch das Schaltventil auch bei niedrigem Raildruck
und kleinem Ventilhub genau vorgebbar ist. Dazu wird die Strömung vor dem Schaltventil
mit einer speziell gestalteten Drosselgeometrie gezielt eingeschnürt und erweitert.
Nach der Kontraktion durch den Drosseleinlauf breitet sich die Kraftstoffströmung
bei der erfindungsgemäßen Drosselgeometrie so in Richtung der Drosselwand aus, daß
durch optimale Druckdifferenz am Ventil der hydraulische Durchfluß erhöht und die
Öffnungsbewegung der Ventilkugel vom Ventilsitz weg unterstützt wird.
[0006] Durch die vorteilhafte Ausführung der Drossel wird der Strömungswiderstand herabgesetzt,
so daß es schon bei kleinem Schaltventilhub und kleinem Raildruck zu einem hohen Durchfluß
kommt. Der hohe Durchfluß führt im Einlauf in die Drossel zu hoher Strömungsgeschwindigkeit.
[0007] Deshalb fällt dort der statische Druck bis auf den Dampfdruck des Kraftstoffes ab,
und es kommt zu Dampfbildung, d.h. Kavitation. Durch diesen Effekt, der mit der erfindungsgemäßen
Drosselgeometrie bei möglichst kleinen Raildrücken und Schaltventilhüben eintritt,
ist der hydraulische Durchfluß nur noch vom Druck vor der Drossel und der Einlaufgeometrie
bestimmt (bei konstanter Kraftstofftemperatur und konstantem Kraftstofftyp) und ist
unabhängig vom Ventilhub. Aufgrund des definierten hydraulischen Durchflusses wird
der über die entsprechenden Schaltventile elektronisch gesteuerte Einspritzbeginn
mehrerer Einspritzdüsen, die von einer gemeinsamen Hochdruckleitung versorgt werden,
zuverlässig synchronisiert.
[0008] In den abhängigen Ansprüchen aufgeführte Maßnahmen definieren vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Kraftstoffeinspritzventils.
[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des Diffusors beim Übergang
in den Kegelsitz nur geringfügig Meiner als der Sitzdurchmesser. Dadurch wird ein
möglichst großer hydraulischer Querschnitt des Ventils beim Abheben der Ventilkugel
erreicht.
Zeichnung
[0010] Die Erfindung ist anhand von Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1:
- eine Schnittansicht eines gesamten Common Rail Injektors; und
- Fig. 2
- die beiden Ausführungsformen der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
[0011] In Fig. 1 ist ein Injektor dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse
2 auf, das mit einem Anschluß 3 zur Zuführung von auf Einspritzdruck gebrachtem Kraftstoff
aus einem nicht weiter gezeigten Kraftstoffhochdruckspeicher verbunden ist. In dem
Gehäuse 2 des Kraftstoffeinspritzventils ist eine Einspritzventilnadel 5 angeordnet,
die einen Führugnsabschnitt 6 aufweist, der über eine innerhalb des Druckraumes 7
liegende Schulter in einem im Durchmesser kleineren Teils 9 der Einspritzventilnadel
übergeht. Am Ende dieses im Durchmesser kleineren Teils 9 weist dieser eine konisch
Dichtfläche 10 auf, die mit einem Ventilsitz 11 zusammenwirkt und dabei die Einspritzöffnungen
12 je nach Stellung der Einspritzventilnadel öffnet oder schließt.
[0012] Der Druckraum 7 ist über eine Druckleitung 4 ständig mit dem Anschluß 3 verbunden,
so daß der Druckraum 7 ständig unter hohem Einspritzdruck steht. Die Nadel 5 wird
über das Druckstück 21 und den Steuerkolben 13 gesteuert. Der Steuerkolben taucht
in einen Zylinder 14 ein, in dem er stirnseitig einen Steuerdruckraum 15 einschließt.
Dieser steht über eine Drosselbohrung 16 in ständiger Verbindung mit dem Anschluß
3. Weiterhin führt vom Steuerdruckraum 15 eine Drosselbohrung 17 ab, deren Austritt
über ein elektrisches Ventil 19 in einen Entlastungsraum 18 mündet. Der Durchfluß
durch die Drosselbohrung 17 wird über das elektrische Ventil 19 gesteuert. Der Entlastungsraum
ist über einen Ablaufstutzen 20 am Gehäuse 2 mit einem Rücklauf verbunden.
[0013] Im Betrieb wird das oben beschriebenen Kraftstoffeinspritzventil von dem Kraftstoffhochdruckspeicher
über den Anschluß 3 mit Hochdruck versorgt. Dieser ist bestrebt, in Einwirkung auf
die Schulter 9 die Kraftstoffeinspritzventilnadel 5 anzuheben, so daß aus dem Druckraum
7 entlang des im Durchmesser kleineren Teils 9 der Einspritzventilnadel Kraftstoff
zu den Einspritzöffnungen 12 fließen und dort austreten kann. Diesem Öffnen wirkt
die Feder 18 entgegen, die allein jedoch nicht ausreicht, die Einspritzventilnadel
5 bei im Druckraum 7 anstehenden Kraftstoffhochdruck in Schießstellung zu halten,
dies aber bei fehlendem Kraftstoffhochdruck tut. Die Aufgabe des Schließens übernimmt
weiterhin der Druck im Steuerdruckraum 15, der bei geschlossenem elektrisch betätigten
Ventil 19 gleich ist wie der Druck im Druckraum 7. Aufgrund der größeren Stirnfläche
des Steuerkolbens 14 überwiegt die Schließkraft und das Ventil bleibt geschlossen.
Zur Auslösung der Einspritzung wird das elektrisch betätigte Ventil 19 geöffnet, so
daß der Druckraum 15 abgekoppelt durch die Drosselbohrung 16 entlastet wird und somit
die Öffnungskraft auf die Schulter 8 überwiegt. Zur Beendigung des Einspritzvorgangs
wird das elektrisch betätigte Ventil 10 wieder geschlossen.
In Fig. 2 sind die beiden Ausführungsformen der Erfindung im Schnitt gezeigt. Der
obere Teil zeigt eine Ausführungsform mit einer sich in Strömungsrichtung konisch
bis zum Kegelsitz des Kugelventils 50 erweiternden Drosselbohrung 31. Die Konuswinkel
α werden auf maximalen Druckrückgewinn in der Strömung ausgelegt. Der untere Teil
zeigt eine Ausführungsform bei ebenfalls durch die sich in Strömungsrichtung konisch
mit dem Winkel α erweiternde Drosselbohrung 17 und zwei in Reihe geschaltene Diffüsoren
30 und 40 maximaler Druckrüickgewinn erzeugt wird.
[0014] Der Kraftstoff strömt beim Einspritzen aus dem Druckraum 15 in die Drosselbohrung
17 oder 31 und gewinnt dabei an Geschwindigkeit. Gleichzeitig verringert sich der
statische Druck in der Strömung. Im Bereich des Diffüsors 30 liegt die Strömung an
der Wandung an (vergl. schematische Darstellung der Kraftstoffströmung durch Pfeile
in Fig. 1), weitet sich auf und wird gleichzeitig abgebremst. Der zweite Diffusor
40 verstärkt diesen Vorgang, wodurch der statische Druck innerhalb der Strömung in
Strömungsrichtung ansteigt. Dieser erhöhte statische Druck unterstützt beim Öffnen
des Schaltventils die Bewegung der Ventilkugel 50 in Strömungsrichtung und beschleunigt
daher die Zunahme des Kraftstoffflusses durch das Schaltventil. Gleichzeitig verstärkt
der erhöhte Kraftstoffluß die Kavitationsneigung am Anfang der Drossel.
[0015] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des zweiten
Diffusors 40 nur geringfügig kleiner als der Durchmesser der Ventilsitzlinie 52 ausgebildet.
Dadurch wird bei einer Bewegung der Ventilkugel 50 in Strömungsrichtung (vergl. Doppelpfeil
in Fig. 1) ein maximaler Durchflußquerschnitt freigegeben.
[0016] Zur weiteren Verstärkung der Druckrückgewinnung und der Kavitationsneigung ist bevorzugt
ferner die Drosselbohrung 15 leicht konisch in Strömungsrichtung erweitert und weist
vorzugsweise einen Konuswinkel α bis zu 5° auf
[0017] Wie aus der Figur 1 deutlich zu erkennen ist, sind die Drosselbohrung 17, die beiden
Diffusoren 30, 40 oder 31 und der Ventilsitz 51 kollinear ausgerichtet und bilden
insgesamt einen Trichter, dessen breitere Öffnung durch die Ventilkugel 50 verschlossen
bzw. geöffnet wird.
1. Kraftstoffeinspritzventil für eine Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff aus einer
zentralen Hochdruckleitung in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine, das ein
Schaltventil (19) mit einem Ventilsitz (51) und einer Ventilkugel (50) umfaßt, wobei
die Ventilkugel (50) in geöffnetem Zustand, der von einem mit einer zentralen Hochdruckleitung
in Wirkverbindung stehenden Druckraum (15) aus einer Drosselbohrung (17 oder 31) gespeist
ist, vom Ventilsitz (51) abgehoben ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Übergang vom Drosseleinlauf zum Ventilsitz (51) als Diffusor ausgebildet ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor
als konischer Diffusor (31), als Stufendiffusor (30, 40) oder als Kombination aus
beiden ausgebildet ist, wobei der Diffusor so ausgebildet ist, daß sich die Kraftstoffströmung
im wesentlichen an deren Wandung anlegt.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchmesser beim Übergang in den Sitzkegel vorzugsweise nur geringfügig kleiner als
der Sitzdurchmesser (51) ist.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Diffusor so ausgebildet ist, daß sich die Strömung an die Wand anlegt und
ein möglichst großer Druckrückgewinn erreichbar ist.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drosselbohrung, der gesamte Diffusor (40) und der Ventilsitz (51) einen Trichter
ausbilden, gegenüber dessen Zentrumsöffnung die Ventilkugel bewegbar ist.