Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine enthaltend ein Steuerventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Ein solches Einspritzventil ist aus der EP-A-0 826 876 bekannt.
Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche Einspritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme (für Dieselmotoren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) bekannt. Diese Einspritzsysteme zeichnen sich dadurch aus, daß der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen Druckspeicher gefördert wird, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern versorgt werden. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird in der Regel elektromagnetisch gesteuert, evtl. auch unter Zuhilfenahme von Piezoelementen.
Durch das Steuerventil im Einspritzventil wird hydraulisch das Öffnen und Schließen des eigentlichen Kraftstoffeinspritzventils bewirkt, das heißt insbesondere der Beginn und das Ende des Einspritzvorganges zeitlich exakt festgelegt. Das Einspritzventil soll z.B. kontrolliert öffnen und am Ende des Einspritzvorganges schnell schließen. Auch soll die Einspritzung kleinster Kraftstoffmengen zur Voreinspritzung (Piloteinspritzung) vor der eigentlichen Einspritzung möglich sein, mit der sich der Verbrennungsprozeß optimieren läßt.
Bei der oben genannten EP-A-0 826 876 und der EP-A-0 778 411 wird als Steuerventil für ein Common-Rail-System ein 2/2-Wegeventil verwendet.
Anhand der Fig. 1 der Zeichnung wird schematisch das bekannte Einspritzventil mit einem 2/2-Wegeventil als Steuerventil erläutert.
Wie in der Fig. 1 gezeigt, wird bei einem Common-Rail-System der Kraftstoff mit Systemdruck von einem Hochdruckspeicher (nicht gezeigt) über eine Hochdruckbohrung 1 und eine Zulaufbohrung 2 mit einer Zulaufdrossel 3 zu einer Steuerkammer 4 im Einspritzventilkörper 5 geführt. In der Steuerkammer 4 wirkt der dort herrschende Druck auf das hintere Ende eines beweglichen Düsenkörpers 6 mit einer Düsennadel 13 am vorderen Ende, die bei der Bewegung des Düsenkörpers 6 Einspritzlöcher 7 im Einspritzventilkörper 5 öffnet und schließt, die zum Brennraum des Verbrennungsmotors führen. Ebenfalls über die Hochdruckbohrung 1 mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist eine Düsenkammer 8, die am vorderen Ende des Düsenkörpers 6 im Einspritzventilkörper 5 ausgebildet ist. Wenn sowohl in der Steuerkammer 4 als auch in der Düsenkammer 8 der volle Systemdruck anliegt, wird der Düsenkörper 6 aufgrund der größeren Wirkfläche in der Steuerkammer 4 nach unten gedrückt und die Düsennadel 13 liegt dann auf einem Ventilsitz 15 in der Düsenkammer 8 an und verschließt die Einspritzlöcher 7.
Von der Steuerkammer 4 führt eine Bohrung 9 im Einspritzventilkörper 5 mit einer Ablaufdrossel 10 zu einem in den Einspritzventilkörper 5 integrierten Steuerventil 12 in der Form eines 2/2-Wegeventils. Vom Steuerventil 12 geht ein druckloser Kraftstoff-Rücklauf 14 zum Kraftstofftank ab. Das Steuerventil 12 wird über einen Stößel 16 von einem elektromagnetischen und/oder piezoelektrischen Aktor 18 angesteuert und betätigt.
Das Steuerventil 12 steuert den Druck, der in der Steuerkammer 4 auf den beweglichen Düsenkörper 6 ausgeübt wird. Ist das Steuerventil 12 geschlossen, steht in der Steuerkammer 4 im wesentlichen der volle Systemdruck an, so daß die Düsennadel 13 am vorderen Ende des Düsenkörpers 6 die Einspritzlöcher 7 verschließt, die in den Brennraum führen. Wird der Aktor 18 elektrisch angesteuert, übt der Stößel 16 eine Kraft auf das federbelastete Steuerventil 12 aus. Als Folge davon öffnet sich das Steuerventil 12. Bei offenem Steuerventil 12 stellt sich zwischen Hochdruckspeicher, Steuerkammer 4, Steuerventil 12 und Rücklauf 14 eine stationäre Strömung ein. Diese Strömung führt an den einzelnen Drosseln, der Zulaufdrossel 3 und der Ablaufdrossel 10, zu einem definierten Druckabfall. Der Druckabfall an der Zulaufdrossel 3 und der Ablaufdrossel 10 sind jeweils so bemessen, daß sich der Druck in der Steuerkammer 4 verringert. Dadurch nimmt die in der Steuerkammer 4 auf den Düsenkörper 6 wirkende Kraft ab, während der Druck in der Düsenkammer 8 gleich dem Systemdruck bleibt, so daß sich das Einspritzventil hydraulisch durch die in der Düsenkammer 8 auf den Düsenkörper 6 ausgeübte Kraft öffnet. Dadurch wird die Verbindung der Düsenkammer 8 mit den Einspritzlöchern 7 hergestellt und der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt.
Diese Ausgestaltung hat den Nachteil, daß der auf das Steuerventil 12 im geschlossenen Zustand wirkende Druck im wesentlichen gleich dem Systemdruck, das heißt recht hoch ist. Da dieser Druck bei der bekannten Anordnung auf das Steuerventil 12 in Öffnungsrichtung wirkt, muß die Schließfeder des Steuerventils 12 kräftig ausgelegt werden, um das Steuerventil 12 geschlossen zu halten. Dies führt wiederum dazu, daß die zum Öffnen des Steuerventils erforderliche Kraft, die vom Aktor 18 aufzubringen ist, sehr groß ist.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird in der EP-A-0 778 411 vorgeschlagen, das Steuerventil mit einem Druckausgleichsraum und einem Druckausgleichskolben zu versehen. Das Steuerventil steht dabei nach wie vor über eine Bohrung im Einspritzventilkörper mit einer Ablaufdrossel mit der Steuerkammer in Verbindung. Bei einer Weiterentwicklung dieser Anordnung ist die Ablaufbohrung in einem beweglichen, federbelasteten Drosselkolben angebracht, der zwischen Steuerkammer und Steuerventil angeordnet ist.Die Anordnung zum Steuern des Düsenkörpers des Einspritzventils wird damit extrem aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Steuerventil so auszugestalten, daß die aufzubringenden Steuerkräfte bei einfachem Aufbau des Ventils gering sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Patentanspruch 1 angegebenen Steuerventil gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Steuerventils sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung stellt demnach ein in den Einspritzventilkörper integriertes 2/2-Wegeventil dar. Das erfindungsgemäße Steuerventil ist sehr einfach aufgebaut, vollständig in den Einspritzventilkörper integriert und erfordert nur geringe Steuerkräfte. Die besondere Konstruktion des erfindungsgemäßen Steuerventils ermöglicht eine Minimierung des Ventilraumvolumens. Steuerventil, Drosseln und Einspritzventilkörper bilden eine kompakte Einheit. Am Steuerventil sind keine Federn oder ähnliche Einrichtungen zur Erzeugung von Vorspannungen nötig. Das erfindungsgemäße Steuerventil läßt sich für kleinste Hubbewegungen mit einem Hub von nur 20 bis 40 µm auslegen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
In der Fig. 2 ist ein Einspritzventil mit einem erfindungsgemäßen 2/2-Wegeventil als Steuerventil dargestellt.
Auch bei dem in der Fig. 2 gezeigten Einspritzventil steht wie im Falle der Fig. 1 die Steuerkammer 4 des Einspritzventils über eine Hochdruckbohrung 1 und eine Zulaufbohrung 2 mit einer Zulaufdrossel 3 im Einspritzventilkörper 5 mit dem Hochdruckspeicher in Verbindung, der sich auf Systemdruck befindet. Obwohl in der Fig. 2 nicht mehr dargestellt, führt auch hier die Hochdruckbohrung 1 weiter zu einer Düsenkammer am vorderen Ende des beweglichen Düsenkörpers 6, der mit seinem hinteren Ende in die Steuerkammer 4 ragt bzw. eine Seite der Steuerkammer 4 bildet.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Fig. 2 ist das Steuerventil 12 unmittelbar angrenzend an die Steuerkammer 4 angeordnet. Dazu ist im Einspritzventilkörper 5 eine Aussparung 30 ausgebildet, die sich gegenüber dem Düsenkörper 6 bzw. der für die Aufnahme des Düsenkörpers 6 bestimmten Bohrung in Längsrichtung des Einspritzventilkörpers 5 von der Steuerkammer 4 weg erstreckt. In die Aussparung 30 ist ein Ventilkörper 20 eingesetzt. Ähnlich wie der Düsenkörper 6 ist auch der Ventilkörper 20 des Steuerventils 12 zwar in Längsrichtung des Einspritzventilkörpers 5 beweglich, jedoch abdichtend in die Aussparung 30 eingepaßt.
Die Aussparung 30 ist zur Steuerkammer 4 hin offen, so daß der in die Aussparung 30 eingesetzte Ventilkörper 20 mit einer Fläche A1 (seiner Bodenfläche) in die Steuerkammer 4 ragt bzw. mit dieser Fläche A1 eine Seite der Steuerkammer 4 bildet. In der Regel liegt diese Seite der Seite der Steuerkammer 4 gegenüber, die vom Düsenkörper 6 gebildet wird.
Auf der anderen Seite (der Oberseite) der Aussparung 30, die von der Steuerkammer 4 abgewandt ist, ist im Einspritzventilkörper 5 eine Bohrung 40 vorgesehen, durch die der Stößel 16 des elektromagnetischen und/oder piezoelektrischen Aktors (in der Fig. 2 nicht dargestellt) verläuft. Der Durchmesser des Stößels 16 ist kleiner als der der Bohrung 40, und die Bohrung 40 bildet einen Teil des drucklosen Rücklaufs, durch den der Kraftstoff aus der Steuerkammer 4 bei geöffnetem Steuerventil 12 in den Kraftstofftank zurückfließt.
Die Bohrung 40 wiederum hat einen kleineren Durchmesser als die Aussparung 30. Der Übergang von der Bohrung 40 in die Aussparung 30 ist als Ventilsitz 24 für das Steuerventil 12 ausgebildet, an dem bei geschlossenem Steuerventil 12 eine Dichtfläche 22 an der Oberseite des Ventilkörpers 20, das heißt an der von der Steuerkammer 4 abgewandten Seite des Ventilkörpers 20, abdichtend zur Anlage kommt.
Anschließend an die dem Ventilsitz 24 entsprechende Dichtfläche 22 weist der Ventilkörper 20 an seinem Außenumfang einen radialen Absatz oder eine radiale Einschnürung 25 auf. Die Einschnürung 25 erweitert sich stufenförmig in einem Abstand von der Oberseite des Ventilkörpers 20 und von der Dichtfläche 22 auf den Außendurchmesser des Ventilkörpers 20, der dem Innendurchmesser der Aussparung 30 entspricht. Die Einschnürung 25 läßt zusammen mit einer radialen Schulter 32 am oberen Ende der Aussparung 30 am oberen Ende des Steuerventils 12 eine Ventilkammer 26 entstehen.
Die Einschnürung 25 weist bezüglich des in der Ventilkammer 26 herrschenden Drucks eine ringförmige Wirkfläche A2 auf, die der Wirkfläche A1 an der Unterseite des Ventilkörpers 20 gegenüberliegt und die kleiner ist als diese Wirkfläche A1. Die Verhältnisse sind somit ähnlich wie beim Düsenkörper 6, der sich unter Berücksichtigung der verschiedenen Wirkflächen an seinem oberen bzw. unteren Ende in Abhängigkeit von den Drücken in der Steuerkammer 4 und der Düsenkammer 8 auf und ab bewegt.
In den Ventilkörper 20 ist eine Ablaufbohrung 27 mit einer Ablaufdrossel 28 integriert. Die Ablaufbohrung 27 mit der Ablaufdrossel 28 erstreckt sich von der Steuerkammer 4 zur Ventilkammer 26, das heißt von der an die Steuerkammer 4 angrenzenden bzw. in diese ragenden Seite des Ventilkörpers 20 zu der Einschnürung 25.
Im Ausgangszustand, bei geschlossenem Einspritzventil, wird der Ventilkörper 20 des Steuerventils 12 durch den Druck in der Steuerkammer 4, der praktisch dem Systemdruck entspricht, gegen den Ventilsitz 24 gedrückt, so daß zwischen der Ventilkammer 26 und der Bohrung 40, die Teil des drucklosen Rücklaufs zum Kraftstofftank ist, keine Verbindung besteht. Zwar liegt über die Ablaufbohrung 27 und die Ablaufdrossel 28 in der Ventilkammer 26 im wesentlichen der gleiche Druck wie in der Steuerkammer 4 an, da jedoch die Fläche A1, über die der Druck von der Seite der Steuerkammer 4 auf den Ventilkörper 20 einwirkt, größer ist als die Fläche A2, über die der Druck in der Ventilkammer 26 in entgegengesetzter Richtung wirkt, ist die resultierende Kraft in Richtung Ventilsitz gerichtet.
Der Systemdruck liegt in der Steuerkammer 4 auch am Düsenkörper 6 an, so daß die Düsennadel am vorderen Ende des Düsenkörpers 6 in ihren Sitz gedrückt wird und die Verbindung zu den Einspritzlöchern 7 unterbrochen ist. Folglich wird kein Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt.
Bei einer elektrischen Ansteuerung des Aktors 18 wird über den Stößel 16 eine Kraft auf das Steuerventil 12 ausgeübt, die den Ventilkörper 20 vom Ventilsitz 24 abhebt. Da an der Wirkfläche A2 der Ventilkammer 26 bereits eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft anliegt, braucht die vom Stößel 16 ausgeübte Kraft nur mehr die Differenz zu der an der größeren Wirkfläche A1 angreifenden Kraft zu überwinden.
Beim Abheben des Ventilkörpers 20 vom Ventilsitz 24 wird zwischen der Ventilkammer 26 und der Bohrung 40, die Teil des drucklosen Rücklaufs zum Kraftstofftank ist, eine Verbindung hergestellt. Damit strömt Kraftstoff aus der Hochdruckbohrung 1 durch die Zulaufdrossel 3, die Steuerkammer 4, die Ablaufdrossel 28 und die Ventilkammer 26 in die Bohrung 40. Der Durchmesser der Ablaufdrossel 28 ist größer als der Durchmesser der Zulaufdrossel 3 im Einspritzventilkörper 5. Der Durchfluß durch die Zulaufdrossel 3 ist deshalb geringer als der durch die Ablaufdrossel 28, so daß der Druck in der Steuerkammer 4 abnimmt. Der Düsenkörper 6 wird somit entlastet, und der in der Düsenkammer 8 (Fig. 1) anstehende Systemdruck hebt die Düsennadel von ihrem Sitz ab und gibt die Verbindung zu den Einspritzlöchern 7 frei. Damit beginnt der Einspritzvorgang. Der Hub des Ventilkörpers 20 beim Abheben vom Ventilsitz 24 und der dieser Bewegung entgegengerichtete Hub des Düsenkörpers 6 können so abgestimmt sein, daß die Unterseite des Ventilkörpers 20 an der Oberseite des Düsenkörpers 6 zur Anlage kommt. Da beides plane Flächen sind, wird dadurch die in die Unterseite des Ventilkörpers 20 mündende Ablaufbohrung 27 verschlossen. Als Folge davon fließt im wesentlichen kein Kraftstoff mehr durch den Rücklauf ab. Gleichzeitig erhöht sich der Druck in der Steuerkammer 4.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich der Leckstrom des Einspritzventils und damit die unnötig geförderte Kraftstoff menge verringert. Sie muß jedoch nicht in jedem Fall vorgesehen werden.
Nach Beendigung der Ansteuerung des Aktors 18 wird der Ventilkörper 20 durch den Druck in der Steuerkammer 4, der immer größer ist als der Druck in der mit dem drucklosen Rücklauf in Verbindung stehenden Ventilkammer 26, an den Ventilsitz 24 gedrückt. Damit wird die Verbindung zur Bohrung 40 und zum drucklosen Rücklauf unterbrochen, so daß sich in der Steuerkammer 4 wieder der volle Druck aufbauen kann. Der Druck in der Steuerkammer 4 führt am Düsenkörper 6 zu einer Kraft in Richtung zum Sitz der Düsennadel, die die Düsennadel wieder in ihren Sitz drückt und den Einspritzvorgang beendet.
In der Fig. 3 ist die bei dem Einspritzventil der Fig. 2 verwendete Ausführungsform des Ventilkörpers 20 im Detail dargestellt. Die Ablaufbohrung 27 mit der Ablaufdrossel 28 verläuft von der Unterseite des Ventilkörpers 20, die an die Steuerkammer 4 angrenzt, schräg durch den Ventilkörper 20 und mündet direkt in die Einschnürung 25 unterhalb der Dichtfläche 22.
Die Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Ventilkörpers 20. Bei dieser Ausführungsform verläuft die Ablaufbohrung 27 mit der Ablaufdrossel 28 in Richtung der Längsachse des Ventilkörpers 20 von der Unterseite des Ventilkörpers 20, die an die Steuerkammer 4 angrenzt, durch den Ventilkörper 20 und mündet in eine Querbohrung 29, die senkrecht zur Längsachse durch den Ventilkörper 20 verläuft und die in die Einschnürung 25 unterhalb der Dichtfläche 22 einmündet.