Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Abstract

 Kraftstoffeinspritzventil mit einer in einem Druckraum (5) längsverschiebbar angeordneten Düsennadel (7), die zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (9) mit einem ortsfesten Düsensitz (8) zusammenwirkt. Die Düsennadel (7) begrenzt mit ihrem dem Düsensitz (8) abgewandten Ende einen Steuerraum (20), in dem ein wechselnder Kraftstoffdruck einstellbar ist und durch dessen Druck eine hydraulische Kraft in Richtung des Düsensitzes (8) auf die Düsennadel (7) ausgeübt wird. Durch ein Steuerventil (30) ist eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum (20) und einem Niederdruckraum (31) herstellbar, wobei das Steuerventil (30) einen Steuerventilraum (33) mit einem darin längsverschiebbaren Steuerventilelement (32) aufweist und der Steuerventilraum (33) über eine Fülldrossel (26) mit dem Druckraum (5) verbindbar ist. Das Steuerventilelement (32) wirkt mit einer Stirnfläche (44) zum Öffnen und Schließen der Fülldrossel (26) mit einer Dichtfläche (46) zusammen, wobei an der Stirnfläche (44) des Steuerventilelements (32) eine Dichtkante (44) ausgebildet ist, die die Öffnung der Fülldrossel (34) bei Anlage an der Dichtfläche (46) umgibt und dadurch gegen den Steuerventilraum (33) abdichtet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise zur Kraftstoffeinspritzung in Brennräume von schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwendet wird.

Stand der Technik

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffeinspritzventile zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen bekannt. So ist aus der DE 10 2004 061 800 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das Teil eines sogenannten Common-Rail Einspritzsystems ist. Das Kraftstoffeinspritzventil wird dabei mit Kraftstoff unter hohem Druck aus einem Hochdruckspeicher versorgt und dient der dosierten Einspritzung des Kraftstoffs direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil eine Düsennadel auf, die längsverschiebbar in einem Druckraum im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist und die mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer oder mehrerer Einspritzöffnungen zusammenwirkt. Die Ventilnadel begrenzt mit ihrem ventilsitzabgewandten Ende einen Steuerraum, in dem über ein Steuerventil ein wechselnder Kraftstoffdruck einstellbar ist. Der Steuerraum ist dabei einerseits über eine Ablaufdrossel mit dem Steuerventil und über dieses mit einem Niederdruckraum verbindbar und andererseits über eine Zulaufdrossel mit einer Hochdruckbohrung, die im Kraftstoffeinspritzventil ausgebildet ist. Das Steuerventil umfasst dabei ein Steuerventilelement, das in einem Steuerventilraum angeordnet ist und das mit einem Steuerventilsitz zum Öffnen und Schließen einer Verbindung des Steuerventilraums mit dem Niederdruckraum zusammenwirkt. Wird diese Verbindung geöffnet, so sinkt der Druck im Steuerventilraum und damit über die Ablaufdrossel auch im Steuerraum, so dass sich die hydraulische Schließkraft auf die Ventilnadel erniedrigt und diese somit, angetrieben durch den Kraftstoffdruck im Druckraum, vom Düsensitz abgehoben wird und die Einspritzöffnungen freigibt. Wird das Steuerventil wieder geschlossen, so erhöht sich über die Zulaufdrossel wieder der Druck im Steuerraum, was die Düsennadel zurück in ihre Ausgangsstellung drückt.

[0003] Für eine qualitativ hochwertige Einspritzung ist es wichtig, dass die Düsennadel am Ende der Einspritzung möglichst rasch die Einspritzöffnungen wieder verschließt, damit es nicht zu einem Nachtropfen von Kraftstoff in den Brennraum kommt, was zu einer unsauberen Verbrennung und damit zum Entstehen von Schadstoffen führt. Deshalb muss am Ende der Einspritzung der Kraftstoffdruck im Steuerraum möglichst rasch wieder auf das Ausgangsniveau angehoben werden. Zu diesem Zweck ist aus der DE 10 2004 061 800 A1 eine zusätzliche Fülldrossel bekannt, die den Steuerventilraum mit dem Druckraum verbindet. Die Fülldrossel ist dabei so angeordnet, dass das Steuerventilelement dann, wenn es die Verbindung zwischen dem Steuerventilraum und dem Niederdruckraum öffnet, die Fülldrossel verschließt. Verschließt das Steuerventilelement hingegen wieder die Verbindung zum Niederdruckraum, so wird die Fülldrossel geöffnet, wodurch eine zusätzliche Befüllung des Steuerraums über die Ablaufdrossel ermöglicht wird und der Steuerraum nicht nur über die Zulaufdrossel, sondern zusätzlich auch über die Ablaufdrossel mit Kraftstoff befüllt wird. Damit erreicht der Steuerraum sehr rasch wieder sein ursprüngliches Druckniveau, was die Schließbewegung der Düsennadel beschleunigt.

[0004] Um möglichst viel Kraftstoff über die Fülldrossel in den Steuerventilraum einzuleiten, ist es von Vorteil, dass die Öffnung der Fülldrossel im Steuerventilraum einen möglichst großen Durchmesser aufweist. Eine Vergrößerung des Durchmessers der Fülldrossel scheidet jedoch in der Regel aus, da dies aufgrund der sonstigen Bohrungsverschneidungen in der Drosselplatte, in der alle Zu- und Ablauf-drosseln ausgebildet sind, die Festigkeit übermäßig reduzieren würde.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, das Befüllen des Steuerventilraums über die Fülldrossel zu beschleunigen, ohne die Stabilität der Drosselplatte auch bei höchsten Drücken zu beeinträchtigen.

Vorteile der Erfindung

[0006] Das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass die Fülldrossel den Steuerventilraum und damit auch den Steuerraum des Kraftstoffeinspritzventils sehr rasch wieder mit Kraftstoff befüllt, so dass die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel wesentlich erhöht wird, ohne dass die Stabilität des Kraftstoffeinspritzventil beeinträchtigt ist. Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil einen Druckraum mit einer darin längsverschiebbar angeordneten Düsennadel auf, die zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung mit einem ortsfesten Düsensitz zusammenwirkt, wobei die Düsennadel mit ihrem dem Düsensitz abgewandten Ende einen Steuerraum begrenzt, in dem ein wechselnder Kraftstoffdruck einstellbar ist. Durch den Druck im Steuerraum ergibt sich eine hydraulische Kraft in Richtung des Düsensitzes auf die Düsennadel, wobei der Steuerraum über ein Steuerventil hydraulisch mit einem Niederdruckraum verbindbar ist. Das Steuerventil umfasst einen Steuerventilraum mit einem darin längsverschiebbar angeordneten Steuerventilelement, wobei der Steuerventilraum über eine Fülldrossel mit dem Druckraum verbindbar ist. Weiterhin weist das Steuerventilelement eine Stirnfläche zum Öffnen und Schließen der Fülldrossel auf, die mit einer Dichtfläche zusammenwirkt. An der Stirnfläche des Steuerventilelements ist eine Dichtkannte ausgebildet, die die Öffnung der Fülldrossel bei Anlage einer Dichtfläche umgibt und dadurch gegen den Steuerventilraum abdichtet.

[0007] Durch die Ausbildung der Dichtkante, die die Öffnung der Fülldrossel umgibt, kann der effektive Durchflussquerschnitt, durch den Kraftstoff aus der Fülldrossel in den Steuerventilraum abfließen kann, wesentlich erhöht werden, ohne dass der Durchmesser der gesamten Fülldrossel vergrößert werden müsste. Die Schließgeschwindigkeit der Ventilnadel lässt sich so erhöhen, ohne die Festigkeit des Kraftstoffeinspritzventils und insbesondere der Drosselplatte, in der die Fülldrossel ausgebildet ist, zu beeinträchtigen.

[0008] In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Dichtkante durch eine Ausnehmung an der Stirnfläche des Steuerventilelements gebildet.

[0009] Die Ausnehmung kann dabei vorzugsweise kegelförmig ausgebildet sein; es sind jedoch auch andere Ausführungen möglich. Durch die Ausnehmung, die vorzugsweise mittig an der Stirnfläche des Steuerventilelements ausgebildet ist, wird die Dichtkante nach außen verlegt, so dass diese einen möglichst großen Durchmesser aufweist.

[0010] Das Steuerventilelement wirkt mit einem Steuerventilsitz zum Öffnen und Schließen einer Verbindung des Steuerventilraums mit dem Niederdruckraum zusammen, wobei dieser Steuerventilsitz und die Dichtfläche einander gegenüberliegend im Steuerventilraum angeordnet sind. Dadurch lässt sich wechselseitig entweder die Verbindung des Steuerventilraums in dem Niederdruckraum öffnen und die Fülldrossel verschließen oder die Verbindung zum Niederdruckraum wird verschlossen und die Fülldrossel geöffnet, wobei das Steuerventilelement eine einfache lineare Längsbewegung ausführt.

[0011] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.

Zeichnung

[0012] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt die

Figur 1

einen Längsschnitt durch die wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils,

Figur 2

eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts der Figur 1 gemäß dem Stand der Technik und

Figur 3

in der derselben Darstellung die Figur 2 eine Ausführungsform der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0013] In der Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil schematisch im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Teile des Kraftstoffeinspritzventils dargestellt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse auf, das einen Haltekörper 1, eine Drosselplatte 2 und einen Düsenkörper 3 umfasst, die durch eine Spannmutter 4 gegeneinander verspannt sind. Im Düsenkörper 3 ist ein Druckraum 5 ausgebildet, der über eine im Haltekörper 1, der Drosselplatte 2 und dem Düsenkörper 3 ausgebildete Hochdruckbohrung 22 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Im Druckraum 5 ist eine Düsennadel 7 längsverschiebbar angeordnet, die mit einer Düsennadeldichtfläche 10 mit einem im Düsenkörper 3 ausgebildeten Düsensitz 8 zusammenwirkt und dadurch Einspritzöffnungen 9 öffnet oder schließt, so dass bei Anlage der Düsennadel 7 auf dem Düsensitz 8 die Einspritzöffnungen 9 gegen den Druckraum 5 verschlossen werden, während dann, wenn die Düsennadel 5 vom Düsensitz 8 abgehoben ist, Kraftstoff aus dem Druckraum 5 durch die Einspritzöffnungen 9 fließen kann. Die Düsennadel 7 ist dabei in einem Führungsabschnitt 107 im Druckraum 5 geführt, wobei der Kraftstoff in diesem Bereich über mehrere, am Führungsabschnitt 107 der Düsennadel 7 ausgebildete Anschliffe 12 zwischen der Wand des Druckraums 5 und der Düsennadel 7 in Richtung der Einspritzöffnungen 9 fließen kann.

[0014] Dem Düsensitz 8 abgewandt ist die Düsennadel 7 in einer Hülse 14 geführt, wobei durch die Hülse 14, die Stirnfläche der Düsennadel 7 und die Drosselplatte 2 ein Steuerraum 20 begrenzt wird. Die Hülse 14 stützt sich an der Drosselplatte 2 ab, die auch den Druckraum 5 begrenzt, wobei zwischen der Hülse 14 und einem Stützring 16, der die Düsennadel 7 umgibt und sich an einem Absatz der Düsennadel 7 abstützt, eine Schließfeder 15 unter Druckvorspannung angeordnet ist, so dass die Kraft der Schließfeder 15 zum einen die Hülse 14 gegen die Drosselscheibe 2 und zum anderen die Düsennadel 7 gegen den Düsensitz 8 drückt.

[0015] Zur Steuerung des Drucks im Steuerraum 20 ist im Haltekörper 1 ein Steuerventil 30 vorgesehen. Das Steuerventil 30 umfasst einen Steuerventilraum 33, wie er in Figur 2 als Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts der Figur 1 noch-mals vergrößert dargestellt ist. Der Steuerventilraum 33 ist über eine Ablaufdrossel 24, die in der Drosselscheibe 2 ausgebildet ist, mit dem Steuerraum 20 verbunden. Darüber hinaus lässt sich der Steuerventilraum 33 mit einem Niederdruckraum 31 verbinden, der im Haltekörper 1 ausgebildet ist. Dazu weist das Steuerventil 30 ein Steuerventilelement 32 auf, das im Steuerventilraum 33 längsverschiebbar angeordnet ist und das an seinem der Drosselplatte 2 abgewandten Ende eine Steuerventildichtfläche 42 aufweist, mit der das Steuerventilelement 32 mit einem Steuerventilsitz 40 zusammenwirkt. Das Steuerventilelement 32 wird mittels eines Piezo-Aktors 35 bewegt, der über einen Aktorfuß 37 mit dem Steuerventilelement 32 verbunden ist, so dass bei Ausdehnung des Piezo-Aktors 35 das Steuerventilelement 32 innerhalb des Steuerventilraums 33 bewegt wird. Der Steuerraum 20 ist darüber hinaus über eine Zulaufdrossel 23, die ebenfalls in der Drosselscheibe 2 ausgebildet ist, mit der Hochdruckbohrung 22 verbunden, sodass über das Zusammenspiel von Ablaufdrossel 24 und Zulaufdrossel 23 der Druck im Steuerraum 20 einstellbar ist. Zum schnelleren Befüllen des Steuerraums 20 und des Steuerventilraums 33 ist darüber hinaus in der Drosselscheibe 2 eine Fülldrossel 26 vorgesehen, die den Druckraum 5 mit dem Steuerventilraum 33 verbindbar macht.

[0016] Das Kraftstoffeinspritzventil arbeitet wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung ist das Steuerventil 30 geschlossen, d.h. das Steuerventilelement 32 ist mit seiner Steuerventildichtfläche 42 in Anlage am Steuerventilsitz 40 und verschließt damit den Durchgang zwischen dem Steuerventilraum 33 und dem Niederdruckraum 31. Aufgrund der Fülldrossel 26 und der Zulaufdrossel 23 herrscht im Steuerventilraum 33 und im Steuerraum 20 der gleiche Druck wie in der Hochdruckbohrung 22, mit dem der Kraftstoff letztlich durch die Einspritzöffnungen 9 in einen Brennraum eingespritzt werden soll. Soll eine Einspritzung stattfinden, so wird der Piezo-Aktor 35 bestromt, so dass er sich verlängert und über den Aktorfuß 37 das Steuerventilelement 32 vom Steuerventilsitz 40 wegdrückt, bis das Steuerventilelement 32 mit einer Stirnfläche 45, die der Drosselscheibe 2 zugewandt am Steuerventilelement 32 ausgebildet ist, an einer an der Drosselscheibe 2 ausgebildeten Dichtfläche 46 zur Anlage kommt. Dadurch öffnet das Steuerventilelement 32 einerseits die Verbindung des Steuerventilraums 33 zum Niederdruckraum 31 und verschließt andererseits durch Anlage der Stirnfläche 45 auf der Dichtfläche 46 die Fülldrossel 26. Durch die Verbindung des Steuerraums 20 mit dem Steuerventilraum 33 über die Ablaufdrossel 24 sinkt der Druck sowohl im Steuerraum 20 als auch im Steuerventilraum 33 ab, so dass sich die hydraulische Kraft auf die Stirnfläche der Düsennadel 7 erniedrigt. Der Kraftstoffdruck im Druckraum 5 sorgt jetzt dafür, dass die Düsennadel 7 vom Düsensitz 8 abhebt und die die Einspritzöffnungen 9 freigibt.

[0017] Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung des Piezo-Aktors 35 beendet, so dass er sich wieder verkürzt und sich das Steuerventilelement 32, auch angetrieben durch eine Steuerventilfeder 39, die im Steuerventilraum 33 angeordnet ist, zurück in Anlage an den Steuerventilsitz 40 bewegt. Dadurch wird die Verbindung des Steuerventilraums 33 zum Niederdruckraum 31 verschlossen, während gleichzeitig die Fülldrossel 26 geöffnet wird. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Steuerventilraum 33 und dem Druckraum 5 fließt Kraftstoff über die Fülldrossel 26 in den Steuerventilraum 33 und von dort über die Ablaufdrossel 24 in den Steuerraum 20. Gleichzeitig fließt zusätzlich Kraftstoff über die Zulaufdrossel 23 in den Steuerraum 20, so dass der Kraftstoffdruck im Steuerraum 20 rasch wieder ansteigt und die Düsennadel 7 zurück in Anlage an den Düsensitz 8 drückt, was die Einspritzöffnungen 9 verschließt.

[0018] Die Geschwindigkeit, mit der die Düsennadel 7 nach Betätigen des Steuerventils 30 zur Beendigung der Einspritzung die Einspritzöffnungen 9 verschließt, hängt im Wesentlichen davon ab, wie rasch der Druck im Steuerraum 20 wieder aufgebaut wird, was wiederum wesentlich vom zur Verfügung stehenden Zulaufquerschnitt abhängt, d.h. vom Öffnungsdurchmesser der Fülldrossel 26 an der Dicht-fläche 46. Der zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt lässt sich näherungsweise durch das Produkt aus dem Durchmesser der Fülldrossel 26 bzw. deren Öffnung an der Dichtfläche 46 und dem Hub h des Steuerventilelements 32 ausdrücken. Je größer der Durchmesser d der Fülldrossel 26 an der Dichtfläche 46 ist, desto schneller kann der Kraftstoff in den Steuerventilraum 33 fließen und damit auch über die Ablaufdrossel 24 in den Steuerraum 20. Diese Formel gilt als Näherung dann, wenn das Steuerventilelement 32 eine plangeschliffene Stirnfläche 45 aufweist, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.

[0019] Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil, wie es in Figur 3 geschnitten dargestellt ist, weist die Stirnfläche 45 hingegen eine Ausnehmung 48 auf, so dass sich eine Dichtkante 44 ergibt, die am äußeren Rand der Stirnfläche 45 verläuft und die bei Anlage an der Dichtfläche 46 die Öffnung der Fülldrossel 26 umgibt. Der zur Verfügung stehende Abströmquerschnitt ergibt sich jetzt näherungsweise durch das Produkt aus dem Durchmesser D des Steuerventilelements 32 und dem Hub h des Steuerventilelements 32, was wesentlich größer ist als der Durchmesser d an der Öffnung der Fülldrossel 26. Somit lässt sich die Befüllung des Steuerventilraums 33 beschleunigen, ohne den Durchmesser der Fülldrossel 26 zu erhöhen.

[0020] Die Ausnehmung 48 kann verschieden ausgebildet sein, bspw. zylinderförmig oder, wie in Figur 3 dargestellt, in Form eines Kegels bzw. einer Kegelansenkung. Da das Steuerventilelement 32 mit einer vergleichsweise hohen Kraft gegen die Dichtfläche 46 an der Drosselplatte 2 gedrückt wird, darf die Dichtkante 44 keine zu kleine Fläche aufweisen, um die Flächenpressung in diesem Bereich in einem sinnvollen Bereich zu halten.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einer in einem Druckraum (5) längsverschiebbar angeordneten Düsennadel (7), die zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (9) mit einem ortsfesten Düsensitz (8) zusammenwirkt, wobei die Düsennadel (7) mit ihrem dem Düsensitz (8) abgewandten Ende einen Steuerraum (20) begrenzt, in dem ein wechselnder Kraftstoffdruck einstellbar ist und durch dessen Druck eine hydraulische Kraft in Richtung des Düsensitzes (8) auf die Düsennadel (7) ausgeübt wird, und mit einem Steuerventil (30), durch das eine hydraulische Verbindung zwischen dem Steuerraum (20) und einem Niederdruckraum (31) herstellbar ist, wobei das Steuerventil (30) einen Steuerventilraum (33) mit einem darin längsverschiebbaren Steuerventilelement (32) aufweist und der Steuerventilraum (33) über eine Fülldrossel (26) mit dem Druckraum (5) verbindbar ist, und das Steuerventilelement (32) mit einer Stirnfläche (44) zum Öffnen und Schließen der Fülldrossel (26) mit einer Dichtfläche (46) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stirnfläche (44) des Steuerventilelements (32) eine Dichtkante (44) ausgebildet ist, die die Öffnung der Fülldrossel (34) bei Anlage an der Dichtfläche (46) umgibt und dadurch gegen den Steuerventilraum (33) abdichtet4.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtkante (44) durch eine Ausnehmung (48) an der Stirnfläche (44) des Steuerventilelements (32) gebildet wird.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (48) kegelförmig ausgebildet ist.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilelement (32) mit einem Steuerventilsitz (40) zum Öffnen und Schließen einer Verbindung des Steuerventilraums (33) mit dem Niederdruckraum (31) zusammenwirkt.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerventilelement (32) von einer im Steuerventilraum (33) angeordneten Steuerventilfeder (39) in Richtung des Steuerventilsitzes (40) mit einer Schließkraft beaufschlagt ist.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilsitz (40) und die Dichtfläche (46) einander gegenüber liegend im Steuerventilraum (33) angeordnet sind.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (20) über eine Ablaufdrossel (24) mit dem Steuerventilraum (33) verbunden ist.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fülldrossel (26) in einer Drosselscheibe (2) ausgebildet ist, an der auch die Dichtfläche (46) ausgebildet ist.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselscheibe (2) sowohl den Steuerventilraum (33) als auch den Steuerraum (20) begrenzt.

Zeichnung