Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Abstract

 Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (2; 3), in dem ein Speichervolumen (7) ausgebildet ist, das über einen Hochdruckanschluss (11; 13) mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Im Speichervolumen (7) ist eine längsverschiebbare Düsennadel (5) angeordnet, die zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (20) mit einem Düsensitz (17) zusammenwirkt. Im Hochdruckanschluss (11; 13) ist ein Druckhalteventil (35) angeordnet, das nur einen Kraftstofffluss in Richtung des Speichervolumens (7) zulässt.

Beschreibung

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

Stand der Technik

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffeinspritzventile, die zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck direkt in Brennräume von Brennkraftmaschinen verwendet werden, bekannt. Dabei wird der Kraftstoff über eine Hochdruckpumpe verdichtet und einem Kraftstoffhochdruckspeicher zugeführt, von dem aus eine oder mehrere Hochdruckleitungen zu den einzelnen Kraftstoffeinspritzventilen führen und ein sogenanntes Common-Rail-Einspritzsystem bilden. Die Einspritzventile weisen dabei eine längsverschiebbare Düsennadel auf, die mit einem Düsensitz zusammenwirkt und dadurch Einspritzöffnungen öffnet oder schließt. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist bspw. aus der DE 198 27 267 A1 bekannt.

[0003] Während des Betriebs des Kraftstoffeinspritzsystems wird beständig Kraftstoff über die Hochdruckpumpe verdichtet und dem Kraftstoffhochdruckspeicher zugeführt. Der dort zur Verfügung stehende, verdichtete Kraftstoff wird den einzelnen Einspritzventilen über Hochdruckleitungen zugeführt, wobei die Dosierung des Kraftstoffs für die einzelnen Brennräume über die Ansteuerung der einzelnen Einspritzventile geschieht, die über elektrische Aktoren, bspw. Magnet- oder Piezo-Aktoren, verfügen. Beim Abschalten der Brennkraftmaschine sinkt der Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher und damit über die Verbindung mit den einzelnen Kraftstoffeinspritzventilen auch in jedem Injektor ab. Wird die Brennkraftmaschine erneut gestartet, so muss die Hochdruckpumpe vor der ersten Kraftstoffeinspritzung einen ausreichenden Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher zur Verfügung stellen, was ein schnelles Wiederanlaufen der Brennkraftmaschine erschwert. Dies ist insbesondere bei Kraftfahrzeugen von Bedeutung, die mit einem sogenannten Start-Stopp-System ausgerüstet sind, wobei sich der Motor bei jedem Stopp des Kraftfahrzeugs abschaltet und beim Wiederanfahren erneut einschaltet.

[0004] Aus der JP 09/296767 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das Teil eines Common-Rail-Einspritzsystems ist und bei dem in der Hochdruckbohrung des Kraftstoffeinspritzsystems ein Rückschlagventil angeordnet ist, das einen Kraftstoffzufluss in Richtung der Einspritzöffnungen erlaubt und in der Gegenrichtung sperrt. Dieses Rückschlagventil ist jedoch nicht geeignet, ein schnelleres Starten der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, da hierdurch nur eine Druckdifferenz zwischen dem Bereich des Druckraums, der mit den Einspritzöffnungen verbindbar ist, und dem Steuerraum erreicht wird.

Vorteile der Erfindung

[0005] Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Kraftstoffeinspritzung auch nach Unterbrechung der zyklischen Einspritzfunktion ohne Verzögerung wieder aufgenommen werden kann. Hierzu weist das Kraftstoffeinspritzventil ein Gehäuse mit einem Speichervolumen auf, wobei das Speichervolumen über einen Hochdruckanschluss mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist, und eine längsverschiebbare Düsennadel, die zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung mit einem Düsensitz zusammenwirkt, wobei die Düsennadel in dem Speichervolumen angeordnet ist. Im Hochdruckanschluss ist ein Druckhalteventil angeordnet, das nur einen Kraftstofffluss in Richtung des Speichervolumens zulässt und in der Gegenrichtung sperrt. Durch die Anordnung des Druckhalteventils im Hochdruckanschluss wird bei Abschalten des Kraftstoffeinspritzsystems, also z.B. beim Anhalten des entsprechenden Motors, der Druck innerhalb des Speichervolumens beibehalten, auch wenn die Brennkraftmaschine für längere Zeit abgeschaltet wird. Soll erneut eine Einspritzung stattfinden, so kann dies ohne weitere Zeitverzögerung geschehen, da ein ausreichender Kraftstoffdruck innerhalb des Speichervolumens des Kraftstoffeinspritzventils vorhanden ist, der für eine Einspritzung ausreicht. Das Speichervolumen stellt hierbei sicher, dass der Kraftstoffdruck während der gesamten Einspritzung und ggf. auch für mehrere Einspritzungen ein ausreichendes Druckniveau zur Verfügung stellt. Während dieser Zeit, in der die Kraftstoffeinspritzung ausschließlich aus dem Speichervolumen des Kraftstoffeinspritzventils gespeist werden kann, kann der zentrale Hochdruckspeicher entlastet werden, damit die Hochdruckpumpe wieder anlaufen bzw. starten kann, um einen ausreichenden Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher zu erzeugen, der für die weiteren Einspritzungen zur Verfügung steht.

[0006] In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Druckhalteventil so ausgebildet, dass es nur bei einem Differenzdruck von 5 bis 50 bar öffnet. Dies stellt sicher, dass der Druckverlust in Strömungsrichtung gering bleibt bei einer ausreichend Dichtwirkung.

[0007] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Speichervolumen im Kraftstoffeinspritzventil ein Volumen von 2 bis 3 cm³ auf, vorzugsweise von 2,4 bis 2,6 cm³. Ein solches Speichervolumen bietet ausreichend Volumen um die Kraftstoffeinspritzung zu speisen, ohne dass es zu einem nennenswerten Druckabfall während dieser Einspritzung kommt.

[0008] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Hochdruckanschluss einen Anschlussstutzen, in dem das Druckhalteventil und ein Kraftstofffilter angeordnet sind. Dieser kompakte Aufbau erlaubt es, das erfindungsgemäße Druckhalteventil einfach in verschiedene Injektoren einzubauen, ohne dass weitere bauliche Änderungen innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils notwendig sind.

[0009] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Druckhalteventil eine Dichtkugel und eine die Dichtkugel gegen einen Dichtsitz drückende Spannfeder. Diese Ausgestaltung ist einfach zu realisieren und minimiert das Risiko eines Klemmens des beweglichen Teils des Druckhalteventils.

[0010] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel an ihrem dem Düsensitz abgewandten Ende in einem Ventilstück geführt, wobei das Ventilstück im Wesentlichen holzylindrisch ausgebildet ist und zusammen mit der Düsennadel einen Steuerraum begrenzt. Dieser Steuerraum übt in vorteilhafter Weise eine Schließkraft in Richtung des Düsensitzes auf die Düsennadel aus, so dass eine Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel über den Druck im Steuerraum möglich ist. Der Steuerraum ist dabei in vorteilhafter Weise über eine Zulaufdrossel mit dem Speichervolumen verbunden.

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

Zeichnung

[0012] In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt schematisch dargestellt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0013] In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt schematisch dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist ein Gehäuse auf, das einen Haltekörper 2 und einen Düsenkörper 3 umfasst, die durch eine Spannmutter 4 gegeneinander verspannt sind. Im Haltekörper 2 und im Düsenkörper 3 ist ein Speichervolumen 7 ausgebildet, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 5 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine Düsennadeldichtfläche 18 auf, mit der die Düsennadel 5 mit einem Düsensitz 17 zusammenwirkt, so dass bei Anlage der Düsennadel 5 am Düsensitz 17 die Einspritzöffnung 20 gegen das Speichervolumen 7 abgedichtet wird, während dann, wenn die Düsennadel 5 vom Düsensitz 17 abgehoben hat, Kraftstoff aus dem Speichervolumen 7 zu den Einspritzöffnungen 20 und durch diese hindurchfließen kann. Zur Führung der Düsennadel 5 ist an dieser ein Führungsabschnitt 205 ausgebildet, mit dem die Düsennadel 5 im Düsenkörper 3 geführt ist, wobei zur Durchleitung des Kraftstoffs mehrere Anschliffe 8 am Führungsabschnitt 205 ausgebildet sind.

[0014] Am düsensitzabgewandten Ende weist die Düsennadel 5 einen Endabschnitt 105 auf, mit dem die Düsennadel 5 in einem Ventilstück 15 geführt ist, wobei das Ventilstück 15 im Wesentlichen eine zylindrische Form aufweist und zusammen mit der Stirnseite der Düsennadel 5 einen Steuerraum 22 begrenzt. Das Ventilstück 15 liegt an einer Drosselscheibe 23 an, die innerhalb des Haltekörpers 2 verspannt ist und die das Speichervolumen 7 brennraumabgewandt begrenzt. Die Düsennadel 5 ist darüber hinaus von einer Schließfeder 9 umgeben, die sich einerseits am Ventilstück 15 abstützt und andererseits an einem Stützring 10, der mit der Düsennadel 5 verbunden ist. Die Schließfeder 9 ist unter Druckvorspannung angeordnet, sodass über deren Vorspannkraft eine Schließkraft in Längsrichtung auf die Düsennadel 5 ausgeübt wird, die die Düsennadel 5 gegen den Düsensitz 17 drückt. Zur Befüllung des Steuerraums 22 ist im Ventilstück 15 eine Zulaufdrossel 32 ausgebildet, sodass Kraftstoff aus dem Speichervolumen 7 in den Steuerraum 22 fließen kann.

[0015] Der Steuerraum 22 ist darüber hinaus über eine Ablaufdrossel 31, die im Ventilstück 15 und in der Drosselscheibe 23 ausgebildet ist, mit einem Niederdruckraum 30 verbindbar, der oberhalb des Haltekörpers 2 im Kraftstoffeinspritzventil 1 ausgebildet ist. Zur Steuerung des Kraftstoffdurchflusses durch die Ablaufdrossel 31 ist ein Steuerventil 25 vorgesehen, das brennraumabgewandt zum Haltekörper 2 innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 1 angeordnet ist und das einen Magnetanker 26 umfasst, der mittels eines Elektromagneten 27 bewegbar ist, wobei der Magnetanker 26 durch die Kraft einer Ventilfeder 21 gegen einen Sitz an der Drosselscheibe 23 gedrückt wird. Durch Bestromung des Elektromagneten 27 wird der Magnetanker 26 angezogen und gibt die Verbindung der Ablaufdrossel 31 zum Niederdruckraum 30 frei. Dabei ist der Niederdruckraum 30 über eine Ablaufleitung 40 mit einem Kraftstofftank 6 verbindbar, so dass im Niederdruckraum 30 stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht.

[0016] Zur Kraftstoffversorgung des Speichervolumens 7 ist am Kraftstoffeinspritzventil 1 ein Hochdruckanschluss vorgesehen, der eine Hochdruckleitung 13 und einen Anschlussstutzen 11 umfasst. Der Anschlussstutzen 11 ist im Wesentlichen holzylindrisch ausgebildet und in eine Aufnahme 19 des Haltekörpers 2 eingeschraubt. Innerhalb des Anschlussstutzens 11 ist ein Kraftstofffilter 12 angeordnet und diesem nachgeschaltet ein Druckhalteventil 35, das einen Kraftstofffluss nur in Richtung des Speichervolumens 7 erlaubt. Zur Versorgung des Kraftstoffeinspritzventils 1 mit Kraftstoff unter hohem Druck ist ein Hochdruckspeicher 14 vorgesehen, von dem aus mehrere Hochdruckleitungen 13 abgehen, die mit dem jeweiligen Kraftstoffeinspritzventil 1 verbunden sind, von dem in der Figur nur eines dargestellt ist. Der Hochdruckspeicher 14 stellt Kraftstoff unter hohem Druck zur Verfügung, der über eine Hochdruckpumpe 16 verdichtet worden ist, wobei die Hochdruckpumpe 16 den Kraftstoff entweder direkt dem Kraftstofftank 6 entnimmt oder diesen von einer vorgeschalteten Niederdruckpumpe erhält.

[0017] Das Druckhalteventil 35 umfasst eine Dichtkugel 36, die durch eine Spannfeder 37 gegen einen Dichtsitz 38 vorgespannt ist. Bei Anlage der Dichtkugel 36 am Dichtsitz 38 wird ein Kraftstofffluss aus dem Speichervolumen 7 des Kraftstoffeinspritzventils 1 in Richtung des Hochdruckspeichers 14 über die Hochdruckleitung 13 verhindert. Herrscht hingegen im Hochdruckspeicher 14 und damit in der Hochdruckleitung 13 ein höherer Kraftstoffdruck als im Speichervolumen 7, so hebt die Dichtkugel 36 vom Dichtsitz 38 ab und gibt einen Strömungsquerschnitt frei, durch den Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 14 in das Speichervolumen 7 strömt.

[0018] Das Kraftstoffeinspritzventil arbeitet wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung ist das Steuerventil 25 geschlossen, d. h. der Steuerraum 22 ist hydraulisch vom Niederdruckraum 30 getrennt. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Elektromagnet 27 bestromt und zieht den Magnetanker 26 vom Dichtsitz auf der Drosselscheibe 23 weg, so dass die Ablaufdrossel 31 freigegeben wird. Dadurch sinkt der Druck im Steuerraum 22 ab und damit auch die hydraulische Kraft auf die Stirnseite der Düsennadel 5, so dass sich die Düsennadel 5 - angetrieben vom hydraulischen Druck innerhalb des Speichervolumens 7 auf die Düsennadel 5-vom Düsensitz 17 abhebt und die Einspritzöffnungen 20 freigibt. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung des Elektromagneten 27 beendet, so dass die Ventilfeder 21 den Magnetanker 26 wieder zurück in seine Schließstellung drückt und sich der Druck in Steuerraum 22 durch nachfließenden Kraftstoff über die Zulaufdrossel 32 wieder erhöht, bis die Düsennadel 5 durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum 22 zurück in ihre Schließstellung gedrückt wird.

[0019] Durch das Einspritzen des Kraftstoffs, der über die Einspritzöffnungen 20 in den Brennraum eingebracht wird und der dem Speichervolumen 7 entnommen wird, sinkt der Kraftstoffdruck im Speichervolumen 7 unter den Druck im Speichervolumen 14 ab. Sobald dies der Fall ist, strömt Kraftstoff während der Einspritzung oder in der Zeit danach aus dem Hochdruckspeicher 14 in das Speichervolumen 7 des Kraftstoffeinspritzventils nach, so dass im Speichervolumen 7 wieder der gleiche Druck wie im Hochdruckspeicher 14 herrscht. Wird die Brennkraftmaschine abgeschaltet, so fördert die Hochdruckpumpe 16 keinen Kraftstoff mehr in den Hochdruckspeicher 14 und der Druck im Hochdruckspeicher 14 nimmt entweder über Undichtigkeiten in der Hochdruckpumpe 16 oder gesteuert über ein Druckregelventil am Hochdruckspeicher 14 ab. Da die Hochdruckpumpe 16 nicht gegen einen hohen Druck im Hochdruckspeicher 14 anlaufen bzw. starten kann, muss der Hochdruckspeicher 14 vor dem Motorneustart entlastet werden. Im Speichervolumen 7 des Kraftstoffeinspritzventils 1 herrscht hingegen noch der hohe Kraftstoffdruck, der beim Abschalten der Brennkraftmaschine vorhanden war, da das Druckhalteventil 35 einen Rückfluss von Kraftstoff aus dem Speichervolumen 7 verhindert.

[0020] Wird die Brennkraftmaschine erneut gestartet, muss sofort eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum stattfinden, wobei jedoch im Hochdruckspeicher 14 kein ausreichender Kraftstoffdruck mehr zur Verfügung steht, da dieser erst durch die Hochdruckpumpe 16 aufgebaut werden muss. Für die erste Einspritzung oder die ersten Einspritzungen liefert jedoch das Speichervolumen 7 innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 1 den notwendigen und bereits verdichteten Kraftstoff, so dass das Kraftstoffeinspritzventil ausreichend arbeitet, noch ehe ein ausreichender Einspritzdruck im Hochdruckspeicher 14 zur Verfügung steht. Da das Speichervolumen 7 eine gewisse Mindestgröße aufweist, sinkt der Druck auch während der Einspritzung nur wenig ab. Sobald im Hochdruckspeicher 14 wieder ein ausreichender Kraftstoffdruck aufgebaut ist, fließt dieser über den Anschlussstutzen 11 wie ober beschrieben in das Speichervolumen 7 des Kraftstoffeinspritzventils nach.

[0021] Die Spannfeder 37 des Druckhalteventils 35 kann so ausgebildet sein, dass es erst bei einer gewissen Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckspeicher 14 und dem Speichervolumen 7 öffnet. Dadurch ist sichergestellt, dass unabhängig vom Zeitpunkt zu dem die Brennkraftmaschine abgeschaltet wird ein gewisser Mindestdruck im Speichervolumen 7 zur Verfügung steht. Dieser Überdruck beträgt vorzugsweise 5 bis 50 bar.

[0022] Um ein ausreichendes Kraftstoffvolumen innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils zur Verfügung zu haben, muss das Speichervolumen 7 ausreichend groß dimensioniert sein. Ein Volumen von 2 bis 3 cm³ ist für diese Zwecke ausreichend, wobei ein Speichervolumen zwischen 2,4 und 2,6 cm³ einen guten Kompromiss zwischen der Funktionalität einerseits und zwischen dem Raumbedarf innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils andererseits darstellt.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (2; 3), in dem ein Speichervolumen (7) ausgebildet ist, das über einen Hochdruckanschluss (11; 13) mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist, und mit einer längsverschiebbaren Düsennadel (5), die zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (20) mit einem Düsensitz (17) zusammenwirkt und die in dem Speichervolumen (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Hochdruckanschluss (11; 13) ein Druckhalteventil (35) angeordnet ist, das nur einen Kraftstofffluss in Richtung des Speichervolumens (7) zulässt.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckhalteventil (35) ab einem Differenzdruck von 5 bis 50 bar öffnet.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen (7) ein Volumen von 2 bis 3 cm³ aufweist, vorzugsweise von 2,4 bis 2,6 cm³.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckanschluss einen Anschlussstutzen (11) umfasst, in dem das Druckhalteventil (35) und ein Kraftstofffilter (12) angeordnet sind.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckhalteventil eine Dichtkugel (36) und eine die Dichtkugel gegen einen Dichtsitz (38) drückende Spannfeder (37) umfasst.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (5) an ihrem dem Düsensitz (17) abgewandten Ende in einem Ventilstück (15) geführt ist, wobei das Ventilstück (15) im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und zusammen mit der Düsennadel (7) einen Steuerraum (22) begrenzt.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Druck im Steuerraum (22) eine Schließkraft in Richtung des Düsensitzes (17) auf die Düsennadel (5) ausgeübt wird.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (22) über ein Steuerventil (25) mit einem Niederdruckraum (30) verbindbar ist.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (22) über eine Zulaufdrossel (32) mit dem Speichervolumen (7) verbunden ist.

Zeichnung