Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es zur Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet wird.

Stand der Technik

Kraftstoffeinspritzventile, wie sie vorzugsweise zur Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Einspritzsystemen, die nach dem sogenannten Common-Rail-Prinzip arbeiten, wird mittels einer Hochdruckpumpe verdichteter Kraftstoff in einem Rail zur Verfügung gestellt und mittels Injektoren bzw.

Kraftstoffeinspritzventilen in die jeweiligen Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Einspritzung wird mittels einer in einem Druckraum des

Kraftstoffeinspritzventils angeordneten Düsennadel gesteuert, die eine

Längsbewegung ausführt und dadurch eine oder mehrere Einspritzöffnungen öffnet und schließt, die in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 060 552 AI ist bekannt, dass der Einspritzverlauf von Kraftstoffeinspritzventilen abhängig vom Düsennadelhub im Hinblick auf eine optimale Verbrennung durch die Verwendung von zwei Drosselverbindungen geformt werden kann, die beide in einer

düsennadelsitznahen Hülse ausgebildet sind. Dazu wird eine erste

Drosselverbindung verwendet, deren Wirkung dauerhaft über den Düsennadelhub konstant bleibt. Zusätzlich wird eine zweite Drosselverbindung verwendet, deren Wirkung abhängig vom Hub der Düsennadel ist, so dass sie bei der Öffnungshubbewegung der Düsennadel erst ab einem bestimmten Hub der Düsennadel zugeschaltet wird.

Die hubabhängige Drosselwirkung des bekannten Kraftstoffeinspritzventils ist vergleichsweise anfällig gegenüber Fertigungstoleranzen innerhalb der

Toleranzkette von Düsenkörper, Düsennadel, Hülse und zweiter

Drosselverbindung.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber die Vorteile auf, dass es ein robustes Einspritzverhalten gegenüber Fertigungstoleranzen besitzt.

Weiterhin wird durch Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Düsennadelsitzes und damit einhergehend der Dampfbildung der wichtigste Verschleißmechanismus, nämlich Kavitationsschäden im Bereich des

Düsennadelsitzes und der Einspritzöffnungen, reduziert bzw. unterbunden und damit die Lebensdauer signifikant erhöht.

Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil einen Düsenkörper mit einem darin ausgebildeten Düsenraum auf. In dem Düsenraum ist eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet, wobei eine Düsennadelspitze der Düsennadel durch die Längsbewegung mit einem an dem Düsenkörper ausgebildeten Düsennadelsitz zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung öffnet und schließt. Eine Hülse ist auf der Düsennadel längsverschiebbar angeordnet. Zwischen der Hülse, der Düsennadelspitze und dem Düsennadelsitz ist ein Druckraum ausgebildet. Eine in der Hülse ausgebildete Drosselstelle verbindet den Düsenraum mit dem Druckraum hydraulisch. Die Hülse ist auf der Düsennadel längsverschiebbar geführt, wobei eine Schließfläche der Hülse mit dem Düsennadelsitz zusammenwirkt. Bei Anlage der Düsennadelspitze an den Düsennadelsitz ist die Schließfläche gegen den Düsennadelsitz verspannt. Auf der Düsennadel ist ein Mitnehmer angeordnet. Bei der Öffnungshubbewegung der Düsennadel ist der Mitnehmer mit der Hülse in Eingriff bringbar, so dass die Schließfläche von dem Düsennadelsitz abhebt und dadurch eine Spaltdrossel zwischen der Schließfläche und dem Düsennadelsitz aufsteuert. Die Spaltdrossel verbindet den Düsenraum mit dem Druckraum hydraulisch.

Durch diese Ausführung kann der Strömungsquerschnitt an der Spaltdrossel während der Öffnungshubbewegung der Düsennadel ab dem Zeitpunkt des Eingriffs von Mitnehmer zu Hülse stark vergrößert werden. Der Düsennadelsitz und die Einspritzöffnungen sind stromabwärts der Drosselstelle und der

Spaltdrossel angeordnet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs zu den Einspritzöffnungen kann damit so gedrosselt werden, dass eine Dampfbildung des Kraftstoffs verringert oder sogar unterbunden wird. Damit werden auch potenzielle Kavitationsschäden verringert bzw. vermieden. Gleichzeitig können trotzdem Einspritzverlaufsformungen mit großen Durchflussmengen am Ende des Öffnungsvorgangs der Düsennadel erzielt werden.

In vorteilhaften Ausführungen weist die Drosselstelle einen konstanten

Durchflussquerschnitt auf. Dadurch wird, insbesondere bei kleinen Hüben der Düsennadel, ein vorteilhafter Einspritzverlauf erzielt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Kraftstoffeinspritzventil so ausgebildet, dass ab einem Öffnungshub hi der Düsennadel die Hülse mit dem Mitnehmer in einem formschlüssigen Eingriff steht. Ab Hüben größer oder gleich dem

Öffnungshub hi weist die Hülse also die gleiche Axialbewegung auf wie die Düsennadel. Bis zu dem Öffnungshub hi dagegen liegt eine axiale

Relativbewegung zwischen der an dem Düsennadelsitz anliegenden Hülse und der Düsennadel vor. So wird ab dem Öffnungshub hi eine zweite zusätzliche Drossel realisiert, welche einen hubabhängigen Durchflussquerschnitt aufweist. Die Einspritzcharakteristik kann dadurch sehr flexibel und vorteilhaft gestaltet werden. Durch die hubabhängige Drosselung der Kraftstoffströmung in Richtung des Düsennadelsitzes wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs im Bereich des Düsennadelsitzes so weit abgesenkt, dass eine Dampfbildung des Kraftstoffs verringert oder sogar unterbunden wird.

Vorteilhafterweise ist bis zu dem Öffnungshub hi die Hülse von einer Haltefeder gegen den Düsennadelsitz verspannt. Dadurch erfolgt die Verspannung der Hülse auf kostengünstige und einfache Weise. Vorteilhafterweise kann der Öffnungshub hi der Düsennadel während der Öffnungshubbewegung, zu dem der Mitnehmer in Eingriff mit der Hülse kommen soll, während der Montage des Kraftstoffeinspritzventils eingestellt werden. Dazu wird der Mitnehmer exakt auf der Düsennadel positioniert. Etwaige Fertigungstoleranzen können so bereits während der Montage ausgeglichen werden.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist ab dem Öffnungshub hi die Hülse von der Haltefeder gegen den Mitnehmer verspannt. Dadurch ist bei Hüben größer dem Öffnungshub hi die Hülse quasi fest mit dem Mitnehmer verbunden und damit auch fest mit der Düsennadel. Hülse und Düsennadel führen also in diesen Zuständen die gleiche Bewegung aus. Der Durchflussquerschnitt der

Spaltdrossel ändert sich damit proportional mit dem Hub der Düsennadel.

Durch die Verspannung der Hülse mit dem Düsennadelsitz bzw. mit dem Mitnehmer ist zu jedem Zeitpunkt der Hubbewegung der Düsennadel eine definierte und fixierte Lage der Hülse gewährleistet. In vorteilhaften Ausführungen ist die Haltefeder in dem Düsenraum angeordnet. Dadurch ist die Ausführung bauraumschonend und leicht montierbar.

Vorzugsweise wird die Haltefeder dabei so angeordnet, dass sie die Düsennadel umgibt. Dadurch wird eine besonders bauraumsparende Anordnung der Feder erzielt.

In vorteilhaften Ausführungen beträgt bei einem maximalen Öffnungshub hi2 der Düsennadel der Durchflussquerschnitt der Spaltdrossel ein Vielfaches des Durchflussquerschnitts der Drosselstelle. Dadurch kann eine sehr gute

Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils erzielt werden. Insbesondere können dadurch sowohl sehr kleine als auch sehr große Einspritzmengen realisiert werden, ohne gleichzeitig Kavitationsschäden hervorzurufen.

In vorteilhaften Ausführungen weist der Düsennadelsitz eine konische Form auf. So wird zum einen bei Anlage der Düsennadel und der Schließfläche an dem Düsennadelsitz eine gute Dichtwirkung erzielt, zum anderen ergibt sich bei abgehobener Schließfläche eine vorteilhafte Strömungsgeometrie durch die Spaltdrossel. Die entsprechende Kontaktfläche an der Hülse, also die

Schließfläche, ist vorzugsweise mit einem geringfügig abweichenden

Öffnungswinkel von ca. ± 0,5° ausgeführt, so dass sich bei Anlage ohne

Krafteinwirkung eine umlaufende Dichtkante zwischen Hülse bzw. Schließfläche und Düsennadelsitz ergibt.

In vorteilhaften Ausführungen ist der Mitnehmer in einer Nut der Düsennadel angeordnet. Auf einfach Art und Weise ist der Mitnehmer dadurch sehr stabil mit der Düsennadel verbunden.

In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Mitnehmer eine konische Form auf. Dadurch kann der formschlüssige Eingriff zwischen Mitnehmer und Hülse als eine Art Kegelpressverband ausgeführt werden, wodurch vergleichsweise hohe Kräfte übertragen werden können.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes

Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur die wesentlichen Bereiche schematisch gezeigt sind.

Beschreibung

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil 1 im Längsschnitt. Das Kraftstoffe insp ritz ventil 1 weist einen in einem Düsenkörper 2 ausgebildeten Düsenraum 22 auf, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 3 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 3 wirkt an ihrem dem

Brennraum zugewandten Ende, der Düsennadelspitze 35, mit einem an dem Düsenkörper 2 ausgebildeten Düsennadelsitz 21 zusammen und kann dadurch eine oder mehrere Einspritzöffnungen 20 im Düsenkörper 2 öffnen oder verschließen, über die Kraftstoff in den Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Der Düsenraum 22 ist über einen im Düsenkörper 2 ausgebildeten Hochdruckkanal 23 mit einer nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckquelle, üblicherweise einem Common Rail, verbunden, die unter Hochdruck stehenden Kraftstoff zur Verfügung stellt.

An dem Brennraum entgegengesetzten Ende der Düsennadel 3 ist ein

Steuerraum 6 ausgebildet, über dessen Druck die Öffnungs- und

Schließbewegung der Düsennadel 3 gesteuert wird in der Weise, dass bei Druckabsenkung im Steuerraum 6 die Düsennadel 3 vom Düsennadelsitz 21 abhebt und so die Einspritzöffnungen 20 freigibt und bei Druckanstieg im Steuerraum 6 die Düsennadel 3 gegen den Düsennadelsitz 21 gedrückt wird und die Einspritzöffnungen 20 verschließt. Die Druckänderung des Steuerraums 6 erfolgt durch eine in einer Ventilplatte 4 ausgebildete Steuerbohrung 40, über die, gesteuert von einem nicht dargestellten Steuerventil, unter Hochdruck stehender Kraftstoff zu- oder abgeführt werden kann.

Der Steuerraum 6 wird radial durch eine Steuerraumhülse 5 begrenzt, sowie axial durch die Ventilplatte 4 und die Düsennadel 3. Die Steuerraumhülse 5 führt weiterhin die Längsbewegung der Düsennadel 3. Die Steuerraumhülse 5 ist von einer Düsenfeder 17 gegen die Ventilplatte 4 gespannt. Die Düsenfeder 17 wirkt weiterhin mit einer Schulter 30 der Düsennadel 3 zusammen; dadurch wird die Düsennadel 3 von der Düsenfeder 17 gegen den Düsennadelsitz 21 gedrückt.

Im dem Brennraum nahen Bereich des Düsenraums 22 ist ein Drosselverbund angeordnet. Der Drosselverbund umfasst eine Hülse 10, einen Mitnehmer 11 und eine Haltefeder 12. Der Mitnehmer 11 ist dabei fest auf der Düsennadel 3 bzw. der Düsennadelspitze 35 angeordnet; der Mitnehmer 11 kann dabei auch einstückig mit der Düsennadel 3 ausgeführt sein. In Abhängigkeit des Hubs der Düsennadel 3 kommt der Mitnehmer in einen formschlüssigen Eingriff mit der Hülse 10. Dieser Eingriff geschieht in Öffnungsrichtung der Düsennadel 3, also in der Darstellung der Fig.l nach oben, ab einem Öffnungshub hi 13. Die Hülse 10 ist längsverschiebbar auf der Düsennadel 3 angeordnet, bildet mit dieser bis zum Öffnungshub hi 13 also eine Art axiales Gleitlager aus.

Die Haltefeder 12 ist die Düsennadel 3 radial umgebend angeordnet. Die

Haltefeder 12 stützt sich an einem Absatz 31 der Düsennadel 3 ab und spannt die Hülse 10 gegen den Düsennadelsitz 21, so dass eine an der Hülse 10 ausgebildete Schließfläche 10a mit dem Düsennadelsitz 21 zusammenwirkt. Ist der Hub der Düsennadel 3 größer bzw. gleich dem Öffnungshub hi 13, dann spannt die Haltefeder 12 die Hülse 10 gegen den Mitnehmer 11, da ab diesem Hub der formschlüssige Eingriff zwischen dem Mitnehmer 11 und der Hülse 10 ausgebildet ist, beispielsweise über konische Kontaktflächen von Mitnehmer 11 und Hülse 10. Ist der Hub der Düsennadel 3 größer als der Öffnungshub hi 13, dann ist die Schließfläche 10a und somit die Hülse 10 von dem Düsennadelsitz 21 abgehoben.

Zwischen der Hülse 10, der Düsennadelspitze 35 und dem Düsennadelsitz 21 ist ein Druckraum 14 ausgebildet. Der Druckraum 14 ist durch eine in der Hülse 10 ausgebildete Drosselstelle 15 hydraulisch mit dem Düsenraum 22 verbunden. Die Drosselstelle 15 ist bevorzugt eine oder mehrere radiale Bohrungen in der Hülse 10. Ist die Schließfläche 10a von dem Düsennadelsitz 21 abgehoben, dann ist zwischen der Schließfläche 10a und dem Düsennadelsitz 21 eine hubvariable Spaltdrossel 16 ausgebildet, welche ebenfalls den Düsenraum 22 mit dem Druckraum 14 hydraulisch verbindet.

Bei geöffneter Düsennadel 3 ist zwischen der Düsennadelspitze 35 und dem Düsennadelsitz 21 eine weitere Drossel ausgebildet, die Ringdrossel 17. Diese spielt für die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils 1 jedoch nur eine untergeordnete Rolle, da ihr Strömungsquerschnitt schon bei kleinen Hüben der Düsennadel 3 größer als diejenigen von Drosselstelle 15, Spaltdrossel 16 und Einspritzöffnungen 20 ist.

Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils 1 ist wie folgt:

Wird der Druck im Steuerraum 6 durch das Steuerventil abgesenkt, beginnt die Düsennadel 3 mit ihrer Öffnungshubbewegung, hebt vom Düsennadelsitz 21 ab und gibt die Einspritzöffnungen 20 frei; der Einspritzprozess von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine beginnt. Bis zu einem Öffnungshub hi 13 der Düsennadel 3 wird die Hülse 10 durch die Vorspannkraft der Düsenfeder 17 gegen den Düsennadelsitz 21 gedrückt. Der Druck im Druckraum 14, also zwischen der Drosselstelle 15 und dem Düsennadelsitz 12 bzw. der Ringdrossel 17 wird somit unmittelbar nach dem Öffnen der Düsennadel 3 abgesenkt. Der Zuströmquerschnitt zur Ringdrossel 17 bleibt konstant, nämlich definiert durch den Durchflussquerschnitt der Drosselstelle 15, bis der Öffnungshub hi 13 der Düsennadel 3 überschritten ist, also bis der Mitnehmer 11 vom Düsennadelsitz 21 abhebt und so zusätzlich die hubvariable Spaltdrossel 16 freigibt. Nun ändert sich der Druck im Druckraum 14 einer Funktion folgend, welche durch den stetig zunehmenden Zuströmquerschnitt in den Druckraum 14 durch die beiden Drosseln Drosselstelle 15 und Spaltdrossel 16 definiert ist.

Vor Beginn der Schließbewegung am Ende des Einspritzprozesses ist die Hülse 10 durch den Mitnehmer 11 und die Haltefeder 12 fixiert; zwischen der

Schließfläche 10a und dem Düsennadelsitz 21 befindet sich die geöffnete Spaltdrossel 16. Die Spaltdrossel 16 weist bei einem maximalen Öffnungshub hi2 18 einen gegenüber der Drosselstelle 15 vergleichsweise großen Durchflussbzw. Strömungsquerschnitt auf. In dieser Stellung strömt vom Düsenraum 22 mehr Kraftstoff über die Spaltdrossel 16 in den Druckraum 14 als über die Drosselstelle 15.

Die Schließbewegung der Düsennadel 3 wird eingeleitet, indem das Steuerventil den Druck im Steuerraum 6 erhöht. Aufgrund der daraus ansteigenden resultierenden hydraulischen Kraft bewegt sich die Düsennadel 3 daraufhin in Richtung des Düsennadelsitzes 21. Damit verringert sich auch wieder der Strömungsquerschnitt durch die Spaltdrossel 16. Bis zum Öffnungshub hi 13 steht der Mitnehmer 11 in Eingriff mit der Hülse 10. Beim Öffnungshub hi 13 kommt es zum Kontakt zwischen der Schließfläche 10a und dem Düsennadelsitz 21. Die Spaltdrossel 16 wird dadurch geschlossen, so dass nur noch der Strömungsquerschnitt durch die Drosselstelle 15 bestehen bleibt. Gleichzeitig wird der Eingriff zwischen Mitnehmer 11 und Hülse 10 aufgehoben, so dass die Hülse 10 zwischen dem Düsennadelsitz 21 und der Haltefeder 12 verspannt ist. Am Ende der Schließbewegung wird die Düsennadel 3 mit ihrer

Düsennadelspitze 35 gegen den Düsennadelsitz 21 gedrückt und verschließt so die Einspritzöffnungen 20 wieder. Es gelangt kein Kraftstoff mehr in den

Brennraum. Erfindungsgemäß sind die Anordnungen der Drosselstelle 15 und der

Spaltdrossel 16 benachbart zum Düsennadelsitz 21, stromaufwärts der

Einspritzöffnungen 20. Dort steht im Druckraum 14 bei geschlossener

Düsennadel 3 der Systemdruck, also der Druck des Düsenraums 22, an und wird von der Düsennadelspitze 35 zum Brennraum abgedichtet. Der volle

Systemdruck wird beim Öffnen und Schließen der Düsennadel 3 in

Geschwindigkeit umgesetzt. Diese hohe Geschwindigkeit im Bereich des

Druckraums 14 verursacht ein Absinken des lokalen Absolutdruckes unter den Dampfdruck in diesem Bereich. Dadurch kommt es zu Dampfbildung des

Kraftstoffs, welcher in weiterer Folge in Gebieten mit höheren Drücken (bzw. geringeren lokalen Geschwindigkeiten) kondensiert und Kavitationsschäden verursacht. Diese Kavitationsschäden sind in der Regel lebensdauerbestimmend für Kraftstoffeinspritzventile 1 bzw. Düsenkörper 2.

Unmittelbar nach Beginn der Düsennadelöffnung fällt der Druck im Druckraum 14 proportional zum Durchfluss- bzw. Zuströmquerschnitt an der Drosselstelle 15 bzw. zum Abströmquerschnitt durch die Einspritzöffnungen 20 ab. Die

Spaltdrossel 16 ist in diesem Zustand noch geschlossen. Bei weiterem Öffnen der Düsennadel 3 wird nun auch die Spaltdrossel 16 geöffnet. Zunächst ist der summierte Zuströmquerschnitt durch Drosselstelle 15 und Spaltdrossel 16 jedoch immer noch geringer als der Abströmquerschnitt durch die Einspritzöffnungen 20. Durch das hubabhängige Androsseln der Zuströmung zu den Einspritzöffnungen 20 wird nun die Strömungsgeschwindigkeit im Druckraum 14, insbesondere im Bereich des Düsennadelsitzes 21, so weit abgesenkt, dass die Dampfbildung des Kraftstoffs reduziert bzw. unterbunden wird. Kavitationsschäden werden dadurch vermieden und die Lebensdauer von Düsenkörper 2, Düsennadel 3 etc. erhöht.

Zusammenfassend beschreibt die dargestellte Ausführungsform eine hubvariable Spaltdrossel 16 zwischen Schließfläche 10a und Düsennadelsitz 21, die folgende Bereiche aufweist: Bereich 1: Öffnungshubbewegung der Düsennadel 3 von ihrer Anlage am Düsennadelsitz 21 bis zu einem definierten Öffnungshub hi 13: die Hülse 10 steht mit ihrer Schließfläche 10a in Anlage zum Düsennadelsitz 21. Die Hülse 10 wird dabei durch die Haltefeder 12 mit dem Düsennadelsitz 21 verspannt. Es findet kein Kraftstofffluss durch die Spaltdrossel 16 statt.

Bereich 2: Öffnungshubbewegung der Düsennadel 3 vom Öffnungshub hi 13 bis zu ihrem maximalen Öffnungshub hi2 18: der Spalt der Spaltdrossel 16 wird aufgesteuert und definiert so den Strömungsquerschnitt durch die Spaltdrossel 16, welcher mit zunehmenden Hub größer wird. Die Haltefeder 12 verspannt die Hülse 10 gegen den Mitnehmer 11. Kraftstoff fließt durch die Spaltdrossel 16.

Zu beiden Bereichen ist eine konstante zweite Drosselfunktion parallel geschaltet, nämlich die der Drosselstelle 15, welche bei Hüben der Düsennadel 3, die kleiner als der Öffnungshub hi 13 sind, ein Leerlaufen des Druckraums 14 verhindert.