Beschreibung

Titel Brennstoffeinspritzventil

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung einen Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.

Aus der DE 101 45 862 Al ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem ein Aktor mittels eines Ventils den Druck in einem Steuerraum steuert, wobei in Abhängigkeit vom Druck im Steuerraum eine Betätigung einer Ventilnadel zum Abspritzen von Brennstoff erfolgt. Dabei ist der Steuerraum über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckbereich und über eine Ablaufdrossel mit einem Ventilraum des Ventils verbunden. Ferner ist der Ventilraum über einen Bypass direkt mit dem Hochdruckbereich verbunden. Ein Ventilbolzen dient zum Steuern des Durchlasses über den Bypass und steuert gleichzeitig einen Durchlass zu einem Niederdruckbereich. Zum Steuern des Durchlasses aus dem Ventilraum zum Niederdruckbereich wirkt der Ventilbolzen mit einem Sitz zusammen.

Das aus der DE 101 45 862 Al bekannte Brennstoffeinspritzventil hat den Nachteil, dass im drucklosen Zustand der Sitz zum Niederdruckbereich mittels des Ventilbolzens gegebenenfalls nicht vollständig geschlossen ist. Dadurch kann sich der Druckaufbau im Ventilraum beim Inbetriebnehmen des Brennstoffeinspritzventils verzögern, da ein Teil des Brennstoffs zum

Niederdruckbereich abfließt. Hierbei ist es denkbar, dass eine Ventilfeder eingesetzt wird, die den Ventilbolzen in eine gewünschte Ausgangsstellung verstellt. Eine solche Ventilfeder hat allerdings den Nachteil, dass Querkräfte auftreten, die einen unerwünschten Verschleiß am Sitz verursachen. Bei einer teilweisen Offenstellung des Ventils kann außerdem eine Beschädigung des Sitzes, insbesondere durch Kavitation, verursacht werden.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass der Ventilbolzen zumindest im Wesentlichen ohne Querkräfte oder mit verschwindenden Querkräften in Richtung der Ausgangsstellung beaufschlagt ist, so dass ein Verschleiß einer Dichtkante oder dergleichen zum Niederdruckbereich verringert ist. Beschädigungen am Sitz, beispielsweise durch Kavitation, können ebenfalls verhindert oder verringert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Vorteilhaft ist, dass das Ventil, das insbesondere als Schaltventil ausgestaltet sein kann, einen Ventilbolzen aufweist, der zum Schließen der Verbindung zwischen dem Ventilraum und dem Niederdruckbereich über die Abflussöffnung mit dem Kugelelement des Ventilbolzens zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist der Dichtsitz zwischen dem Kugelelement und dem Ventilsitzkörper vorzugsweise an einer Dichtkante des Steuerventilsitzkörpers gebildet, wobei das Federelement das Kugelelement mittels des Bolzenteils des Ventilbolzens gleichmäßig gegen die Dichtkante beaufschlagt. Durch die gleichmäßige Beaufschlagung der Dichtkante werden insbesondere punktuelle Belastungen der Dichtkante, wie sie

bei Querkräften auftreten können, verhindert, so dass ein Verschleiß des Ventilsitzkörpers speziell im Bereich der Dichtkante verhindert ist. Außerdem ist ein zuverlässiges Verschließen der Verbindung zwischen dem Ventilraum und dem Niederdruckbereich gewährleistet, wodurch ein rascher Druckaufbau beim Inbetriebsetzen des Brennstoffeinspritzventils ermöglicht und das Auftreten von Kavitation am Sitz zum Niederdruckbereich verhindert ist. Ferner kann die Dichtkante durch die Ausgestaltung des Kugelelements als zumindest teilweise kugelförmiges Kugelelement einfach ausgestaltet werden, da insbesondere eine präzise Einhaltung einer speziellen Sitzgeometrie auf Grund des Kugelsitzes nicht erforderlich ist. Ferner kann der Durchmesser der Dichtkante einfach an die bestehenden Anforderungen angepasst werden.

In vorteilhafter Weise ist das Kugelelement des Ventilbolzens in die der Abflussöffnung zugewandte Ausnehmung des Bolzenteils des Ventilbolzens eingepresst. Dadurch wird bei der Betätigung des Ventilbolzens eine Phasenverschiebung in der Bewegung des Kugelelements und des Bolzenteils verhindert, so dass eine zuverlässige Funktion des Steuerventils gewährleistet ist. Dies ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Federelement, das ebenfalls mit dem Bolzenteil fest verbunden ist.

Zum Betätigen des Steuerventilglieds wirkt der Aktor in vorteilhafter Weise über ein Betätigungselement auf das Kugelelement des Ventilbolzens ein, wobei eine Anlagefläche des Betätigungselements an dem Kugelelement anliegt. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Anlagefläche des Betätigungselements und die der Anlagefläche zugewandte Oberfläche des Kugelelements aneinander angepasst sind. Vorteilhaft sind beispielsweise eine ebene Ausgestaltung der Anlagefläche und eine darauf angepasste ebene Ausgestaltung des Kugelelements auf der Seite der Anlagefläche des Betätigungselements durch eine ebene Abflachung. Diese Ausgestaltung ermöglicht innerhalb gewisser Grenzen einen radialen Freiheitsgrad zwischen dem Betätigungselement und dem Kugelelement, wobei eine kostengünstige Ausführung mit gewissen Toleranzen ermöglicht ist.

Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung der Anlagefläche des Betätigungselements als eine an die Geometrie des Kugelelements angepasst, konkave Anlagefläche. Dabei ist es möglich, dass das Kugelelement als Vollkugel ausgebildet ist, was eine kostengünstige Ausgestaltung des Steuerventils ermöglicht.

Vorteilhaft ist es, dass das Federelement einen hülsenförmigen Endabschnitt aufweist, der eine umlaufende Stufe des Bolzenteils des Ventilbolzens umfänglich umschließt. Dabei kann eine feste Verbindung durch Aufpressen des hülsenförmigen Endabschnitts des Federelements auf die umlaufende Stufe des Bolzenteils ausgebildet sein. Durch die umlaufende Stufe wird eine Zentrierung des Federelements bezüglich des Bolzenteils gewährleistet, so dass das Auftreten von Querkräften verhindert ist. Durch die feste Verbindung werden Phasenverschiebungen in der Schwingungsbewegung von Bolzenteil und Federelement verhindert, so dass die Funktion des Ventils verbessert ist.

Zeichnung

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Brennstoffeinspritzventils in einer auszugsweisen schematischen Schnittdarstellung.

Fig. 2 den in Fig. 1 mit Il bezeichneten Ausschnitt des

Brennstoffeinspritzventils des ersten Ausführungsbeispiels in weiterem Detail und

Fig. 3 das in Fig. 2 gezeigte Steuerventilglied und ein Betätigungselement in einer teilweisen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 der Erfindung in einer teilweisen, schematischen Schnittdarstellung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Insbesondere eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 1 für Nutzkraftwagen oder Personenkraftwagen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein aus mehreren Teilen bestehendes Ventilgehäuse 2 auf, das mit einem Düsenkörper 3 verbunden ist. Dabei ist eine Düsenspannmutter 5 mit einem Haltekörper 26 des Gehäuses 2 verschraubt, um den Düsenkörper 3 mit dem Gehäuse 2 zu verbinden. Ein an dem Düsenkörper 3 ausgebildeter Nadelsitz 4 wirkt mit einer Düsennadel 6 zu einem Dichtsitz zusammen. Die Düsennadel 6 schließt an einem dem Dichtsitz abgewandten Ende mit einer Hülse 7 und einer Drosselplatte 8 einen Steuerraum 9 ein. Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 befindet sich im Steuerraum 9 unter einem gewissen Druck stehender Brennstoff. In Abhängigkeit von dem im Steuerraum 9 herrschenden Druck des Brennstoffs erfolgt eine Betätigung der Düsennadel 6, wobei sich bei einem niedrigen Druck im Steuerraum 9 der zwischen der Düsennadel 6 und dem Nadelsitz 4 gebildete Dichtsitz öffnet, so dass Brennstoff aus einem Brennstoff räum 10 über den geöffneten Dichtsitz und zumindest ein Spritzloch 11 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine abgespritzt wird.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist außerdem einen vereinfacht dargestellten Brennstoffeinlassstutzen 12 auf, der mittels einer geeigneten Brennstoffleitung mit einem Common-Rail oder dergleichen verbindbar ist. über den Brennstoffeinlassstutzen 12 gelangt der Brennstoff in einen im Inneren des Gehäuses 2 vorgesehenen Brennstoffkanal 13 und aus diesen in den Brennstoffraum 10. Der Brennstoffkanal 13 und der Brennstoffraum 10 bilden einen Hochdruckbereich 14, in dem im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 unter hohem Druck stehender Brennstoff vorgesehen ist.

Der Steuerraum 9 ist einerseits über eine Zulaufdrossel 15 mit dem Brennstoffkanal 13 des Hochdruckbereichs 14 verbunden. Andererseits ist der Steuerraum 9 über eine Ablaufdrossel 16 mit einem Ventilraum 17 eines Ventils

18 verbunden. Das Ventil 18 ist vorzugsweise als Schaltventil 18 ausgestaltet. über einen Umgehungskanal 19 ist eine Verbindung des Brennstoffraums 10 des Hochdruckbereichs 14 mit dem Steuerventilraum 17 unter Umgehung der Zulaufdrossel 15, des Steuerraums 9 und der Ablaufdrossel 16 möglich. Der Umgehungskanal 19 ist als Bypass 19 und insbesondere als Bypassbohrung 19 ausgebildet. Die Zulaufdrossel 15, die Ablaufdrossel 16 und der Umgehungskanal

19 sind in der Drosselplatte 8 ausgebildet.

Das Ventil 18 ist innerhalb einer Ventilplatte 20 des Brennstoffeinspritzventils 1 angeordnet. Das Ventil 18 weist einen Ventilbolzen 21 und ein Federelement 22 auf. Der Ventilbolzen 21 umfasst ein Kugelelement 23 und ein Bolzenteil 24, wobei das Kugelelement 23 in das Bolzenteil 24 eingepresst ist. Das Kugelelement 23 des Ventilbolzens 21 wirkt mit einem Ventilsitzkörper 25, der an der Ventilplatte 20 ausgebildet ist, zu einem Dichtsitz zusammen. Der Aufbau und die Ausgestaltung des Ventils 18 sind anhand der Fig. 2 im Detail weiter beschrieben.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist außerdem einen im Inneren des Gehäuses 2 angeordneten piezoelektrischen Aktor 30 auf, der über einen hydraulischen Koppler 31, welcher insbesondere als Hubübersetzungseinrichtung 31

ausgestaltet sein kann, mit dem Ventilbolzen 21 über ein Betätigungselement 32 des hydraulischen Kopplers 31 in Wirkverbindung steht. Beim Betätigen des Aktors 30 wird der Ventilbolzen 21 entgegen der Kraft des Federelements 22 mittels des Betätigungselements 32 verstellt, so dass der zwischen dem Kugelelement 23 und dem Ventilsitzkörper 25 gebildete Dichtsitz geöffnet wird, wodurch ein Druck des Brennstoffs im Ventilraum 17 abfällt und Brennstoff aus dem Steuerraum 9 über die Ablaufdrossel 16 in den Ventilraum 17 nachströmt. Dabei wird der Druck im Steuerraum 9 verringert, wodurch es zum Einspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffraum 10 über die Düsenöffnung 11 kommt. Beim Zurückstellen des Ventilbolzens 24 und insbesondere des in den Bolzenteil 24 eingepressten Kugelelements 23 des Ventilbolzens 24 mittels der Kraft des Federelements 22 in die Ausgangsstellung, in der der zwischen dem Kugelelement 23 und dem Ventilsitzkörper 25 gebildete Dichtsitz geschlossen ist, strömt Brennstoff aus dem Hochdruckbereich 14 über den Umgehungskanal 19 in den Ventilraum 17 ein, so dass der Druck im Ventilraum 17 rasch ansteigt. Dabei kann es auch zu einem Rückfluss von Brennstoff aus dem Ventilraum 17 in den Steuerraum 9 über die Ablaufdrossel 16 kommen. Der bedingte Anstieg des Druckes im Steuerraum 9 führt dann zum Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1, so dass der Einspritzvorgang beendet ist. Das Ventil 18 ermöglicht eine vorteilhafte Vorgabe des Einspritzverlaufs auch für kurze Einspritzzeiten.

Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 mit Il bezeichneten Ausschnitt des Brennstoffeinspritzventils 1 in weiterem Detail. Eine Verbindung zwischen dem Ventilraum 17 und einem Niederdruckbereich 40 über eine Abflussöffnung 41 kann mittels des Ventilbolzens 21 geöffnet und geschlossen werden, wobei das Kugelelement 23 im geschlossenen Zustand an einer Dichtkante 42 anliegt, die an dem Ventilsitzkörper 25 vorgesehen ist. Ein Bolzenteil 24 des Ventilbolzens 21 ist innerhalb des Ventilraums 17 angeordnet und weist eine der Abflussöffnung 41 zugewandte Ausnehmung 43 auf, in die das Kugelelement 23 eingesetzt ist. Dabei ist das Kugelelement 23 in die Ausnehmung 43 des Bolzenteils 24 eingepresst, um eine feste Verbindung zwischen dem Kugelelement 23 und dem Bolzenteil 24 zu erreichen. Der Bolzenteil 24 weist außerdem eine umlaufende Stufe 44 auf, auf

die das Federelement 22 mit einem hülsenförmigen Endabschnitt 45 aufgepresst ist. Durch die umlaufende Stufe 44 wird zum einen eine Zentrierung des Federelements 22 bezüglich einer Achse 46 des Bolzenteils 24 des Ventilbolzens 21 erreicht, wodurch die gleichmäßige Beaufschlagung der Dichtkante 42 auf Grund der Kraft des Federelements 22 verbessert ist. Zum anderen wird durch die Verbindung zwischen dem hülsenförmigen Endabschnitt 45 des Federelements 22 und der umlaufenden Stufe 44 des Bolzenteils 24 eine Phasenverschiebung in der Schwingungsbewegung des Bolzenteils 24 und des Federelements 22 ausgeschlossen. Dadurch ist die Wirkungsweise des Ventils 18 weiter verbessert.

In dem in der Fig. 2 dargestellten Ausgangszustand, in dem der zwischen dem Kugelelement 23 und der Dichtkante 42 des Ventilsitzkörpers 25 gebildete Dichtsitz geschlossen ist, ist eine öffnung 47 des Umgehungskanals 19 freigegeben, so dass die Verbindung zwischen dem Umgehungskanal 19 und dem Ventilraum 17 geöffnet ist, wobei Brennstoff aus dem Umgehungskanal 19 über in dem Federelement 22 vorgesehene Aussparungen 48, 49, von denen in der Fig. 2 zur Vereinfachung der Darstellung nur die Aussparungen 48, 49 gekennzeichnet sind, ermöglicht ist. Auf Grund der umlaufenden Stufe 44 ist außerdem ein Ringspalt 50 zwischen dem Federelement 22 und dem Bolzenteil 24 gebildet, der eine ungehinderte Kraftentfaltung des Federelements 22 ermöglicht.

Zur Betätigung des Ventilbolzens 21 mit dem eingepressten Kugelelement 23 erfolgt eine Beaufschlagung des Kugelelements 23 entgegen der Kraft des Federelements 22, wobei ein Betätigungselement 32 des hydraulischen Kopplers 31 an einer Anlagefläche 51 des Betätigungselements 32 auf eine ebene Abflachung 52 der Oberfläche 53 des Kugelelements 23 einwirkt. Durch die Betätigung des Ventilbolzens 21 wird der zwischen dem Kugelelement 23 und der Dichtkante 42 gebildete Dichtsitz geöffnet, so dass Brennstoff aus dem Ventilraum 17 über die Abflussöffnung 41 in den Niederdruckbereich 40 abströmen kann. Dabei wird gleichzeitig der Umgehungskanal 19 zumindest teilweise verschlossen, so dass das Nachfließen von Brennstoff aus dem Hochdruckbereich 14 über den Umgehungskanal 19 in den Ventilraum 17 zumindest verringert ist. Dadurch nimmt

der Druck im Ventilraum 17 ab, so dass der Druck des Brennstoffs im Steuerraum 9 abnimmt und es zum Abspritzen von Brennstoff über das Spritzloch 11 aus dem Brennstoffeinspritzventil 1 kommt.

Nach der Betätigung des Ventilbolzens 21 mittels des Betätigungselements 32 des hydraulischen Kopplers 31 erfolgt auf Grund der Kraft des Federelements 22 eine Rückstellung des Ventilbolzens 21 in die in der Fig. 2 gezeigten Ausgangsstellung. Dabei wird die Abflussöffnung 41 verschlossen und die öffnung 47 des Umgehungskanals 19 wieder freigegeben, so dass Brennstoff in den Ventilraum 17 einfließt und der Druck des Brennstoffs im Ventilraum 17 ansteigt. Dadurch wird der Einspritzvorgang beendet.

Im montierten Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 kann die Lage der Dichtkante 42 hinsichtlich einer vorgegebenen Idealposition in Bezug auf eine vorgegebene Achse 46 des Ventilbolzens 41 sowohl etwas radial versetzt als auch etwas geneigt sein. Durch die ebene Ausgestaltung sowohl der Anlagefläche 51 des Betätigungselements 32 als auch der ebenen Abflachung 52 des Kugelelements 23 ist eine gewisse Verschiebung der Achse 46 des Ventilbolzens 21 in einer radialen Richtung möglich. Außerdem ist der hydraulische Koppler 31 vorzugsweise so ausgestaltet, dass bei unbetätigtem Aktor 30 ein zumindest weitgehend druckloses Anliegen des Betätigungselements 32 an dem Kugelelement 23 erfolgt, so dass auf Grund der flexiblen Ausgestaltung des Federelements 22 eine gewisse Neigung des Bolzenteils 24 in Bezug auf die Achse 46 ermöglicht ist, um den zwischen dem Kugelelement 23 und der Dichtkante 42 gebildeten Kugelsitz zu schließen. Somit ermöglicht die beschriebene Ausgestaltung zumindest innerhalb gewisser Grenzen einen Toleranzausgleich. Dabei können auch gewisse Abnutzungen, die während der Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils 1 auftreten, ausgeglichen werden.

Fig. 3 zeigt den in Fig. 2 gezeigten Ventilbolzen 21 des Ventils 18 und das Betätigungselement 32 in einer auszugsweisen, teilweise geschnittenen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem

Ausführungsbeispiel weist die Anlagefläche 51 eine an die vollkugelförmige Geometrie des Kugelelements 23 angepasste, konkave Anlagefläche 51 auf. Dadurch liegt die Anlagefläche 51 bei der Betätigung des Ventilbolzens 21 an der Oberfläche 53 des Kugelelements 23 an. Das Kugelelement 23 kann dadurch als Vollkugel ausgestaltet sein und ist somit kostengünstig herstellbar. Beim Einpressen des kugelförmigen Kugelelements 23 ergibt sich eine Gesamthöhe 60 des Ventilbolzens 21, so dass das Kugelelement 23 um eine Vorstehlänge 61 über eine Stirnfläche 62 des Bolzenteils 24 vorsteht. Zum Ausgleich gewisser Toleranzen beim Einpressen des Kugelelements 23 in die Ausnehmung 43 können die Vorstehlänge 61 und/oder die Gesamthöhe 60 ermittelt werden, um einen Ventilhub des Ventils 18 individuell einzustellen. Eine Ausgangslänge HO des auf die umlaufende Stufe 44 aufgepressten Federelements 22 ist etwas größer als eine Einbaulänge Hl (Fig. 2) gewählt, um eine gewisse Vorspannung des Federelements 22 zu gewährleisten. Diese Vorspannung bedingt im drucklosen Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1, dass der Ventilbolzen 21 in die in der Fig. 2 dargestellte Ausgangslage verstellt wird, in der der zwischen dem Kugelelement 23 und der Dichtkante 42 ausgebildete Dichtsitz geschlossen ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere kann der Bolzenteil 24 auch so ausgestaltet sein, dass er mit einer Seitenfläche 63 an einer Innenwand 64 des Ventilraums 17 geführt ist, wobei geeignete Längsnuten im Bereich der Seitenfläche 63 an dem Bolzenteil 24 vorzusehen sind, um ein Strömen von Brennstoff in Richtung der Abflussöffnung 41 zu ermöglichen. Ferner kann das Kugelelement 23 insbesondere im Bereich der Ausnehmung 43 zylinderförmig ausgestaltet sein, um ein verdrehsicheres Einpressen des Kugelelements 23 in die Aussparung 43 des Bolzenteils 24 zu ermöglichen.