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Title:
INJECTION VALVE FOR INJECTING FLUID INTO A COMBUSTION CHAMBER OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/059079
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an injection valve (10) for injecting fluid into a combustion chamber of an internal combustion engine. The injection valve (10) has an injector body (20), which has a fluid feed (30) for feeding pressurized fuel fluid and a fluid outlet (210). The injection valve also has a nozzle body (40), which has a cavity (50), which is hydraulically coupled to the fluid feed (30) and in which a nozzle needle (60) is arranged in an axially movable manner, wherein the nozzle needle (60) interrupts a fluid flow through an injection opening (80) of the nozzle body (40) in a closing position and otherwise allows said fluid flow. The injection valve (10) also has a control chamber (150), which is hydraulically coupled to the fluid feed (30) and to the nozzle needle (60). Furthermore, a control valve (170) having a valve body (200) and having a valve chamber (160) is provided, which valve chamber is hydraulically coupled to a control chamber (150), wherein the valve chamber (160) can be hydraulically coupled to the fluid outlet (210) depending on a closing position of the valve body (200), and an actuator (220) is provided, which can be coupled to the valve body (200) in order to actuate the control valve (170). The injection valve (10) is distinguished in that the valve chamber (160) additionally can be hydraulically coupled to the cavity (50) in the nozzle body (40).

Inventors:
KLÜGL WENDELIN (DE)
Application Number:
PCT/EP2015/073722
Publication Date:
April 21, 2016
Filing Date:
October 13, 2015
Export Citation:
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Assignee:
CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH (DE)
International Classes:
F02M47/02
Domestic Patent References:
WO2006067015A12006-06-29
Foreign References:
EP2354526A22011-08-10
EP1870594A12007-12-26
DE102007005382A12008-08-07
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Einspritzventil (10) zum Einspritzen von Fluid in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, aufweisend,

- ein Injektorkörper (20), mit einem Fluidzulauf (30) zum

Zuführen von unter Druck stehenden Kraftstofffluid und einem Fluidablauf (210) ;

- einen Düsenkörper (40), mit einem dem Fluidzulauf (30) hydraulisch gekoppelten Ausnehmung (50), in welcher eine Dü- sennadel (60) axial beweglich angeordnet ist, wobei die Dü¬ sennadel (60) in einer Schließstellung einen Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung (80) des Düsenkörpers (40) unterbindet und ansonsten frei gibt;

- einen Steuerraum (150), der hydraulisch mit dem Fluidzulauf (30) und der Düsennadel (60) gekoppelt ist;

- ein Steuerventil (170) mit einem Ventilkörper (200) und einem Ventilraum (160), der hydraulisch mit dem Steuerraum (150) gekoppelt ist, wobei abhängig von einer Schließstellung des Ventilkörpers (200) der Ventilraum (160) mit dem Fluidablauf (210) hydraulisch koppelbar ist, und

- einen Aktor (220), der mit dem Ventilkörper (200) zum Betätigen des Steuerventils (170) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilraum (160) zusätzlich mit der Ausnehmung (50) im Düsenkörper (40) hydraulisch koppelbar ist.

2. Einspritzventil (10) zum Einspritzen von Fluid in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Kopplung des Ventilraums (160) mit der Ausnehmung (50) im Düsenkörper (40) bei betä- tigten/bei bestromten Aktor (220) unterbunden ist.

3. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Kopplung zwischen dem Ventilraum (160) und der Ausnehmung (50) des Düsenkörpers (60) als eine Bohrung (260) ausgebildet ist, welche im Bereich des Ventilkörpers (200) in den Ventilraum (160) mündet.

4. Einspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (200) bei betätigtem Aktor (220) die Bohrung (260) verschließt und somit die hydraulische Kopplung zwischen Ventilraum (160) und der Ausnehmung (50) unterbindet.

5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung als Bypassdrossel (260) ausgebildet ist. 6. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidzulauf (30) zur Ausnehmung (50) des Düsenkörpers (40) mit einer Blende (120) ausgebildet ist . 7. Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (120) einen Durchmesser von mindestens 0,6 mm aufweist .

8. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fluidzulauf (30) und dem Steuerraum (150) einen Zulaufdrossel (140) vorgesehen ist.

9. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (300) vorgesehen ist, welches eine Kraft auf den Ventilkörper (200) in

Schließrichtung des Steuerventils (170) ausübt.

Description:
Beschreibung

Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.

Aufgrund von immer strenger werdenden gesetzlichen Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, ist es erforderlich, verschiedene Maßnahmen vorzunehmen, die zum Senken der Schadstoffemission beitragen. Heutige Common Rail-Systeme müssen entsprechende Anforderungen hinsichtlich Mehrfachein- spritzung bei kleinen Toleranzen und kleinen Einspritzabständen bis -S 150 ys erfüllen. Diese Anforderungen werden nicht von den heutigen Piezo-Inj ektoren bei Dwell, Pilot2Pilot-Mengen und Toleranzen und auch nicht bei den Volllastmengentoleranzen erfüllt. Hierdurch erhält man im Motor erhebliche Nachteile hinsichtlich der Abgaswerte (HC und CO) , des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und ebenfalls hinsichtlich der Ver ¬ brennungsgeräusche. Auch können die motorischen Werte hin ¬ sichtlich Abgaserfüllbarkeit EU6, Verbrennungsgeräuschen (Fahrkomfort) und möglichst sparsamen Kraftstoffverbrauch - je nach Fahrzeug und Fahrzeugmasse - gar nicht oder zumindest relativ schlecht erfüllt werden.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten Nachteile und Probleme zu beseitigen oder wenigstens deutlich zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird hierzu ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine offenbart. Das Einspritzventil weist einen Injektorkörper mit einem Fluidzulauf zum Zuführen von unter Druck stehenden Kraft- stofffluid und einem Fluidablauf auf. Weiterhin weist das Einspritzventil einen Düsenkörper mit einer mit dem Fluidzulauf hydraulisch gekoppelten Ausnehmung auf, in welcher eine Dü- sennadel axial beweglich angeordnet ist. Die Düsennadel un ¬ terbindet in einer Schließstellung einen Fluidfluss Ein- spritzöffnungen des Düsenkörpers und gibt diese ansonsten frei. Das Einspritzventil weist weiterhin einen Steuerraum auf, der hydraulisch mit dem Fluidzulauf sowie mit der Düsennadel ge ¬ koppelt ist. Ferner weist das Einspritzventil ein Steuerventil mit einem Ventilkörper und einem Ventilraum auf. Der Ventilraum ist hydraulisch mit dem Steuerraum gekoppelt. Abhängig von einer Schließstellung des Ventilkörpers ist der Ventilraum mit dem Fluidablauf hydraulisch koppelbar. Weiterhin ist ein Aktor vorgesehen, der mit dem Ventilkörper zum Betätigen des Steuerventils koppelbar ist. Überdies ist der Ventilraum zusätzlich mit der Ausnehmung im Düsenkörper hydraulisch koppelbar. Typischerweise ist der Steuerraum über eine Drossel mit dem

Ventilraum hydraulisch gekoppelt. Dies trägt dazu bei, dass beim Öffnen oder Schliessen des Steuerventils im Regelfall im Steuerraum ein wesentlich höherer Druck vorherrscht, als in dem Ventilraum. Durch die zusätzliche Kopplung des Ventilraums mit der Ausnehmung im Düsenkörper, die ständig mit unter hohem Druck stehendem Fluid beaufschlagt ist, kann die Injektorfunktion zwischen und während der verschiedenen Einspritzstadien verbessert werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die hydraulische Kopplung des Ventilraums mit der Ausnehmung im Düsenkörper bei bestromtem (betätigtem) Aktor unterbunden. Folglich ist der Ventilraum während der Einspritzungen nicht mit der Ausnehmung im Düsenkörper in Fluidverbindung, so dass es dort hierdurch nicht zu einem unbeabsichtigten Druckverlust/Druckabfall kommen kann .

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die hydraulische Kopplung zwischen dem Ventilraum und der Ausnehmung des Düsenkörpers als eine Bohrung ausgebildet, welche im Bereich des Ventilkörpers in den Ventilraum mündet. Eine derartige Bohrung lässt sich herstellungstechnisch relativ einfach in der Drosselplatte einbringen . Gemäß einer weiteren Ausgestaltung verschließt der Ventilkörper bei betätigtem Aktor die Bohrung und unterbindet somit die hydraulische Kopplung zwischen Ventilraum und der Ausnehmung. Mittels der verschliessbaren Bohrung durch den Ventilkörper ist eine minimale Leckage sichergestellt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Bohrung als Bypassdrossel ausgebildet. Hierdurch kann der Fluidstrom durch die Bohrung reguliert und berechnet werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Fluidzulauf zur Ausnehmung des Düsenkörpers mit einer Blende ausgebildet. Mittels der Blende wird ein Druckdifferenzanstieg im Fluidzulauf erzeugt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Blende einen Durchmesser von wenigstens 0,6 mm auf. Die Vergrösserung des üblichen Blendendurchmessers trägt dazu bei, den Druckverlust in der Ausnehmung im Düsenkörper (Düsenraum) zu reduzieren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Fluidzulauf und dem Steuerraum eine Zulaufdrossel vorgesehen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Fe- derelement vorgesehen, welches eine Kraft auf den Ventilkörper in Schließrichtung des Steuerventils ausübt. Bei dem Feder ¬ element handelt es sich bevorzugt um eine Druckfeder. Das Federelement trägt zu einem sicheren Schliessen des Steuerventils bei. Insbesondere stellt das Federelement sicher, dass das Steuerventil auch bei einem drucklosen Einspritzventil sicher geschlossen ist.

Weitere Vorteile und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren beschrieben.

In den Figuren zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Einspritz ¬ ventils und

Figur 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Einspritzventils aus Figur 1.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Einspritzventils 10. Das Einspritzventil 10 weist einen In ¬ jektorkörper 20 auf, in welchem ein Fluidzulauf 30 ausgebildet ist. Der Fluidzulauf 30 ist mit einem Kraftstoffhochdruck- speicher, wie beispielsweise einem sogenannten Common Rail, hydraulisch gekoppelt und wird somit mit einem unter Druck stehenden Kraftstoff versorgt. Bei dem Druck handelt es sich beispielsweise um bis zu 2500 Bar oder höher. Der Begriff „Fluid" kann ein Kraftstoff bzw. Brennstoff, beispielsweise ein Diesel ¬ oder Benzinkraftstoff, umfassen. Der Begriff kann allerdings auch andere Stoffe, beispielsweise organische Verbindungen, wie Harnstoff, umfassen. Das Einspritzventil 10 weist einen Düsenkörper 40 auf, in welchem eine Ausnehmung 50 oder Düsenraum ausgebildet ist. In der Ausnehmung 50 ist eine Düsennadel 60 axial beweglich bezüglich einer Längsachse der Düsennadel 60 angeordnet. Die Düsennadel 60 sitzt in einer Schließstellung nahe einer Spitze des Düsenkörpers 40 auf einem zugehörigen Düsennadelsitz 70 auf und verhindert einen Fluidfluss durch eine oder mehrere Einspritzöffnungen 80. Hebt die Düsennadel 60 von dem Düsennadelsitz 70 ab, so ist ein Fluidfluss freigegeben. Die Düsennadel 60 ist über eine Dü- sennadelfeder 90 vorgespannt. Der Düsenkörper 40 ist über eine Düsenspannmutter 100 mit dem Injektorkörper 20 mechanisch gekoppelt. Weiterhin ist eine Brennraumdichtung 110 vorgesehen.

Die Ausnehmung 50 und die Düsennadel 60 sind hydraulisch über eine Blende 120 mit dem Fluidzulauf 30 gekoppelt. Die Blende 120 ist in eine Drosselplatte 130 eingebracht.

Das Einspritzventil 10 weist weiterhin einen Steuerraum 150 auf welche hydraulisch über eine Zulaufdrossel 140 in der Dros- seiplatte 130 mit dem Fluidzulauf 30 gekoppelt ist. Der

Steuerraum 150 ist weiterhin hydraulisch mit der Düsennadel 60 gekoppelt. Der Steuerraum 150 ist zudem mit einem Ventilraum 160 eines Steuerventils 170 hydraulisch über eine Ablaufdrossel 180 in der Drosselplatte 130 gekoppelt. Das Steuerventil 170 ist in einer Ventilplatte 190 angeordnet und wird als Servoventil bezeichnet. Das Steuerventil 170 weist einen Ventilkörper 200 auf, welcher in dem Ventilraum 160 axial beweglich angeordnet ist. In einer Schließstellung des Steuerventils 170 sitzt der Ventilkörper 200 auf einem zugehörigen Ventilsitz auf und unterbindet einen Fluidfluss aus dem Ventilraum 160 zu einem Fluidablauf 210. Der Fluidablauf 210 ist mit einem Nieder ¬ druckbereich, wie beispielsweise mit einem Kraftstofftank, hydraulisch gekoppelt.

Das Einspritzventil 10 weist einen Aktor 220 auf, welcher als Piezoaktor ausgebildet ist. Alternativ können auch andere Materialien, wie ein magnetostriktives Material, für den Aktor 220 verwendet werden. Der Aktor 220 ist in einer Invarhülse in den Injektorkörper 20 integriert und hat eine Aktorkopfplatte 230 sowie eine Aktorbodenplatte 240. Über die Aktorkopfplatte 230 und die Invarhülse ist der Aktor 220 mit dem Injektorkörper 20 mechanisch gekopppelt. Über die Aktorbodenplatte 240 ist der Aktor 220 mit dem Steuerventil 170, insbesondere mit dem Ventilkörper 200 zum Betätigen dieses koppelbar.

Der Aktor 220 ist von einer Rohrfeder 250 umgeben, welche diesen vorspannt. Eine Membran unter der Aktorbodenplatte 240 dichtet den Aktor 220 gegenüber dem Fluid ab.

Zu Beginn eines Einspritzvorgangs ist das Einspritzventil 10 geschlossen. Über den Fluidzulauf 30 sind die Ausnehmung 50, der Steuerraum 150 und der Ventilraum 160 vollständig mit Fluid unter hohem Druck gefüllt. Gleichzeitig ist eine in der Drosselplatte 130 ausgebildete Fluidverbindung, die beispielsweise als By- passdrossel ausgebildet sein kann, vorgesehen. Diese Fluid ¬ verbindung 260 koppelt die Ausnehmung 50 ebenfalls mit dem Ventilraum 160. Diese Fluidverbindung 260 mündet dabei in dem brennraumseitigen Ende des Ventilraums 160 in denselben derart, dass bei geöffneten Steuerventil 170 der Ventilkörper 200 die Fluidverbindung 260 unterbindet. Durch ein Kräfteverhältnis, das auf dem Ventilkörper 200 des Steuerventils 170 wirkt, befindet sich der Ventilkörper 200 in der Schließposition. Durch ein weiteres Kräfteverhältnis be ¬ findet sich die Düsennadel 60 ebenfalls in der Schließposition. Wird der Aktor 220 mit Spannung beaufschlagt, so dehnt sich der Aktor 220 in seiner Längsrichtung aus und betätigt das Steuerventil 170. Dadurch wird das Steuerventil 170 geöffnet und der Druck im Ventilraum 160 sinkt ab. Durch diesen Druckabfall fließt Fluid über die Ablaufdrossel 180 in den Ventilraum 160 ab. Gleichzeitig fließt weniger Fluid über die Zulaufdrossel 140 in den Steuerraum 150 nach, so dass der Druck in dem Steuerraum 150 sinkt, jedoch weniger stark im Vergleich zu dem Ventilraum 160. Beispielsweise sinkt der Druck auf 1300 bis 1400 Bar. Dies sorgt dafür, dass das auf die Düsennadel 60 wirkende Kräfteverhältnis verändert wird, so dass die Düsennadel 60 von ihrem zugehörigen Nadelventilsitz abhebt und Fluid durch die Einspritzöffnungen 80 austritt. Der Ventilkörper 200 befindet sich dabei in einer Position, in der er die Fluidverbindung 260 verschießt, so dass kein Fluid aus der Ausnehmung 50 in den Ventilraum 160 treten kann.

Wird der Aktor 220 entladen, schließt das Steuerventil 170, wobei der Ventilkörper 200 wieder in seinen Ventilsitz gedrückt wird. Gleichzeitig öffnet sich durch die axiale Bewegung des Ven- tilkörpers 200 die Fluidverbindung 260 zwischen der Ausnehmung 50 und dem Ventilraum 160. Dadurch baut sich der Druck im Ventilraum 160, in dem Steuerraum 150 sowie in der Ausnehmung 50 wieder auf. Das auf die Düsennadel 60 wirkende Kräfteverhältnis sorgt dafür, dass die Düsennadel 60 wieder in ihre Schließ- position bewegt wird.

Um zum Schließen des Steuerventils 170 eine ausreichend hohe Schließkraft zu gewährleisten, ist der Ventilkörper 200 zu- sätzlich direkt mit dem Steuerraum 150 und über diesen die Fluidverbindung 260 mit der Ausnehmung 50 gekoppelt. Dies wird unter Zuhilfenahme der Figur 2 beschrieben. Figur 2 zeigt eine schematische, vergrößerte Schnittansicht der Ventilplatte 190 mit dem Steuerventil 170 und der Drosselplatte 130 mit der Blende 120, der Zulaufdrossel 140, der Ablaufdrossel 180 und der Fluidverbindung 260. Weiterhin ist der Steuerraum 150 teilweise dargestellt.

Der Ventilkörper 200 ist in dem Ventilraum 160 angeordnet und weist die Form eines Ventilpilzes auf. Der Ventilraum 160 ist an seinem aktornahen Ende mit dem Fluidablauf 210 in koppelbarer Fluidverbindung, an seinem aktorfernen Ende steht der Ventilraum 160 über die Ablaufdrossel 180 mit dem Steuerraum in Fluid ¬ verbindung. Zudem existiert die Fluidverbindung 260 zwischen dem Ventilraum 160 und der Ausnehmung 50 am aktorfernen Ende des Ventilraums 160. Der Ventilkörper 200 ist in dem Ventilraum 160 axial verschiebbar aufgenommen und weist die Form eines Ven- tilpilzes auf. Über ein Koppelelement 270, welches mit dem Aktor 220 gekoppelt ist, wird die Längung des Aktors 220 bei Bestromung des Aktors 220 auf den Ventilkörper 200 übertragen, welcher dann gegen die Schließkraft F einer Feder 300, die den Ventilkörper 200 in den Ventilsitz drängt, von diesem abgehoben wird.

Hierdurch wird die Verbindung zwischen dem Fluidablauf 210 und dem Ventilraum 160 freigegeben und es erfolgt ein Druckabfall im Ventilraum 160, der sich über die Ablaufdrossel 180 auf den Steuerraum 150 auswirkt, wodurch der Druck auf den Düsenkörper 40 im Steuerraum 150 ebenfalls abfällt und die Düsennadel 60 folglich öffnet.

Gleichzeitig ist der Ventilkörper 200 derart ausgebildet, dass er sich bei einer Längung des Aktors 220, die mittels des Koppelelements 270 übertragen wird, eine Verlagerung des Ventilkörpers 200 in Axialrichtung zum aktorfernen Ende des

Ventilraums 160 bewirkt. Dabei verschließt der Ventilkörper 200 die in das aktorferne Ende des Ventilraums 160 mündende

Fluidverbindung 260, so dass die hydraulische Kopplung zwischen dem Ventilraum 160 und der Ausnehmung 50 vollständig unterbunden ist. Diese über den Ventilkörper 200 verschließbare Fluid- verbindung 260, die als Bypassdrossel 260 ausgebildet sein kann, sichert somit eine minimale Leckage während des Betriebs des Einspritzventils 10. Ferner ist es möglich beim Verschließen der Bypassdrossel 260 am Piezo zusätzliche Informationen, z. B. in Form von Sensorsignalen oder Kraftimpulsen zu erhalten, die für die Einspritzmengenregelungen genutzt werden können. Durch die hydraulische Kopplung mittels der Bypassdrossel 260 kann eine zusätzliche Schließkraft am Ventilkörper 200 zum Schließen des Steuerventils 170 erzielt werden. Beim Schließen der Düsennadel 60, baut sich der Druck in dem Steuerraum 150 schneller auf, da zusätzlich über die Bypassdrossel 260 unter Druck stehendes Fluid kontrolliert in den Ventilraum 160 gelangt, wodurch der Druckaufbau im Ventilraum 160 zum einen durch das Schließen des Steuerventils 170 und der damit einhergehenden Unterbrechung des Fluidstroms in dem Fluidablauf 210 unterbunden ist und zum anderen ein Abfließen von unter Druck stehenden Fluid über die Ablaufdrossel 180 in den Ventilraum 160 durch die Druckverhältnisse in dem Ventilraum 160 verhindert wird.

Überdies ist durch die mittels des Ventilkörpers 200 ver- schliessbare Bypassdrossel 260 eine minimale Leckage gesichert. In dem Ventilraum 160 ist zusätzlich ein Federelement 280 vorgesehen, welches an dem Ventilkörper 200 angreift und eine Kraft auf den Ventilkörper 200 in Schließrichtung des Steuerventils 170 ausübt. Das Federelement 280 dient dazu, das Steuerventil 170 auch bei einem drucklosen Einspritzventil 10 sicher zu schließen. n

Bezugs zeichenliste

10 Einspritzventil

20 Injektorkörper

30 Fluidzulauf

40 Düsenkörper

50 Ausnehmung

60 Düsennadel

70 Düsennadelsitz

80 Einspritzöffnung

90 Düsennadelfeder

100 Düsenspannmutter

110 Brennraumdichtung

120 Blende

130 Drosselplatte

140 Zulaufdrossel

150 Steuerraum

160 Ventilraum

170 Steuerventil

180 Ablaufdrossel

190 Ventilplatte

200 Ventilkörper

210 Fluidablauf

220 Aktor

230 Aktorkopfplatte

240 Aktorbodenplatte

250 Rohrfeder

260 Fluidverbindung

270 Koppelelement

280 Federelement