Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

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

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 032 741 AI ist ein

Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das einen Haltekörper umfasst, in dem ein Druckraum ausgebildet ist mit einer darin längsverschiebbar angeordneten Düsennadel, welche mit einem Düsennadelsitz des Haltekörpers

zusammenwirkt. Der Düsennadelsitz begrenzt den Druckraum, wobei durch das Zusammenwirken der Düsennadel mit dem Düsennadelsitz ein Kraftstoffstrom zu wenigstens einer Einspritzöffnung ermöglicht oder unterbrochen wird. Zwischen Haltekörper und Düsennadel ist eine hubunabhängige Spaltdrossel ausgebildet. Die Spaltdrossel beschleunigt den Schließvorgang der Düsennadel in der Weise, dass während des Schließvorgangs im Druckraum stromaufwärts der

Spaltdrossel ein höherer Druck herrscht als stromabwärts der Spaltdrossel; die resultierenden hydraulischen Kräfte auf die Düsennadel in Richtung ihrer Längsachse sind dann größer als ohne Spaltdrossel.

Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift EP 2 280 160 A2 ein

Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das einen Haltekörper umfasst, in dem ein Druckraum ausgebildet ist mit einer darin längsverschiebbar angeordneten Düsennadel, welche mit einem Düsennadelsitz des Haltekörpers

zusammenwirkt. Der Düsennadelsitz begrenzt den Druckraum, wobei durch das Zusammenwirken der Düsennadel mit dem Düsennadelsitz ein Kraftstoffstrom zu wenigstens einer Einspritzöffnung ermöglicht oder unterbrochen wird. Der Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen fließt zwischen der Düsennadel und der Wand des Druckraums hindurch, wobei zwischen Düsennadel und Wand des Druckraums in der Nähe des Düsennadelsitzes eine Drosselstelle ausgebildet ist, um Druckschwankungen im Druckraum, die wegen der Öffnungs- und

Schließvorgänge der Düsennadel entstehen, zu dämpfen.

Durch die bekannte Drosselstelle werden jedoch nur höherfrequente

Druckschwankungen im Bereich des Düsennadelsitzes gedämpft, aber nicht oder nur unzureichend niederfrequente Druckschwankungen. Daraus ergeben sich zum einen Instabilitäten und Schwankungen der Einspritzrate, zum anderen reduzieren die Überschwinger des Hochdrucks im Druckraum am Ende des Schließvorgangs die Lebensdauer des Düsenkörpers. Ein weiterer Nachteil der bekannten Drosselstelle ist die starke Abhängigkeit der Drosselwirkung von Fertigungstoleranzen.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist konstantere Einspritzraten auf und erreicht eine bessere Mehrfacheinspritzfähigkeit. Außerdem wird eine bessere Kleinstmengenfähigkeit des Kraftstoffeinspritzventils durch ein langsameres Öffnen der Düsennadel erzielt. Weiterhin wird die Lebensdauer des Düsenkörpers erhöht und die Drosselwirkung robuster gegenüber

Fertigungstoleranzen.

Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil einen Druckraum auf, in dem eine

Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Düsennadel durch ihre

Längsbewegung mit einem Düsennadelsitz zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung öffnet und schließt, und wobei die Düsennadel durch den Druck in einem Steuerraum eine in Richtung des Düsennadelsitzes gerichtete Schließkraft erfährt. Zusätzlich weist das Kraftstoffeinspritzventil eine Speisebohrung auf, über die der Druckraum mit Kraftstoff unter hohem Druck versorgt werden kann und die an ihrem druckraumseitigen Ende einen

Strömungsquerschnitt bildet. Durch ihre Hubbewegung verändert die Düsennadel dabei den freigegebenen Strömungsquerschnitt der Speisebohrung und damit auch die zugehörige Drosselwirkung. Beim erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil wird eine robustere

Drosselwirkung erzielt, da die Drosselstelle nicht mehr radial umlaufend zwischen der Düsennadel und der Wand des Druckraums ausgeführt ist, sondern sie ergibt sich durch das (teilweise) Öffnen und Verschließen einer den

Druckraum befüllenden Speisebohrung, durch den Hub der Düsennadel und deren Düsennadelgeometrie. Die Düsennadelgeometrie ist so ausgeführt, dass sich am Ende des Öffnungsvorgangs eine geringe Drosselwirkung ergibt, die vorzugsweise nur vom Durchmesser der Speisebohrung definiert wird. Am Ende des Schließvorgangs ergibt sich jedoch durch das teilweise Verschließen des Strömungsquerschnitts eine stärkere Drosselwirkung, die vom freigegebenen Strömungsquerschnitt der Speisebohrung definiert wird. Bei Beendigung des Schließvorgangs kommt es aufgrund der kinetischen Energie des in den

Druckraum nachströmenden und unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs zu Druckschwingungen; die so entstehenden maximalen Drücke werden auch als Hochdrucküberschwinger bezeichnet. Die stärkere Drosselwirkung am Ende des Schließvorgangs reduziert die Menge bzw. den Impuls des in den Druckraum nachströmenden Kraftstoffs und führt dadurch zu maximaler Dämpfung, zu reduzierten Hochdrucküberschwingern und zu konstanteren Einspritzraten. In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die

Düsennadel unterhalb ihres Führungsabschnitts auf Höhe der Speisebohrung einen konischen Abschnitt auf. Aufgrund der konischen Geometrie wird durch den Düsennadelhub der freigegebene Strömungsquerschnitt der Speisebohrung und mit ihm die Drosselwirkung verändert. Durch den Winkel des Konus kann definiert werden, in welchem Maße sich der freigegebene Strömungsquerschnitt der Speisebohrung mit dem Düsennadelhub ändert.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Düsennadel anstelle des konischen Abschnitts einen Absatz unterhalb ihres Führungsabschnitts auf. Im

geschlossenen Zustand der Düsennadel überdeckt dieser Absatz teilweise die Öffnung der Speisebohrung. Im geöffneten Zustand der Düsennadel wird der freigegebene Strömungsquerschnitt der Speisebohrung vergrößert oder die Öffnung der Speisebohrung komplett freigegeben. Dadurch wird der sich mit dem Düsennadelhub ändernde freigegebene Strömungsquerschnitt und damit die Drosselwirkung robuster gegenüber Fertigungstoleranzen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Führungsabschnitt der Düsennadel am Absatz mindestens einen Anschliff auf. Dadurch kann der Gradient der sich mit dem Düsennadelhub ändernden Drosselwirkung erhöht werden. Durch die Verwendung mindestens eines Anschliffs wird es auch möglich, den Absatz am Ende des Führungsabschnitts der Düsennadel so zu positionieren, dass er im geschlossenen Zustand der Düsennadel die Öffnung der Speisebohrung komplett überdeckt. Der freigegebene Strömungsquerschnitt wird dann durch die Geometrie des Anschliffs definiert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Düsennadel an ihrem dem Düsennadelsitz abgewandten Ende in einem Ventilstück geführt.

Speisebohrung, Zulaufbohrung und Steuerraum sind hier ebenfalls im Ventilstück ausgebildet. Eine kompakte Bauweise mit möglichst wenigen Einzelteilen kann dadurch realisiert werden. Zusätzlich wird das Kraftstoffvolumen zwischen Drosselstelle und Düsennadelsitz vergrößert, da die Drosselstelle so am düsennadelsitzabgewandten Ende des Druckraums liegt; das vergrößerte Kraftstoffvolumen kann im Druckraum auftretende Drucküberschwinger besser dämpfen. Besonders bevorzugt mündet die Speisebohrung druckraumseitig in eine umlaufende Ringnut, die im Ventilstück ausgebildet ist. Die Befüllung des Druckraums mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff erfolgt dadurch gleichmäßiger und etwaige Anschliffe am Absatz der Düsennadel müssen nicht verdrehsicher zur Speisebohrung fixiert werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilstück in einem Ringraum außen von Hochdruck umgeben. Das dem Druckraum abgewandte Ende der Speisebohrung mündet in diesen Ringraum. Weiterhin kann die Zulaufbohrung für den Steuerraum so ausgeführt sein, dass sie ebenfalls in den Ringraum mündet. Die Verbindung von Speisebohrung und Steuerraum mit dem Hochdruckkanal ist durch die Verwendung eines Ringraumes fertigungstechnisch leicht ausführbar, komplexe Bohrungen können dadurch vermieden werden.

Zeichnungen Fig.l zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil in einer schematischen Darstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.2 zeigt den mit II bezeichneten Ausschnitt der Fig.l eines weiteren

Ausführungsbeispiels und

Fig.3 zeigt einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform in derselben Darstellung wie in Fig.2.

Beschreibung

Fig.l zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil 1 im Längsschnitt. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist einen Haltekörper 6 und einen Düsenkörper 2 auf, die gegeneinander durch eine nicht dargestellte

Spannvorrichtung verspannt sind. Haltekörper 6 und Düsenkörper 2 bilden in ihrem Inneren einen Druckraum 10 aus, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet ist. An der Düsennadel 5 ist eine Schulter 50 angeordnet, die zusammen mit dem Haltekörper 6 einen Zulaufspalt 51

ausbildet, der eine Drosselwirkung erzielt, die unabhängig vom Hub der Düsennadel 5 ist. Die Düsennadel 5 wirkt an ihrem dem Brennraum

zugewandten Ende mit einem Düsennadelsitz 3 des Düsenkörpers 2 zusammen und kann dadurch eine oder mehrere Einspritzöffnungen 4 im Düsenkörper 2 öffnen oder verschließen über die Kraftstoff in den Brennraum einer

Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. An dem dem Brennraum entgegengesetzten Ende der Düsennadel 5 ist ein Steuerraum 12 angeordnet, über dessen Druck die Öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel 5 gesteuert wird in der Weise, dass bei Druckabsenkung im Steuerraum 12 die Düsennadel 5 vom Düsennadelsitz 3 abhebt und so die mindestens eine Einspritzöffnung 4 freigibt und bei Druckanstieg im Steuerraum 12 die

Düsennadel 5 gegen den Düsennadelsitz 3 gedrückt wird und so die mindestens eine Einspritzöffnung 4 verschließt. In der in Fig.l dargestellten Ausführungsform ist der Steuerraum 12 in einem Ventilstück 7 angeordnet, das den Druckraum 10 dem Brennraum abgewandt begrenzt. Eine Schließfeder 8, die die Düsennadel 5 gegen den Düsennadelsitz 3 vorspannt, ist im Steuerraum 12 angeordnet und wirkt auf die dem Brennraum entgegengesetzte Stirnfläche der Düsennadel 5. Ein Führungsabschnitt 17 der Düsennadel 5, der an dem dem Brennraum entgegengesetzten Ende der Düsennadel 5 ausgebildet ist, wird im Ventilstück 7 radial geführt. Dieser Führungsabschnitt 17 begrenzt an seinem oberen Ende den Steuerraum 12 und an seinem unteren Ende den Druckraum 10.

Der Steuerraum 12 wird durch eine Zulaufbohrung 20, die mit einem

Hochdruckkanal 15 verbunden ist und ebenfalls im Ventilstück 7 ausgebildet ist, mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt, der zum Beispiel von einem nicht dargestellten Common Rail zur Verfügung gestellt wird. Vom Steuerraum 12 führt eine Abiaufbohrung 21, die durch eine Ventilscheibe 13 verläuft, in einen Niederdruckraum 11. Die Öffnung der Abiaufbohrung 21 in den Niederdruckraum 11 kann von einem Steuerventil 9, das z.B. elektromagnetisch angesteuert wird, geöffnet oder verschlossen werden.

Eine Speisebohrung 22 verbindet den Druckraum 10 mit dem Hochdruckkanal 15. Die dem Druckraum 10 zugewandte Öffnung der Speisebohrung 22 wird dabei in der Schließstellung der Düsennadel 5 teilweise und in der

Öffnungsstellung der Düsennadel 5 vollständig freigegeben.

In der in Fig.l dargestellten Ausführungsform erfolgt eine zumindest teilweise vom Hub der Düsennadel 5 abhängige Drosselung des in den Druckraum 10 fließenden Kraftstoffs an der Öffnung der Speisebohrung 22 durch einen konischen Abschnitt 18 der Düsennadel 5. Weiterhin zeigt Fig.l einen Ringraum 28, der das Ventilstück 7 mit Hochdruck umgibt und sowohl Speisebohrung 22 als auch Zulaufbohrung 20 mit dem Hochdruckkanal 15 und damit mit einer unter Hochdruck stehenden Kraftstoffquelle, z.B. einem Common Rail, verbindet.

Zu Beginn des Einspritzprozesses liegt sowohl im Druckraum 10 als auch im Steuerraum 12 Hochdruck an. Zum Öffnen der Düsennadel 5 gibt das

Steuerventil 9 die Abiaufbohrung 21 frei und verbindet so den Steuerraum 12 mit dem Niederdruckraum 11. Der Druck im Steuerraum 12 fällt ab und mit ihm die auf die Düsennadel 5 wirkende Schließkraft, worauf die Düsennadel 5 öffnet und die Einspritzöffnung 4 frei gibt. Zu Beginn des Öffnungsvorgangs öffnet die Düsennadel 5 aufgrund der hydraulischen Kraftverhältnisse vergleichsweise langsam und erzielt so eine bessere Kleinstmengenfähigkeit. In der geöffneten Düsennadelstellung gibt die Düsennadel 5 den ganzen Strömungsquerschnitt der Speisebohrung 22 frei. Der Zufluss des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs in den Druckraum 10 wird nur durch die Geometrie der Speisebohrung 22 bestimmt und kann ungehindert fließen. Während des Einspritzvorgangs sinkt der Druck im Druckraum 10.

Zur Beendigung der Einspritzung verschließt das Steuerventil 9 die

Abiaufbohrung 21 und trennt so den Steuerraum 12 vom Niederdruckraum 11. Über die Zulaufbohrung 20 wird der Steuerraum 12 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllt. Die auf die Düsennadel 5 wirkende Schließkraft erhöht sich und die Düsennadel 5 wird dadurch gegen den Düsennadelsitz 3 gedrückt und verschließt die Einspritzöffnung 4. Während dieses

Schließvorgangs verringert die Düsennadel 5 durch ihre Hubbewegung den freigegebenen Strömungsquerschnitt der Speisebohrung 22, so dass mit Fortschreiten der Schließbewegung der Düsennadel 5 die Drosselwirkung des Spalts zwischen dem konischen Abschnitt 18 und der Mündung der

Speisebohrung 22 erhöht wird. Dies führt zu einem schnelleren Schließen der Düsennadel 5. Mit dem Schließen der Düsennadel 5 steigt der Druck im

Druckraum 10 wieder an und es kommt unmittelbar nach Beendigung des Schließvorgangs zu einem Hochdrucküberschwinger im Druckraum 10. Aufgrund der starken Drosselwirkung an der Mündung der Speisebohrung 22 am Ende des Schließvorgangs kann der unter Hochdruck stehende Kraftstoff nur gedrosselt in den Druckraum 10 nachfließen, und der Hochdrucküberschwinger im Druckraum 10 wird dadurch reduziert.

Fig.2 zeigt den mit II bezeichneten Ausschnitt von Fig.l eines weiteren

Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils 1, bei der der Führungsabschnitt 17 der Düsennadel 5 im Ventilstück 7 geführt ist und die Düsennadel 5 unterhalb ihres Führungsabschnitts 17 im Bereich der

Speisebohrung 22 einen Absatz 30 aufweist, der während des Hubs der

Düsennadel 5 entlang des Querschnitts der dem Druckraum 10 zugewandten Öffnung der Speisebohrung 22 bewegt wird und so den freigegebenen

Strömungsquerschnitt der Speisebohrung 22 verändert. Vorzugsweise wird dabei in der Schließstellung der Düsennadel 5 die Öffnung der Speisebohrung 22 teilweise und in der Öffnungsstellung der Düsennadel 5 die Öffnung der

Speisebohrung 22 vollständig freigegeben. Diese Ausführungsform weist eine vergleichsweise einfache Geometrie auf.

Fig.3 zeigt in derselben Darstellung wie Fig.2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils 1 in Schließstellung der Düsennadel 5, bei der der Führungsabschnitt 17 der Düsennadel 5 am Absatz 30 mit wenigstens einem Anschliff 31 versehen ist. Die Speisebohrung 22 mündet druckraumseitig in eine umlaufende Ringnut 35, die im Ventilstück 7 ausgebildet ist, so dass in der gezeigten Schließstellung der Düsennadel 5 immer eine Verbindung der Speisebohrung 22 mit dem Druckraum 10 über die Anschliffe 31 sichergestellt ist; eine Befüllung des Druckraums 10 ist über die Anschliffe 31 und die Ringnut 35 auch im geschlossenen Zustand der Düsennadel 5 stets gewährleistet. Diese Ausführungsform ist vergleichsweise robust gegenüber Fertigungstoleranzen.

Durch die Verwendung von Anschliffen 31 und der Ringnut 35 kann über einen definierten Düsennadelhub zunächst eine konstante Drosselwirkung im ersten Teil des Öffnungsvorgangs der Düsennadel 5 erzielt werden. Wird der Absatz 30 während des zweiten Teils des Öffnungsvorgangs der Düsennadel 5 entlang des Querschnitts der dem Druckraum 10 zugewandten Öffnung der Speisebohrung 22 bewegt, reduziert sich die Drosselwirkung mit zunehmendem Hub der

Düsennadel 5, solange bis die Speisebohrung 22 im dritten Teil des

Öffnungsvorgangs der Düsennadel 5 vom Absatz 30 vollständig freigegeben ist; ab diesem Zeitpunkt wird die Drosselwirkung nur noch vom Querschnitt der Speisebohrung 22 bestimmt.

Während des Schließvorgangs der Düsennadel 5 verändert sich die

Drosselwirkung entsprechend in umgekehrter Reihenfolge: zunächst konstante minimale Drosselwirkung, definiert durch den Querschnitt der Speisebohrung 22, anschließend linear steigende Drosselwirkung solange der Absatz 30 entlang des Querschnitts der dem Druckraum 10 zugewandten Öffnung der Speisebohrung 22 bewegt wird und in der Endphase des Schließvorgangs der Düsennadel 5 eine konstante Drosselwirkung, definiert durch die Anschliffe 31.