Einspritzventil für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil nach dem Oberbe¬ griff von Patentanspruch 1.

Eine solches Einspritzventil ist beispielsweise durch die EP- A 0 531 533 bekannt. Diese Veröffentlichung behandelt eine Dieseleinspritzeinrichtung mit einem Hochdrucksystem (Common Rail-System) , bei dem der Kraftstoff einem Hochdruckspeicher über eine Hochdruckpumpe zugeführt wird. Dieser unter hohem Druck stehende Kraftstoff wird dann entsprechend einer Steue¬ rung den einzelnen Zylindern eines Dieselmotors über Ein- spritzventile zugeführt. Dabei werden die Einspritzventile jeweils über ein Magnetventil angesteuert, um beispielsweise auch individuelle Einspritzzeiten zu ermöglichen.

Um insbesondere Einspritzventile zu erhalten, mit denen auch eine Voreinspritzung möglich ist, um damit Verbrauch, Abgas¬ werte, Geräusch usw. zu verbessern, sollen die Einspritzven¬ tile bei hohen Einspritzdrücken schnell schaltbar sein. Dieses Erfordernis benötigt jedoch Solenoide, die einen relativ großen Platzbedarf erfordern, da sie eine große Stromaufnahme zur Abgabe der benötigten Leistung erfordern. Die üblichen Einspritzventile sind für eine Voreinspritzung nur bedingt tauglich, da sie im allgemeinen relativ langsam schalten, weil sie z.B. große Kräfte oder große Hübe überwin¬ den müssen.

Um die gewünschten Einspritzkennlinien, insbesondere für die Zeitdauer der Voreinspritzung und Haupteinspritzung zu bekom¬ men, weist die DE-OS 41 18 236 einen Weg, bei dem zwei So¬ lenoide verwendet werden, deren KraftstoffZuführungsbohrungen an ein Hochdrucksy≤tem angeschlossen sind. Die beiden So

lenoide sorgen dabei je nach Strombeaufschlagung über ein Bohrungs- und Ventilsystem für eine-Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung, wobei eine Vor- und Haupteinspritzung ohne Unterbrechung des Einspritzvorgangs vor sich gehen kann.

Durch diese Vorrichtung sind in großem Umfang beliebige Einspritzkennlinien erhältlich. Die Vorrichtung ist jedoch wegen der Notwendigkeit von zwei Solenoiden und der entspre¬ chend notwendigen Steuereinrichtung aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, schnell schaltende Einspritz¬ ventile vorzusehen, um die Abgas- und Geräuscheinission insbe¬ sondere bei Diesel- und Magermotoren zu reduzieren, die sich darüberhinaus auch für eine Voreinspritzung eignen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü¬ chen gekennzeichnet.

Durch die Erfindung ist sind Einspritzventile erhältlich, bei denen das in der Ventilkammer hin- und herbewegbare Doppel- sitzventil in beiden Schaltstellungen völlig druckausgegli¬ chen ist. Anders ausgedrückt wirken auf das Doppelsitzventil in seinen beiden Endlagen keine Kräfte ein; die versuchen, das Sitzventil in eine andere Stellung zu treiben, so daß beim Schalten bzw. Halten des Sitzventils keine besonderen Maßnahmen bei der Antriebseinrichtung getroffen werden müs¬ sen. Damit kann das Sitzventil schneller durch die Antriebs¬ einrichtung verstellt werden, so daß das Einspritzventil auch für eine Voreinspritzung geeignet ist.

Aufgrund der Goemetrie der Neigungswinkel des Doppelsitzven¬ tils wird die Schaltbewegung des Doppelsitzventils in beiden Richtungen unterstützt. Beim Abheben des Ventils wird unter dem Sitz ein zusätzlicher Querschnitt freigegeben und der noch anstehende Druck im Raum beschleunigt das Ventil zusätz¬ lich zur Antriebskraft. Beim Abheben des Ventils vom oberen

Sitz wirkt der in der Zulaufkammer anstehende Druck außer auf eine obere Fläche auf den größeren Durchmesser des Ventils, in der Ventilkammer herrscht noch ein niedriger Druck und damit wird das Ventil wieder beschleunigt.

Im Folgenden sei die Erfindung anhand von vier Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Querschnittsansicht eines Einspritzventils;

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Bereichs des Dop- pelsitzventils im Querschnitt;

Figur 3 eine Teilquerschnittsansicht des Doppelsitzventils auf seinem unteren Sitz, und

Figur 4 eine Teilquerschnittsansicht des Doppelsitzventils auf seinem oberen Sitz.

Das in Figur 1 gezeigte Einspritzventil besteht aus einem langgestreckten Gehäuse 1, auf dessen unterem Ende eine Überwurfmutter 2 aufgeschraubt ist. Mit dieser Oberwurfmutter 2 wird vom unteren Ende des Gehäuses 1 aus eine Zwischenplat¬ te 3 und ein Einspritzdüsengehäuse 29, in dem eine Einspritz¬ nadel 6 geführt ist, gehalten. Sowohl die Zwischenscheibe 3 als auch das Einspritzgehäuse 29 weisen eine Mittelbohrung 5 auf, in der die Düsennadel 6 axial verschiebbar angeordnet ist. An ihrem einen Ende liegt im gezeichneten Zustand die

Düsennadel 6 an einem ringförmigen Düsensitz 7 an, so daß die Düsennadel 6 die Düsenlöcher 8, 9 verschließt. Am anderen Ende ist die Düsennadel 6 mit einem Druckbolzen 10 versehen, der in einer im Gehäuse 1 gebildeten Federkammer 11 angeord- net ist und von einer in der Federkammer 11 angeordneten

Düsenfeder 12 beaufschlagt wird, so daß die Düsennadel 6 auf dem Düsensicz 7 anliegt und diesen verschließt. Das andere

Ende der Düsenfeder 12 liegt an dem dem Druckbolzen 10 gegen¬ überliegenden Ende der Federkammer 11 an.

Das Gehäuse 1 weist im oberen Bereich eine in axialer Rich- tung des Gehäuses 1 sich erstreckende Ventilkammer 13 auf, in der ein in axialer Richtung verschiebbares Doppelsitzventil 14 angeordnet ist. Das Doppelsitzventil 14 ist über einen Stößel 16 mit einem in einer Kammer 20 des Gehäuses 1 ange¬ ordneten Magnetanker 17 verbunden, der von einer Druckfeder 21 beaufschlagt wird, die in einer Ausnehmung 23 des Spulen¬ gehäuses 22 gelagert ist. Ein Teil 18 des Stößels 16 ist axial gleitend im Gehäuse 1 geführt. Im Spulengehäuse 22 ist weiterhin eine Spule 24 angeordnet, die mit Spulenanschlüssen 25,26 nach außen hin verbunden ist.

Im Gehäuse 1 links oben in der Figur 1 ist ein Anschluß CR vorgesehen, der mit einem Hochdruckspeicher (nicht gezeigt) für den zu liefernden Kraftstoff verbunden ist. An den An¬ schluß CR ist eine im Innern des Gehäuses 1 vorgesehene erste Zuführungsbohrung 27 geführt, die an ihrem anderen Ende in einen im Einspritzdüsengehäuse 29 gebildeten Druckraum 28 mündet. Dieser Druckraum 28 steht mit einem axial sich er¬ streckenden Zwischenraum 30 mit dem Düsensitz in Verbindung. Der Zwischenraum 30 wird dadurch gebildet, ^' daß der untere Teil der Düsennadel 6 abgesetzt ist, d.h., daß der untere Teil der Düsennadel 6 einen kleineren Durchmesser als der obere Teil der Düsennadel 6 aufweist, der im Einspritzdüsen¬ gehäuse 29 geführt ist. Der Bereich des Obergangs vom kleinen zum großen Durchmesser endet im oberen Teil des Druckraums 28. Durch ihn wird ein ringförmiger Ansatz 35 der abgesetzten Düsennadel 6 gebildet.

Der Anschluß CR steht weiter mit einer zweiten Zuführungsboh¬ rung 31 in Verbindung, die in die Ventilkammer 13 mündet.

Im Gehäuse 1 ist rechts oben ein Rücklaufanschluß RL erkenn¬ bar, der sowohl mit der Ventilkammer 13 übe., eine Rücklauf-

bohrung 32 als auch mit der Kammer 20 für den Magnetanker 17 über eine Entlastungsbohrung 33 in Verbindung steht.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:

In der in Figur 1 gezeigten Stellung ist das Einspritzventil geschlossen. In diesem Zustand liegt unter hohem Druck ste¬ hender Kraftstoff über den Anschluß CR vom Hochdruckspeicher und der ersten Zuführungsbohrung 27 im Druckraum 28 an dem ringförmigen Ansatz 35 der Düsennadel 6 an. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff befindet sich weiter über die zweite Zuführungsbohrung 31 in der Ventilkammer 13, der Bohrung 15 und der Federkammer 11. Da das Solenoid in diesem Zustand stromlos ist, wird das Sitzventil 14 aufgrund der Kraft der Druckfeder 21 auf einen Ventilsitz 36 (Figur 2, 3) der Rücklaufbohrung 32 in seine untere Stellung gedrückt, wodurch die Verbindung zum Rücklauf RL verschlossen ist.

Wird nun das Solenoid 34 bestromt, so wird über den Magnetan- ker 17 und den Stößel 18 das Doppelsitzventil 14 in seine obere Stellung bewegt, wodurch der Zulauf über die zweite Zuführungsbohrung 31 in die Ventilkammer 13 für den unter Hochdruck stehenden Kraftstoff verschlossen wird. Gleichzei¬ tig mit der Bewegung des Doppelsitzventils 14 in seine obere Stellung löst sich das Doppelsitzventil 14 vom unteren Ven- tilsitr 36, wodurch die Federkammer 11 über die Bohrung 15, die Ventilkammer 13 und die Rücklaufbohrung 32 mit dem Rück¬ lauf RL in Verbindung kommt, der einen niedrigen Druck auf¬ weist. Damit wird der Druck in der Druckkammer 28 relativ größer als der Druck in der Federkammer 11, so daß die Kraft der Feder 12 überwunden werden kann und sich die Düsennadel 6 nach oben bewegt, so daß eine Einspritzung über die Düsenlö¬ cher 8, 9 erfolgt.

Der Einspritzvorgang wird beendet, wenn die Stromzufuhr zum

Solenoid 34 unterbrochen wird, so daß das Doppelsitzventil 14 wieder auf den unteren Ventilsitz 36 bewegt wird und den

Rücklauf verschließt. Damit baut sich sofort wieder ein Hochdruck in der Federkammer 11 auf, wodurch aufgrund der sich einstellenden Kraftverhältnisse die Einspritzung durch Absenken der Düsennadel 6 auf ihren Düsensitz 7 beendet wird. Dies ist eine sicherheitsrelevante Funktion, weil ohne Strom¬ zuführung keine Einspritzung erfolgen soll.

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt im Bereich des Sitzventils 14 von Figur 1, um das wesentliche der Erfindung zu erklären.

In der gezeigten Stellung befindet sich das Doppelsitzventil 14 auf seinem unteren Ventilsitz 36 und verschließt somit den Rücklauf RL. In der Ventilkammer 13 sowie in der angrenzenden Bohrung 15 und der Zulaufkammer 19 befindet sich Kraftstoff unter hohem Druck. Da das Doppelsitzventil 14 allseitig von hohem Druck umgeben ist, wirkt keine resultierende Kraft auf das Doppelsitzventil 14 in der Ventilkammer 13, so daß das Doppelsitzventil 14 in dieser Stellung druckausgeglichen ist. Der im Niederdruckbereich herrschende Druck, d.h. der auf den unteren Ventilsitz 36 über die Rücklaufbohrung 32 wirkende Druck sowie der auf die Stößelfläche des Stößels 16 in der Kammer 20 wirkende Druck ist ebenfalls gleich, so daß er auf das Gleichgewicht der auf das Doppelsitzventil 14 einwirken¬ den Kräfte keinen Einfluß hat, zumal der Druck äußerst gering ist. Anders ausgedrückt ist bei geeigneter Dimensionierung in dieser Stellung die Fläche Fl der Düsennadel 14 gleich der Fläche F2 des Stößels 18, die beide an das Niederdrucksystem angrenzen, so daß das Sitzventil 14 druckausgeglichen ist.

In der oberen Stellung des Doppelsitzventils 14 liegt das Doppelsitzventil 14 am Ventilsitz 37 an. Damit wird das Doppelsitzventil 14 gleichzeitig von seinem Ventilsitz 36 gelöst, so daß in der Ventilkammer 13 ein niedriger Druck herrscht. Damit befindet sich ein hoher Druck in der Zulauf- kammer 19, der auf die Querschnittsfläche F3 des Stößels 18 und auf die wirksame Querschnittsfläche F4 des Doppelsitzven¬ tils 14 wirkt. Da die Flächen F3 und F4 gleich sein sollen,

wirkt in der Zulaufkammer 19 kein Differenzdruck auf die beiden Flächen F3 und F4 ein, so daß das Doppelsitzventil 14 auch in dieser Stellung druckausgeglichen ist.

In den Figuren 3 und 4 sind die beiden Stellungen des Doppel¬ sitzventils 14 nochmals groß dargestellt. Dabei zeigt die Figur 3 die Stellung, wo das Doppelsitzventil auf dem unteren Ventilsitz 36 sich befindet, und die Figur 4 die Stellung, wo das Doppelsitzventil 14 auf dem oberen Ventilsitz 37 sich befindet.

In Figur 3 ist die Neigung der Ventilsitzfläche des Doppel¬ sitzventils 14 in bezug auf eine Achse A senkrecht zur Achse A des Doppelsitzventils 14 mit αl bezeichnet, die Neigung der Ventilsitzfläche im Gehäuse 1 mit α2. Damit wird eine wirksame Fläche Fl gebildet, die gleich der Fläche F2 (Figur 2) sein muß, damit das Doppelsitzventil druckausgeglichen ist. In dieser Stellung sind weiter F3 und F4 flächengleich. Außerdem ist α2 > αl.

In Figur 4 liegt das Doppelsitzventil 14 an seinem oberen Ventilsitz 37 an. Dabei weist das Doppelsitzventil 14 einen Neigungswinkel α3 in diesem Bereich auf, und der Ventilsitz 37 des Gehäuses 1 einen Neigungswinkel α4. Dabei muß gelten, daß der Neigungswinkel α3 größer als der Neigungswinkel α4 des Ventilsitzes ist, damit erreicht werden kann, daß die Fläche F3 gleich der Fläche F4 ist, um ein druckausgegliche¬ nes Doppelsitzventil 14 in dieser Stellung zu erhalten.

Wie eingangs bereits erwähnt, wird aufgrund der Geometrie des Doppelsitzventils die Schaltbewegung des Doppelsitzventils in beiden Richtungen unterstützt. Beim Abheben des Ventils 14 wird unter dem Sitz 36 der zusätzliche Querschnitt Fl freige¬ geben, und der noch anstehende Druck in der Ventilkammer 13 beschleunigt das Ventil zusätzlich zur Magnetkraft. Beim • Abheben des Ventils vom Ventilsitz 37 wirkt der in der Zu¬ laufkammer 19 anstehende Druck außer auf die Fläche F4 auf

den größeren Durchmesser des Doppelsitzventils 14, in der Ventilkammer 13 herrscht noch ein niedriger Druck, und damit wird das Doppelsitzventil 14 wieder beschleunigt.