WO2007107397A1 - Kraftstoffeinspritzventile für brennkraftmaschinen - Google Patents

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WO2007107397A1
WO2007107397A1 PCT/EP2007/050775 EP2007050775W WO2007107397A1 WO 2007107397 A1 WO2007107397 A1 WO 2007107397A1 EP 2007050775 W EP2007050775 W EP 2007050775W WO 2007107397 A1 WO2007107397 A1 WO 2007107397A1
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Rolf-Juergen Giersch
Bernd Dittus
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M61/12—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type characterised by the provision of guiding or centring means for valve bodies
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    • F02M63/0078—Valve member details, e.g. special shape, hollow or fuel passages in the valve member
    • F02M63/008—Hollow valve members, e.g. members internally guided
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/006—Springs assisting hydraulic closing force

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines, as it is preferably used for the direct injection of fuel into the combustion chamber of self-igniting internal combustion engines.
  • Injectors for the direct injection of fuel into the combustion chamber of internal combustion engines are known for a long time.
  • published patent application DE 100 24 703 A1 shows such an injection valve as is used in so-called common-rail injection systems.
  • the injector includes a valve needle longitudinally disposed in a valve body which, by its longitudinal movement, controls the opening and closing of at least one injection port by cooperating with a valve seat.
  • the movement of the valve needle is controlled by a control valve, wherein the valve needle moving forces are generated hydraulically.
  • the large moving mass, since the Ventilna- del, which includes the entire length of the injection nozzle is relatively long and therefore heavy.
  • European Patent Application EP 967 382 A2 discloses an injection valve in which the valve needle contains a smaller valve needle which opens and closes at least part of the injection openings.
  • this smaller valve needle which is preferably arranged in a longitudinal bore of the larger valve needle, at least certain operating states can be controlled quickly by the small valve needle.
  • a clean centering of the actual valve needle in the region of the valve seat is achieved via the smaller valve needle, so that a uniform injection is made possible by all Einspritzöffhungen.
  • the known fuel injection valve has the disadvantage that an independent control of the small valve needle is not possible. This makes fast activation difficult, as is the case for multiple injections, i. H. a subdivided into several injections fuel injection is necessary.
  • the known fuel injection valve has the disadvantage that at ever higher pressure surrounding the nozzle needle, significant elastic deformation of the valve body occur.
  • the fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage over that rapid control of
  • a valve pin is arranged in the bore of the valve body, on which a valve needle is guided.
  • a first control chamber is located within the valve pin, wherein the first control chamber is connected to a second control chamber through a connection formed in the valve pin.
  • Pressure in the second control chamber is adjustable, preferably via a control valve, so that the pressure in the first control chamber can be changed very quickly. Due to the low moving mass, the valve needle can very quickly open or close the injection openings, whereby very rapid successive injections are made possible. Since there are no leakage gaps in the high-pressure area, the result is also high Here injection pressures no impairment of the function of the fuel injection valve according to the invention.
  • the valve pin essentially has a hollow cylindrical shape, so that the connection between the two control chambers is formed by a longitudinal channel in the valve pin.
  • the valve pin is preferably supported on the valve needle via a closing spring, so that the valve needle is pressed against the valve seat by the spring force.
  • the valve pin can also advantageously be supported by a compression spring on a stationary stop, so that it is mounted between the closing spring on the one hand and the compression spring on the other. This facilitates easy assembly and disassembly of the fuel injection valve and allows to manufacture in the longitudinal direction with relatively large tolerances.
  • valve pin is supported at its valve seat side end with a contact surface on the valve seat, so that it is held stationary by the compression spring.
  • valve pin preferably has openings through which the fuel can flow from a pressure chamber surrounding the valve pin in the direction of the injection openings.
  • a further sleeve is provided, which is likewise arranged in the bore of the valve body and which surrounds the valve pin and the valve needle.
  • the sleeve is guided in this case in the bore and also ensures a guide of the valve pin and the valve needle, wherein the first control chamber between the valve pin and the valve needle is formed and is bounded radially outward by the sleeve.
  • the sleeve has valve seat near also openings through which fuel can flow to the Einspritzöffhungen.
  • valve pin has a receptacle into which a pressure piston protrudes.
  • the pressure piston can be moved, for example via a piezoelectric actuator, so that the movement of the valve needle can be controlled directly above the piezo actuator.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a fuel injection valve according to the invention
  • FIG. 1a shows a cross section through the fuel injection valve shown in FIG. 1 along the line A-A
  • FIG. 1a shows a cross section through the fuel injection valve shown in FIG. 1 along the line A-A
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a further exemplary embodiment of a fuel injection valve according to the invention.
  • Figure 2a shows a cross section along the line A-A
  • FIG. 2b shows an alternative construction of the injection valve shown in FIG. 2, only the region facing away from the valve seat being illustrated,
  • Figure 4 and Figure 5 show further embodiments, which are each shown in longitudinal section and Figure 6 shows a last embodiment in which in addition a piezoelectric actuator is shown, which is part of the entire injection valve.
  • the fuel injection valve comprises a valve body 1, which is braced in the installed position against a holding body, not shown in the drawing.
  • the valve body 1 has a bore 3 which is delimited at its combustion chamber end by a conical valve seat 4.
  • the conical valve seat 4 terminates in a blind hole 6, wherein at least one Einspritzöffhung 10, 10 'either from the blind hole 6 o- which emanates from the conical valve seat 4 and opens in installation position of the fuel injection valve in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • FIG. 1a shows a cross section through the fuel injection valve shown in FIG. 1 along the line AA.
  • the valve pin 5 has in the middle guide portion 105 recesses 16 in the form of longitudinal grooves, so that here four guide surfaces 17 are formed on the outside of the valve pin 5, which bear against the wall of the bore 3. Through the recesses 16, a sufficiently large flow cross-section is formed through which fuel can flow unthrottled in the direction of the injection openings 10.
  • valve needle 7 At the valve seat side end of the valve pin 5 is in a guide section 14, which is reduced in diameter.
  • a valve needle 7 is guided, which has a corresponding receptacle 15 which receives the guide portion 14 of the valve pin 5.
  • the valve needle 7 has a substantially conical valve sealing surface 11, with which it rests on the valve seat 4 and thereby separates the pressure chamber 8 from the Einspritzöffhungen 10 when it rests against the valve seat 4.
  • the valve needle 7 is clamped by a closing spring 12 against the valve pin 5, wherein the closing spring 12 surrounds the guide portion 14 of the valve pin 5.
  • a first control chamber 25 is limited, which is connected via a formed in the valve pin 5 longitudinal channel 22 with a second control chamber 27.
  • This is delimited by the valve seat facing away from the end of the valve pin 5 and a pressure sleeve 18, wherein the pressure sleeve 18 surrounds the valve pin 5 at its valve seat facing away from the end.
  • the pressure sleeve 18 is pressed against the not shown in the figure 1 holding body via a compression spring 20, which is supported on a connected to the valve pin 5 support ring 13. Characterized the valve pin 5 is pressed in the direction of the valve seat 4, while it is acted upon by the closing spring 12 in the opposite direction at the same time.
  • the volume of the two control chambers 25, 27 and the volume must be of the longitudinal channel 22 should be as small as possible. Since the diameter of the longitudinal channel 22 due to production must have a certain minimum cross-section, it can be provided that a filling pin 31 is arranged in the longitudinal channel 22. Over the thickness and the length of the filler pin 31 so the volume can be optimally adjusted.
  • the operation of the fuel injection valve is as follows: In the pressure chamber 8, a predetermined high fuel pressure is maintained, which is provided for example in a so-called common rail. By a separate connection or by leakage gaps, such as between the valve pin 5 and the pressure sleeve 18, prevails in the second control chamber 27 and via the longitudinal channel 22 in the first control chamber 25, the same high fuel pressure as in the pressure chamber 8. If an injection takes place, then the over a control device, for example a control valve, which is accommodated in the holding body, not shown in the drawing, set a lower pressure in the second control chamber 27. As a result of the pressure drop in the second control chamber 27, the pressure in the first control chamber 25 decreases virtually instantaneously, since both are present
  • Control spaces 25, 27 are hydraulically connected to each other via the longitudinal channel 22. This causes a drop in the hydraulic force to the valve needle 7, which experiences a closing force in the direction of the valve seat 4 by the pressure in the first control chamber 25.
  • the valve needle 7 By pressurizing a portion of the valve sealing surface 11, the valve needle 7 now lifts off the valve seat 4, so that fuel from the pressure chamber 8 between the valve sealing surface 11 and the valve seat 4 flows through to the injection openings 10 and is injected from there into the combustion chamber.
  • the pressure in the first control chamber 25 also rises again, and the valve needle 7 slides back into its closed position, ie. in contact with the valve seat 4.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the fuel injection valve according to the invention.
  • the valve needle 7 is here, apart from the conical valve sealing surface 11, designed as a compact cylinder and thus not guided on the valve pin 5.
  • the first control chamber 25 is formed between the valve needle 7 and the valve seat facing end face of the valve pin 5.
  • a sleeve 30 is additionally arranged in this embodiment, which surrounds both the valve pin 5 and the pressure sleeve 18 and the valve needle 7 and rests with a contact surface 37 on the valve seat 4.
  • the sleeve 30 is fixedly disposed in the bore 3 and has recesses 16 through which - also in the embodiment of Figure 1 - guide surfaces 17 are formed with which the sleeve 30 on the wall of the bore. 3 is applied.
  • FIG. 2a shows a cross section along the line AA of FIG
  • FIG. 2b shows an alternative embodiment of the valve seat facing away from the end of the injection valve of Figure 2, wherein only the essential components are shown here.
  • a pressure piece 34 is provided here, which has a longitudinal bore 36.
  • a gap 29 is formed in which the compression spring 20 is arranged, which presses the pressure piece 34 against the holding body, not shown, and at the same time the valve pin 5 in the direction of the valve needle 7.
  • a series circuit the second control chamber 27, the intermediate space 29 and the first control chamber 25, which are each connected via a longitudinal bore 36 and a longitudinal channel 22 in the valve pin 5 and in the pressure piece 34 with each other.
  • valve pin 5 is here, as in the embodiment shown in Figure 1, by
  • Valve needle 7, the valve sealing surface 11 faces away from a piston-shaped end 21, with which it is guided in a receptacle 24 in the valve pin 5.
  • the closing spring 12 is arranged, which presses the valve needle 7 against the valve seat 4.
  • the first control chamber 25 is formed by the end face of the piston-shaped end 21 and by the base of the receptacle 24th limited and is also connected here by the longitudinal channel 22 with the second control chamber 27.
  • a further pressure surface 35 is formed by the annular collar 33 on the valve needle 7, which causes an additional hydraulic force to the valve needle 7 in ⁇ ffhungsoplasty.
  • the valve pin 5 does not move here and remains stationary during the entire injection.
  • valve needle 7 terminates here in a pin 23 which is arranged in the receptacle 24 and through which a valve needle 7, a shoulder is formed, against which the closing spring 12 is applied.
  • the valve needle 7 is guided in the receptacle 24, wherein a hydraulic ⁇ ffhungskraft results only in that a part of the sealing surface 11 is acted upon by the fuel pressure of the pressure chamber 8.
  • the valve pin 5 has no guide surfaces 17, but a cylindrical outer shape and an outer diameter which is significantly smaller than the inner diameter of the bore 3.
  • a guide plate 38 is provided which rests against a shoulder 41 on the pressure pin 5.
  • the compression spring 20 is arranged, which presses against the shoulder 41 against the shoulder 41.
  • a plurality of passages 39 are provided, so that the fuel can flow unthrottled through the pressure chamber 8 in the direction of the injection openings.
  • valve pin 5 has a receptacle 24, in which the valve needle 7 - as in previous embodiments - is guided.
  • valve pin 5 on its opposite side on a further receptacle 26 in which a pressure piston 42 is guided, wherein the second control chamber 27 through the pressure piston 42 and through the wall of the second receptacle 26 is limited.
  • the compression spring 20 is arranged, which pushes the pressure piston 42 away from the valve pin 5.
  • the pressure piston 42 is connected directly to the piezoelectric actuator 40, so that by a corresponding energization of the piezoelectric actuator 40 is a longitudinal movement of the pressure piston 42 through which the volume of the second control chamber 27 is variable, so that either fuel displaced from the second control chamber 27 or via leakage gaps between the wall of the second receptacle 26 and the pressure piston 42 in the second control chamber 27 is promoted.
  • the piezoelectric actuator 40 is shortened.
  • the second control chamber 27 is the same as the first control chamber 25 and the longitudinal channel 22 via
  • Leakage column, the z. B. are formed between the pressure piston 42 and the second receptacle 26, connected to the pressure chamber 8 and thus filled with fuel under pressure.
  • the piezoelectric actuator 40 is in its maximum deflection position, so that the volume of the second control chamber 27 and the first control chamber 25 is as small as possible. If an injection takes place, then the piezoelectric actuator 40 is shortened, so that the
  • Retracting piston 42 This increases the volume of the second control chamber 27, as a result of which the pressure in the first control chamber 25 drops rapidly, wherein a throttle 28 can be provided to avoid pressure oscillations and to control the pressure drop in the longitudinal channel 22 over time. Due to the pressure drop in the first control chamber 25 and the concomitant decrease in the hydraulic closing force on the valve needle 7, this is the fuel pressure in the pressure chamber 8 in its open position, d. H. pushed away from the valve seat 4, so that the Einspritzöffhungen 10 are released. To end the injection, the piezoelectric actuator 40 is extended again, so that the pressure builds up again in the control chambers 25, 27 and presses the valve needle 7 back into its closed position. About the leakage column then finds one
  • valve needle 7 is made very small, so that the manufacturing costs can be reduced. This is particularly interesting if, to further increase the precision of relatively expensive Materials for the production of the valve needle 7 find use, such as stainless steels.

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilkörper (1), in dem eine Bohrung (3) mit einer darin angeordneten Ventilnadel (7) ausgebildet ist. Die Ventilnadel (7) wirkt so mit einem im Ventilkörper (1) ausgebildeten Ventilsitz (4) zusammen, dass dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung (10; 10') geöffnet oder geschlossen werden kann. In der Bohrung (3) ist ein Ventilbolzen (5) angeordnet, der zusammen mit der Ventilnadel (7) einen ersten Steuerraum (25) begrenzt, der mit Kraftstoff befüllbar ist, wobei der Kraftstoffdruck im ersten Steuerraum (25) so auf die Ventilnadel (7) wirkt, dass diese gegen den Ventilsitz (4) gedrückt wird. Im Ventilbolzen (5) ist ein Längskanal (22) zu einem zweiten Steuerraum (27) ausgebildet, in dem ein veränderbarer Druck einstellbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Kraftstoffeinspritzventile für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise für die direkte Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum von selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwendet wird.
Stand der Technik
Einspritzdüsen zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum von Brennkraftmaschinen sind seit langer Zeit bekannt. So zeigt die Offenlegungsschrift DE 100 24 703 Al ein solches Einspritzventil, wie es bei so genannten Common-Rail-Einspritz- systemen verwendet wird. Die Einspritzdüse beinhaltet eine Ventilnadel, die längsbeweg- lieh in einem Ventilkörper angeordnet ist und die durch ihre Längsbewegung das Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffhung steuert, indem sie mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Die Bewegung der Ventilnadel wird hierbei durch ein Steuerventil geregelt, wobei die die Ventilnadel bewegenden Kräfte hydraulisch erzeugt werden. Nachteil dieser Kraftstoffeinspritzventile ist zum einen die große bewegte Masse, da die Ventilna- del, die die gesamte Länge der Einspritzdüse umfasst, relativ lang und damit schwer ist.
Die dadurch bedingte Trägheit macht sehr schnell aufeinander folgende Einspritzvorgän- ge nur schwer durchführbar. Zum anderen tritt bei immer höheren Einspritzdrücken das Problem auf, dass die Ventilnadel mit sehr großen Kräften bewegt werden muss, um die schnellen Öffhungs- und Schließvorgänge zu erreichen. Dadurch setzt die Ventilnadel hart auf dem Ventilsitz auf, was dort zu Verschleiß und vorzeitigem Ausfall des Ein- spritzventils führen kann, insbesondere wenn im Zuge der weiteren technischen Entwicklung immer höhere Einspritzdrücke, die deutlich über 2000 bar liegen, angesteuert werden. Aus der europäischen Patentanmeldung EP 967 382 A2 ist ein Einspritzventil bekannt, bei dem die Ventilnadel eine kleinere Ventilnadel beinhaltet, die zumindest einen Teil der Einspritzöffhungen öffnet und schließt. Durch diese kleinere Ventilnadel, die vorzugsweise in einer Längsbohrung der größeren Ventilnadel angeordnet ist, lassen sich zumin- dest bestimmte Betriebszustände schnell durch die kleine Ventilnadel steuern. Darüber hinaus wird über die kleinere Ventilnadel eine saubere Zentrierung der eigentlichen Ventilnadel im Bereich des Ventilsitzes erreicht, sodass eine gleichmäßige Einspritzung durch sämtliche Einspritzöffhungen ermöglicht wird.
Das bekannte Kraftstoff einspritzventil weist hierbei jedoch den Nachteil auf, dass eine unabhängige Steuerung der kleinen Ventilnadel nicht möglich ist. Dies erschwert eine schnelle Ansteuerung, wie sie für Mehrfach-Einspritzungen, d. h. eine in mehrere Teil- einspritzungen unterteilte Kraftstoffeinspritzung notwendig ist. Darüber hinaus weist das bekannte Kraftstoffeinspritzventil den Nachteil auf, dass bei immer höherem Druck, der die Düsennadel umgibt, erhebliche elastische Verformungen des Ventilkörpers auftreten.
Dies vergrößert die Leckagespalte und führt dazu, dass Kraftstoff vermehrt in den Kraftstoffrücklauf gefördert wird, was zusätzliche Pumpenleistung der Hochdruckpumpe notwendig macht, die den Kraftstoff verdichtet und der Einspritzdüse zur Verfügung stellt.
Vorteile der Erfindung
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine schnelle Steuerung der
Einspritzung bei niedriger Leckage erfolgen kann, auch bei einem Druck, der deutlich über den heute erreichbaren 2000 bar liegt. Dazu ist in der Bohrung des Ventilkörpers ein Ventilbolzen angeordnet, auf dem eine Ventilnadel geführt ist. Ein erster Steuerraum befindet sich innerhalb des Ventilbolzens, wobei der erste Steuerraum mit einem zweiten Steuerraum durch eine im Ventilbolzen ausgebildete Verbindung verbunden ist. Der
Druck im zweiten Steuerraum ist einstellbar, vorzugsweise über ein Steuerventil, sodass sich auch der Druck im ersten Steuerraum sehr rasch ändern lässt. Durch die geringe bewegte Masse kann die Ventilnadel sehr schnell die Einspritzöffhungen öffnen oder verschließen, wodurch sehr rasch aufeinander folgende Einspritzungen ermöglicht werden. Da im Hochdruckbereich keine Leckagespalten vorhanden sind, ergibt sich auch bei hö- heren Einspritzdrücken keine Beeinträchtigung der Funktion des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils.
Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist der Ventilbolzen im wesentlichen eine Hohlzylinderform auf, sodass die Verbindung zwischen den beiden Steuerräumen durch einen Längskanal im Ventilbolzen gebildet wird. Der Ventilbolzen stützt sich hierbei vorzugsweise über eine Schließfeder an der Ventilnadel ab, sodass die Ventilnadel durch die Federkraft gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Dadurch bleiben die Einspritzöffhungen auch dann verschlossen, wenn das Kraftstoffeinspritzventil nicht betrieben wird. Der Ventilbolzen kann sich darüber hinaus vorteilhafterweise über eine Druckfeder an einem ortfesten Anschlag abstützen, sodass er zwischen der Schließfeder einerseits und der Druckfeder andererseits gelagert ist. Dies erleichtert eine leichte Montage und Demontage des Kraftstoffeinspritzventils und erlaubt es, in Längsrichtung mit relativ großen Toleranzen zu fertigen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stützt sich der Ventilbolzen an seinem ventilsitzseitigen Ende mit einer Anlagefläche am Ventilsitz ab, sodass er durch die Druckfeder ortsfest gehalten wird. Der Ventilbolzen weist in diesem Fall vor- zugsweise Öffnungen auf, durch die der Kraftstoff aus einem Druckraum, der den Ventilbolzen umgibt, in Richtung der Einspritzöffhungen fließen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es ebenso möglich, dass eine weitere Hülse vorgesehen ist, die ebenfalls in der Bohrung des Ventilkörpers angeordnet ist und die den Ventilbolzen und die Ventilnadel umgibt. Die Hülse wird hierbei in der Bohrung geführt und sorgt ebenso für eine Führung des Ventilbolzens und der Ventilnadel, wobei der erste Steuerraum zwischen dem Ventilbolzen und der Ventilnadel ausgebildet ist und von der Hülse radial nach außen begrenzt wird. Die Hülse weist ventilsitznah ebenfalls Öffnungen auf, durch die Kraftstoff zu den Einspritzöffhungen fließen kann. Durch die Hülse werden sowohl der Ventilbolzen als auch die Ventilnadel sehr exakt bezüglich der
Längsachse des Ventilkörpers geführt, sodass auch die Einspritzung entsprechend symmetrisch stattfindet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Ventilbolzen eine Aufnahme auf, in die ein Druckkolben hineinragt. Der Druckkolben begrenzt zusammen mit der Auf- nähme den zweiten Steuerraum, der über einen Längskanal innerhalb des Ventilbolzens mit dem ersten Steuerraum verbunden ist. Der Druckkolben lässt sich beispielsweise über ein Piezoaktor bewegen, sodass die Bewegung der Ventilnadel direkt über dem Piezoak- tor gesteuert werden kann. Durch diese Bauform, bei der die Steuerung der Ventilnadel in den Ventilkörper verlegt wird, lassen sich sehr kompakte Einspritzventile konstruieren, die dem steten Bedarf nach Bauteilverkleinerung Rechnung tragen.
Zeichnung
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfmdungsgemäßen Kraft- stoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfmdungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, Figur 1 a einen Querschnitt durch das in Figur 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil ent- lang der Linie A-A,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfmdungsgemäßen Kraftstoffein- spritzventils im Längsschnitt,
Figur 2a einen Querschnitt entlang der Linie A-A und
Figur 2b eine alternative Konstruktion des in Figur 2 gezeigten Einspritzventils, wo- bei nur der ventilsitzabgewandte Bereich dargestellt ist,
Figur 3,
Figur 4 und Figur 5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, die jeweils im Längsschnitt dargestellt sind und Figur 6 ein letztes Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich ein Piezoaktor dargestellt ist, der Teil des gesamten Einspritzventils ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein erfmdungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst einen Ventilkörper 1, der in Einbaulage gegen einen in der Zeichnung nicht dargestellten Haltekörper verspannt ist. Der Ventilkörper 1 weist eine Bohrung 3 auf, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 4 begrenzt wird. Der konische Ventilsitz 4 läuft in eine Sacklochbohrung 6 aus, wobei wenigstens eine Einspritzöffhung 10, 10' entweder von der Sacklochbohrung 6 o- der vom konischen Ventilsitz 4 ausgeht und in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum der Brennkraftmaschine mündet. In der Bohrung 3 ist ein Ventilbolzen 5 längsverschiebbar angeordnet, wobei zwischen der Wand der Bohrung 3 und dem Ventilbolzen 5 ein Druckraum 8 ausgebildet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Der Ventilbolzen 5 ist in einem mittleren Abschnitt 105 in der Bohrung 3 geführt: Figur Ia zeigt hierzu einen Querschnitt durch das in Figur 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil entlang der Linie A-A. Der Ventilbolzen 5 weist im mittleren Führungsabschnitt 105 Ausnehmungen 16 in Form von Längsnuten auf, sodass hier vier Führungsflächen 17 an der Außenseite des Ventilbolzens 5 gebildet werden, die an der Wand der Bohrung 3 anliegen. Durch die Ausnehmungen 16 ist ein ausreichend großer Durchflussquerschnitt gebildet, durch den Kraftstoff in Richtung der Einspritzöffhungen 10 unge- drosselt fließen kann.
Am ventilsitzseitigen Ende geht der Ventilbolzen 5 in einen Führungsabschnitt 14 über, der im Durchmesser verringert ist. Auf dem Führungsabschnitt 14 ist eine Ventilnadel 7 geführt, die eine entsprechende Aufnahme 15 aufweist, die den Führungsabschnitt 14 des Ventilbolzens 5 aufnimmt. Die Ventilnadel 7 weist eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 11 auf, mit der sie auf dem Ventilsitz 4 aufliegt und dabei bei Anlage am Ventilsitz 4 den Druckraum 8 von den Einspritzöffhungen 10 trennt. Die Ventilnadel 7 ist über eine Schließfeder 12 gegen den Ventilbolzen 5 verspannt, wobei die Schließfeder 12 den Führungsabschnitt 14 des Ventilbolzens 5 umgibt.
Durch die Aufnahme 15 der Ventilnadel 7 und den Führungsabschnitt 14 des Ventilbolzens 5 wird ein erster Steuerraum 25 begrenzt, der über einen im Ventilbolzen 5 ausge- bildeten Längskanal 22 mit einem zweiten Steuerraum 27 verbunden ist. Dieser wird durch das ventilsitzabgewandte Ende des Ventilbolzens 5 und eine Druckhülse 18 begrenzt, wobei die Druckhülse 18 den Ventilbolzen 5 an seinem ventilsitzabgewandten Ende umgibt. Die Druckhülse 18 wird über eine Druckfeder 20, die sich an einem mit dem Ventilbolzen 5 verbundenen Stützring 13 abstützt, gegen den in der Figur 1 nicht dargestellten Haltekörper gedrückt. Dadurch wird auch der Ventilbolzen 5 in Richtung des Ventilsitzes 4 gedrückt, während er gleichzeitig von der Schließfeder 12 in die entgegengesetzte Richtung beaufschlagt wird.
Damit sich der Druck möglichst rasch von zweiten Steuerraum 27 in den ersten Steuer- räum 25 fortsetzt, muss das Volumen der beiden Steuerräume 25, 27 und das Volumen des Längskanals 22 möglichst klein sein. Da der Durchmesser des Längskanals 22 fertigungsbedingt einen gewissen Mindestquerschnitt aufweisen muss, kann es vorgesehen sein, dass im Längskanal 22 ein Füllstift 31 angeordnet ist. Über die Dicke und die Länge des Füllstiftes 31 kann so das Volumen optimal angepasst werden.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Im Druckraum 8 wird ein vorgegebener Kraftstoffhochdruck aufrechterhalten, der beispielsweise in einem sogenannten Common-Rail zur Verfügung gestellt wird. Durch eine gesonderte Verbindung oder durch Leckagespalte, etwa zwischen dem Ventilbolzen 5 und der Druckhülse 18, herrscht im zweiten Steuerraum 27 und über den Längskanal 22 auch im ersten Steuerraum 25 derselbe hohe Kraftstoffdruck wie im Druckraum 8. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird die über eine Steuervorrichtung, beispielsweise ein Steuerventil, das in dem in der Zeichnung nicht dargestellten Haltekörper untergebracht ist, ein niedrigerer Druck im zweiten Steuerraum 27 eingestellt. Durch den Druckabfall im zweiten Steuer- räum 27 sinkt praktisch instantan auch der Druck im ersten Steuerraum 25, da beide
Steuerräume 25, 27 über den Längskanal 22 hydraulisch miteinander verbunden sind. Dies bewirkt ein Absinken der hydraulischen Kraft auf die Ventilnadel 7, die durch den Druck im ersten Steuerraum 25 eine Schließkraft in Richtung des Ventilsitzes 4 erfährt. Durch Druckbeaufschlagung eines Teils der Ventildichtfläche 11 hebt die Ventilnadel 7 nunmehr vom Ventilsitz 4 ab, sodass Kraftstoff aus dem Druckraum 8 zwischen der Ventildichtfläche 11 und dem Ventilsitz 4 hindurch zu den Einspritzöffnungen 10 strömt und von dort in den Brennraum eingespritzt wird. Durch anschließende Druckerhöhung im zweiten Steuerraum 27 steigt auch der Druck im ersten Steuerraum 25 wieder an, und die Ventilnadel 7 gleitet zurück in ihre Schließstellung, d.h. in Anlage an den Ventilsitz 4.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfmdungsgemäßen Kraftstoffein- spritzventils dargestellt. Die Ventilnadel 7 ist hier, abgesehen von der konischen Ventildichtfläche 11 , als kompakter Zylinder ausgeführt und somit nicht auf dem Ventilbolzen 5 geführt. Der erste Steuerraum 25 ist zwischen der Ventilnadel 7 und der ventilsitzzuge- wandten Stirnfläche des Ventilbolzens 5 ausgebildet. In der Bohrung 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Hülse 30 angeordnet, die sowohl den Ventilbolzen 5 als auch die Druckhülse 18 und die Ventilnadel 7 umgibt und die mit einer Anlagefläche 37 am Ventilsitz 4 aufliegt. Die Hülse 30 ist ortsfest in der Bohrung 3 angeordnet und weist Ausnehmungen 16 auf, durch die - ebenso bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 - Führungsflächen 17 gebildet werden, mit denen die Hülse 30 an der Wand der Bohrung 3 anliegt. Ventilsitzzugewandt wird die Hülse 30 vom Druckraum 8 umgeben, der ebenfalls mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt ist. Um den Zustrom von Kraftstoff zu den Ein- spritzöffnungen 10 zu ermöglichen, sind an der Hülse 30 mehrere Öffnungen 32 angeordnet, die schlitzförmig ausgeführt sind und einen ausreichenden Strömungsquerschnitt zur Verfügung stellen. Figur 2a zeigt hierzu einen Querschnitt entlang der Linie A-A der
Figur 2, durch die die Anordnung der Druckhülse 18 in der Hülse 30 deutlich wird. Die Funktionsweise dieses Kraftstoffeinspritzventils ist identisch mit der Funktionsweise des in Figur 1 gezeigten Einspritzventils, sodass auf eine Funktionsbeschreibung hier verzichtet werden kann.
Figur 2b zeigt eine alternative Ausgestaltung des ventilsitzabgewandten Endes des Einspritzventils nach Figur 2, wobei hier nur die wesentlichen Komponenten gezeigt sind. Statt der Druckhülse 18 ist hier ein Druckstück 34 vorgesehen, das eine Längsbohrung 36 aufweist. Zwischen dem Druckstück 34 und dem Ventilbolzen 5 ist ein Zwischenraum 29 ausgebildet, in dem die Druckfeder 20 angeordnet ist, die das Druckstück 34 gegen den nicht gezeigten Haltekörper drückt und gleichzeitig den Ventilbolzen 5 in Richtung der Ventilnadel 7. Somit ergibt sich eine Hintereinander-Schaltung des zweiten Steuerraums 27, des Zwischenraums 29 und des ersten Steuerraums 25, die jeweils über eine Längsbohrung 36 bzw. einen Längskanal 22 im Ventilbolzen 5 und im Druckstück 34 mitein- ander verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung ergeben sich andere Dämpfungseigenschaften, insbesondere, wenn der Ventilbolzen 5 bei der Öffnungshubbewegung der Ventilnadel 7 eine leichte Bewegung ausführt.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel im Längsschnitt dargestellt. Der Ventil- bolzen 5 ist hier, ebenso wie bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, durch
Führungsflächen 17 in der Bohrung 3 geführt. Zwischen der Druckhülse 18 und dem Ventilbolzen 5 ist hier eine Druckfeder angeordnet, die den Ventilbolzen 5 mit einer Anlagefläche 19 gegen den Ventilsitz 4 drückt. Um den Kraftstofffluss zu den Einspritzöffnungen 10 zu ermöglichen, sind hier Öffnungen 32' vorgesehen, die ähnlich wie die OfF- nungen 32 in der Hülse 30 des Ausführungsbeispiels nach Figur 2 ausgeführt sind. Die
Ventilnadel 7 weist der Ventildichtfläche 11 abgewandt ein kolbenförmiges Ende 21 auf, mit der sie in einer Aufnahme 24 im Ventilbolzen 5 geführt ist. Zwischen einem Ringbund 33 und einem Absatz in der Aufnahme 24 ist die Schließfeder 12 angeordnet, die die Ventilnadel 7 gegen den Ventilsitz 4 drückt. Der erste Steuerraum 25 wird durch die Stirnfläche des kolbenförmigen Endes 21 und durch die Grundfläche der Aufnahme 24 begrenzt und ist auch hier durch den Längskanal 22 mit dem zweiten Steuerraum 27 verbunden. Die Funktionsweise ist auch hier identisch mit dem der vorangegangenen Ausfuhrungsbeispiele, wobei hier an der Ventilnadel 7 eine weitere Druckfläche 35 durch den Ringbund 33 gebildet wird, der eine zusätzliche hydraulische Kraft auf die Ventilnadel 7 in Öffhungsrichtung bewirkt. Anders als bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen bewegt sich der Ventilbolzen 5 hier nicht und bleibt während der gesamten Einspritzung ortsfest.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel dargestellt, wobei hier dieselbe Darstel- lung wie in Figur 3 gewählt wurde. Die beiden Ausfuhrungsbeispiele unterscheiden sich nur dadurch, dass die Ventilnadel 7 hier in einen Zapfen 23 ausläuft, der in der Aufnahme 24 angeordnet ist und durch den eine Ventilnadel 7 eine Schulter gebildet wird, an der die Schließfeder 12 anliegt. Die Ventilnadel 7 wird in der Aufnahme 24 geführt, wobei sich eine hydraulische Öffhungskraft nur dadurch ergibt, dass ein Teil der Dichtfläche 11 vom Kraftstoffdruck des Druckraums 8 beaufschlagt wird.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, das ebenfalls im Längsschnitt dargestellt ist, weist der Ventilbolzen 5 keine Führungsflächen 17 auf, sondern eine zylindrische Außenform und einen Außendurchmesser, der deutlich kleiner ist als der Innen- durchmesser der Bohrung 3. Um den Druckbolzen 5 in der Bohrung 3 zu zentrieren, ist eine Führungsscheibe 38 vorgesehen, die an einem Absatz 41 am Druckbolzen 5 anliegt. Zwischen der Führungsscheibe 38 und der Druckhülse 18 ist die Druckfeder 20 angeordnet, die an die Führungsscheibe 38 gegen den Absatz 41 drückt. In der Führungsscheibe 38 sind mehrere Durchlässe 39 vorgesehen, sodass der Kraftstoff durch den Druckraum 8 in Richtung der Einspritzöffnungen ungedrosselt fließen kann. Bei der Öffhungshubbe- wegung der Ventilnadel 7 wird nur die Ventilnadel 7 bewegt, während der Druckbolzen 5 ortsfest in der Bohrung 3 verbleibt.
In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem neben dem Ventil- körper 1 noch eine Antriebsvorrichtung, hier in Form eines Piezoaktors 40 dargestellt, der in der Regel im Haltekörper angeordnet ist. Der Ventilbolzen 5 weist eine Aufnahme 24 auf, in der die Ventilnadel 7 - wie bereits in vorhergehenden Ausführungsbeispielen - geführt ist. Darüber hinaus weist der Ventilbolzen 5 an seiner gegenüberliegenden Seite eine weitere Aufnahme 26 auf, in der ein Druckkolben 42 geführt ist, wobei der zweite Steuerraum 27 durch den Druckkolben 42 und durch die Wandung der zweiten Aufnahme 26 begrenzt wird. Zwischen dem Druckkolben 42 und dem Ventilbolzen 5 ist die Druckfeder 20 angeordnet, die den Druckkolben 42 vom Ventilbolzen 5 wegdrückt.
Der Druckkolben 42 ist direkt mit dem Piezoaktor 40 verbunden, sodass durch eine ent- sprechende Bestromung des Piezoaktors 40 eine Längsbewegung des Druckkolbens 42 erfolgt, durch die das Volumen des zweiten Steuerraums 27 veränderbar ist, so dass entweder Kraftstoff aus dem zweiten Steuerraum 27 verdrängt oder über Leckagespalte zwischen der Wand der zweiten Aufnahme 26 und dem Druckkolben 42 in den zweiten Steuerraum 27 gefördert wird. Zu Beginn der Einspritzung ist der Piezoaktor 40 verkürzt. Der zweite Steuerraum 27 ist ebenso wie der erste Steuerraum 25 und der Längskanal 22 über
Leckagespalte, die z. B. zwischen dem Druckkolben 42 und der zweiten Aufnahme 26 ausgebildet sind, mit dem Druckraum 8 verbunden und damit mit Kraftstoff unter Druck befüllt. Der Piezoaktor 40 befindet sich in seiner maximalen Auslenkungslage, sodass das Volumen des zweiten Steuerraums 27 und des ersten Steuerraums 25 möglichst klein ist. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Piezoaktor 40 verkürzt, sodass sich der
Druckkolben 42 zurückzieht. Hierdurch erhöht sich das Volumen des zweiten Steuerraums 27, wodurch der Druck auch im ersten Steuerraum 25 rasch absinkt, wobei zur Vermeidung von Druckschwingungen und zur zeitlichen Steuerung des Druckabfalls im Längskanal 22 eine Drossel 28 vorgesehen sein kann. Durch den Druckabfall im ersten Steuerraum 25 und die damit einhergehende Abnahme der hydraulischen Schließkraft auf die Ventilnadel 7 wird diese vom Kraftstoffdruck im Druckraum 8 in ihre Öffnungsstellung, d. h. vom Ventilsitz 4 weggedrückt, so dass die Einspritzöffhungen 10 freigegeben werden. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Piezoaktor 40 wieder verlängert, sodass sich der Druck in den Steuerräumen 25, 27 erneut aufbaut und die Ventilnadel 7 zu- rück in ihre Schließstellung drückt. Über die Leckagespalte findet anschließend ein
Druckausgleich zwischen dem Druckraum 8 und den Steuerräumen 25, 27 statt.
Durch die Anordnung der Komponenten nach Figur 6 kann die komplette Steuerung der Ventilnadel 7 und damit der Einspritzung in den Ventilkörper 1 verlegt werden, was im Haltekörper lediglich der Piezoaktor 40 mit seinen elektrischen Anschlüssen vorgesehen sein muss und die Verbindung des Druckraums 8 mit der Kraftstoffhochdruckquelle.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele weisen drüber hinaus den Vorteil auf, dass die Ventilnadel 7 sehr klein ausgeführt ist, sodass sich die Herstellungskosten senken lassen. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn zur weiteren Erhöhung der Präzision relativ teure Materialien zur Herstellung der Ventilnadel 7 Verwendung finden, beispielsweise Edelstahle.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem eine Bohrung (3) mit einer darin angeordneten Ventilnadel (7) ausgebildet ist, wobei die Ventilnadel (7) so mit einem im Ventilkörper (1) ausgebildeten Ventilsitz
(4) zusammenwirkt, dass dadurch wenigstens eine Einspritzöffhung (10; 10') geöffnet oder geschlossen werden kann, und mit einem Ventilbolzen (5), der ebenfalls in der Bohrung (3) angeordnet ist und der zusammen mit der Ventilnadel (7) einen ersten Steuerraum (25) begrenzt, der mit Kraftstoff befüllbar ist, wobei der Kraftstoff- druck im ersten Steuerraum (25) so auf die Ventilnadel (7) wirkt, dass diese gegen den Ventilsitz (4) gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilbolzen (5) ein Längskanal (22) zu einem zweiten Steuerraum (27) ausgebildet ist, in dem ein veränderbarer Druck einstellbar ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventil- bolzen (5) im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweist.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ventilbolzen (5) über eine Schließfeder (12) an der Ventilnadel (7) abstützt, so dass die Ventilnadel (7) durch die Federkraft gegen den Ventilsitz (4) gedrückt wird.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ventilbolzen (5) an seinem der Ventilnadel (7) abgewandten Ende über eine Druckfeder (20) ortsfest abstützt.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ventilbolzen (5) über die Druckfeder (20) an einer Druckhülse (18) abstützt, die den zweiten Steuerraum (27) begrenzt.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ventilnadel (7) eine Aufnahme (15) aufweist, in die der Ventilbolzen (5) mit einem Führungsabschnitt (14) eintaucht, so dass die Ventilnadel (7) bei ihrer Bewegung zum Öffnen und Schließen der wenigstens einen Einspritzöffhung (10; 10') auf dem Führungsabschnitt (14) geführt ist.
7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (5) eine Aufnahme (24) an seinem der Ventilnadel (7) zugewandten
Ende aufweist, in welche die Ventilnadel (7) hineinragt und dabei bei ihrer Bewegung zum Öffnen und Schließen der wenigstens einen Einspritzöffnung (10; 10') in der Aufnahme (24) geführt ist.
8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ventilbolzen (5) an seinem der Ventilnadel (7) abgewandten Ende über eine
Druckfeder (20) ortsfest abstützt und dadurch mit einer Anlagefläche (19) gegen den Ventilsitz (4) gedrückt wird.
9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilbolzen (5) Öffnungen (32') ausgebildet sind, über die Kraftstoff der wenigstens einen Einspritzöffhung (10; 10') zufließen kann, wenn die Ventilnadel (7) die wenigstens eine Einspritzöffhung (10; 10') freigibt.
10. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ventilnadel (7) eine Druckfläche (35) ausgebildet ist, die vom Kraftstoff beaufschlagt wird, der durch die Öffnungen (32') des Ventilbolzens (5) wirkt, so dass durch die hydraulische Kraft auf die Druckfläche (35) eine vom Ventilsitz (4) weggerichtete
Kraft auf die Ventilnadel (7) wirkt.
11. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (5) von einer Hülse (30) umgeben ist, die mit einer Anlagefläche (37) am Ventilsitz (4) aufliegt und die den ersten Steuerraum (25) radial nach außen begrenzt.
12. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (5) ventilsitzabgewandt eine zweite Aufnahme (26) für einen Druckkolben (42) aufweist, so dass durch die Wand (26) der zweiten Aufnahme und den Druckkolben (42) der zweite Steuerraum (27) begrenzt wird.
13. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbolzen (5) durch eine Antriebsvorrichtung (40) so längsbewegbar ist, dass durch seine Längsbewegung das Volumen des zweiten Steuerraums (27) veränderbar ist.
14. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung ein Piezoaktor (40) ist.
15. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Längskanal (22) eine Drosselstelle (28) vorgesehen ist.
16. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Ventilbolzen (5) in der Bohrung (3) des Ventilkörpers (1) durch
Führungsflächen (17) zentriert ist, die an der Wand der Bohrung (3) anliegen.
17. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass am Ventilbolzen (5) Ausnehmungen (16) ausgebildet sind, durch die einen Kraftstofffluss zu der wenigstens einen Einspritzöffnung (10; 10') ermöglicht wird.
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