WO2017194260A1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen - Google Patents

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WO2017194260A1
WO2017194260A1 PCT/EP2017/058787 EP2017058787W WO2017194260A1 WO 2017194260 A1 WO2017194260 A1 WO 2017194260A1 EP 2017058787 W EP2017058787 W EP 2017058787W WO 2017194260 A1 WO2017194260 A1 WO 2017194260A1
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nozzle
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Heinrich Werger
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/001—Control chambers formed by movable sleeves

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines, as it is used for fuel injection into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Fuel injection valves as they are preferably used for fuel injection into a combustion chamber of an internal combustion engine, are known from the prior art.
  • compressed fuel is made available in a rail by means of a high-pressure pump and by means of injectors or
  • the injection is by means of a pressure chamber in the
  • Fuel injector arranged nozzle needle controlled, the one
  • Nozzle needle seat close sleeve are formed. This will be a first
  • Throttle connection used, whose effect permanently over the Nozzle needle stroke remains constant.
  • a second throttle connection is used, whose effect depends on the stroke of the nozzle needle, so that it is switched on during the opening stroke of the nozzle needle only from a certain stroke of the nozzle needle.
  • the fuel injection valve according to the invention for injecting high-pressure fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine in contrast, has the advantages that it has a robust injection behavior compared with manufacturing tolerances.
  • Nozzle needle seat and the injection openings reduced or prevented and thus significantly increases the life.
  • the fuel injection valve has a nozzle body with a nozzle chamber formed therein.
  • a nozzle needle is arranged longitudinally displaceable, wherein a nozzle needle tip of the nozzle needle by the longitudinal movement cooperates with a formed on the nozzle body nozzle needle seat and thereby opens at least one injection port and closes.
  • a sleeve is arranged longitudinally displaceable on the nozzle needle. Between the sleeve, the nozzle needle tip and the nozzle needle seat is a pressure chamber formed. A throttle point formed in the sleeve connects the nozzle chamber with the pressure chamber hydraulically.
  • the sleeve is guided longitudinally displaceably on the nozzle needle, wherein a closing surface of the sleeve cooperates with the nozzle needle seat.
  • a closing surface of the sleeve cooperates with the nozzle needle seat.
  • the closing surface is braced against the nozzle needle seat.
  • a driver is arranged on the nozzle needle.
  • the driver can be brought into engagement with the sleeve, so that the closing surface lifts off from the nozzle needle seat and thereby opens a gap throttle between the closing surface and the nozzle needle seat.
  • the gap choke hydraulically connects the nozzle chamber with the pressure chamber.
  • the flow cross section can be greatly increased at the gap throttle during the opening stroke of the nozzle needle from the time of engagement of driver to sleeve.
  • the nozzle needle seat and the injection openings are downstream of the throttle point and the
  • Cleavage choke arranged.
  • the flow rate of the fuel to the injection openings can thus be throttled so that a vapor formation of the fuel is reduced or even prevented. This also reduces or avoids potential cavitation damage.
  • injection rate shaping can be achieved with large flow rates at the end of the opening process of the nozzle needle.
  • the throttle point has a constant
  • the fuel injection valve is designed so that from an opening stroke hi of the nozzle needle, the sleeve is in a positive engagement with the driver. From strokes greater than or equal to
  • Opening stroke hi thus has the sleeve on the same axial movement as the nozzle needle. Up to the opening stroke hi, however, is an axial
  • the opening stroke hi of the nozzle needle during the opening stroke, to which the driver is to come into engagement with the sleeve can be adjusted during assembly of the fuel injection valve.
  • the driver is positioned exactly on the nozzle needle. Any manufacturing tolerances can be compensated during assembly.
  • the sleeve is clamped by the retaining spring against the driver from the opening stroke hi.
  • the sleeve is virtually fixedly connected to the driver and thus also fixed to the nozzle needle.
  • Sleeve and nozzle needle thus perform the same movement in these states.
  • Gap throttle thus changes proportionally with the stroke of the nozzle needle.
  • the retaining spring is arranged in the nozzle chamber.
  • the retaining spring is arranged so that it surrounds the nozzle needle.
  • a particularly space-saving arrangement of the spring is achieved.
  • the flow cross section of the gap throttle is a multiple of the flow cross section of the throttle point. This can be a very good one
  • Injection characteristic of the fuel injection valve can be achieved. In particular, both very small and very large injection quantities can be realized without simultaneously causing cavitation damage.
  • the nozzle needle seat has a conical shape.
  • Closing surface preferably with a slightly different
  • Opening angle of about ⁇ 0.5 ° designed so that when plant without
  • the driver is arranged in a groove of the nozzle needle. In a simple way, the driver is thus very stable connected to the nozzle needle.
  • the driver has a conical shape. This allows the positive engagement between the driver and the sleeve as a kind of conical compression bandage are performed, whereby relatively high forces can be transmitted.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through an inventive
  • Fuel injection valve with only the essential areas are shown schematically.
  • Fig. 1 shows schematically a fuel injection valve 1 according to the invention in longitudinal section.
  • the fuel insp ritz valve 1 has a nozzle body 2 formed in a nozzle chamber 22 in which a piston-shaped nozzle needle 3 is arranged longitudinally displaceable.
  • the nozzle needle 3 acts on her the
  • Combustion chamber facing the end of the nozzle needle tip 35, together with a formed on the nozzle body 2 nozzle needle 21 and can thereby open or close one or more injection openings 20 in the nozzle body 2, can be injected via the fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine, not shown.
  • the nozzle chamber 22 is connected via a formed in the nozzle body 2 high-pressure passage 23 with a high-pressure fuel source, not shown, usually a common rail, which provides fuel at high pressure available.
  • Control chamber 6 is formed, on the pressure of the opening and
  • Closing movement of the nozzle needle 3 is controlled in such a way that at pressure reduction in the control chamber 6, the nozzle needle 3 lifts off from the nozzle needle seat 21 and so the injection ports 20 releases and pressure increase in the control chamber 6, the nozzle needle 3 is pressed against the nozzle needle seat 21 and the injection openings 20 closes.
  • the pressure change of the control chamber 6 is effected by a formed in a valve plate 4 control bore 40, via which, under the control of a control valve, not shown, under high pressure fuel supply or can be removed.
  • the control chamber 6 is bounded radially by a control chamber sleeve 5, and axially through the valve plate 4 and the nozzle needle 3.
  • the control chamber sleeve 5 continues to perform the longitudinal movement of the nozzle needle 3.
  • the control chamber sleeve 5 is stretched by a nozzle spring 17 against the valve plate 4.
  • the nozzle spring 17 continues to cooperate with a shoulder 30 of the nozzle needle 3; As a result, the nozzle needle 3 is pressed by the nozzle spring 17 against the nozzle needle seat 21.
  • a throttle assembly is arranged in the combustion chamber near area of the nozzle chamber 22 in the combustion chamber near area of the nozzle chamber 22, a throttle assembly is arranged.
  • the throttle assembly comprises a sleeve 10, a driver 11 and a retaining spring 12.
  • the driver 11 is fixedly arranged on the nozzle needle 3 and the nozzle needle tip 35; the driver 11 can also be designed in one piece with the nozzle needle 3.
  • the driver comes into positive engagement with the sleeve 10. This intervention takes place in the opening direction of the nozzle needle 3, ie in the illustration of Fig.l upwards, from an opening stroke hi 13.
  • the sleeve 10 is longitudinally displaceable arranged on the nozzle needle 3, forms with this until the opening stroke hi 13 so a kind of axial slide bearing.
  • the retaining spring 12 is arranged radially surrounding the nozzle needle 3.
  • Retaining spring 12 is supported on a shoulder 31 of the nozzle needle 3 and biases the sleeve 10 against the nozzle needle seat 21 so that a closing surface 10a formed on the sleeve 10 cooperates with the nozzle needle seat 21. If the stroke of the nozzle needle 3 is greater than or equal to the opening stroke hi 13, then the retaining spring 12 biases the sleeve 10 against the driver 11, since from this stroke the positive engagement between the driver 11 and the sleeve 10 is formed, for example via conical contact surfaces from driver 11 and sleeve 10. If the stroke of the nozzle needle 3 is greater than the opening stroke hi 13, then the closing surface 10a and thus the sleeve 10 is lifted from the nozzle needle seat 21.
  • a pressure chamber 14 is formed between the sleeve 10, the nozzle needle tip 35 and the nozzle needle seat 21, a pressure chamber 14 is formed.
  • the pressure chamber 14 is hydraulically connected by a formed in the sleeve 10 throttle body 15 with the nozzle chamber 22.
  • the throttle point 15 is preferably one or more radial bores in the sleeve 10. If the closing surface 10a is lifted from the nozzle needle seat 21, then a stroke-variable gap throttle 16 is formed between the closing surface 10a and the nozzle needle seat 21, which also the nozzle chamber 22 with the pressure chamber 14th connects hydraulically.
  • the operation of the fuel injection valve 1 is as follows.
  • the nozzle needle 3 starts its opening stroke movement, lifts off the nozzle needle seat 21 and releases the injection openings 20; the injection process of fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine begins. Up to an opening stroke hi 13 of the nozzle needle 3, the sleeve 10 is pressed by the biasing force of the nozzle spring 17 against the nozzle needle seat 21. The pressure in the pressure chamber 14, ie between the throttle point 15 and the nozzle needle seat 12 or the annular throttle 17 is thus lowered immediately after the opening of the nozzle needle 3.
  • the sleeve 10 Before the beginning of the closing movement at the end of the injection process, the sleeve 10 is fixed by the driver 11 and the retaining spring 12; between the
  • Closing surface 10a and the nozzle needle seat 21 is the open gap throttle 16.
  • the gap throttle 16 has a maximum opening stroke hi2 18 compared to the throttle point 15 comparatively large flow rate. Flow cross-section on. In this position, more fuel flows from the nozzle chamber 22 via the gap throttle 16 into the pressure chamber 14 than via the throttle point 15.
  • the closing movement of the nozzle needle 3 is initiated by the control valve increases the pressure in the control chamber 6. Due to the resulting resulting hydraulic force, the nozzle needle 3 then moves in the direction of the nozzle needle seat 21. This reduces again the flow cross section through the gap throttle 16. Until the opening stroke hi 13 of the driver 11 is in engagement with the sleeve 10. During the opening stroke hi 13, it comes to contact between the closing surface 10a and the nozzle needle seat 21. The gap throttle 16 is thereby closed, so that only the flow cross section through the throttle body 15 remains. At the same time the engagement between the driver 11 and sleeve 10 is released, so that the sleeve 10 is clamped between the nozzle needle seat 21 and the retaining spring 12. At the end of the closing movement, the nozzle needle 3 with her
  • Nozzle needle tip 35 is pressed against the nozzle needle seat 21 and thus closes the injection openings 20 again. There is no more fuel in the
  • Nozzle needle 3 the system pressure, so the pressure of the nozzle chamber 22, and is sealed from the nozzle needle tip 35 to the combustion chamber.
  • Pressure chamber 14 causes a decrease in the local absolute pressure below the vapor pressure in this area. This leads to vapor formation of the
  • Fuel which subsequently condenses in areas of higher pressures (or lower local velocities) and causes cavitation damage. These cavitation damages are usually life-time specific for fuel injection valves 1 or nozzle body 2.
  • the pressure in the pressure chamber 14 drops proportionally to the flow or inflow cross section at the throttle point 15 or to the outflow cross section through the injection openings 20.
  • Gap throttle 16 is still closed in this state. Upon further opening of the nozzle needle 3, the gap throttle 16 is now opened. First, however, the summed inflow cross section through throttle point 15 and gap throttle 16 is still lower than the outflow cross section through the injection openings 20.
  • the stroke-dependent throttling of the inflow to the injection openings 20 the flow velocity in the pressure chamber 14, in particular in the region of the nozzle needle seat 21, so far lowered, that the formation of vapor of the fuel is reduced or prevented. Cavitation damage is avoided and the life of the nozzle body 2, nozzle needle 3, etc. increased.
  • the illustrated embodiment describes a variable stroke gap throttle 16 between closing surface 10a and nozzle needle seat 21, which has the following ranges: Area 1: Opening stroke of the nozzle needle 3 from its attachment to the nozzle needle seat 21 to a defined opening stroke hi 13: the sleeve 10 is with its closing surface 10a in contact with the nozzle needle seat 21. The sleeve 10 is clamped by the retaining spring 12 with the nozzle needle seat 21. There is no fuel flow through the gap throttle 16 instead.
  • Range 2 Opening stroke of the nozzle needle 3 from the opening stroke hi 13 to its maximum opening stroke hi2 18: the gap of the gap throttle 16 is opened and thus defines the flow cross-section through the gap throttle 16, which becomes larger with increasing stroke.
  • the retaining spring 12 clamps the sleeve 10 against the driver 11. Fuel flows through the gap throttle 16th

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil (1) für Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Düsenkörper (2) mit einem darin ausgebildeten Düsenraum (22) auf. In dem Düsenraum (22) ist eine Düsennadel (3) längsverschiebbar angeordnet, wobei eine Düsennadelspitze (35) der Düsennadel (3) durch die Längsbewegung mit einem an dem Düsenkörper (2) ausgebildeten Düsennadelsitz (21) zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung (20) öffnet und schließt. Eine Hülse (10) ist auf der Düsennadel (3) längsverschiebbar angeordnet. Zwischen der Hülse (10), der Düsennadelspitze (35) und dem Düsennadelsitz (21) ist ein Druckraum (14) ausgebildet. Eine in der Hülse (10) ausgebildete Drosselstelle (15) verbindet den Düsenraum (22) mit dem Druckraum (14) hydraulisch. Die Hülse (10) ist auf der Düsennadel (3) längsverschiebbar geführt, wobei eine Schließfläche (10a) der Hülse (10) mit dem Düsennadelsitz (21) zusammenwirkt. Bei Anlage der Düsennadelspitze (35) an den Düsennadelsitz (21) ist die Schließfläche (10a) gegen den Düsennadelsitz (21) verspannt. Auf der Düsennadel (3) ist ein Mitnehmer (11) angeordnet. Bei der Öffnungshubbewegung der Düsennadel (3) ist der Mitnehmer (11) mit der Hülse (10) in Eingriff bringbar, so dass die Schließfläche (10a) von dem Düsennadelsitz (21) abhebt und dadurch eine Spaltdrossel (16) zwischen der Schließfläche (10a) und dem Düsennadelsitz (21) aufsteuert. Die Spaltdrossel (16) verbindet den Düsenraum (22) mit dem Druckraum (14) hydraulisch.

Description

Beschreibung Titel
Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es zur Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
Stand der Technik
Kraftstoffeinspritzventile, wie sie vorzugsweise zur Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Einspritzsystemen, die nach dem sogenannten Common-Rail-Prinzip arbeiten, wird mittels einer Hochdruckpumpe verdichteter Kraftstoff in einem Rail zur Verfügung gestellt und mittels Injektoren bzw.
Kraftstoffeinspritzventilen in die jeweiligen Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Einspritzung wird mittels einer in einem Druckraum des
Kraftstoffeinspritzventils angeordneten Düsennadel gesteuert, die eine
Längsbewegung ausführt und dadurch eine oder mehrere Einspritzöffnungen öffnet und schließt, die in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 060 552 AI ist bekannt, dass der Einspritzverlauf von Kraftstoffeinspritzventilen abhängig vom Düsennadelhub im Hinblick auf eine optimale Verbrennung durch die Verwendung von zwei Drosselverbindungen geformt werden kann, die beide in einer
düsennadelsitznahen Hülse ausgebildet sind. Dazu wird eine erste
Drosselverbindung verwendet, deren Wirkung dauerhaft über den Düsennadelhub konstant bleibt. Zusätzlich wird eine zweite Drosselverbindung verwendet, deren Wirkung abhängig vom Hub der Düsennadel ist, so dass sie bei der Öffnungshubbewegung der Düsennadel erst ab einem bestimmten Hub der Düsennadel zugeschaltet wird.
Die hubabhängige Drosselwirkung des bekannten Kraftstoffeinspritzventils ist vergleichsweise anfällig gegenüber Fertigungstoleranzen innerhalb der
Toleranzkette von Düsenkörper, Düsennadel, Hülse und zweiter
Drosselverbindung.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber die Vorteile auf, dass es ein robustes Einspritzverhalten gegenüber Fertigungstoleranzen besitzt.
Weiterhin wird durch Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Düsennadelsitzes und damit einhergehend der Dampfbildung der wichtigste Verschleißmechanismus, nämlich Kavitationsschäden im Bereich des
Düsennadelsitzes und der Einspritzöffnungen, reduziert bzw. unterbunden und damit die Lebensdauer signifikant erhöht.
Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil einen Düsenkörper mit einem darin ausgebildeten Düsenraum auf. In dem Düsenraum ist eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet, wobei eine Düsennadelspitze der Düsennadel durch die Längsbewegung mit einem an dem Düsenkörper ausgebildeten Düsennadelsitz zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung öffnet und schließt. Eine Hülse ist auf der Düsennadel längsverschiebbar angeordnet. Zwischen der Hülse, der Düsennadelspitze und dem Düsennadelsitz ist ein Druckraum ausgebildet. Eine in der Hülse ausgebildete Drosselstelle verbindet den Düsenraum mit dem Druckraum hydraulisch. Die Hülse ist auf der Düsennadel längsverschiebbar geführt, wobei eine Schließfläche der Hülse mit dem Düsennadelsitz zusammenwirkt. Bei Anlage der Düsennadelspitze an den Düsennadelsitz ist die Schließfläche gegen den Düsennadelsitz verspannt. Auf der Düsennadel ist ein Mitnehmer angeordnet. Bei der Öffnungshubbewegung der Düsennadel ist der Mitnehmer mit der Hülse in Eingriff bringbar, so dass die Schließfläche von dem Düsennadelsitz abhebt und dadurch eine Spaltdrossel zwischen der Schließfläche und dem Düsennadelsitz aufsteuert. Die Spaltdrossel verbindet den Düsenraum mit dem Druckraum hydraulisch.
Durch diese Ausführung kann der Strömungsquerschnitt an der Spaltdrossel während der Öffnungshubbewegung der Düsennadel ab dem Zeitpunkt des Eingriffs von Mitnehmer zu Hülse stark vergrößert werden. Der Düsennadelsitz und die Einspritzöffnungen sind stromabwärts der Drosselstelle und der
Spaltdrossel angeordnet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs zu den Einspritzöffnungen kann damit so gedrosselt werden, dass eine Dampfbildung des Kraftstoffs verringert oder sogar unterbunden wird. Damit werden auch potenzielle Kavitationsschäden verringert bzw. vermieden. Gleichzeitig können trotzdem Einspritzverlaufsformungen mit großen Durchflussmengen am Ende des Öffnungsvorgangs der Düsennadel erzielt werden.
In vorteilhaften Ausführungen weist die Drosselstelle einen konstanten
Durchflussquerschnitt auf. Dadurch wird, insbesondere bei kleinen Hüben der Düsennadel, ein vorteilhafter Einspritzverlauf erzielt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Kraftstoffeinspritzventil so ausgebildet, dass ab einem Öffnungshub hi der Düsennadel die Hülse mit dem Mitnehmer in einem formschlüssigen Eingriff steht. Ab Hüben größer oder gleich dem
Öffnungshub hi weist die Hülse also die gleiche Axialbewegung auf wie die Düsennadel. Bis zu dem Öffnungshub hi dagegen liegt eine axiale
Relativbewegung zwischen der an dem Düsennadelsitz anliegenden Hülse und der Düsennadel vor. So wird ab dem Öffnungshub hi eine zweite zusätzliche Drossel realisiert, welche einen hubabhängigen Durchflussquerschnitt aufweist. Die Einspritzcharakteristik kann dadurch sehr flexibel und vorteilhaft gestaltet werden. Durch die hubabhängige Drosselung der Kraftstoffströmung in Richtung des Düsennadelsitzes wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs im Bereich des Düsennadelsitzes so weit abgesenkt, dass eine Dampfbildung des Kraftstoffs verringert oder sogar unterbunden wird.
Vorteilhafterweise ist bis zu dem Öffnungshub hi die Hülse von einer Haltefeder gegen den Düsennadelsitz verspannt. Dadurch erfolgt die Verspannung der Hülse auf kostengünstige und einfache Weise. Vorteilhafterweise kann der Öffnungshub hi der Düsennadel während der Öffnungshubbewegung, zu dem der Mitnehmer in Eingriff mit der Hülse kommen soll, während der Montage des Kraftstoffeinspritzventils eingestellt werden. Dazu wird der Mitnehmer exakt auf der Düsennadel positioniert. Etwaige Fertigungstoleranzen können so bereits während der Montage ausgeglichen werden.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist ab dem Öffnungshub hi die Hülse von der Haltefeder gegen den Mitnehmer verspannt. Dadurch ist bei Hüben größer dem Öffnungshub hi die Hülse quasi fest mit dem Mitnehmer verbunden und damit auch fest mit der Düsennadel. Hülse und Düsennadel führen also in diesen Zuständen die gleiche Bewegung aus. Der Durchflussquerschnitt der
Spaltdrossel ändert sich damit proportional mit dem Hub der Düsennadel.
Durch die Verspannung der Hülse mit dem Düsennadelsitz bzw. mit dem Mitnehmer ist zu jedem Zeitpunkt der Hubbewegung der Düsennadel eine definierte und fixierte Lage der Hülse gewährleistet. In vorteilhaften Ausführungen ist die Haltefeder in dem Düsenraum angeordnet. Dadurch ist die Ausführung bauraumschonend und leicht montierbar.
Vorzugsweise wird die Haltefeder dabei so angeordnet, dass sie die Düsennadel umgibt. Dadurch wird eine besonders bauraumsparende Anordnung der Feder erzielt.
In vorteilhaften Ausführungen beträgt bei einem maximalen Öffnungshub hi2 der Düsennadel der Durchflussquerschnitt der Spaltdrossel ein Vielfaches des Durchflussquerschnitts der Drosselstelle. Dadurch kann eine sehr gute
Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils erzielt werden. Insbesondere können dadurch sowohl sehr kleine als auch sehr große Einspritzmengen realisiert werden, ohne gleichzeitig Kavitationsschäden hervorzurufen.
In vorteilhaften Ausführungen weist der Düsennadelsitz eine konische Form auf. So wird zum einen bei Anlage der Düsennadel und der Schließfläche an dem Düsennadelsitz eine gute Dichtwirkung erzielt, zum anderen ergibt sich bei abgehobener Schließfläche eine vorteilhafte Strömungsgeometrie durch die Spaltdrossel. Die entsprechende Kontaktfläche an der Hülse, also die
Schließfläche, ist vorzugsweise mit einem geringfügig abweichenden
Öffnungswinkel von ca. ± 0,5° ausgeführt, so dass sich bei Anlage ohne
Krafteinwirkung eine umlaufende Dichtkante zwischen Hülse bzw. Schließfläche und Düsennadelsitz ergibt.
In vorteilhaften Ausführungen ist der Mitnehmer in einer Nut der Düsennadel angeordnet. Auf einfach Art und Weise ist der Mitnehmer dadurch sehr stabil mit der Düsennadel verbunden.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Mitnehmer eine konische Form auf. Dadurch kann der formschlüssige Eingriff zwischen Mitnehmer und Hülse als eine Art Kegelpressverband ausgeführt werden, wodurch vergleichsweise hohe Kräfte übertragen werden können.
Zeichnung
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur die wesentlichen Bereiche schematisch gezeigt sind.
Beschreibung
Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil 1 im Längsschnitt. Das Kraftstoffe insp ritz ventil 1 weist einen in einem Düsenkörper 2 ausgebildeten Düsenraum 22 auf, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 3 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 3 wirkt an ihrem dem
Brennraum zugewandten Ende, der Düsennadelspitze 35, mit einem an dem Düsenkörper 2 ausgebildeten Düsennadelsitz 21 zusammen und kann dadurch eine oder mehrere Einspritzöffnungen 20 im Düsenkörper 2 öffnen oder verschließen, über die Kraftstoff in den Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Der Düsenraum 22 ist über einen im Düsenkörper 2 ausgebildeten Hochdruckkanal 23 mit einer nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckquelle, üblicherweise einem Common Rail, verbunden, die unter Hochdruck stehenden Kraftstoff zur Verfügung stellt.
An dem Brennraum entgegengesetzten Ende der Düsennadel 3 ist ein
Steuerraum 6 ausgebildet, über dessen Druck die Öffnungs- und
Schließbewegung der Düsennadel 3 gesteuert wird in der Weise, dass bei Druckabsenkung im Steuerraum 6 die Düsennadel 3 vom Düsennadelsitz 21 abhebt und so die Einspritzöffnungen 20 freigibt und bei Druckanstieg im Steuerraum 6 die Düsennadel 3 gegen den Düsennadelsitz 21 gedrückt wird und die Einspritzöffnungen 20 verschließt. Die Druckänderung des Steuerraums 6 erfolgt durch eine in einer Ventilplatte 4 ausgebildete Steuerbohrung 40, über die, gesteuert von einem nicht dargestellten Steuerventil, unter Hochdruck stehender Kraftstoff zu- oder abgeführt werden kann.
Der Steuerraum 6 wird radial durch eine Steuerraumhülse 5 begrenzt, sowie axial durch die Ventilplatte 4 und die Düsennadel 3. Die Steuerraumhülse 5 führt weiterhin die Längsbewegung der Düsennadel 3. Die Steuerraumhülse 5 ist von einer Düsenfeder 17 gegen die Ventilplatte 4 gespannt. Die Düsenfeder 17 wirkt weiterhin mit einer Schulter 30 der Düsennadel 3 zusammen; dadurch wird die Düsennadel 3 von der Düsenfeder 17 gegen den Düsennadelsitz 21 gedrückt.
Im dem Brennraum nahen Bereich des Düsenraums 22 ist ein Drosselverbund angeordnet. Der Drosselverbund umfasst eine Hülse 10, einen Mitnehmer 11 und eine Haltefeder 12. Der Mitnehmer 11 ist dabei fest auf der Düsennadel 3 bzw. der Düsennadelspitze 35 angeordnet; der Mitnehmer 11 kann dabei auch einstückig mit der Düsennadel 3 ausgeführt sein. In Abhängigkeit des Hubs der Düsennadel 3 kommt der Mitnehmer in einen formschlüssigen Eingriff mit der Hülse 10. Dieser Eingriff geschieht in Öffnungsrichtung der Düsennadel 3, also in der Darstellung der Fig.l nach oben, ab einem Öffnungshub hi 13. Die Hülse 10 ist längsverschiebbar auf der Düsennadel 3 angeordnet, bildet mit dieser bis zum Öffnungshub hi 13 also eine Art axiales Gleitlager aus.
Die Haltefeder 12 ist die Düsennadel 3 radial umgebend angeordnet. Die
Haltefeder 12 stützt sich an einem Absatz 31 der Düsennadel 3 ab und spannt die Hülse 10 gegen den Düsennadelsitz 21, so dass eine an der Hülse 10 ausgebildete Schließfläche 10a mit dem Düsennadelsitz 21 zusammenwirkt. Ist der Hub der Düsennadel 3 größer bzw. gleich dem Öffnungshub hi 13, dann spannt die Haltefeder 12 die Hülse 10 gegen den Mitnehmer 11, da ab diesem Hub der formschlüssige Eingriff zwischen dem Mitnehmer 11 und der Hülse 10 ausgebildet ist, beispielsweise über konische Kontaktflächen von Mitnehmer 11 und Hülse 10. Ist der Hub der Düsennadel 3 größer als der Öffnungshub hi 13, dann ist die Schließfläche 10a und somit die Hülse 10 von dem Düsennadelsitz 21 abgehoben.
Zwischen der Hülse 10, der Düsennadelspitze 35 und dem Düsennadelsitz 21 ist ein Druckraum 14 ausgebildet. Der Druckraum 14 ist durch eine in der Hülse 10 ausgebildete Drosselstelle 15 hydraulisch mit dem Düsenraum 22 verbunden. Die Drosselstelle 15 ist bevorzugt eine oder mehrere radiale Bohrungen in der Hülse 10. Ist die Schließfläche 10a von dem Düsennadelsitz 21 abgehoben, dann ist zwischen der Schließfläche 10a und dem Düsennadelsitz 21 eine hubvariable Spaltdrossel 16 ausgebildet, welche ebenfalls den Düsenraum 22 mit dem Druckraum 14 hydraulisch verbindet.
Bei geöffneter Düsennadel 3 ist zwischen der Düsennadelspitze 35 und dem Düsennadelsitz 21 eine weitere Drossel ausgebildet, die Ringdrossel 17. Diese spielt für die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils 1 jedoch nur eine untergeordnete Rolle, da ihr Strömungsquerschnitt schon bei kleinen Hüben der Düsennadel 3 größer als diejenigen von Drosselstelle 15, Spaltdrossel 16 und Einspritzöffnungen 20 ist.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils 1 ist wie folgt:
Wird der Druck im Steuerraum 6 durch das Steuerventil abgesenkt, beginnt die Düsennadel 3 mit ihrer Öffnungshubbewegung, hebt vom Düsennadelsitz 21 ab und gibt die Einspritzöffnungen 20 frei; der Einspritzprozess von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine beginnt. Bis zu einem Öffnungshub hi 13 der Düsennadel 3 wird die Hülse 10 durch die Vorspannkraft der Düsenfeder 17 gegen den Düsennadelsitz 21 gedrückt. Der Druck im Druckraum 14, also zwischen der Drosselstelle 15 und dem Düsennadelsitz 12 bzw. der Ringdrossel 17 wird somit unmittelbar nach dem Öffnen der Düsennadel 3 abgesenkt. Der Zuströmquerschnitt zur Ringdrossel 17 bleibt konstant, nämlich definiert durch den Durchflussquerschnitt der Drosselstelle 15, bis der Öffnungshub hi 13 der Düsennadel 3 überschritten ist, also bis der Mitnehmer 11 vom Düsennadelsitz 21 abhebt und so zusätzlich die hubvariable Spaltdrossel 16 freigibt. Nun ändert sich der Druck im Druckraum 14 einer Funktion folgend, welche durch den stetig zunehmenden Zuströmquerschnitt in den Druckraum 14 durch die beiden Drosseln Drosselstelle 15 und Spaltdrossel 16 definiert ist.
Vor Beginn der Schließbewegung am Ende des Einspritzprozesses ist die Hülse 10 durch den Mitnehmer 11 und die Haltefeder 12 fixiert; zwischen der
Schließfläche 10a und dem Düsennadelsitz 21 befindet sich die geöffnete Spaltdrossel 16. Die Spaltdrossel 16 weist bei einem maximalen Öffnungshub hi2 18 einen gegenüber der Drosselstelle 15 vergleichsweise großen Durchflussbzw. Strömungsquerschnitt auf. In dieser Stellung strömt vom Düsenraum 22 mehr Kraftstoff über die Spaltdrossel 16 in den Druckraum 14 als über die Drosselstelle 15.
Die Schließbewegung der Düsennadel 3 wird eingeleitet, indem das Steuerventil den Druck im Steuerraum 6 erhöht. Aufgrund der daraus ansteigenden resultierenden hydraulischen Kraft bewegt sich die Düsennadel 3 daraufhin in Richtung des Düsennadelsitzes 21. Damit verringert sich auch wieder der Strömungsquerschnitt durch die Spaltdrossel 16. Bis zum Öffnungshub hi 13 steht der Mitnehmer 11 in Eingriff mit der Hülse 10. Beim Öffnungshub hi 13 kommt es zum Kontakt zwischen der Schließfläche 10a und dem Düsennadelsitz 21. Die Spaltdrossel 16 wird dadurch geschlossen, so dass nur noch der Strömungsquerschnitt durch die Drosselstelle 15 bestehen bleibt. Gleichzeitig wird der Eingriff zwischen Mitnehmer 11 und Hülse 10 aufgehoben, so dass die Hülse 10 zwischen dem Düsennadelsitz 21 und der Haltefeder 12 verspannt ist. Am Ende der Schließbewegung wird die Düsennadel 3 mit ihrer
Düsennadelspitze 35 gegen den Düsennadelsitz 21 gedrückt und verschließt so die Einspritzöffnungen 20 wieder. Es gelangt kein Kraftstoff mehr in den
Brennraum. Erfindungsgemäß sind die Anordnungen der Drosselstelle 15 und der
Spaltdrossel 16 benachbart zum Düsennadelsitz 21, stromaufwärts der
Einspritzöffnungen 20. Dort steht im Druckraum 14 bei geschlossener
Düsennadel 3 der Systemdruck, also der Druck des Düsenraums 22, an und wird von der Düsennadelspitze 35 zum Brennraum abgedichtet. Der volle
Systemdruck wird beim Öffnen und Schließen der Düsennadel 3 in
Geschwindigkeit umgesetzt. Diese hohe Geschwindigkeit im Bereich des
Druckraums 14 verursacht ein Absinken des lokalen Absolutdruckes unter den Dampfdruck in diesem Bereich. Dadurch kommt es zu Dampfbildung des
Kraftstoffs, welcher in weiterer Folge in Gebieten mit höheren Drücken (bzw. geringeren lokalen Geschwindigkeiten) kondensiert und Kavitationsschäden verursacht. Diese Kavitationsschäden sind in der Regel lebensdauerbestimmend für Kraftstoffeinspritzventile 1 bzw. Düsenkörper 2.
Unmittelbar nach Beginn der Düsennadelöffnung fällt der Druck im Druckraum 14 proportional zum Durchfluss- bzw. Zuströmquerschnitt an der Drosselstelle 15 bzw. zum Abströmquerschnitt durch die Einspritzöffnungen 20 ab. Die
Spaltdrossel 16 ist in diesem Zustand noch geschlossen. Bei weiterem Öffnen der Düsennadel 3 wird nun auch die Spaltdrossel 16 geöffnet. Zunächst ist der summierte Zuströmquerschnitt durch Drosselstelle 15 und Spaltdrossel 16 jedoch immer noch geringer als der Abströmquerschnitt durch die Einspritzöffnungen 20. Durch das hubabhängige Androsseln der Zuströmung zu den Einspritzöffnungen 20 wird nun die Strömungsgeschwindigkeit im Druckraum 14, insbesondere im Bereich des Düsennadelsitzes 21, so weit abgesenkt, dass die Dampfbildung des Kraftstoffs reduziert bzw. unterbunden wird. Kavitationsschäden werden dadurch vermieden und die Lebensdauer von Düsenkörper 2, Düsennadel 3 etc. erhöht.
Zusammenfassend beschreibt die dargestellte Ausführungsform eine hubvariable Spaltdrossel 16 zwischen Schließfläche 10a und Düsennadelsitz 21, die folgende Bereiche aufweist: Bereich 1: Öffnungshubbewegung der Düsennadel 3 von ihrer Anlage am Düsennadelsitz 21 bis zu einem definierten Öffnungshub hi 13: die Hülse 10 steht mit ihrer Schließfläche 10a in Anlage zum Düsennadelsitz 21. Die Hülse 10 wird dabei durch die Haltefeder 12 mit dem Düsennadelsitz 21 verspannt. Es findet kein Kraftstofffluss durch die Spaltdrossel 16 statt.
Bereich 2: Öffnungshubbewegung der Düsennadel 3 vom Öffnungshub hi 13 bis zu ihrem maximalen Öffnungshub hi2 18: der Spalt der Spaltdrossel 16 wird aufgesteuert und definiert so den Strömungsquerschnitt durch die Spaltdrossel 16, welcher mit zunehmenden Hub größer wird. Die Haltefeder 12 verspannt die Hülse 10 gegen den Mitnehmer 11. Kraftstoff fließt durch die Spaltdrossel 16.
Zu beiden Bereichen ist eine konstante zweite Drosselfunktion parallel geschaltet, nämlich die der Drosselstelle 15, welche bei Hüben der Düsennadel 3, die kleiner als der Öffnungshub hi 13 sind, ein Leerlaufen des Druckraums 14 verhindert.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil (1) für Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck mit einem in einem Düsenkörper (2) ausgebildeten Düsenraum (22), in dem eine Düsennadel (3) längsverschiebbar angeordnet ist, wobei eine Düsennadelspitze (35) der Düsennadel (3) durch die Längsbewegung mit einem an dem Düsenkörper (2) ausgebildeten Düsennadelsitz (21) zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung (20) öffnet und schließt, wobei eine Hülse (10) auf der Düsennadel (3) längsverschiebbar angeordnet ist, wobei zwischen der Hülse (10), der Düsennadelspitze (35) und dem Düsennadelsitz (21) ein Druckraum (14) ausgebildet ist, wobei eine in der Hülse (10) ausgebildete Drosselstelle (15) den Düsenraum (22) mit dem
Druckraum (14) hydraulisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (10) auf der Düsennadel (3) längsverschiebbar geführt ist, wobei eine Schließfläche (10a) der Hülse (10) mit dem Düsennadelsitz (21)
zusammenwirkt, wobei bei Anlage der Düsennadelspitze (35) an den
Düsennadelsitz (21) die Schließfläche (10a) gegen den Düsennadelsitz (21) verspannt ist, wobei auf der Düsennadel (3) ein Mitnehmer (11) angeordnet ist, und der Mitnehmer (11) bei der Öffnungshubbewegung der Düsennadel (3) mit der Hülse (10) in Eingriff bringbar ist, so dass die Schließfläche (10a) von dem Düsennadelsitz (21) abhebt und dadurch eine Spaltdrossel (16) zwischen der Schließfläche (10a) und dem Düsennadelsitz (21) aufsteuert, wobei die
Spaltdrossel (16) den Düsenraum (22) mit dem Druckraum (14) hydraulisch verbindet.
2. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (15) einen konstanten Durchflussquerschnitt aufweist.
3. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass ab einem Öffnungshub hi (13) der Düsennadel (3) die Hülse (10) mit dem Mitnehmer (11) in einem formschlüssigen Eingriff steht.
4. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu dem Öffnungshub hi (13) die Hülse (10) von einer Haltefeder (12) gegen den Düsennadelsitz (21) verspannt ist.
5. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ab dem Öffnungshub hi (13) die Hülse (10) von der Haltefeder (12) gegen den Mitnehmer (11) verspannt ist.
6. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Haltefeder (12) in dem Düsenraum (22) angeordnet ist.
7. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem maximalen Öffnungshub hi2 (18) der Düsennadel (3) der Durchflussquerschnitt der Spaltdrossel (16) ein Vielfaches des Durchflussquerschnitts der Drosselstelle (15) beträgt.
8. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsennadelsitz (21) eine konische Form aufweist.
9. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (11) in einer Nut der Düsennadel (3) angeordnet ist.
10. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (11) eine konische Form aufweist.
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