-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung einen Injektor
für Brennstoffeinspritzanlagen
von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
-
Aus
der
DE 101 45 862
A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem ein
Aktor mittels eines Ventils den Druck in einem Steuerraum steuert, wobei
in Abhängigkeit
vom Druck im Steuerraum eine Betätigung
einer Ventilnadel zum Abspritzen von Brennstoff erfolgt. Dabei ist
der Steuerraum über eine
Zulaufdrossel mit einem Hochdruckbereich und über eine Ablaufdrossel mit
einem Ventilraum des Ventils verbunden. Ferner ist der Ventilraum über einen
Bypass direkt mit dem Hochdruckbereich verbunden. Ein Ventilbolzen
dient zum Steuern des Durchlasses über den Bypass und steuert
gleichzeitig einen Durchlass zu einem Niederdruckbereich. Zum Steuern
des Durchlasses aus dem Ventilraum zum Niederdruckbereich wirkt
der Ventilbolzen mit einem Sitz zusammen.
-
Das
aus der
DE 101 45
862 A1 bekannte Brennstoffeinspritzventil hat den Nachteil,
dass im drucklosen Zustand der Sitz zum Niederdruckbereich mittels
des Ventilbolzens gegebenenfalls nicht vollständig geschlossen ist. Dadurch
kann sich der Druckaufbau im Ventilraum beim Inbetriebnehmen des
Brennstoffeinspritzventils verzögern,
da ein Teil des Brennstoffs zum Niederdruckbereich abfließt. Hierbei
ist es denkbar, dass eine Ventilfeder eingesetzt wird, die den Ventilbolzen
in eine gewünschte Ausgangsstellung
verstellt. Eine solche Ventilfeder hat allerdings den Nachteil,
dass Querkräfte
auftreten, die einen unerwünschten
Verschleiß am
Sitz verursachen. Bei einer teilweisen Offenstellung des Ventils
kann außerdem
eine Beschädigung
des Sitzes, insbesondere durch Kavitation, verursacht werden.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Vorteile der
Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass der Ventilbolzen
zumindest im Wesentlichen ohne Querkräfte oder mit verschwindenden
Querkräften
in Richtung der Ausgangsstellung beaufschlagt ist, so dass ein Verschleiß einer
Dichtkante oder dergleichen zum Niederdruckbereich verringert ist.
Beschädigungen
am Sitz, beispielsweise durch Kavitation, können ebenfalls verhindert oder
verringert werden.
-
Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
-
Vorteilhaft
ist, dass das Ventil, das insbesondere als Schaltventil ausgestaltet
sein kann, einen Ventilbolzen aufweist, der zum Schließen der
Verbindung zwischen dem Ventilraum und dem Niederdruckbereich über die
Abflussöffnung
mit dem Kugelelement des Ventilbolzens zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.
Dabei ist der Dichtsitz zwischen dem Kugelelement und dem Ventilsitzkörper vorzugsweise an
einer Dichtkante des Steuerventilsitzkörpers gebildet, wobei das Federelement
das Kugelelement mittels des Bolzenteils des Ventilbolzens gleichmäßig gegen
die Dichtkante beaufschlagt. Durch die gleichmäßige Beaufschlagung der Dichtkante
werden insbesondere punktuelle Belastungen der Dichtkante, wie sie
bei Querkräften
auftreten können,
verhindert, so dass ein Verschleiß des Ventilsitzkörpers speziell
im Bereich der Dichtkante verhindert ist. Außerdem ist ein zuverlässiges Verschließen der
Verbindung zwischen dem Ventilraum und dem Niederdruckbereich gewährleistet,
wodurch ein rascher Druckaufbau beim Inbetriebsetzen des Brennstoffeinspritzventils
ermöglicht
und das Auftreten von Kavitation am Sitz zum Niederdruckbereich
verhindert ist. Ferner kann die Dichtkante durch die Ausgestaltung des
Kugelelements als zumindest teilweise kugelförmiges Kugelelement einfach
ausgestaltet werden, da insbesondere eine präzise Einhaltung einer speziellen
Sitzgeometrie auf Grund des Kugelsitzes nicht erforderlich ist.
Ferner kann der Durchmesser der Dichtkante einfach an die bestehenden
Anforderungen angepasst werden.
-
In
vorteilhafter Weise ist das Kugelelement des Ventilbolzens in die
der Abflussöffnung
zugewandte Ausnehmung des Bolzenteils des Ventilbolzens eingepresst.
Dadurch wird bei der Betätigung des
Ventilbolzens eine Phasenverschiebung in der Bewegung des Kugelelements
und des Bolzenteils verhindert, so dass eine zuverlässige Funktion
des Steuerventils gewährleistet
ist. Dies ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Federelement, das
ebenfalls mit dem Bolzenteil fest verbunden ist.
-
Zum
Betätigen
des Steuerventilglieds wirkt der Aktor in vorteilhafter Weise über ein
Betätigungselement
auf das Kugelelement des Ventilbolzens ein, wobei eine Anlagefläche des
Betätigungselements an
dem Kugelelement anliegt. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Anlagefläche des
Betätigungselements und
die der Anlagefläche
zugewandte Oberfläche des
Kugelelements aneinander angepasst sind. Vorteilhaft sind beispielsweise
eine ebene Ausgestaltung der Anlagefläche und eine darauf angepasste ebene
Ausgestaltung des Kugelelements auf der Seite der Anlagefläche des
Betätigungselements
durch eine ebene Abflachung. Diese Ausgestaltung ermöglicht innerhalb
gewisser Grenzen einen radialen Freiheitsgrad zwischen dem Betätigungselement
und dem Kugelelement, wobei eine kostengünstige Ausführung mit gewissen Toleranzen
ermöglicht
ist.
-
Vorteilhaft
ist auch eine Ausgestaltung der Anlagefläche des Betätigungselements als eine an die
Geometrie des Kugelelements angepasst, konkave Anlagefläche. Dabei
ist es möglich,
dass das Kugelelement als Vollkugel ausgebildet ist, was eine kostengünstige Ausgestaltung
des Steuerventils ermöglicht.
-
Vorteilhaft
ist es, dass das Federelement einen hülsenförmigen Endabschnitt aufweist,
der eine umlaufende Stufe des Bolzenteils des Ventilbolzens umfänglich umschließt. Dabei
kann eine feste Verbindung durch Aufpressen des hülsenförmigen Endabschnitts
des Federelements auf die umlaufende Stufe des Bolzenteils ausgebildet
sein. Durch die umlaufende Stufe wird eine Zentrierung des Federelements
bezüglich
des Bolzenteils gewährleistet,
so dass das Auftreten von Querkräften
verhindert ist. Durch die feste Verbindung werden Phasenverschiebungen
in der Schwingungsbewegung von Bolzenteil und Federelement verhindert,
so dass die Funktion des Ventils verbessert ist.
-
Zeichnung
-
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
beigefügten
Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
-
1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
in einer auszugsweisen schematischen Schnittdarstellung.
-
2 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Brennstoffeinspritzventils
des ersten Ausführungsbeispiels
in weiterem Detail und
-
3 das
in 2 gezeigte Steuerventilglied und ein Betätigungselement
in einer teilweisen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffeinspritzventils 1 der Erfindung in einer teilweisen,
schematischen Schnittdarstellung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann
insbesondere als Injektor für
Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen dienen. Insbesondere eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 1 für Nutzkraftwagen
oder Personenkraftwagen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht
für eine
Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff
unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet
sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
-
Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein aus mehreren Teilen
bestehendes Ventilgehäuse 2 auf, das
mit einem Düsenkörper 3 verbunden
ist. Dabei ist eine Düsenspannmutter 5 mit
einem Haltekörper 26 des
Gehäuses 2 verschraubt,
um den Düsenkörper 3 mit
dem Gehäuse 2 zu
verbinden. Ein an dem Düsenkörper 3 ausgebildeter
Nadelsitz 4 wirkt mit einer Düsennadel 6 zu einem
Dichtsitz zusammen. Die Düsennadel 6 schließt an einem
dem Dichtsitz abgewandten Ende mit einer Hülse 7 und einer Drosselplatte 8 einen
Steuerraum 9 ein. Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 befindet
sich im Steuerraum 9 unter einem gewissen Druck stehender Brennstoff.
In Abhängigkeit
von dem im Steuerraum 9 herrschenden Druck des Brennstoffs
erfolgt eine Betätigung
der Düsennadel 6,
wobei sich bei einem niedrigen Druck im Steuerraum 9 der
zwischen der Düsennadel 6 und
dem Nadelsitz 4 gebildete Dichtsitz öffnet, so dass Brennstoff aus
einem Brennstoffraum 10 über den geöffneten Dichtsitz und zumindest ein
Spritzloch 11 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
abgespritzt wird.
-
Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist außerdem einen vereinfacht dargestellten
Brennstoffeinlassstutzen 12 auf, der mittels einer geeigneten Brennstoffleitung
mit einem Common-Rail oder dergleichen verbindbar ist. Über den
Brennstoffeinlassstutzen 12 gelangt der Brennstoff in einen
im Inneren des Gehäuses 2 vorgesehenen
Brennstoffkanal 13 und aus diesen in den Brennstoffraum 10.
Der Brennstoffkanal 13 und der Brennstoffraum 10 bilden
einen Hochdruckbereich 14, in dem im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 unter
hohem Druck stehender Brennstoff vorgesehen ist.
-
Der
Steuerraum 9 ist einerseits über eine Zulaufdrossel 15 mit
dem Brennstoffkanal 13 des Hochdruckbereichs 14 verbunden.
Andererseits ist der Steuerraum 9 über eine Ablaufdrossel 16 mit
einem Ventilraum 17 eines Ventils 18 verbunden.
Das Ventil 18 ist vorzugsweise als Schaltventil 18 ausgestaltet. Über einen
Umgehungskanal 19 ist eine Verbindung des Brennstoffraums 10 des
Hochdruckbereichs 14 mit dem Steuerventilraum 17 unter
Umgehung der Zulaufdrossel 15, des Steuerraums 9 und
der Ablaufdrossel 16 möglich.
Der Umgehungskanal 19 ist als Bypass 19 und insbesondere
als Bypassbohrung 19 ausgebildet. Die Zulaufdrossel 15,
die Ablaufdrossel 16 und der Umgehungskanal 19 sind
in der Drosselplatte 8 ausgebildet.
-
Das
Ventil 18 ist innerhalb einer Ventilplatte 20 des
Brennstoffeinspritzventils 1 angeordnet. Das Ventil 18 weist
einen Ventilbolzen 21 und ein Federelement 22 auf.
Der Ventilbolzen 21 umfasst ein Kugelelement 23 und
ein Bolzenteil 24, wobei das Kugelelement 23 in
das Bolzenteil 24 eingepresst ist. Das Kugelelement 23 des
Ventilbolzens 21 wirkt mit einem Ventilsitzkörper 25,
der an der Ventilplatte 20 ausgebildet ist, zu einem Dichtsitz
zusammen. Der Aufbau und die Ausgestaltung des Ventils 18 sind
anhand der 2 im Detail weiter beschrieben.
-
Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist außerdem einen im Inneren des
Gehäuses 2 angeordneten piezoelektrischen
Aktor 30 auf, der über
einen hydraulischen Koppler 31, welcher insbesondere als Hubübersetzungseinrichtung 31 ausgestaltet
sein kann, mit dem Ventilbolzen 21 über ein Betätigungselement 32 des
hydraulischen Kopplers 31 in Wirkverbindung steht. Beim
Betätigen
des Aktors 30 wird der Ventilbolzen 21 entgegen
der Kraft des Federelements 22 mittels des Betätigungselements 32 verstellt,
so dass der zwischen dem Kugelelement 23 und dem Ventilsitzkörper 25 gebildete
Dichtsitz geöffnet
wird, wodurch ein Druck des Brennstoffs im Ventilraum 17 abfällt und
Brennstoff aus dem Steuerraum 9 über die Ablaufdrossel 16 in
den Ventilraum 17 nachströmt. Dabei wird der Druck im
Steuerraum 9 verringert, wodurch es zum Einspritzen von
Brennstoff aus dem Brennstoffraum 10 über die Düsenöffnung 11 kommt. Beim
Zurückstellen
des Ventilbolzens 24 und insbesonere des in den Bolzenteil 24 eingepressten
Kugelelements 23 des Ventilbolzens 24 mittels
der Kraft des Federelements 22 in die Ausgangsstellung,
in der der zwischen dem Kugelelement 23 und dem Ventilsitzkörper 25 gebildete
Dichtsitz geschlossen ist, strömt
Brennstoff aus dem Hochdruckbereich 14 über den Umgehungskanal 19 in
den Ventilraum 17 ein, so dass der Druck im Ventilraum 17 rasch
ansteigt. Dabei kann es auch zu einem Rückfluss von Brennstoff aus
dem Ventilraum 17 in den Steuerraum 9 über die
Ablaufdrossel 16 kommen. Der bedingte Anstieg des Druckes
im Steuerraum 9 führt
dann zum Schließen
des Brennstoffeinspritzventils 1, so dass der Einspritzvorgang
beendet ist. Das Ventil 18 ermöglicht eine vorteilhafte Vorgabe
des Einspritzverlaufs auch für
kurze Einspritzzeiten.
-
2 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Brennstoffeinspritzventils 1 in
weiterem Detail. Eine Verbindung zwischen dem Ventilraum 17 und
einem Niederdruckbereich 40 über eine Abflussöffnung 41 kann
mittels des Ventilbolzens 21 geöffnet und geschlossen werden,
wobei das Kugelelement 23 im geschlossenen Zustand an einer Dichtkante 42 anliegt,
die an dem Ventilsitzkörper 25 vorgesehen
ist. Ein Bolzenteil 24 des Ventilbolzens 21 ist
innerhalb des Ventilraums 17 angeordnet und weist eine
der Abflussöffnung 41 zugewandte
Ausnehmung 43 auf, in die das Kugelelement 23 eingesetzt
ist. Dabei ist das Kugelelement 23 in die Ausnehmung 43 des
Bolzenteils 24 eingepresst, um eine feste Verbindung zwischen
dem Kugelelement 23 und dem Bolzenteil 24 zu erreichen.
Der Bolzenteil 24 weist außerdem eine umlaufende Stufe 44 auf,
auf die das Federelement 22 mit einem hülsenförmigen Endabschnitt 45 aufgepresst
ist. Durch die umlaufende Stufe 44 wird zum einen eine
Zentrierung des Federelements 22 bezüglich einer Achse 46 des
Bolzenteils 24 des Ventilbolzens 21 erreicht,
wodurch die gleichmäßige Beaufschlagung
der Dichtkante 42 auf Grund der Kraft des Federelements 22 verbessert ist.
Zum anderen wird durch die Verbindung zwischen dem hülsenförmigen Endabschnitt 45 des
Federelements 22 und der umlaufenden Stufe 44 des
Bolzenteils 24 eine Phasenverschiebung in der Schwingungsbewegung
des Bolzenteils 24 und des Federelements 22 ausgeschlossen.
Dadurch ist die Wirkungsweise des Ventils 18 weiter verbessert.
-
In
dem in der 2 dargestellten Ausgangszustand,
in dem der zwischen dem Kugelelement 23 und der Dichtkante 42 des Ventilsitzkörpers 25 gebildete
Dichtsitz geschlossen ist, ist eine Öffnung 47 des Umgehungskanals 19 freigegeben,
so dass die Verbindung zwischen dem Umgehungskanal 19 und dem
Ventilraum 17 geöffnet
ist, wobei Brennstoff aus dem Umgehungskanal 19 über in dem
Federelement 22 vorgesehene Aussparungen 48, 49,
von denen in der 2 zur Vereinfachung der Darstellung
nur die Aussparungen 48, 49 gekennzeichnet sind,
ermöglicht
ist. Auf Grund der umlaufenden Stufe 44 ist außerdem ein
Ringspalt 50 zwischen dem Federelement 22 und
dem Bolzenteil 24 gebildet, der eine ungehinderte Kraftentfaltung
des Federelements 22 ermöglicht.
-
Zur
Betätigung
des Ventilbolzens 21 mit dem eingepressten Kugelelement 23 erfolgt
eine Beaufschlagung des Kugelelements 23 entgegen der Kraft des
Federelements 22, wobei ein Betätigungselement 32 des
hydraulischen Kopplers 31 an einer Anlagefläche 51 des
Betätigungselements 32 auf
eine ebene Abflachung 52 der Oberfläche 53 des Kugelelements 23 einwirkt.
Durch die Betätigung
des Ventilbolzens 21 wird der zwischen dem Kugelelement 23 und
der Dichtkante 42 gebildete Dichtsitz geöffnet, so dass
Brennstoff aus dem Ventilraum 17 über die Abflussöffnung 41 in
den Niederdruckbereich 40 abströmen kann. Dabei wird gleichzeitig
der Umgehungskanal 19 zumindest teilweise verschlossen,
so dass das Nachfließen
von Brennstoff aus dem Hochdruckbereich 14 über den
Umgehungskanal 19 in den Ventilraum 17 zumindest
verringert ist. Dadurch nimmt der Druck im Ventilraum 17 ab,
so dass der Druck des Brennstoffs im Steuerraum 9 abnimmt
und es zum Abspritzen von Brennstoff über das Spritzloch 11 aus
dem Brennstoffeinspritzventil 1 kommt.
-
Nach
der Betätigung
des Ventilbolzens 21 mittels des Betätigungselements 32 des
hydraulischen Kopplers 31 erfolgt auf Grund der Kraft des
Federelements 22 eine Rückstellung
des Ventilbolzens 21 in die in der 2 gezeigten
Ausgangsstellung. Dabei wird die Abflussöffnung 41 verschlossen
und die Öffnung 47 des
Umgehungskanals 19 wieder freigegeben, so dass Brennstoff
in den Ventilraum 17 einfließt und der Druck des Brennstoffs
im Ventilraum 17 ansteigt. Dadurch wird der Einspritzvorgang
beendet.
-
Im
montierten Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 kann
die Lage der Dichtkante 42 hinsichtlich einer vorgegebenen
Idealposition in Bezug auf eine vorgegebene Achse 46 des
Ventilbolzens 41 sowohl etwas radial versetzt als auch
etwas geneigt sein. Durch die ebene Ausgestaltung sowohl der Anlagefläche 51 des
Betätigungselements 32 als
auch der ebenen Abflachung 52 des Kugelelements 23 ist eine
gewisse Verschiebung der Achse 46 des Ventilbolzens 21 in
einer radialen Richtung möglich.
Außerdem
ist der hydraulische Koppler 31 vorzugsweise so ausgestaltet,
dass bei unbetätigtem
Aktor 30 ein zumindest weitgehend druckloses Anliegen des Betätigungselements 32 an
dem Kugelelement 23 erfolgt, so dass auf Grund der flexiblen
Ausgestaltung des Federelements 22 eine gewisse Neigung
des Bolzenteils 24 in Bezug auf die Achse 46 ermöglicht ist,
um den zwischen dem Kugelelement 23 und der Dichtkante 42 gebildeten
Kugelsitz zu schließen.
Somit ermöglicht
die beschriebene Ausgestaltung zumindest innerhalb gewisser Grenzen
einen Toleranzausgleich. Dabei können
auch gewisse Abnutzungen, die während
der Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils 1 auftreten,
ausgeglichen werden.
-
3 zeigt
den in 2 gezeigten Ventilbolzen 21 des Ventils 18 und
das Betätigungselement 32 in
einer auszugsweisen, teilweise geschnittenen Darstellung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel weist
die Anlagefläche 51 eine
an die vollkugelförmige
Geometrie des Kugelelements 23 angepasste, konkave Anlagefläche 51 auf.
Dadurch liegt die Anlagefläche 51 bei
der Betätigung
des Ventilbolzens 21 an der Oberfläche 53 des Kugelelements 23 an.
Das Kugelelement 23 kann dadurch als Vollkugel ausgestaltet
sein und ist somit kostengünstig
herstellbar. Beim Einpressen des kugelförmigen Kugelelements 23 ergibt
sich eine Gesamthöhe 60 des
Ventilbolzens 21, so dass das Kugelelement 23 um
eine Vorstehlänge 61 über eine
Stirnfläche 62 des
Bolzenteils 24 vorsteht. Zum Ausgleich gewisser Toleranzen beim
Einpressen des Kugelelements 23 in die Ausnehmung 43 können die
Vorstehlänge 61 und/oder die
Gesamthöhe 60 ermittelt
werden, um einen Ventilhub des Ventils 18 individuell einzustellen.
Eine Ausgangslänge
H0 des auf die umlaufende Stufe 44 aufgepressten Federelements 22 ist
etwas größer als eine
Einbaulänge
H1 (2) gewählt,
um eine gewisse Vorspannung des Federelements 22 zu gewährleisten.
Diese Vorspannung bedingt im drucklosen Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1,
dass der Ventilbolzen 21 in die in der 2 dargestellte Ausgangslage
verstellt wird, in der der zwischen dem Kugelelement 23 und
der Dichtkante 42 ausgebildete Dichtsitz geschlossen ist.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere kann
der Bolzenteil 24 auch so ausgestaltet sein, dass er mit
einer Seitenfläche 63 an
einer Innenwand 64 des Ventilraums 17 geführt ist,
wobei geeignete Längsnuten
im Bereich der Seitenfläche 63 an
dem Bolzenteil 24 vorzusehen sind, um ein Strömen von Brennstoff
in Richtung der Abflussöffnung 41 zu
ermöglichen.
Ferner kann das Kugelelement 23 insbesondere im Bereich
der Ausnehmung 43 zylinderförmig ausgestaltet sein, um
ein verdrehsicheres Einpressen des Kugelelements 23 in
die Aussparung 43 des Bolzenteils 24 zu ermöglichen.