EP2171255B1

EP2171255B1 - Drossel an einer ventilnadel eines kraftstoffeinspritzventils für brennkraftmaschinen

Info

Publication number: EP2171255B1
Application number: EP08760983.0A
Authority: EP
Inventors: Matthias Burger; Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: US20100193611A1; RU2468242C2; RU2010104947A; DE102007032741A1; WO2009010348A1; CN101743394B; CN101743394A; JP2012193748A; JP2010533263A; JP5542879B2; EP2171255A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise für die Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet wird. Hierbei ist insbesondere der Einsatz bei der Kraftstoffeinspritzung von selbstzündenden Brennkraftmaschinen von Vorteil.

Stand der Technik

Die Einhaltung der Schadstoffgrenzwerte hat bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren hohe Priorität. Gerade das Common-Rail-Einspritzsystem hat hierbei einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung der Schadstoffe geleistet, wobei ein entscheidender Punkt ist, dass das Common-Rail-System unabhängig vom Einspritzdruck und von der Drehzahl und der Last des Motors präzise Einspritzungen zu jedem Zeitpunkt darstellen kann. Zur Einspritzung des Kraftstoffs sind hierbei hubgesteuerte Common-Rail-Injektoren bekannt, deren Ventilnadel servobetrieben ist. Die entsprechenden Steuerventile werden durch Piezo- oder Magnetaktoren gesteuert, die sehr schnell schalten und damit ein rasches Öffnen der Ventilnadeln ermöglichen.
Zur Darstellung von verschiedenen Teileinspritzungen, insbesondere Vor- und Nacheinspritzungen mit sehr kleiner Kraftstoffmenge, ist es jedoch auch notwendig, dass die Düsennadel entsprechend schnell schließt. Hierzu sind verschiedene Konzepte entwickelt worden, beispielsweise eine permanente Niederdruckstufe an der Düsennadel, die ständig eine schließende Kraft ausübt und so die Schließbewegung der Ventilnadel beschleunigt. Eine solche Niederdruckstufe hat jedoch den Nachteil, dass es eine hohe Leckage mit sich bringt und damit eine höhere Pumpenleistung erforderlich macht, was zu Einbußen in der Effizienz des Systems führt und damit zu einem höheren Kraftstoffverbrauch. Dieser Umstand kann insbesondere beim Einführen noch höherer Drücke problematisch werden.
Aus diesem Grund werden neueste Injektoren für höchste Einspritzdrücke leckagefrei ausgeführt, indem auf diese Niederdruckstufe verzichtet wird. Damit stehen für das Schließen der Ventilnadeln jedoch nur geringe Kräfte zur Verfügung, was die Fähigkeit zur Einspritzung kleinster Mengen vermindert. Dieser Nachteil lässt sich nur sehr schwer kompensieren, beispielsweise durch die Verwendung von entsprechend schnell schaltenden Steuerventilen, was jedoch teuer und aufwendig ist.
Ventilnadeln, wie sie beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 100 24 703 A1 bekannt sind, werden in einem mittleren Führungsabschnitt im Druckraum des Einspritzventils geführt, wobei der Kraftstoff durch zwei, drei oder vier Anschliffe an der Ventilnadel vorbeigeführt wird. Die dadurch bedingte Drosselstelle führt in diesem Bereich zu einem Druckabfall, so dass der Druck im Druckraum stromaufwärts des Führungsabschnitts höher ist als stromabwärts des Führungsabschnitts, was eine permanente schließende Kraft auf die Ventilnadeln bewirkt und die oben genannten Nachteile zum Teil ausgleicht. Hierbei tritt jedoch das Problem auf, dass die Drosselwirkung von der Viskosität des Kraftstoffs abhängt, welche wiederum eine Funktion des Drucks und der Temperatur ist. Damit ist der Druckabfall und somit die Nadelschließkraft in einem großen Betriebsbereich des Kraftstoffeinspritzventils von Temperatur und Druck abhängig, was zu einer Streuung der Kraftstoffzumessmenge von Einspritzung zu Einspritzung führt. Die dadurch bedingten Ungenauigkeiten bei der Kraftstoffmengenzumessung wirken sich negativ auf die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine aus.
Kraftstoffeinspritzventile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind z.B. aus der DE 101 49 961 bekannt.

Vorteile der Erfindung

Durch das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil wird eine definierte Drosselstelle geschaffen, die einen Druckabfall unabhängig von der Reynoldszahl des Kraftstoffs bewirkt, so dass die Drosselwirkung unabhängig von der Temperatur des Kraftstoffs ist. Dadurch wird eine permanente und konstante Schließkraft auf die Ventilnadel erreicht, die ein schnelles Nadelschließen und damit eine gute Kleinstmengenfähigkeit des Kraftstoffeinspritzventils sicherstellt. Hierzu ist zwischen der Ventilnadel und der Wand des Druckraums eine scharfkantige Spaltdrossel ausgebildet, die bei geeigneter Dimensionierung einen Druckabfall unabhängig von der Reynoldszahl des Kraftstoffs bewirkt. Die Reynoldszahl hängt unter anderem von der Dichte und der dynamischen Viskosität ab, die wiederum von der Temperatur des Kraftstoffs wesentlich bestimmt werden. Durch die Unabhängigkeit von der Reynoldszahl wird die Dämpfungswirkung der Spaltdrossel unabhängig von der Temperatur und damit konstant, was eine gleichbleibende Schließkraft auf die Ventilnadel bewirkt.
Die Spaltdrossel ist wird dabei durch einen Bund ausgebildet, der an seinem äußeren Rand eine scharfe Kante aufweist, so dass zwischen der Kante des Bundes und der Wand des Druckraums die scharfkantige Spaltdrossel gebildet wird. Der Bund kann hierbei, falls an der Ventilnadel ein Führungsabschnitt vorgesehen ist, sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Führungsabschnitts ausgebildet sein.
Zur Durchleitung sind an dem Bund ein oder mehrere Anschliffe ausgebildet, die ebenfalls eine scharfe Kante aufweisen. Durch die Größe der Anschliffe kann der Durchfluss und damit die Drosselwirkung der Spaltdrossel und die Schließkraft bestimmt werden. Für eine Optimierung der Drosselwirkung bei gleichbleibender Stabilität des Bunds ist ein im Wesentlichen dreieckförmiger Querschnitt des Bunds von Vorteil, der durch drei Anschliffe zustande kommt. Hierbei kann der Bund einstückig mit der Ventilnadel ausgebildet werden oder auch nach Fertigstellung der Ventilnadel auf diese aufgeklebt, angeschweißt oder aufgeschrumpft werden.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Es zeigt:

Figur 1: einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Einspritzventil,
Figur 2: das in Fig. 1 dargestellte Einspritzventil, wobei nur der brennraumseitige Teil mit den wesentlichen Komponenten schematisch dargestellt ist, und
Figur 3b: eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bunds und damit der Spaltdrossel und
Figur 3a und Figur 3c: verschiedene nicht erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Bunds.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig.1 ist ein Kraftstoffinjektor im Längsschnitt dargestellt. Das Grundprinzip derartiger Einspritventile ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung der bekannten Bauteile verzichtet werden kann und im folgenden deren Funktion nur kurz umrissen wird. Der Kraftstoffinjektor umfasst ein Kraftstoffeinspritzventil 1 und einen Injektorkörper 100, der ein Steuerventil 30 zur Steuerung der Einspritzung beinhaltet. Der Injektorkörper 100 ist mit dem Kraftstoffeinspritzventil 1 verbunden, das einen Ventilkörper 2 umfasst und in dem Einspritzöffnungen 8 vorhanden sind, über die der Kraftstoff ausgespritzt wird. Im Ventilkörper 2 ist eine Ventilnadel 3 angeordnet, die mit einer Kolbenstange 32 verbunden ist, wobei die Kolbenstange 32 mit ihrer Stirnseite einen Steuerraum 36 begrenzt, welcher in einer Hülse 38 ausgebildet ist. Durch die Feder 40 wird die Kolbenstange 32 und damit auch die Ventilnadel 3 gegen einen Ventilsitz 7 gedrückt, wodurch die Einspritzöffnungen 8 verschlossen werden.
Der Steuerraum 36 ist über eine Ablaufdrossel 42, die durch das Steuerventil 30 geöffnet oder verschlossen werden kann, mit einem drucklosen Leckölraum verbindbar. Hierzu wird ein Anker 31 des Steuerventils von einem Elektromagneten 33 angezogen, so dass die Ablaufdrossel 42 geöffnet wird und Kraftstoff aus dem Steuerraum 36 in den Leckölraum abfließen kann. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung des Elektromagneten 33 abgeschaltet, und der Anker 31 gleitet federbeaufschlagt zurück in seine Ausgangsstellung und verschließt die Ablaufdrossel 42. Über die Zulaufdrossel 44 wird der abgeflossene Kraftstoff im Druckraum 36 ersetzt. Der verdichtete Kraftstoff wird dabei in einem Hochdruckspeicher 34 zur Verfügung gestellt, dem sogenannten Rail, und über eine Hochdruckleitung 35 dem Kraftstoffeinspritzventil zugeleitet.
In Fig. 2 ist das Kraftstoffeinspritzventil der Fig. 1 vergrößert im Längsschnitt dargestellt, wobei nur der Teil des Einspritzventils dargestellt ist, der in Einbaulage dem Brennraum zugewandt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 umfasst einen Druckraum 5, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist und der dem Brennraum zu vom Ventilsitz 7 begrenzt wird, der im Wesentlichen konisch ausgebildet ist und von dem mehrere Einspritzöffnungen 8 ausgehen. Im Druckraum 5 ist die Ventilnadel 3 längsverschiebbar angeordnet, die kolbenförmig mit einer Achse 9 ausgebildet ist. Die Ventilnadel 3 wird in einem Führungsabschnitt 10 im Druckraum 5 geführt, so dass sie bezüglich des konischen Ventilsitzes 7 stets genau in der Mitte orientiert ist. Der Kraftstoff, der den Einspritzöffnungen 8 zufließt, fließt durch den zwischen der Ventilnadel 3 und der Wand des Druckraums 5 verbleibenden Ringspalt und wird im Bereich des Führungsabschnitts 10 durch mehrere Anschliffe 12 geleitet, die einen ausreichend großen Durchflussquerschnitt zur Verfügung stellen. An ihrem ventilsitzzugewandten Ende ist an der Ventilnadel 3 eine Dichtfläche 11 ausgebildet, mit der die Ventilnadel 3 mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkt. Dadurch wird bei Anlage der Ventilnadel 3 auf dem Ventilsitz 7 der Kraftstoffstrom aus dem Druckraum 5 zu den Einspritzöffnungen 8 unterbrochen und erst dann aufgesteuert, wenn die Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 7 abhebt.
Stromaufwärts des Führungsabschnitts 10 ist an der Ventilnadel 3 ein Bund 17 ausgebildet, der sich ringförmig über den gesamten Umfang der Ventilnadel 3 erstreckt. Der Bund 17 ist an seiner Außenseite scharfkantig ausgebildet, wobei die so gebildete Kante 20 eine Länge L aufweist. Dadurch entsteht eine scharfkantige Spaltdrossel 15 zwischen der Wand des Druckraums 5 und der Kante 20.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritventils ist wie folgt: Zu Beginn des Einspritzzyklus ist die Ventilnadel 3 in ihrer Schließstellung, das heißt in Anlage am Ventilsitz 7. Die Ventilnadel 3 wird durch eine Schließkraft, die hydraulisch durch den Druck im Steuerraum 36 erzeugt wird, gegen den Ventilsitz 7 gepresst. Im Druckraum 5 steht Kraftstoff unter hohem Druck an, der jedoch auf Grund der Schließkraft keine resultierende Kraft in Längsrichtung auf die Ventilnadel 3 ausübt. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird die Schließkraft reduziert, und die Ventilnadel 3 hebt vom Ventilsitz 7 ab und gibt einen Kraftstoffstrom aus dem Druckraum 5 zu den Einspritzöffnungen 8 frei. Zum Schließen der Ventilnadel 3 wird die Schließkraft wieder erhöht, so dass die Ventilnadel 3 eine resultierende Kraft auf den Ventilsitz 7 erfährt und zurück in ihre Schließstellung gleitet.
Um diese Schließbewegung zu beschleunigen wirkt der Bund 17 in folgender Weise: Durch die Spaltdrossel 15 ergibt sich dort ein Druckabfall, so dass in dem Teil des Druckraums 5, der stromaufwärts des Bundes 17 ist, ein höherer Druck herrscht, als stromabwärts. Dadurch wirkt eine hydraulische Kraft auf eine erste Druckfläche 22 des Bunds 17, die stromaufwärts gerichtet ist, welche größer ist als die hydraulische Kraft auf eine zweite Druckfläche 23, die gegenüber am Bund 17 ausgebildet ist. Diese resultierende hydraulische Kraft auf den Bund 17, die in Richtung des Ventilsitzes 7 gerichtet ist, hilft dabei, die Ventilnadel 3 schneller zu schließen als dies bei purer Erhöhung der Schließkraft auf das ventilsitzabgewandte Ende der Ventilnadel 3 der Fall wäre.
Die Höhe dieser Schließkraft hängt entscheidend von der Größe des Druckabfalls an der Spaltdrossel 15 ab. Die Höhe des Druckabfalls ist wiederum abhängig vom Querschnitt der Spaltdrossel 15 und von der Viskosität des Kraftstoffs, welche eine Funktion der Temperatur und des Druck im Druckraum 5 ist. Durch die scharfkantige Ausbildung der Kante 20 wird erreicht, dass der Druckabfall und damit die Dämpfung an der Spaltdrossel 15 unabhängig von der Reynoldszahl ist und damit auch unabhängig von der Viskosität und Temperatur des Kraftstoffs. Somit ergibt sich eine stets gleichbleibende Schließkraft auf die Ventilnadel 3 und ein reproduzierbares Schließverhalten unabhängig vom Betriebspunkt und unabhängig von der Temperatur des Kraftstoffs.
Der oben beschriebene Effekt tritt in ähnlicher Weise auch am Führungsabschnitt 10 bzw. an den Anschliffen 12 auf, jedoch hängt der Druckabfall hier deutlich von der Reynoldszahl ab. In diesem Ausführungsbeispiel ist deshalb darauf zu achten, dass die Anschliffe 12 so groß ausgebildet ist, dass kein oder nur ein sehr geringer Druckabfall mit einer entsprechenden zusätzlichen Schließkraft am Führungsabschnitt 10 entsteht.
Fig. 3a zeigt eine Draufsicht auf den Bund 17 und die Spaltdrossel 15 eines nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Wichtig für die Funktion ist, dass die Spaltdrossel 15 durch eine scharfe Kante 20 gebildet wird. Hierbei ist die Größe des hydraulischen Durchmessers D_Hyd entscheidend, der durch den durchströmten Querschnitt und die durchströmte Berandungslänge gegeben ist, wobei die Berandungslänge die Summe der inneren und äußeren Berandungslänge ist. Es gilt allgemein $D_{Hyd} = 4 \cdot \frac{durchströmter Querschnitt}{durchströmte Berandungslänge}$
Zur Erläuterung sei auf Fig. 3a verwiesen, bei der die Spaltdrossel 15 ein Ringspalt mit einem Außendurchmesser D_a und einem Innendurchmesser D_i ist, wobei der Außendurchmesser D_a dem Innendurchmesser des Druckraums 5 und der Innendurchmesser D_i dem Durchmesser des Bundes 17 entspricht. Der hydraulische Durchmesser D_Hyd ist dann in guter Näherung gegeben durch $D_{Hyd} = D_{a} - D_{i}$
Wenn L die Länge der Kante 20 ist, muss für die Unabhängigkeit von der Reynoldszahl bei einer Spaltdrossel 15 die Bedingung $L / D_{Hyd} < 5$

erfüllt sein, so dass sie im Sinne dieser Erfindung scharfkantig ist.
Ist D₀ der Durchmesser der Ventilnadel 3 unmittelbar vor dem Bund 17, so ist die optimale Funktion dann gegeben, wenn darüber hinaus die Bedingung $\frac{Engster Drosselquerschnitt der Spaltdrossel}{Querschnitt stromauf der Spaltdrossel} < 0, 2$

erfüllt ist. Im Fall der Fig. 2 und Fig. 3a ist dies gleichbedeutend mit $\frac{{D_{a}}^{2} - {D_{i}}^{2}}{{D_{a}}^{2} - {D_{i}}^{2}} < 0, 2.$
Fig. 3b zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bundes 17, bei dem seitliche Anschliffe 25 vorgesehen sind, die dem Bund 17 im Querschnitt eine im Wesentlichen dreieckförmige Gestalt geben. Die Anschliffe 25 sind hier der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt und die Länge K dieser Anschliffe 25 richtet sich natürlich nach der Länge L des Bundes 17. Es kann statt dreier Anschliffe 25, wie in Fig. 3b dargestellt, auch eine größere Zahl von Anschliffen 25 vorgesehen sein, beispielsweise 4, 5 oder 6 Anschliffe 25.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3b muss der hydraulische Durchmesser D_Hyd anders berechnet werden als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3a. Ist S die Bogenlänge des Anschliffs 25, K die Kantenlänge des Anschliffs 25 und A die Fläche, die durch einen der Anschliffe 25 zwischen dem Anschliff 25 und der Wand des Druckraums 5 gebildet wird, so ergibt sich D_Hyd zu $D_{Hyd} = \frac{4 \cdot A}{S + K}$
Fig. 3c zeigt eine weitere nicht erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bundes 17, wobei hier die Spaltdrossel 15 durch mehrere Nuten 27 im Bund 17 realisiert ist und die maximale Länge L des Bundes 17 in diesem Fall von der Dimensionierung der Nuten 27 abhängt. Der verbleibende Spalt zwischen der Ventilnadel 3 und der Wand des Druckraums 6 ist dabei zwischen den Nuten 27 so bemessen, dass praktisch eine Dichtung vorliegt und der Kraftstoff somit ausschließlich durch die Nuten 27 fließt. Die Berandung der Nuten 27 ist dabei scharfkantig ausgebildet, so dass die Unabhängigkeit von Reynoldszahl erhalten bleibt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3c wird folgendermaßen berechnet: Ist b die Breite der Nut 27 und h die Tiefe, so gilt $D_{Hyd} = 2 \frac{h \cdot b}{h + b}$
Die Spaltdrossel 15 kann dabei innerhalb oder außerhalb des Führungsabschnitts 10 angeordnet sein.
Eine von der Reynoldszahl unabhängige Drosselung an einer Spaltdrossel ist also nur zu erreichen, wenn diese gemäß der obigen Definitionen scharfkantig ist. Hierbei kann auf einer Seite der die Spaltdrossel 15 bildenden Bauteile eine scharfe Kante und auf der anderen Seite eine glatte Wand vorhanden sein, wie im obigen Beispiel die Wand des Druckraums 5. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spaltdrossel 15 durch eine beidseitig scharfe Berandung gebildet wird, beispielsweise indem dem scharfkantigen Bund 17 im obigen Ausführungsbeispiel nach Fig. 3a ein ebenso scharfkantiger Grat an der Innenwand des Druckraums 5 gegenübersteht. Bei einem nicht allzu großen Öffnungshub der Ventilnadel 3 bleibt die Wirkung während des gesamten Öffnungsvorgangs erhalten. Es ist aber auch möglich, Bund und Grat sind so zueinander auszurichten, dass die maximale Dämpfungswirkung erst im geöffneten Zustand der Düsennadel 3 wirkt, also sich Bund und Grat genau gegenüber stehen, während zu Beginn der Öffnungshubbewegung nur eine geringe Dämpfung an der Spaltdrossel wirkt, was den Druckaufbau an den Einspritzöffnungen 8 begünstigt.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem ein Druckraum (5) ausgebildet ist, in dem eine Ventilnadel (3) längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer an der Ventilnadel (3) ausgebildeten Dichtfläche (11) mit einem Ventilsitz (7) zusammenwirkt, der den Druckraum (5) begrenzt, wobei durch das Zusammenwirken der Ventilnadel (3) mit dem Ventilsitz (7) ein Kraftstoffstrom zu wenigstens einer Einspritzöffnung (8) ermöglicht oder unterbrochen wird, wobei der Kraftstoffstrom zwischen der Ventilnadel (3) und der Wand des Druckraums (5) hindurch zu den Einspritzöffnungen (8) fließt, wobei zwischen der Ventilnadel (3) und der Wand des Druckraums (5) eine scharfkantige Spaltdrossel (15) ausgebildet ist, und mit einem an der Ventilnadel (3) ausgebildeten Bund (17), der an seinem äußeren Rand eine scharfe Kante (20) aufweist, so dass die scharfkantige Spaltdrossel (15) zwischen dem Bund (17) und der Wand des Druckraums (5) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bund (17) an seiner Außenseite einen Anschliff (25) oder mehrere Anschliffe (25) aufweist und dass die Kante (20) des Bunds (17) im Bereich der Anschliffe (25) scharfkantig ausgebildet ist, wobei der Bereich zwischen den Anschliffen (25) weitgehend mit der Wand des Druckraums (5) dichtet, so dass der Kraftstoff praktisch nur im Bereich der Anschliffe (25) den Bund (17) passiert, wobei die scharfkantige Spaltdrossel (15) die Bedingung L/ D_Hyd < 5 erfüllt, wobei L die Länge der Spaltdrossel (15) und D_Hyd der hydraulische Durchmesser (D_Hyd) ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (3) mit einem Führungsabschnitt (10) des Druckraums (5) durch die Wand des Druckraums (5) geführt ist, wobei die Spaltdrossel (15) stromaufwärts oder stromabwärts nahe dem Führungsabschnitt (10) angeordnet ist.