WO2013092877A1

WO2013092877A1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen

Info

Publication number: WO2013092877A1
Application number: PCT/EP2012/076411
Authority: WO
Inventors: Henning Kreschel; Kai Sutter; Wilhelm Christ; Andreas Rettich; Philipp Wachter; Marco Beier; Andreas Rau; Thomas Schwarz; Andreas Gruenberger; Alexander VILLMANN; Sven SIAUW; Matthias Horn; Wolfgang Stoecklein; Lorenz Zerle; Thomas Pauer; Stephan Amelang; Markus Rueckle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2014-06-21
Also published as: DE102011089337A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Düsenkörper (1), in dem ein Druckraum (2) mit einer darin längsbewegbar angeordneten Düsennadel (10) ausgebildet ist. Die Düsennadel (10) wirkt mit einer Dichtfläche (18) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzbohrung (11) mit einer Sitzfläche (20) zusammen, wobei die wenigstens eine Einspritzbohrung (11) eine Eintrittsöffnung (111) im Druckraum (2) aufweist. Die Sitzfläche (20) bildet eine ebene Fläche, die die Eintrittsöffnung (111) der wenigstens einen Einspritzbohrung (11) umgibt, wobei die Düsennadel (10) vom Kraftstoff im Druckraum (2) allseitig umgeben ist.

Description

Beschreibung Titel

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es vorzugsweise zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in Brennräume von Brennkraftmaschinen Verwendung findet.

Stand der Technik

Kraftstoffeinspritzventile, wie sie für die Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in Brennräume von Brennkraftmaschinen Verwendung finden, weisen zumeist einen Düsenkörper auf, in dem ein Druckraum ausgebildet ist. In den Druckraum wird Kraftstoff unter hohem Druck eingeleitet und durch eine oder mehrere Einspritzbohrungen in den Brennraum eingebracht. Zur Steuerung der Einspritzung dient eine Düsennadel, die im Druckraum längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Düsennadel eine Dichtfläche aufweist, die zum Öffnen und Schließen der Einspritzbohrungen mit einer Sitzfläche zusammenwirkt, wobei auch nur eine einzige Einspritzbohrung vorgesehen sein kann. Bei den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2009 045 486 AI bekannt sind, weist die Düsennadel eine im Wesentlichen konische Dichtfläche auf, die mit einem ebenfalls konischen Ventilsitz zusammenwirkt.

Zur Bewegung der Düsennadel in ihrer Längsrichtung werden im Stand der Technik zumeist hydraulische Kräfte eingesetzt, da aufgrund des hohen Einspritzdruckes von bis zu 2500 bar, wie er bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen Verwendung findet, eine direkte Bewegung der Düsennadel entgegen den hydraulischen Kräften durch Magnet- oder Piezoaktoren ausscheidet. Die Düsennadel wird hierbei durch den hydraulischen Druck in einem Steuerraum in ihrer Schließstellung, d.h. in Anlage an der Sitzfläche gehalten. Wird der Druck im Steuerraum abgesenkt, so bewegt sich die Düsennadel - angetrieben durch den hydraulischen Druck im Druckraum - von der Sitzfläche weg und gibt einen Durchflussquerschnitt frei, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum zu den Einspritzbohrungen fließen kann. Durch erneutes Erhöhen des Druckes im Steuerraum wird die Düsennadel wieder in ihre Schließstellung, d.h. in Anlage an die Sitzfläche gedrückt.

Die bekannten Kraftstoffeinspritzventile weisen jedoch eine Reihe von systembedingten Nachteilen auf. Zum einen muss durch die Absenkung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum eine gewisse Kraftstoffmenge aus dem Steuerraum abgesteuert werden, d.h. diese wird von dem hohem Einspritzdruck entspannt und einem Niederdruckkreislauf zugeführt, der den Kraftstoff wieder zurück zum Kraftstofftank befördert. Diese Absteuermenge, die von der Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems zuvor verdichtet worden ist, stellt einen Verlust dar, der die Effektivität der Brennkraftmaschine vermindert. Zum anderen kann die Absenkung und der Wiederaufbau des Kraftstoffdrucks im Steuerraum nicht beliebig schnell geschehen, da dieser ein Mindestvolumen aufweist. Dies begrenzt die Dynamik der Düsennadel und damit den minimalen zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Einspritzungen.

Um eine schnelle Steuerung der Düsennadel zu erreichen sind Ansätze bekannt, die Düsennadel kraftausgeglichen zu gestalten, d.h. dass sich die hydraulischen Kräfte in Längsrichtung auf die Düsennadel weitgehend gegeneinander wegheben, so dass in Längsrichtung keine resultierende hydraulische Kraft auf die Düsennadel wirkt. Aus der DE 10 2007 032 741 AI ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem die Düsennadel zumindest in ihrer geöffneten Stellung weitgehend kraftausgeglichen ist. Dies erlaubt zwar ein sehr schnelles Schließen der Düsennadel, jedoch bleibt hier das Problem, dass zu Beginn der Einspritzung die Düsennadel nicht allein mit Hilfe von Aktoren aus ihrer Schließstellung bewegt werden kann. Ein Kraftausgleich der Düsennadel sowohl im geschlossenen als auch im geöffneten Zustand ist hier nicht möglich. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Dü- sennadel, sowohl im geschlossenen als auch im geöffneten Zustand des Einspritzventils weitgehend druckausgeglichen ist, d.h. dass sich die in Längsrichtung wirkenden hydraulischen Kräfte auf die Düsennadel sowohl im geschlossenen als auch im geöffneten Zustand des Einspritzventils weitgehend aufheben. Dazu ist die Sitzfläche als eine ebene Fläche ausgebildet, die die Eintrittsöffnun- gen der Einspritzbohrungen umgibt, was eine minimale Größe der Sitzfläche erlaubt, wobei die Düsennadel allseitig vom Einspritzdruck umgeben ist. Durch die geringen hydraulischen Kräfte in Längsrichtung auf die Düsennadel lässt sich diese beispielsweise mit Hilfe eines Elektromagneten in Längsrichtung bewegen, ohne dass es weitere hydraulische Unterstützungskräfte braucht oder ein Steu- erventil, das servohydraulisch die Längsbewegung der Düsennadel steuert.

Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil den Vorteil auf, dass das sogenannte schädliche Totvolumen des Kraftstoffeinspritzventils minimiert ist. Unter dem schädlichen Totvolumen versteht man den Teil des Kraftstoffeinspritzventils, der im Betrieb mit Kraftstoff gefüllt ist und der ständig mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbunden ist. Beim Verbrennungsvorgang innerhalb des Brennraums wird auch ein Teil des Kraftstoffs in dem schädlichen Totvolumen verbrannt. Diese Verbrennung geschieht jedoch nicht vollständig, da dieser Kraftstoff unzerstäubt ist und dadurch unverbrannte Koh- lenwasserstoffe in das Abgas gelangen, um zwar um so mehr, je größer dieses schädliche Totvolumen ist. Durch die Ausbildung der Sitzfläche unmittelbar an den Eintrittsöffnungen der Einspritzbohrungen ist dieses Totvolumen jedoch auf das Volumen der Einspritzbohrung selbst reduziert und damit äußert gering, da die Einspritzbohrungen in der Regel einen Durchmesser von nicht mehr als 150 μηι aufweisen bei einer typischen Länge von etwa 1 mm.

Die Sitzfläche ist in vorteilhafter Weise als ebene Kreisringfläche ausgebildet. Dies erlaubt, insbesondere in Verbindung mit einer Dichtfläche an der Düsennadel, die als flach geschliffene Stirnfläche ausgebildet ist, eine einfache Abdich- tung auch einer Mehrzahl von Einspritzbohrungen, so dass die Gesamtzahl der Einspritzbohrungen gegenüber den heutigen Einspritzventilen nicht reduziert werden muss. Die Gesamtfläche der Sitzflächen ist dabei jedoch nach wie vor gering, so dass der Kraftausgleich in Längsrichtung erhalten bleibt.

Zeichnungen

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,

Figur 2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des mit II bezeichneten

Ausschnitts der Figur 1,

Figur 3 und

Figur 4 zeigen im Längsschnitt das brennraumseitige Ende von erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventilen, wobei die Einspritzbohrungen und die entsprechenden Sitzflächen unterschiedlich gestaltet sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil schematisch im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Düsenkörper 1 auf, der mittels eines Spannkörpers 4 gegen einen Haltekörper 3 verspannt ist. Im Düsenkörper 1 ist ein Druckraum 2 ausgebildet, in den von einer hier nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckquelle Kraftstoff unter hohem Druck eingeleitet werden kann, wobei die Zuleitung über einen im Haltekörper 3 ausgebildeten Hochdruckanschluss 17 geschieht.

Im Druckraum 2 ist eine kolbenförmige Düsennadel 10 längsverschiebbar ange- ordnet, deren brennraumseitige Stirnfläche flach geschliffen ist und die so eine

Dichtfläche 18 bildet, die mit mehreren Sitzflächen 20 zusammenwirkt. Die Sitzflächen 20 sind als Kreisringflächen ausgebildet, die im Düsenkörper 2 ausgebildete Eintrittsöffnungen 111 mehrerer Einspritzbohrungen 11 umgeben, wie Figur 2 in einer perspektivischen Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1 zeigt. Die kreisringförmigen Sitzflächen 20 sind dabei in einer Ebene angeordnet, so dass bei Anlage der Düsennadel 10 an den Sitzflächen 20 sämtliche Einspritzbohrungen 11 verschlossen und gegen den Kraftstoff im Druckraum 2 abgedichtet werden. Die kreisringförmige Sitzfläche 20 ergibt sich, wenn die Einspritzbohrung 11 senkrecht zum Grund des Druckraums 2 verläuft. Wird die Einspritzbohrung 11 jedoch schräg ausgeführt, wie in Figur 2 gezeigt, so ist zumindest die Eintrittsöffnung 111 kein Kreis, sondern eine Ellipse. Die Außenkontur der Sitzfläche 20 kann in diesem Fall entweder ebenfalls elliptisch ausgeführt sein, oder aber kreisförmig. In letzterem Fall ist die Sitzfläche 20 eine Fläche mit kreisförmiger

Außenkontur und einer elliptischen Innenkontur.

An dem der Dichtfläche 18 gegenüberliegenden Ende weist die Düsennadel 10 einen Magnetanker 12 auf, an dem sich eine Schließfeder 15 abstützt, die unter Druckvorspannung zwischen der Düsennadel 10 und dem Haltekörper 3 angeordnet ist. Die Schließfeder 15 dient einerseits dazu, die Düsennadel 10 in ihre Schließstellung zu bewegen, und andererseits stellt sie sicher, dass die Düsennadel 10 in dieser Stellung verbleibt, wenn bei abgeschalteter Brennkraftmaschine keine hydraulischen Kräfte im Druckraum 2 wirken. Zur Bewegung der Dü- sennadel 10 ist ein Elektromagnet vorgesehen, der eine Spule 7 und einen Eisenkern 6 umfasst. Über eine Spannungsquelle 14 und Leitungen 16 kann eine elektrische Spannung an die Spule 7 angelegt werden. Um den Eisenkern 6 innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils zu fixieren, ist eine Hülse 8 vorgesehen, die unter Vorspannung zwischen dem Düsenkörper 1 und dem Haltekörper 3 ange- ordnet ist.

Der Druckraum 2 ist mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt, wenn das Kraftstoffeinspritzventil in Betrieb ist. Die Düsennadel 10 wird allseitig vom Kraftstoffdruck beaufschlagt, wenn sie sich in ihrer Schließstellung in Anlage an den Sitz- flächen 20 befindet, mit Ausnahme der Sitzflächen 20 selbst und den Einspritzbohrungen 11. Dadurch resultiert eine hydraulische Schließkraft in Richtung der Sitzflächen 20, die jedoch durch entsprechend klein gestaltete Sitzflächen 20 gering gehalten werden kann. Beträgt der Durchmesser der Einspritzbohrungen 11 beispielsweise 100 μηι und weisen die kreisringförmigen Sitzflächen 20 einen Außendurchmesser von 300 μηι auf, so ergibt dies eine resultierende hydrauli- sehe Kraft auf die Düsennadel 10 von etwa 85 N bei einem Einspritzdruck von 2000 bar, wenn sechs Einspritzbohrungen vorhanden sind. Zu dieser Kraft addiert sich noch die Kraft der Schließfeder 15. Eine solche Kraft kann problemlos von einem Elektromagneten überwunden werden, so dass die Düsennadel 10 allein durch die Wirkung des Elektromagneten ohne hydraulische Unterstützung aus ihrer Schließstellung bewegt werden kann.

Zum Einspritzen des Kraftstoffs wird der Elektromagnet bestromt, indem Strom durch die Spule 7 geleitet wird und ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt. Durch die Wirkung des Magnetfeldes wird der Anker 12 der Düsennadel 10 angezogen und die Düsennadel 10 bewegt sich entgegen der Kraft der Schließfelder 15 von den Sitzflächen 20 weg und gibt so die Einspritzbohrungen 11 frei. Daraufhin strömt Kraftstoff aus dem Druckraum 2 in die Einspritzbohrungen 11 und gelangt von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Die Düsennadel 10 schlägt dabei in ihrer geöffneten Stellung an einem Anschlag an, der die Längsbewegung begrenzt. Dieser Anschlag kann beispielsweise am Eisenkern 6 oder auch an der Hülse 8 ausgebildet sein. Durch Ausnehmungen oder Bohrungen in der Hülse 8, im Eisenkern 6 oder auch in der Düsennadel 10 wird der Kraftstofffluss vom Hochdruckanschluss 17 durch den Druckraum 2 in Richtung der Einspritzbohrungen 11 aufrechterhalten, auch dann, wenn die Düsennadel 10 in ihrer geöffneten Stellung ist.

Zum Schließen der Düsennadel 10 wird die Bestromung des Elektromagneten unterbrochen, so dass die Kraft der Schließfeder 15 die Düsennadel 10 zurück in ihre Schließstellung drückt. Da die Düsennadel 10 in ihrer geöffneten Stellung vollständig vom Kraftstoffhochdruck umgeben ist und damit bezüglich der hydraulischen Kräfte in Längsrichtung kraftausgeglichen, ist bereits eine relativ schwache Schließfeder dafür ausreichend. Die Größe der Anschlagfläche, an der die Düsennadel 10 in ihrer geöffneten Stellung anliegt, muss dazu möglichst gering gehalten werden, um diese Kräftebilanz zu erhalten. Alternativ kann die Düsennadel 10 auch im sogenannten ballistischen Betrieb betrieben werden, bei dem die Düsennadel 10 keinen mechanischen Anschlag erreicht. Der Elektromagnet wird bereits dann abgeschaltet, wenn sich die Düsennadel 10 noch in der Öffnungsbewegung befindet. Die Kraft der Schließfeder 15 drückt die Düsenna- del 10 dann wieder in Richtung der Sitzfläche 20, ehe die Düsennadel 10 einen mechanischen Endanschlag erreicht.

Zur Führung der Düsennadel 10 innerhalb des Druckraums 2 kann zwischen dem Anker 12 und der Dichtfläche 18 ein Führungsbereich vorgesehen sein, mit dem die Düsennadel 10 an der Wand des Druckraums 2 geführt ist. Um den Kraftstoff am Führungsbereich vorbei zu leiten, können beispielsweise eine oder mehrere Anschliffe an der Düsennadel 10 vorgesehen sein, die den Kraftstoff- fluss sicherstellen.

Figur 3 zeigt in einem Querschnitt schematisch den Aufbau der Einspritzbohrungen 11 und der dazugehörigen Sitzflächen 20. Jede Einspritzbohrung 11 weist eine Eintrittsöffnung 111 auf, die innerhalb des Druckraums 2 angeordnet ist. Jede Eintrittsöffnung 111 ist von einer kreisringförmigen Sitzfläche 20 umgeben, deren Außendurchmesser nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser der Einspritzbohrungen 11. Wenn die Einspritzbohrungen 11 einen Durchmesser von beispielsweise 100 μηι aufweisen, könnten die Sitzflächen 20 aus Kreisringflächen zusammengesetzt sein, deren Außendurchmesser beispielsweise 300 μηι beträgt und die somit eine Kreisringfläche bilden, deren Dicke 100 μηι beträgt. Eine solche Sitzfläche weist nur einen Flächeninhalt von ca. 0,06 mm² auf, so dass in Schließstellung der Düsennadel 10 nur ein sehr kleiner Teil der Dichtfläche 18 nicht vom Kraftstoffdruck im Druckraum 2 beaufschlagt ist. Die dadurch bewirkte hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 10 ist so gering, dass ein Elektromagnet die Düsennadel 10 problemlos von den Sitzflächen 20 in die Öffnungsstellung ziehen kann.

Figur 4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, wobei hier im Gegensatz zur Darstellung der Figur 3 die Sitzflächen 20 deutlich schmaler gestaltet sind, so dass der Außendurchmesser der Sitzflächen 20 kaum größer ist als der Durchmesser der Einspritzbohrungen 11. Dadurch erreicht man an den Sitzflächen 20 eine höhere Flächenpressung damit auch eine bessere Abdichtung, als dies bei einer relativ großen Sitzfläche 20 möglich ist.

Claims

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzventil mit einem Düsenkörper (1), in dem ein Druckraum (2) mit einer darin längsbewegbar angeordneten Düsennadel (10) ausgebildet ist, und die Düsennadel (10) mit einer Dichtfläche (18) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzbohrung (11) mit einer Sitzfläche (20) zusammenwirkt, wobei die wenigstens eine Einspritzbohrung (11) eine Eintrittsöffnung (111) im Druckraum (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche (20) eine ebene Fläche bildet, die die Eintrittsöffnung (111) der wenigstens einen Einspritzbohrung (11) umgibt und die Düsennadel (10) vom Kraftstoff im Druckraum (2) allseitig umgeben ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche (20) als ebene Kreisringfläche ausgebildet ist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche (20) eine Außenkontur und eine Innenkontur aufweist, wobei die Innenkontur elliptisch ausgebildet ist und die Außenkontur elliptisch oder kreisförmig ausgebildet ist.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Einspritzbohrungen (11) im Düsenkörper (1) ausgebildet sind und die Düsennadel (10) mit ihrer Dichtfläche (18) an allen Sitzflächen (20) gleichzeitig anliegt, wenn die Düsennadel (20) die Einspritzbohrungen (11) verschließt.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (10) eine ebene Stirnfläche aufweist, die die Dichtfläche (18) bildet.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Längsrichtung resultierende hydraulische Kraft auf die Düsennadel (10) bei Anlage an der Sitzfläche (20) oder den Sitzflächen (20) nicht mehr als 100 N beträgt.