DE102004019836A1

DE102004019836A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102004019836A1
Application number: DE200410019836
Authority: DE
Inventors: Jochen Mertens
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-17
Also published as: DE502005000434D1; EP1589217B1; EP1589217A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (1), in dem eine kolbenförmige Ventilnadel (12) längsverschiebbar angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung mit einem Ventilsitz (15) zusammenwirkt und so die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung (17; 18) steuert. Eine Hülse (30) ist längsverschiebbar im Gehäuse (1) angeordnet und liegt stets an der Ventilnadel (12) an, wobei die Hülse (30) mit einem der Ventilnadel (12) abgewandten Endbereich dichtend in einem Zulaufkanal (40) geführt ist. In der Hülse (30) ist ein Längskanal (38) ausgebildet, dessen eines Ende in den Zulaufkanal (40) mündet und dessen anderes Ende in einen in der Ventilnadel (12) ausgebildeten Kraftstoffkanal (22), wobei über den Kraftstoffkanal (22) Kraftstoff den Einspritzöffnungen (17; 18) zugeführt wird. Im Gehäuse (1) ist ein Steuerraum (42) ausgebildet, in dem ein variabler Druck einstellbar ist, wobei durch den Druck zumindest mittelbar eine Schließkraft auf die Ventilnadel (12) ausübbar ist (Figur 1).

Description

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es der Offenlegungsschrift DE 32 29 828 A1 entnehmbar ist. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse auf, in dem eine kolbenförmige Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel wirkt mit einem Ventilsitz zusammen und steuert durch ihre Längsbewegung die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung, über welche Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Im Gehäuse ist eine Hülse längsverschiebbar angeordnet, die stets an der Ventilnadel anliegt, so dass sich die Hülse und die Ventilnadel synchron bewegen. In der Hülse ist ein Längskanal ausgebildet, der mit einem Ende in einen im Gehäuse ausgebildeten Zulaufkanal und dessen anderes Ende in einen in der Ventilnadel ausgebildeten Kraftstoffkanal mündet. Über den Kraftstoffkanal in der Ventilnadel wird Kraftstoff den Einspritzöffnungen zugeführ und durch diese eingespritzt, sofern die Ventilnadel die Einspritzöffnungen freigegeben hat.

Dieses Kraftstoffeinspritzventil mit einem sogenannten zentralen Kraftstoffzulauf kann recht kompakt gebaut werden, da eine separate Kraftstoffzuführung durch Kraftstoffkanäle, die parallel zur Ventilnadel im Gehäuse verlaufen, entfällt. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist jedoch den Nachteil auf, dass die Einspritzung rein druckgesteuert geschieht, d.h., dass über den Druck des Kraftstoffs, der über die Hülse und den Zulaufkanal den Einspritzöffnungen zugeführt wird, die Bewegung der Ventilnadel gesteuert wird, die dann durch ihre Längsbewe gung die Einspritzöffnungen freigibt oder verschließt. Es ist damit nicht möglich, ein solches Kraftstoffeinspritzventil beispielsweise mit einem Common-Rail-System zu betreiben. Bei diesem Kraftstoffeinspritzventil wird in einem Hochdrucksammelraum ständig Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten, so dass eine Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils durch den Einspritzdruck nicht möglich ist, ohne weitere Steuerungselemente vorzusehen, beispielsweise ein separates Zumessventil. Dies verursacht weitere Kosten und benötigt zusätzlichen Bauraum.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Kraftstoffeinspritzventil hubgesteuert betrieben werden kann, d.h., dass die Ventilnadel unabhängig vom anstehenden Kraftstoffdruck im Kraftstoffeinspritzventil aufgesteuert und zugesteuert werden kann. Hierzu ist im Gehäuse ein Steuerraum ausgebildet, in dem ein variabler Druck einstellbar ist. Hierbei wirkt der Druck im Steuerraum zumindest mittelbar auf die Ventilnadel und übt dabei eine Schließkraft auf diese aus, welche die Ventilnadel in ihre Schließstellung drückt. Bei einer Minderung des Drucks im Steuerraum wird die Ventilnadel dann durch Öffnungskräfte in ihre Öffnungsposition gefahren und die Einspritzöffnungen freigegeben.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zulaufkanal, über den Kraftstoff dem Längskanal der Hülse zugeführt wird, in einer weiteren Hülse ausgebildet, die im Gehäuse angeordnet ist und in der die Hülse geführt ist. Durch die Anordnung der Hülse in einer weiteren Hülse ergibt sich ein besseres Dichtverhalten, so dass die Leckströme durch den Spalt zwischen den Hülsen reduziert werden. Hierdurch ist eine einwandfreie Funktion des Kraftstoffeinspritzventils stets gewährleistet, da auch bei einwandfreien Bauteilen eine exakte Fluchtung von Ventilnadel und Hülse aufgrund von unvermeidlichen Fertigungstoleranzen und Ungenauigkeiten bei der Montage nicht erreichbar ist.

In einer weiten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auflagefläche zwischen der Ventilnadel und der Hülse so ausgebildet, dass ein leichter axialer Versatz oder ein leichtes Verkippen von Ventilnadel und Hülse ausgeglichen wird.

Um den Steuerraum vorteilhaft in das Gehäuse integrieren zu können, ist der Steuerraum vorzugsweise als ein die Hülse umgebender Ringraum ausgebildet, wobei der Druck im Steuerraum vorteilhafterweise das ventilsitzabgewandte Ende der Ventilnadel zumindest teilweise beaufschlagt. Hierdurch ergibt sich eine Schließkraft auf die Ventilnadel in Richtung des Ventilsitzes, ohne dass weitere Elemente nötig sind, um die hydraulische Kraft auf die Ventilnadel zu übertragen.

Um den Kraftstoffdruck im Steuerraum einzustellen ist dieser in vorteilhafter Weise über eine Zulaufdrossel mit dem Zulaufkanal verbindbar und über einen Ablaufkanal mit einem Leckölraum, in dem stets ein niedriger Druck herrscht. Durch Öffnen und Schließen entweder der Zulaufdrossel oder des Ablaufkanals kann der Druck im Steuerraum schnell und zuverlässig gesteuert werden. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung eines Steuerventils im Ablaufkanal des Steuerraums, welches Steuerventil als Magnetventil oder Piezoventil ausgebildet sein kann. Derartige Ventile können sehr schnell schalten, so dass sich der Druck im Steuerraum entsprechend schnell auf das gewünschte Niveau einregeln lässt. Es kann hierbei auch vorgesehen sein, dass, wenn mehrere Kraftstoffeinspritzventile an der Brennkraftmaschine vorhanden sind, sämtliche Ablaufkanäle der entsprechenden Steuerräume mit einem Sammelraum verbunden sind und dieser Sammelraum über ein gemeinsames Steuerventil mit dem Leckölraum verbindbar ist. Auf diese Weise lässt sich der Kraftstoffdruck durch ein einzelnes Steuerventil in mehreren Kraftstoffeinspritzventilen steuern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der in der Ventilnadel ausgebildete Kraftstoffkanal mit einem Ringraum verbunden, der zwischen der Ventilnadel und der Wand einer Bohrung ausgebildet ist, die im Gehäuse ausgebildet ist und in der die Ventilnadel angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Ventilnadel sowohl in ihrem Inneren, als auch in dem sie umgebenden Ringraum mit Hochdruck beaufschlagt, so dass sie sich durch den Druck des Kraftstoffs in diesen Räumen nicht verformt. Auf diese Weise ist eine optimale Führung der Ventilnadel in der Bohrung gewährleistet, unabhängig vom Druck des zugeführten Kraft stoffs. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn an der Ventilnadel eine entsprechende Ventildichtfläche ausgebildet ist, die so am Ventilsitz anliegt, dass die Einspritzöffnungen sowohl gegen den Kraftstoffkanal in der Ventilnadel, als auch gegen den Ringkanal abgedichtet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ventilnadel von einer längsverschiebbaren Ventilhohlnadel umgeben, die ebenfalls mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und damit die Öffnung wenigstens einer weiteren Einspritzöffnung steuert. Durch die Verwendung einer weiteren Ventilhohlnadel lassen sich die Einspritzöffnungen unabhängig voneinander öffnen, so dass der Einspritzquerschnitt an den Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasst werden kann. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn neben dem Ringraum, der in diesem Fall die Ventilhohlnadel umgibt, auch der Zwischenraum zwischen der Ventilnadel und der Ventilhohlnadel mit dem Zulaufkanal der Ventilnadel verbunden ist, so dass eine druckbedingte Verformung von Ventilnadel und Ventilhohlnadel nicht eintritt. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn die Ventilhohlnadel eine weitere Ventildichtfläche besitzt, die so mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, dass die der Ventilhohlnadel zugeordneten Einspritzöffnungen sowohl gegen den Zwischenraum, als auch gegen den Ringraum abgedichtet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
Zeichnung In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
2 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventils,
3 ebenfalls im Längsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
4 eine vergrößerte Darstellung im Bereich des Ventilsitzes des in
3 gezeigten Ausführungsbeispiels,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventils, wobei nur der geänderte Teil vergrößert dargestellt ist,
6a bis 6f verschiedene Ausgestaltungen und Anordnungen der Hülsen und
7a bis 7e verschiedene Auflageflächen der Hülse auf der Ventilnadel und
8 eine schematische Darstellung der Einspritzventile mit einem zentralen Steuerventil.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das unter anderem einen Ventilkörper 3, einen Steuerkörper 5 und eine Drosselscheibe 7 umfasst. Diese drei Teile des Gehäuses 1 werden durch eine in der vorliegenden 1 nicht dargestellte Vorrichtung gegeneinander gepresst. Im Ventilkörper 3 ist eine Bohrung 10 ausgebildet, in der eine Ventilnadel 12 angeordnet ist, die auf ihrer gesamten Länge von einem Kraftstoffkanal 22 durchzogen ist, der entlang einer Längsachse 8 der Ventilnadel 12 verläuft. Die Bohrung 10 wird am brennraumzugewandten Ende des Ventilkörpers 3 von einem Ventilsitz 15 begrenzt, der im wesentlichen konisch ausgebildet ist. Vom Ventilsitz 15 gehen Einspritzöffnungen 17 ab, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum münden. Die Ventilnadel 12 ist in einem ventilsitzabgewandten Abschnitt der Bohrung 10 dichtend geführt und verjüngt sich unter Bildung einer Druckschulter 48 dem Ventilsitz 15 zu. Am ventilsitzzugewandten Ende ist an der Ventilnadel 12 eine Ventildichtfläche 20 ausgebildet, mit der die Ventilnadel 12 mit dem Ventilsitz 15 so zusammenwirkt, dass bei Anlage der Ventilnadel 12 auf dem Ventilsitz 15 die Einspritzöffnungen 17 verschlossen werden. Hebt die Ventilnadel 12 hingegen vom Ventilsitz 15 ab, so werden die Einspritzöffnungen 17 freigegeben, und Kraftstoff wird in den Brennraum eingespritzt. Die genaue Form der Ventildichtfläche 20 wird weiter unten erläutert.
Im Steuerkörper 15 ist eine Zentralbohrung 25 ausgebildet, in der eine Hülse 30 angeordnet ist. Die Hülse 30 weist einen Längskanal 38 auf, der in den Kraftstoffkanal 22 der Ventilnadel 12 mündet. Die Hülse 30 ist in der Zentralbohrung 25 e benfalls längsverschiebbar angeordnet und liegt mit ihrem ventilsitzzugewandten Ende auf der Ventilnadel 12 auf. Die Hülse 30 weist hierbei einen geringeren Außendurchmesser auf, als die Ventilnadel 12, ist jedoch so groß, dass sie nicht in den Kraftstoffkanal 22 eintaucht. Zwischen der Hülse 30 und einem ortsfesten Anschlag in der Drosselscheibe 7 ist eine innere Feder 34 unter Druckvorspannung angeordnet, die die Hülse 30 gegen die Ventilnadel 12 und damit sowohl die Hülse 30 als auch die Ventilnadel 12 gegen den Ventilsitz 15 drückt. Zwischen der inneren Feder 34 und der Hülse 30 ist darüber hinaus eine Ausgleichsscheibe 35 vorgesehen, über deren Dicke die Druckvorspannung der inneren Feder 34 eingestellt werden kann.
In der Zentralbohrung 25 des Steuerkörpers 5 ist darüber hinaus eine weitere Hülse 32 angeordnet, die die Hülse 30 umgibt und in der ein Zulaufkanal 40 ausgebildet ist, der einen solchen Durchmesser aufweist, dass die Hülse 30 dichtend im Zulaufkanal 40 der weiteren Hülse 32 geführt wird. Zwischen einem in der Zentralbohrung 25 angeordneten Druckstück 28, das sich mit einem Ende am Ventilkörper 3 abstützt und mit dem anderen Ende an der weiteren Hülse 32 ist unter Druckvorspannung eine äußere Feder 36 angeordnet, die die weitere Hülse 32 gegen die Drosselscheibe 7 drückt. Auch hier ist es vorgesehen, dass zwischen der äußeren Feder 36 und der weiteren Hülse 32 eine Ausgleichsscheibe 37 vorgesehen ist, über deren Dicke sich die Druckvorspannung der äußeren Feder 36 einstellen lässt. Das Druckstück 28 ist hierbei so ausgebildet, dass zwischen einer ventilsitzabgewandten Stirnseite 29 der Ventilnadel 12 und dem Druckstück 28 ein Spalt der Dicke h₀ verbleibt, wenn die Ventilnadel 12 auf dem Ventilsitz 15 aufliegt. In dieser Lage ergibt sich auch ein Abstand h₁ zwischen dem Druckstück 28 und einer Schulter 27, die in der Zentralbohrung 25 ausgebildet ist.
In der Drosselscheibe 7 setzt sich der Zulaufkanal 40 fort und endet an einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckquelle. Über den Zulaufkanal 40 wird Kraftstoff unter hohem Druck dem Kraftstoffeinspritzventil zugeführt und gelangt über den Teil des Zulaufkanals 40, der in der weiteren Hülse 32 ausgebildet ist, in den Längskanal 38 der Hülse 30 und von dort weiter in den Kraftstoffkanal 22, der in der Ventilnadel 12 ausgebildet ist. In der Ventilnadel 12 sind Querbohrungen 33 ausgebildet, die stromabwärts der Druckschulter 48 an mehreren Stellen den Kraftstoffkanal 22 mit einem Ringraum 23 verbinden, wobei der Ringraum 23 zwischen der Ventilnadel 12 und der Wand der Bohrung 10 ausgebildet ist. Der Kraftstoff, der in den Zulaufkanal 22 eingebracht wird, fließt somit sowohl über den Ringraum 23, als auch über den Zulaufkanal 22 selbst den Einspritzöffnungen 17 zu.
Die Verbindungen zwischen der Hülse 30 und der Ventilnadel 12 und zwischen der weiteren Hülse 32 und der Drosselscheibe 7 sind jeweils so ausgebildet, dass sie den Kraftstoff, der sich im Zulaufkanal 40 bzw. im Kraftstoffkanal 22 befindet, nach außen abdichtet. Dies ermöglicht es, den Raum, der die Hülse 30 und die weitere Hülse 32 umgibt und in dem die äußere Feder 36 angeordnet ist, als Steuerraum 42 zu verwenden, indem dort ein variabler Druck einstellbar ist. Hierzu ist in der Drosselscheibe 7 eine Zulaufdrossel 44 ausgebildet, die eine Verbindung zwischen dem Zulaufkanal 40 dem Steuerraum 42 herstellt, so dass über die Zulaufdrossel 44 Kraftstoff in Steuerraum 42 fließen kann. Die Zulaufdrossel 44 limitiert hierbei die Zulaufmenge, damit der gegebenenfalls bestehende Druckunterschied mit einer gewissen Verzögerung ausgeglichen wird. Darüber hinaus ist in der Drosselscheibe 7 ein Ablaufkanal 46 vorgesehen, der mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum verbindbar ist, wobei der Ablaufkanal 46 mittels eines Steuerventils 50 verschließbar ist.
Das Kraftstoffeinspritzventil funktioniert wie folgt:
Vor Beginn der Einspritzung ist das Steuerventil 50 geschlossen, so dass auch der Ablaufkanal 46 geschlossen ist. Dadurch herrscht im Steuerraum 42 durch seine Verbindung über die Zulaufdrossel 44 der gleiche Druck wie im Zulaufkanal 40, in dem Kraftstoff unter hohem Druck ansteht. Durch den Druck im Steuerraum 42 ergibt sich eine hydraulische Kraft auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel 12, die die Ventilnadel 12 auf den Ventilsitz 15 drückt. Darüber hinaus wirkt auf die Ventilnadel 12 die Kraft der inneren Feder 34, die auf die Hülse 30 drückt, die wiederum an der Ventilnadel 12 anliegt. Die weitere Hülse 32 wird durch die äußere Feder 36 gegen die Drosselscheibe 7 gedrückt und übt keine Kräfte auf die Ventilnadel 12 aus. Durch die Anlage der Dichtfläche 20 auf dem Ventilsitz 15 werden die Einspritzöffnungen 17 verschlossen, so dass der unter Einspritzdruck stehende Kraftstoff im Kraftstoffkanal 22 bzw. im Ringraum 23 nicht in die Einspritzöffnungen 17 gelangen kann. Um die Einspritzung zu initiie ren wird das Steuerventil 50 geöffnet, so dass Kraftstoff über den Ablaufkanal 46 aus dem Steuerraum 42 abfließt. Hierdurch sinkt der Druck im Steuerraum 42, da über die Zulaufdrossel 44 weniger Kraftstoff nachströmt, als über den Ablaufkanal 46 hinaus. Durch den nachlassenden Druck auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel 12 und die durch den Kraftstoffdruck im Ringraum 23 auf die Druckschulter 48 wirkende hydraulische Öffnungskraft wird die Ventilnadel 12 entgegen der Kraft der inneren Feder 34 nach oben gedrückt und bewegt hierbei auch die Hülse 30. Wenn die Ventilnadel 12 den Hub h₀ durchfahren hat, kommt sie zur Anlage am Druckstück 28. Eine weitere Bewegung der Ventilnadel 12 ist dann nur gegen die Kraft sowohl der inneren Feder 34 als auch der äußeren Feder 36 möglich, so dass sich die Öffnungsbewegung der Ventilnadel 12 etwas verzögert und erst danach fortgesetzt wird. Nach dem Durchfahren des weiteren Hubs h₁ kommt das Druckstück 28 schließlich an der Schulter 27 zur Anlage und beendet die Öffnungshubbewegung der Ventilnadel 12. Dieser zweistufige Hubanschlag ist notwendig, um eine Einspritzverlaufsformung zu erreichen. Nach Durchfahren des Hubs h₀ gibt die Ventilnadel 12 die Einspritzöffnungen 17 frei, jedoch bleibt die Ventildichtfläche 20 in unmittelbarer Nähe des Ventilsitzes 15, so dass der Kraftstoffstrom aus dem Kraftstoffkanal 22 und dem Ringraum 23 nur gedrosselt zu den Einspritzöffnungen 17 gelangt, so dass die Einspritzrate entsprechend gering ist. Erst nach Durchfahren des weiteren Hubs h₁ ergibt sich eine Einspritzung mit der vollen Einspritzrate. Die dadurch erreichte Einspritzverlaufsformung sorgt für einen weicheren Verbrennungsvorgang und damit eine Reduzierung des Geräusches der Brennkraftmaschine.
Zur Beendigung der Einspritzung wird das Steuerventil 50 geschlossen, so dass über den Ablaufkanal 46 kein Kraftstoff mehr aus dem Steuerraum 42 entweichen kann. Durch den über die Zulaufdrossel 44 nachströmenden Kraftstoff baut sich erneut ein hoher Druck im Steuerraum 42 auf, der auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel 12 drückt und diese schließlich zurück in ihre Schließstellung in Anlage am Ventilsitz 15 bringt. Die Hülse 30 folgt der Bewegung der Ventilnadel 12, angetrieben durch die innere Feder 34. Ebenso geht durch die Kraft der äußeren Feder 36 das Druckstück 28 zurück an seinen Anschlag am Ventilkörper 3.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Der Aufbau entspricht weitgehend dem in 1 gezeigten, so dass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Neben der Ventilnadel 12 ist in der Bohrung 10 auch eine Hohlnadel 14 angeordnet, die die Ventilnadel 12 umgibt. Die Hohlnadel 14 weist an ihrem ventilsitzzugewandten Ende eine weitere Ventildichtfläche 21 auf, mit der sie mit dem Ventilsitz 15 zur Steuerung weiterer Einspritzöffnungen 18 zusammenwirkt. Die Hohlnadel 14 ist hierbei so ausgebildet, dass zwischen der Ventilnadel 12 und der Hohlnadel 14 ein Zwischenraum 24 ausgebildet ist, der über die Querbohrung 33 mit dem Kraftstoffkanal 22 verbunden ist. Über eine weitere, in der Hohlnadel 14 ausgebildete Querbohrungen 39 ist der Zwischenraum 24 mit dem zwischen der Hohlnadel 14 und der Wand der Bohrung 10 ausgebildeten Ringraum 23 verbunden, so dass sowohl im Kraftstoffkanal 22, als auch im Zwischenraum 24 und im Ringraum 23 stets der gleiche Kraftstoffdruck herrscht.
Die äußere Feder 36 liegt in diesem Ausführungsbeispiel direkt auf der Hohlnadel 14 auf, so dass dadurch die Hohlnadel 14 gegen den Ventilsitz 15 gedrückt wird. Die weitere Hülse 32 umschließt die Hülse 30 in diesem Ausführungsbeispiel fast auf ihrer gesamten Länge, so dass das der Ventilnadel 12 zugewandte Ende der weiteren Hülse 32 als Hubanschlag dient. An der Hohlnadel 14 ist eine weitere Druckschulter 49 ausgebildet, die vom Kraftstoffdruck des Ringraums 23 beaufschlagt ist. Die Öffnungsbewegung des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt hier analog zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Kraftstoffdruck im Steuerraum 42 abgesenkt wird. Durch eine entsprechende Auslegung der Druckschulter 49 und der weiteren Druckschulter 49 bewegt sich hier zuerst die Hohlnadel 14 vom Ventilsitz 15 weg, wobei die Bewegung entgegen der Kraft der äußeren Feder 36 erfolgt, bis die Hohlnadel 14 an einer Anschlagschulter 41 des Steuerkörpers 5 anliegt. Etwa zeitverzögert zur Hohlnadel 14 bewegt sich die Ventilnadel 12 vom Ventilsitz 15 weg, wobei die Bewegung gegen die von der inneren Feder 34 beaufschlagte Hülse 30 erfolgt. Die Ventilnadel 12 setzt ihre Öffnungshubbewegung fort, bis sie an der Anschlagfläche 43 der weiteren Hülse 32 zur Anlage kommt. Die Schließbewegung der Ventilnadel 12 und der Hohlnadel 14 erfolgt analog zu dem Ausführungsbeispiel der 1 dadurch, dass der Kraftstoffdruck im Steuerraum 42 wieder erhöht wird.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, wobei gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 2 hauptsächlich der Aufbau der Ventilnadel 2 geändert ist. Der Kraftstoffkanal 22 durchzieht die Ventilnadel 12 nicht mehr auf ihrer gesamten Länge, sondern, ausgehend von der ventilsitzabgewandten Stirnfläche, nur etwa bis zur Höhe der Querkanäle 33 und 39. Der Kraftstoffzustrom zu den Einspritzöffnungen 17 und 18 erfolgt hier also ausschließlich über den Ringraum 23 und den Zwischenraum 24. Dieser Aufbau ermöglicht es, die Ventilnadel 12 stabiler zu gestalten und darüber hinaus die Ventildichtfläche 20 einfacher zu gestalten. Als weitere Ausführungsvariante ist hier ein zusätzlicher Leckölablauf vorgesehen, der als Ablaufkanal 26 im Steuerkörper 5 ausgebildet ist und der ebenfalls über ein Steuerventil 50 mit dem Leckölraum verbunden wird. In der Ventilnadel 12 ist umfangsseitig eine Umfangsnut 32 ausgebildet und ebenso eine Umfangsnut 54 in der Hohlnadel 14. Beide Umfangsnuten 52, 54 sind durch eine Querbohrung 55 miteinander und mit dem Ablaufkanal 26 verbunden, so dass Kraftstoff, der aus den Hochdruckbereichen in den Bereich der Führung von Ventilnadel 12 oder Hohlnadel 14 gelangt, abgeführt wird.
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung von 3 im Bereich des Ventilsitzes 15. Die Ventilnadel 12 weist an ihrer Ventildichtfläche 20 eine Dichtkante 120 auf, mit der sie am Ventilsitz 15 aufliegt und dadurch den Zwischenraum 24 gegen die Einspritzöffnungen 17 verschließt. Beim Abheben der Ventilnadel 12 vom Ventilsitz 15 wird entsprechend ein Querschnitt aufgesteuert, über den Kraftstoff aus dem Zwischenraum 24 in die Einspritzöffnungen 17 gelangt. Die Hohlnadel 14 weist eine weitere Ventildichtfläche 21 auf, an der eine erste Dichtkante 121 und eine zweite Dichtkante 221 ausgebildet sind. Über eine elastische Verformung der Hohlnadel 14 beim Aufsetzen auf dem Ventilsitz 15 kann erreicht werden, dass sowohl die erste Dichtkante 121 als auch die zweite Dichtkante 221 am Ventilsitz 15 dichtend anliegen und dadurch die weiteren Einspritzöffnungen 18 gegen den Zwischenraum 24 und den Ringraum 23 abdichten. Beim Abheben der Hohlnadel 14 vom Ventilsitz 15 strömt also Kraftstoff aus dem Zwischenraum 24 und aus dem Ringraum 23 in die weiteren Einspritzöffnungen 18 und wird von dort in den Brennraum eingespritzt. Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass eine Ventildichtfläche, wie sie hier an der Hohlnadel 14 gezeigt ist, auch an der Ventilnadel 12 vorgesehen ist. Dies entspricht den Ausführungsbeispielen nach
1 und 2 und ist in diesem Fall notwendig, um die Einspritzöffnungen 17 zusätzlich gegen den Kraftstoffkanal 22 abzudichten.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, wobei hier nur die wesentlichen Teile nochmals dargestellt sind. Zwischen der Drosselplatte 7 und dem Steuerkörper 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Druckkörper 6 vorgesehen, in dem ein Druckbegrenzungsventil 60 vorgesehen ist. Die Aufgabe des Druckbegrenzungsventils 60 ist es, den Druck im Steuerraum 42 nur soweit zu erhöhen, wie unbedingt notwendig. Es ist für eine Steuerung der Ventilnadeln 12, 14 nicht unbedingt nötig, den vollen Einspritzdruck im Steuerraum 42 anliegen zu lassen, da dermaßen hohe Drücke, die bei modernen Einspritzsystemen deutlich über 100 MPa liegen, auch zu starken mechanischen Verformungen der Bauteile führen, was zum Teil erhebliche Probleme verursachen kann.
Im Druckkörper 6 ist eine Kolbenbohrung 64 ausgebildet, in der ein Kolben 62 längsverschiebbar angeordnet ist. Im Kolben 62 ist eine Querbohrung 66 und eine die Querbohrung 66 schneidende Längsbohrung 68 ausgebildet, wobei die Längsbohrung 68 in den im Steuerkörper 5 ausgebildeten Steuerraum 42 mündet. Der Kolben 62 wird von einer Kolbenfeder 65 beaufschlagt, die zwischen dem Kolben 62 und der Drosselscheibe 7 unter Druckvorspannung angeordnet ist. Die Querbohrung 66 ist über eine Verbindung 70 mit dem Zulaufkanal 40 verbunden, der auch im Druckkörper 6 vorhanden ist und den in der Drosselscheibe 7 ausgebildeten Abschnitt des Zulaufkanals 40 mit dem Abschnitt in der weiteren Hülse 32 verbindet. Der Raum, in dem sich die Kolbenfeder 65 befindet, ist über eine Ablaufdrossel 77 mit dem Leckölraum verbunden, damit der Federraum 65 stets druckentlastet bleibt.
Das Druckbegrenzungsventil 60 funktioniert wie folgt: Herrscht im Steuerraum 42 ein Druck, der niedriger ist als der vorgegebene Druck, so wird der Kolben 62 durch die Kolbenfeder 65 in Anlage an einen Anschlag am Steuerkörper 5 gedrückt. Dadurch wird über die Verbindung 70, die Querbohrung 66 und die Längsbohrung 68 eine Verbindung zum Zulaufkanal 40 geöffnet, so dass Kraftstoff aus dem Zulaufkanal 40 in den Steuerraum 42 nachströmt. Wenn der nachströmende Kraftstoff den Druck im Steuerraum 42 erhöht, steigt auch die Kraft auf die Stirnseite des Kolbens 62, der bei Überschreiten eines Schwelldrucks entgegen der Kraft einer Kolbenfeder 65 in Richtung der Drosselscheibe 7 wandert. Durchfährt der Kolben 62 hierbei einen genügend großen Hub, so wird die Verbindung zwischen der Querbohrung 66 und dem Zulaufkanal 40 unterbrochen und das Nachströmen des Kraftstoffs beendet. Je nach Auslegung der Druckflächen und der Kraft der Kolbenfeder 65 lässt sich so ein Druck im Steuerraum 42 einstellen, der unter dem Kraftstoffdruck im Zulaufkanal 42, jedoch über dem Lecköldruck liegt.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus noch eine Ablaufdrossel 75 vorgesehen, die den Ablaufkanal 26 stets mit dem Leckölraum verbindet. Darüber hinaus ist eine Ablaufdrossel 46 vorgesehen, die eine Verbindung zum Leckölraum bildet und über ein Steuerventil 50 geöffnet oder geschlossen werden kann. Durch die Ablaufdrossel 75 ist sichergestellt, dass sich auch bei geschlossenem Steuerventil 50 ein zu hoher Druck im Steuerraum 42 abbaut. Das Druckbegrenzungsventil 60 regelt über seine Bewegung die Kraftstoffzufuhr so, dass sich über das Zusammenspiel des Druckbegrenzungsventils 60 und der Ablaufdrossel 75 der gewünschte Druck im Steuerraum 42 einstellt.
In den 6a bis 6f sind verschiedene Ausführungsbeispiele für die Anordnung von Hülse 30 und weiterer Hülse 32 dargestellt.
6a zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie es dem in 1 gezeigten entspricht. Die Hülse 30 ist in der weiteren Hülse 32 geführt und über das Druckstück 28 lässt sich eine gestufte Kraft auf die Ventilnadel 12 erreichen.
6b zeigt eine Anordnung, bei der sowohl die äußere Feder 36 als auch die innere Feder 34 stets auf die Ventilnadel 12 wirken. Dadurch lässt sich eine relativ hohe Schließkraft auf die Ventilnadel 12 erreichen, wobei die Schließkraft nicht gestuft ist und eine Einspritzverlaufsformung auf diesem Wege nicht möglich ist.
6c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem sich die innere Feder 34 und die äußere Feder 36 teilweise kompensieren, jedoch in Summe eine Schließkraft auf Ventilnadel 12 wirkt.
In 6d ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Hülse 30 von nur einer Feder 34 beaufschlagt ist, die die Hülse 30 gegen die Ventilnadel 12 drückt. Die Feder beaufschlagt gleichzeitig die weitere Hülse 32, die dadurch ortsfest bleibt. Als Anschlag für die Ventilnadel 12 dient entweder ein Absatz 80 oder ein Absatz 81, der an der Hülse 30 bzw. an der weiteren Hülse 32 ausgebildet ist. Alternativ kann auch ein Absatz 82 im Steuerkörper 5 vorgesehen sein.
6e zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem neben der Hülse 30 und der weiteren Hülse 32 eine Zwischenhülse 31 vorgesehen ist. Die Zwischenhülse 31 wird sowohl von einer inneren Feder 34, als auch von der äußeren Feder 36 beaufschlagt, während zwischen der Hülse 30 und der weiteren Hülse 32 eine Zwischenfeder 134 unter Druckvorspannung angeordnet ist. Der Hubanschlag für die Ventilnadel 12 erfolgt durch Absätze an der Zwischenhülse 31.
In 6f ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das weitgehend dem Ausführungsbeispiel der 6e entspricht, jedoch ist die Zwischenhülse 31 im Inneren des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet und die Federn 34, 36 entfallen hier. Die Zwischenhülse 31 hat dadurch eine unbestimmte Lage, was jedoch die Funktion bei der Öffnungsbewegung der Ventilnadel 12 nicht beeinträchtigt.
In 7a bis 7e sind verschiedene Auflageflächen zwischen der Hülse 30 und der Ventilnadel 12 dargestellt. 7a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Auflagefläche 130 der Hülse 30 ballig ausgebildet ist, während an der Ventilnadel 12 eine Auflageschulter 112 in Form einer Kante ausgebildet ist. Durch die ballige Ausbildung der Auflagefläche 130 erreicht man eine Unempfindlichkeit der Anordnung von Ventilnadel 12 und Hülse 30 bezüglich eines axialen Versatzes. Da beide Bauteile in unterschiedlichen Teilen des Gehäuses 1 untergebracht sind, lässt sich eine exakte Fluchtung aufgrund von unvermeidlichen Fertigungstoleranzen nicht erreichen. Durch die ballige Auflagefläche 130 an der Hülse 30 wird ein solch leichter axialer Versatz jedoch ausgeglichen.
7b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Auflageschulter 112 ebenfalls ballig ausgebildet ist, während die Auflagefläche 130 eine Konusform annimmt.
7c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Auflageschulter 112 konkav geformt ist, während die Auflagefläche 130 ebenfalls ballig ausgebildet ist.
7d zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Auflageschulter 112 konisch ausgebildet ist, während die Auflagefläche 130 erneut ballige Form aufweist.
7e zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Auflageschulter 112 konisch ausgebildet ist, jedoch hier von Längsachse 8 weg orientiert ist. Die Auflagefläche 130 ist erneut ballig ausgebildet. Alle diese Ausführungsbeispiele gewährleisten eine Kompensation eines leichten axialen Versatzes zwischen Hülse 30 und Ventilnadel 12.
In 8 ist eine Anordnung von Kraftstoffeinspritzventilen 100 schematisch dargestellt, die vom Typ nach 5 sind. Von jedem Kraftstoffeinspritzventil 100 geht eine Ablaufleitung 101 ab, die mit dem Ablaufkanal nach 5 verbunden ist. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach 5 entfällt hier das bei jedem Kraftstoffeinspritzventil vorgesehene Steuerventil 50, sondern die Ablaufleitungen 101 münden in einen zentralen Sammelraum 105, von wo ein zentrales Steuerventil 50' die Verbindung mit einem Leckölraum 106 steuert. Auf diese Weise lässt sich der Druck im Sammelraum 105 einstellen, der sich dann für sämtliche Kraftstoffeinspritzventile 100 als Steuerdruck verwenden lässt. Diese Anordnung setzt allerdings voraus, dass der Steuerdruck relativ niedrig und unterhalb des Einspritzdrucks liegt, da sich ein großes Volumen, wie es der Sammelraum 105 und die Ablaufleitungen 101 darstellen, nur schwer mit Hochdruck befüllen und entleeren lässt. Darüber hinaus ist es dann sinnvoll einsetzbar, wenn der Steuerraumdruck, wie in 5 gezeigt, direkt auf die Ventilnadel 12 bzw. die Hohlnadel 14 wirkt, da sonst zwei getrennte Rückläufe in den Leckölraum 106 nötig wären. Durch die Anordnung nach 8 lässt sich so der Druck im Steuerraum des Kraftstoffeinspritzventils über das zentrale Steuerventil 50' regeln, so dass eine kostengünstige und einfache Alternative zur Anordnung je eines separaten Steuerventils gegeben ist.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse (1), in dem eine kolbenförmige Ventilnadel (12) längsverschiebbar angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung mit einem Ventilsitz (15) zusammenwirkt und so die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung (17; 18) steuert, und mit einer Hülse (30), die längsverschiebbar im Gehäuse (1) angeordnet ist und die stets an der Ventilnadel (12) anliegt, wobei die Hülse (30) mit einem der Ventilnadel (12) abgewandten Endbereich dichtend in einem Zulaufkanal (40) geführt ist und in der Hülse (30) ein Längskanal (38) ausgebildet ist, dessen eines Ende in den Zulaufkanal (40) mündet und dessen anderes Ende in einen in der Ventilnadel (12) ausgebildeten Kraftstoffkanal (22) mündet, über welchen Kraftstoffakanal (22) den Einspritzöffnungen (17; 18) Kraftstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) ein Steuerraum (42) ausgebildet ist, in dem ein variabler Druck einstellbar ist, wobei durch den Druck zumindest mittelbar eine Schließkraft auf die Ventilnadel (12) ausübbar ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (40) in einer weiteren Hülse (32) ausgebildet ist, in der die Hülse (30) geführt ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (30) durch eine innere Feder (34) gegen das ventilsitzabgewandte Ende der Ventilnadel (12) gedrückt wird.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Hülse (32) von einer äußeren Feder (36) gegen einen ortsfesten An schlag gedrückt wird, so dass sich die weitere Hülse (32) bei einer Längsbewegung der Hülse (30) nicht bewegt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (42) als ein die Hülse (30) umgebende Ringraum ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruck im Steuerraum (42) eine ventilsitzabgewandte Stirnseite (29) der Ventilnadel (12) beaufschlagt, so dass abhängig vom Druck im Steuerraum (42) eine in Richtung des Ventilsitzes (15) wirkende Schließkraft auf die Ventilnadel (12) ausgeübt wird.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (42) über eine Zulaufdrossel (44) mit dem Zulaufkanal (40) verbindbar ist und über einen Ablaufkanal (46) mit einem Leckölraum, in dem stets ein niedriger Druck herrscht.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Ablaufkanals (46) mit dem Leckölraum durch ein Steuerventil (50) geöffnet und geschlossen werden kann.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (50) als Magnetventil ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (50) als Piezo-Ventil ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kraftstoffeinspritzventile vorhanden sind, deren Ablaufkanäle (46) mit einem Sammelraum (105) verbunden sind, wobei das Steuerventil (50') die Verbindung dieses Sammelraums (105) mit dem Leckölraum (106) steuert.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuführkanal ein Druckbegrenzungsventil (60) angeordnet ist, das bei Über schreiten eines Schwelldrucks im Steuerraum (42) eine Verbindung (70) zwischen dem Zulaufkanal (40) schließt und bei Unterscheiten des Schwelldrucks die Verbindung (70) öffnet.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffkanal (22) in der Ventilnadel (12) als Längsbohrung ausgebildet ist, die mittig in der Ventilnadel (12) verläuft.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffkanal (22) die Ventilnadel (12) auf ihrer gesamten Länge durchläuft.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffkanal (22) mit einem Ringraum (23) verbunden ist, der zwischen der Ventilnadel (12) und der Wand einer Bohrung (10) ausgebildet ist, die im Gehäuse (1) ausgebildet ist und in der die Ventilnadel (12) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnungen (17; 18) vom Ventilsitz (15) ausgehen und an der Ventilnadel (12) eine Ventildichtfläche (20) so ausgebildet ist, dass bei Anlage der Ventilnadel (12) am Ventilsitz (15) die Einspritzöffnungen (17; 18) sowohl gegen den Kraftstoffkanal (22) als auch gegen den Ringraum (23) abdichtet.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (12) von einer längsverschiebbaren Hohlnadel (14) umgeben ist, die ebenfalls mit dem Ventilsitz (15) zusammenwirkt und dabei die Öffnung wenigstens einer weiteren Einspritzöffnung (18) steuert.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffkanal (22) in der Ventilnadel (12) mit einem zwischen der Ventilnadel (12) und der Hohlnadel (14) ausgebildeten Zwischenraum (24) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (24) mit einem Ringraum (23) verbunden ist, der zwischen der Ventilnadel (12) und der Wand einer Bohrung (10) ausgebildet ist, die im Gehäuse (1) ausgebildet ist und in der die Hohlnadel (14) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hohlnadel (14) eine weitere Ventildichtfläche (21) ausgebildet ist, mit der die Hohlnadel (14) so mit dem Ventilsitz (15) zusammenwirkt, dass die weiteren Einspritzöffnungen (18) bei Anlage der Hohlnadel (14) auf dem Ventilsitz (15) sowohl gegen den Ringraum (23) als auch gegen den Zwischenraum (24) abgedichtet werden.