DE69714385T2 - Einspritzventil - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine Verwendung bei der Zuführung von Kraftstoff zu einem Zylinder eines Verbrennungsmotors.
• Um das Verbrennungsgeräusch und die Emissionspegel eines Motors zu verringern, ist es wünschenswert, jedem Zylidner des Motors eine relativ kleine Menge an Kraftstoff zuzuführen, gefolgt von einer Haupteinspritzung, während der der größte Teil des Kraftstoffes dem Zylinder zugeführt wird. Der Kraftstoff kann entweder durch Bereitstellen von zwei separaten Einspritzungen, einer Voreinspritzung, gefolgt von einer Haupteinspritzung, zugeführt werden, oder alternativ kann die Einspritzdüse so angeordnet werden, daß Kraftstoff mit einer anfänglichen niedrigen Geschwindigkeit zugeführt wird, wobei anschließend Kraftstoff mit einer höheren Geschwindigkeit während jeder Einspritzung zugeführt wird.
• Eine Anzahl von Einspritzdüsen mit zwei Geschwindigkeiten sind bekannt, bei denen eine Drosselung zwischen einer Nadel der Einspritzdüse und der Wand definiert wird, die eine Bohrung definiert, innerhalb der die Nadel verschiebbar ist. Bei Benutzung, wenn die Nadel aus ihrem Sitz um ein geringes Maß angehoben wird, wirkt die Drosselung, um die Geschwindigkeit zu begrenzen, mit der Kraftstoff in Richtung des Sitzes zugeführt wird, und daher die Einspritzgeschwindigkeit. Anschließend wird die Nadel aus ihrem Sitz um ein größeres Maß angehoben, wobei eine derartige Bewegung der Nadel den Strömungsquerschnitt durch die Drosselung auf ein ausreichendes Maß erhöht, damit der Kraftstofffluß dort hindurch im wesentlichen nicht gedrosselt wird, so daß folglich der Kraftstoff in Richtung des Sitzes mit einer erhöhten Geschwindigkeit strömen darf, wodurch gestattet wird, daß die Einspritzgeschwindigkeit größer wird.
• Das DE 19520036 offenbart eine derartige Einspritzdüse, bei der, wenn sich die Nadel in ihrer Sitzposition befindet, ein erster Strömungsquerschnitt, der den Fluidstrom drosselt, definiert wird, und, wenn die Nadel von ihrem Sitz beabstandet ist, wird ein zweiter nichtgedrosselter Strömungsquerschnitt definiert.
• Das US 4540126 offenbart eine Kraftstoffeinspritzdüse, bei der in den früheren Stufen der Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffdurchgangsabschnitt kleiner gehalten wird als die gesamte Summe der Schnittflächen der Einspritzdüsenöffnungen. Die Fläche des Kraftstoffdurchganges ist so angepaßt, daß sie sich allmählich als Reaktion auf das Anheben der Düsennadel vergrößert, so daß die Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung allmählich größer wird.
• Bei derartigen Einspritzdüsen mit zwei Geschwindigkeiten, um die Einspritzgeschwindigkeit zu steuern, muß die Geschwindigkeit des Anhebens der Einspritznadel weg von ihrem Sitz genau gesteuert werden, und eine derartige Steuerung ist schwierig übereinstimmend zu erreichen.
• Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Einspritzdüse mit zwei Geschwindigkeiten in einer relativ einfachen Konstruktion bereitzustellen.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Einspritzdüse bereitgestellt, die aufweist: einen Düsenkörper, der mit einer Bohrung versehen ist und einen Sitz definiert; eine Nadel, die innerhalb der Bohrung verschiebbar ist und mit dem Sitz in Eingriff kommen kann, wobei die Nadel eine Druckfläche umfaßt, gegen die der Kraftstoff bei Verwendung mit hohem Druck wirkt, um die Nadel aus ihrem Sitz anzuheben, wobei die Bohrung und die Nadel zusammen eine Drosselung für den Kraftstofffluß zum Sitz definieren, wobei die Drosselung stromaufwärts von der Druckfläche vorhanden ist, worin die Drosselung so angeordnet ist, daß die Durchflußgeschwindigkeit des Kraftstoffes zum Sitz über den Bereich der Bewegung der Nadel aus ihrer Sitzposition in ihre vollständig angehobene Position gedrosselt wird.
• Durch Drosseln der Durchflußgeschwindigkeit zum Sitz über den Bereich der Bewegung der Nadel ist der Kraftstoffdruck, der auf die Druckfläche wirkt, relativ niedrig, während die Nadel aus ihrem Sitz angehoben wird, wodurch die Steuerung der Einspritzdüse vereinfacht werden kann.
• Die Drosseleinrichtung ist zweckmäßigerweise so angeordnet, daß die Geschwindigkeit des Kraftstoffflusses in Richtung des Sitzes durch die Drosseleinrichtung von der Trennung der Nadel vom Sitz abhängig ist. Eine derartige Anordnung ist darin vorteilhaft, daß die anfängliche Einspritzgeschwindigkeit gering ist, wobei die Einspritzgeschwindigkeit zunimmt, während die Einspritzdüse aus ihrem Sitz angehoben wird.
• Die Erfindung wird weiter als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
• Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Einspritzdüse in Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung; und
• Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Einspritzdüse aus Fig. 1.
• Die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulichte Einspritzdüse weist einen Düsenkörper 10 mit einer darin ausgebildeten verdeckten Bohrung auf, wobei ein Nadelventil 12 innerhalb der Bohrung verschiebbar ist. Das Nadelventil 12 umfaßt einen kegelförmigen Endbereich 14, der mit einem Sitz in Eingriff kommen kann, der durch einen Teil der Bohrung angrenzend an deren verdecktes Ende definiert wird. Wie in Fig. 2 veranschaulicht wird, steht das verdeckte Ende der Bohrung mit Austrittsöffnungen 15 in Verbindung, die stromabwärts vom Sitz angeordnet sind.
• Die Bohrung umfaßt einen vergrößerten Bereich, der einen ringförmigen Laufgang 16 definiert, der mit einem Versorgungskanal 18 in Verbindung steht, durch den Kraftstoff mit hohem Druck von einer geeigneten Quelle zugeführt wird.
• Der Düsenkörper 10 stößt an ein erstes Distanzstück 26 an, wobei der Düsenkörper 10 und das erste Distanzstück 26 eine Steuerkammer 20 definieren, die eine Feder 22 aufnimmt. Die Feder 22 wird zwischen einer Stirnfläche der Nadel 12 und dem ersten Distanzstück 26 in Eingriff gebracht, um die Nadel 12 in Richtung des Sitzes vorzuspannen. Die Steuerkammer 20 steht durch einen gedrosselten Kanal 24, der im Düsenkörper 10 bereitgestellt wird, mit dem Zuführkanal 18 in Verbindung. Die Nadel 12 umfaßt einen Vorsprung 25, der als eine Führung für die Feder 22 wirkt, und der ebenfalls als ein Anschlag wirkt, wobei die Bewegung der Nadel 12 durch Eingriff des Vorsprunges 25 mit dem ersten Distanzstück 26 begrenzt wird.
• Ein zweites Distanzstück 34 stößt an die Oberfläche des ersten Distanzstückes 26, die vom Düsenkörper 10 weg liegt, wobei das zweite Distanzstück 34 eine Aussparung umfaßt, die mit dem ersten Distanzstück 26 eine Kammer 28 definiert, die durch einen Kanal 30, der im ersten Distanzstück 26 vorhanden ist, mit der Steuerkammer 20 in Verbindung steht. Das zweite Distanzstück 34 umfaßt außerdem eine Bohrung, die mit der Kammer 28 in Verbindung steht, wobei ein Ventilelement 36 innerhalb der Bohrung verschiebbar ist, wobei ein Ende des Ventilelementes 36 abdichtend mit dem ersten Distanzstück 26 in Eingriff kommen kann. Wie in Fig. 1 veranschaulicht wird, zeigt das Ventilelement 36 eine rohrförmige Form, und wenn das Ventilelement 36 vom ersten Distanzstück 26 weg angehoben wird, steht die Aussparung 28 durch den Kanal, der durch das Ventilelement 36 definiert wird, mit einem geeigneten Niederdruckablaß in Verbindung. Der Eingriff des Ventilelementes 36 mit dem ersten Distanzstück 26 verhindert einen derartigen Kraftstofffluß aus der Kammer 28.
• Das Ende des Ventilelementes 36, das vom ersten Distanzstück 26 abgelegen ist, weist einen daran gesicherten Anker 38 auf, wobei der Anker unter dem Einfluß eines elektromagnetischen Betätigungselementes 44 beweglich ist, um die Bewegung des Ventilelementes 36 zu steuern. Eine Feder spannt das Ventilelement 36 in Eingriff mit dem ersten Distanzstück 26 vor.
• Das elektromagnetische Betätigungselement 44 ist innerhalb einer Aussparung angeordnet, die in einem Düsenhalter 42 vorhanden ist, wobei eine Überwurfmutter 40 in Gewindeeingriff mit dem Düsenhalter 42 ist, um den Düsenkörper 10 und das erste und zweite Distanzstück 26, 34 am Düsenhalter 42 zu sichern. Der Düsenhalter 42 und das erste und zweite Distanzstück 26, 34 umfassen jeweils Bohrungen, die mit dem Zuführkanal 18, der im Düsenkörper 10 vorhanden ist, in Verbindung stehen, wodurch Kraftstoff mit hohem Druck dem Zuführkanal 18 zugeführt wird.
• Wie am deutlischsten in Fig. 2 veranschaulicht wird, umfaßt die Ventilnadel 12 einen ersten Bereich 12a, der einen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen gleich dem der Bohrung ist, wodurch eine im wesentlichen fluiddichte Dichtung zwischen dem ringförmigen Laufgang 16 und der Steuerkammer 20 gebildet wird. Stromabwärts vom ringförmigen Laufgang 16 umfaßt das Ventilelement 12 einen zweiten Bereich 12b, der einen Durchmesser aufweist, der etwas kleiner ist als der des ersten Bereiches 12a. Der zweite Bereich 12b des Ventilelementes ist innerhalb eines Teils der Bohrung mit dem gleichen Durchmesser wie der angeordnet, innerhalb dessen der erste Bereich 12a angeordnet ist. Es wird daher erkannt, daß ein gedrosselter Strömungsweg zwischen dem zweiten Bereich 12b des Ventilelementes 12 und dem Düsenkörper 10 vorhanden ist. Stromabwärts vom zweiten Bereich 12b ist ein dritter Bereich 12c mit verringertem Durchmesser angeordnet, wobei eine kegelstumpfförmige Fläche 12d zwischen dem zweiten Bereich 12b und dem dritten Bereich 12c angeordnet ist. Der kegelförmige Endbereich 14 ist am stromabwärts gelegenen Ende des dritten Bereiches 12c angeordnet. Die Fläche 12d und ein exponierter Teil der kegelförmigen Endfläche 14 bilden Druckflächen, die dem Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrung ausgesetzt sind, wobei der Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrung auf die Druckflächen wirkt, um eine Kraft auf die Nadel 12 auszuüben, was dazu neigt, daß die Nadel von ihrem Sitz weg angehoben wird.
• Bei der Benutzung wird in der Position, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht wird, das elektromagnetische Betätigungselement 44 nicht eingeschaltet, so daß das Ventilelement 36 eine Position einnimmt, in der ein Ende gegen das erste Distanzstück 26 abdichtet. Kraftstoff mit hohem Druck wird der Zuführleitung 18 zugeführt, so daß der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 20 hoch ist. Während das Ventilelement 36 mit dem ersten Distanzstück 26 in Eingriff ist, darf der Kraftstoff nicht aus der Steuerkammer 20 zum Niederdruckablaß fließen. Kraftstoff mit hohem Druck wirkt außerdem gegen die Druckflächen 12d, 14 der Ventilnadel 12, wobei der Kraftstoffdruck in dem Teil der Bohrung stromabwärts vom Bereich 12b der Nadel im wesentlichen gleich dem innerhalb des Zuführkanals 18 ist. Die Fläche der Ventilnadel 12, die dem Druck innerhalb der Steuerkammer 20 ausgesetzt ist, ist bedeutend größer als die wirksame Fläche der Druckflächen 12d, 14, und außerdem führt die Bereitstellung der Feder 22 innerhalb, der Steuerkammer 20 dazu, daß die Nadel 12 eine Position einnimmt, in der deren Ende 14 mit ihrem Sitz in Eingriff kommt. Kraftstoff darf daher nicht zu den Austrittsöffnungen 15 fließen, und die Einspritzung findet nicht statt.
• Um mit der Einspritzung zu beginnen, wird das Betätigungselement 44 eingeschaltet, um das Ventilelement 36 vom ersten Distanzstück 26 weg anzuheben. Eine derartige Bewegung des Ventilelementes 36 gestattet, daß der Kraftstoff aus der Steuerkammer 20 durch die Öffnung 30 und die Aussparung 28 zum Niederdruckablaß fließt. Während der Kraftstoff aus der Steuerkammer 20 austreten darf und der Kraftstofffluß zur Steuerkammer 20 durch den gedrosselten Kanal 24 gedrosselt wird, sinkt der Druck innerhalb der Steuerkammer 20 ab, wodurch die Kraft, die auf die Ventilnadel 12 wirkt, wobei die Ventilnadel in einen Eingriff mit ihrem Sitz getrieben wird, absinkt, und es wird ein Punkt erreicht, über den hinaus der Druck, der gegen die Druckflächen 12d, 14 wirkt, ausreichend ist, um die Ventilnadel 12 von ihrem Sitz weg anzuheben. Eine derartige Bewegung der Ventilnadel gestattet, daß der Kraftstoff zu den Austrittsöffnungen 15 fließt, und daß daher die Einspritzung beginnt.
• Bevor die Ventilnadel 12 mit der Bewegung weg von ihrem Sitz beginnt, ist der Druck stromaufwärts vom Sitz im wesentlichen gleich dem innerhalb des Zuführkanals 18. Während sich die Nadel 12 von ihrem Sitz weg bewegt, beginnt der Kraftstoff durch die Austrittsöffnungen 15 zu fließen, und gleichzeitig führt die Bewegung der Ventilnadel 12 dazu, daß das für den Kraftstoff verfügbare Volumen stromabwärts von der Drosselung größer wird. Während der Kraftstofffluß zu dem Teil der Bohrung stromabwärts von der Drosselung durch die Drosseleinrichtung begrenzt wird, führt die Zunahme des Volumens zusammen mit dem Kraftstofffluß durch die Austrittsöffnungen 15 dazu, daß der auf die Druckflächen 12d, 14 angewandte Druck absinkt. Die Kraft, die die Nadel 12 von ihrem Sitz wegtreibt, wird daher verringert. Es wird erkannt, daß die Geschwindigkeit der Bewegung der Nadel 12 von ihrem Sitz weg in gewissem Maß selbstregulierend ist; je höher die Geschwindigkeit der Nadelbewegeung ist, desto größer ist die Geschwindigkeit der Abnahme des Druckes, der auf die Druckflächen wirkt, folglich desto niedriger ist die Kraft, die die Ventilnadel von ihrem Sitz wegtreibt. Die Einspritzgeschwindigkeit während dieser Phase der Einspritzung wird verringert, sowohl infolge dessen, daß der Strömungsquerschnitt über den Sitz hinaus gedrosselt wird, als auch weil der darauf angewandte Kraftstoffdruck verringert wird.
• Sobald die Nadel 12 vollständig aus ihrem Sitz angehoben ist, wobei das Ende der Nadel mit dem Distanzstück 26 in Eingriff kommt, wird die erforderliche Durchflußgeschwindigkeit durch die Drosselung, um den Druck stromabwärts von der Drosselung aufrechtzuerhalten, verringert, während das Volumen stromabwärts von der Drosselung nicht mehr größer wird. Der Druck stromabwärts von der Drosselung steigt daher auf ein Niveau an, das größer ist als das, das während der Bewegung der Nadel weg von ihrem Sitz erreicht wird, aber niedriger als der Druck im Zuführkanal 18. Der Druck stromabwärts von der Drosselung während der Bewegung der Ventilnadel, und während die Ventilnadel ihre vollständig angehobene Position einnimmt, ist von den relativen Strömungsquerschnitten der Drosselung und der Austrittsöffnungen 15 abhängig. Es wird in Betracht gezogen, daß der Strömungsquerschnitt der Drosselung annähernd das 2-fache des Strömungsquerschnittes der Austrittsöffnungen betragen wird.
• Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird das Betätigungselement 44 abgeschaltet, was dazu führt, daß das Ventilelement 36 in die gezeigte Position zurückkehrt, in der es mit dem ersten Distanzstück 26 in Eingriff kommt. Eine derartige Bewegung des Ventilelementes 36 unterbricht die Verbindung zwischen der Steuerkammer 20 und dem Niederdruckablaß, und die Zuführung von Kraftstoff zur Steuerkammer 20 über den gedrosselten Strömungsweg 24 führt dazu, daß der Druck innerhalb der Steuerkammer ansteigt. Der erhöhte Druck innerhalb der Steuerkammer 20 ist ausreichend, um eine Kraft auf die Nadel 12 von ausreichender Größe anzuwenden, die dazu führt, daß die Nadel 12 in die in den Zeichnungen gezeigte Position zurückkehrt, in der sie mit dem Sitz in Eingriff ist. Eine derartige Bewegung der Nadel 12 erfolgt relativ schnell, da der auf die Druckflächen 12d, 14 angewandte Druck infolge des gedrosselten Strömungsweges zwischen dem zweiten Bereich 12b und dem Düsenkörper 10 gedrosselt wird. Da nur ein geringer Anstieg des Druckes, der an der Steuerkammer 20 angewandt wird, erforderlich ist, um zur Bewegung der Ventilnadel 12 in Eingriff mit ihrem Sitz zu führen, ist die Steuerung der Einspritzdüse relativ einfach.
• Sobald die Ventilnadel 12 in Eingriff mit ihrem Sitz zurückgekehrt ist, führt der Kraftstofffluß am zweiten Abschnitt 12b vorbei dazu, daß der Druck, der an der Druckfläche 12d und einem Teil der Druckfläche 14, die dem Druck innerhalb der Bohrung ausgesetzt ist, zur Anwendung kommt, auf den Druck des Kraftstoffes innerhalb der Zuführleitung 18 ansteigt, und daß danach die Einspritzdüse für den Beginn eines folgenden Einspritzzyklusses bereit ist.
• Wie in Fig. 2 gezeigt wird, ist die Bohrung mit einem Bereich 46 von vergrößertem Durchmesser stromabwärts vom zweiten Bereich 12b versehen, und man glaubt, daß eine geeignete Auswahl des Volumens des Bereiches 46 angewandt werden kann, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit der sich die Ventilnadel von ihrem Sitz weg bewegt, wobei die Kammer im wesentlichen als ein Speicher wirkt. Wo beispielsweise die Kammer ein relativ großes Volumen aufweist, ist die Zunahme des für den Kraftstoff verfügbaren Volumens relativ gering, verglichen mit dem Gesamtvolumen und wird daher nicht zu einer bedeutenden Veränderung des Druckes führen, der an den Druckflächen zur Anwendung kommt. Wenn der Speicher von vernachlässigbarem Volumen wäre, würde eine derartige Bewegung der Ventilnadel zu einer größeren Veränderung des Druckes führen, der an den Druckflächen zur Anwendung kommt. Man glaubt außerdem, daß durch Vergrößern des Volumens des ringförmigen Laufganges 16 der Einfluß der Druckschwankungen, die im Zuführkanal 18 während der Einspritzung auftreten, verringert werden kann.
• Obgleich bei der hierin vorangehend vorgelegten Beschreibung die Drosselung die Form eines ringförmigen Strömungsweges von relativ kleiner Querschnittsfläche annimmt, könnte die Drosselung erhalten werden, indem die axiale Länge des ersten Bereiches 12a verlängert und der zweite Bereich 12b weggelassen wird, wobei die Druckfläche 12d die Grenze zwischen dem ersten Bereich 12a und dem dritten Bereich 12c definiert, und indem die Querschnittsform des ersten Bereiches 12a verändert wird, beispielsweise, indem eine oder mehrere Nuten, ein Bereich, der einen unterschiedlichen Krümmungsradius zur Bohrung aufweist, oder eine flache Fläche darin bereitgestellt wird, um einen Strömungsweg zwischen dem Laufgang 16 und dem Teil der Bohrung stromabwärts von der Druckfläche 12d zu definieren.
• Die hierin vorangehend beschriebene Einspritzdüse ist für eine Verwendung in einem Kraftstoffsystem der Ausführung beabsichtigt, bei der der Zuführleitung 18 kontinuierlich Kraftstoff mit hohem Druck zugeführt wird, wobei ein derartiges Kraftstoffsystem als ein Kraftstoffsystem mit einem gemeinsamen Verteilerrohr bekannt ist. Es wird erkannt werden, daß die Erfindung ebenfalls bei Pumpeneinspritzdüsenanordnungen anwendbar ist, bei denen eine separate Pumpe einen Teil der Einspritzdüse bildet und Kraftstoff mit hohem Druck der Einspritzdüsennadel zu einem geeigneten Zeitpunkt im Einspritzzyklus zuführt. Die Erfindung ist ebenfalls bei Einspritzdüsen anwendbar, die nicht elektronisch gesteuert werden, wobei die Einspritzdüsen so angeordnet sind, daß sie nur durch den Einsatz von Kraftstoff mit hohem Druck geöffnet werden.

Claims (8)

1. Einspritzdüse, die aufweist: einen Düsenkörper (10), der mit einer Bohrung versehen ist und einen Sitz definiert; eine Nadel (12), die innerhalb der Bohrung verschiebbar ist und mit dem Sitz in Eingriff kommen kann, um den Kraftstofffluß zu einer Austrittsöffnung (15) zu steuern, wobei die Nadel (12) eine Druckfläche (12d, 14) umfaßt, gegen die der Kraftstoff bei Verwendung mit hohem Druck wirkt, um die Nadel (12) aus ihrem Sitz anzuheben, wobei die Bohrung und die Nadel (12) zusammen eine Drosselung für den Kraftstofffluß zum Sitz definieren, wobei die Drosselung stromaufwärts von der Druckfläche (12d, 14) vorhanden ist, worin die Drosselung so angeordnet ist, daß die Durchflußgeschwindigkeit des Kraftstoffes zum Sitz durch den Bereich der Bewegung der Nadel (12) aus ihrer Sitzposition in ihre vollständig angehobene Position gedrosselt wird.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, bei der die Drosselung so angeordnet ist, daß die Geschwindigkeit des Kraftstoffflusses zum Sitz durch die Drosselung vom Abstand der Nadel (12) vom Sitz abhängig ist.

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Strömungsquerschnitt der Drosselung im wesentlichen gleich dem 2-fachen des der Austrittsöffnung (15) ist.

4. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Bohrung und die Nadel (12) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Drosselung einen Strömungsquerschnitt von ringförmiger Form aufweist.

5. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der mindestens eine von Nadel (12) und Bohrung eine nichtkreisförmige Form aufweist.

6. Einspritzdüse nach Anspruch 5, bei der mindestens eine Nut in mindestens einer von Nadel (12) und Bohrung vorhanden ist.

7. Einspritzdüse nach Anspruch 5, bei der mindestens eines von Nadel (12) und Bohrung einen flachen Bereich umfaßt.

8. Einspritzdüse nach Anspruch 5, bei der mindestens eine von Nadel (12) und Bohrung einen Krümmungsradiusbereich umfaßt, der von dem des verbleibenden abweicht.