EP1269008A1

EP1269008A1 - Einspritzventil mit bypassdrossel

Info

Publication number: EP1269008A1
Application number: EP01919177A
Authority: EP
Inventors: Dirk Baranowski; Wendelin KLÜGL; Gerd Schmutzler; Joachim Wagner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: US7575180B2; US6789743B2; DE10015268A1; EP1269008B1; US20030025005A1; DE50106789D1; WO2001073287A1; US20040155123A1

Abstract

Das Einspritzventil weist eine Steuerkammer (15) mit einem Steuerkolben (16) auf, der in Wirkverbindung mit einer Düsennadel (35) steht. Die Steuerkammer (15) ist über eine Zulaufdrossel (13) mit Kraftstoff unter hohem Druck und mit einer Ablaufdrossel (14) mit einer Ventilkammer (9) verbunden. In der Ventilkammer (9) ist ein Servoventil (5) angeordnet, das in Abhängigkeit von seiner Position eine Verbindung zwischen der Ventilkammer (9) und einem Rückfluss (40) öffnet. Weiterhin ist eine Bypassdrossel (12) vorgesehen, die zwischen der Kraftstoffzuleitung und der Ventilkammer angeordnet ist.

Description

Beschreibung

Einspritzventil mit Bypaßdrossel

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei einem Common Rail Einspritzsystem wird der Kraftstoff mit einem Druck von bis zu 2.000 bar in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Der hohe Kraftstoffdruck erfordert eine präzise Steuerung der Einspritzzeit und der Einspritzmenge. Weiterhin ist es für

Brennkraftmaschinen, die mit Dieselkraftstoff betrieben werden, notwendig eine exakte Voreinspritzung mit einer geringen Kraftstoffmenge durchzufuhren, um das Geräusch der Brenn- kraftmaschine und auch den Schadstoffausstoß zu minimieren. Aus den genannten Gründen ist es erforderlich, das Einspritzventil sehr präzise abzustimmen, damit eine optimale Einspritzverlaufformung erreicht wird.

Aus dem Artikel „A Common Rail Injection System For High Speed Direct Injection Diesel Engines" , SAE paper 980803, von N. Guerrassi et al., ist ein Kraftstoffemspritzventil für ein Common Rail Einspritzsystem bekannt, das eine Steuerkammer aufweist, die von einer Kraftstoffleitung über eine Zulaufdrossel mit Kraftstoff versorgt wird. Die Steuerkammer steht über eine Ablaufdrossel mit einer Ablaufleitung in Verbindung, die über ein elektromagnetisches Ventil mit einem Kraftstoffreservoir verbindbar ist. Weiterhin ist eine By- passdrossel vorgesehen, die eine Verbindung zwischen der Kraftstoffleitung und der Ablaufleitung schafft. Die Steuer- kammer wird von einer Dusennadel begrenzt, die axial beweglich in einem Dusenkorper angeordnet ist. Die Dusennadel ist durch eine Dusenkammer gefuhrt, die mit der Kraftstoffleitung in Verbindung steht. Weiterhin weist die Dusennadel Druckflachen auf, die mit dem Kraftstoffdruck, der in der Dusenkammer herrscht, beaufschlagt sind und die Dusennadel in Richtung auf die Steuerkammer mit Kraft beaufschlagen. In der Steuerkammer ist eine Dusenfeder vorgesehen, die die Dusennadel in Richtung auf ihren Dichtsitz vorspannt. Der Druck in der Druckkammer wird abhangig von der Offnungsposition des elektromagnetischen Ventils gesteuert. Ist das Ventil geöffnet, so fließt Kraftstoff aus der Druckkammer über die Ablaufdrossel ab und zugleich fließt weniger Kraftstoff über die Zulaufdrossel zu, so dass der Druck in der Steuerkammer sinkt. Als Folge davon wird die Dusennadel m Richtung auf die Dusenkammer bewegt, wobei die Dusennadel mit ihrer Spitze von einem Dichtsitz abhebt und eine Verbindung zwischen der Kraftstoff- leitung und Einspritzlochern freigibt.

Wird nun das elektromagnetische Ventil geschlossen, so strömt sowohl über die Zulaufdrossel als auch über die Bypassdrossel und die Ablaufdrossel Kraftstoff in die Steuerkammer. Auf diese Weise wird der Druck in der Steuerkammer schnell erhöht, so dass die Dusennadel relativ schnell auf ihren Dicht- sitz im Dusenkorper gedruckt wird und damit die Einspritzung schnell endet.

Das beschriebene Einspritzventil weist den Nachteil auf, dass sich die Dusenfeder in der Steuerkammer befindet und damit eine relativ große Steuerkammer notwendig ist, die ein großes Schadvolumen darstellt. Weiterhin ist durch den Einbau der Dusenfeder m der Steuerkammer die Gefahr gegeben, dass beim Einbau Schmutzpartikel in die Steuerkammer gelangen und sich m der Ablaufdrossel festsetzen und die Funktionsfahigkeit des Einspritzventils beeinträchtigen. Kavitationsblasen, die m der Zulaufdrossel entstehen, können die Dusenfeder beschädigen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Emspritzventil mit einem einfacheren Aufbau bereitzustellen, bei dem die Funktionsweise der hydraulischen Steuerung nicht beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost. Vorzugsweise ist ein Teil der Ruckleitung als Ventilkammer ausgebildet, in der eine Bypassdrossel mundet. Auf diese Wiese wird ein kompakter Aufbau des Einspritzventils erreicht.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindungen sind in den abhangigen Ansprüchen angegeben. Vorzugsweise ist eine Kammer, durch die eine Koppelstange gefuhrt ist, die einen Steuerkolben mit der Dusennadel verbindet, direkt mit der Kraft- stoffleitung verbunden, die Kraftstoff unter hohen Druck fuhrt. Zudem ist keine Leckageleitung an die Kammer angeschlossen. Auf diese Weise wird eine Leckage über die Kammer weitgehend vermieden.

Ein vorteilhafter Aufbau des Emspritzventils wird dadurch erreicht, dass die Steuerkammer von einem Steuerkolben begrenzt wird, der über eine Stange mit der Dusennadel in Wirkverbindung steht. Die Stange ist dabei durch eine Kammer gefuhrt, m der eine Nadelfeder zur Vorspannung der Dusennadel angeordnet ist. Auf diese Weise ist die Steuerkammer frei von beweglichen Teilen, so dass eine Verschmutzung der Steuerkammer durch eingebrachte Bauteile ausgeschlossen ist. Zudem kann die Steuerkammer besonders blem ausgeführt werden, wodurch das Totvolumen bein Ansteuern der Dusennadel reduziert ist.

Der Querschnitt des Steuerkolbens ist vorzugsweise gleich dem Querschnitt des geführten Bereichs der Dusennadel ausgebildet. Auf diese Weise ist nur eine Fuhrung zu fertigen, wo- durch das Emspritzventil kostengünstig ist.

Vorzugsweise ist m der Ventilkammer ein Schließglied eingebracht, das gegen einen Dichtsitz von einer Feder vorgespannt ist, die ebenfalls in der Ventilkammer angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur naher erläutert. Die Figur zeigt den schematischen Aufbau eines Ein- spπtzventils für em Common Rail Einspritzsystem. Das Emspritzventil weist em Gehäuse 29 auf, das über eine Zuleitung 30 mit einem KraftstoffSpeicher 10 in Verbindung steht. Der KraftstoffSpeicher 10 wird beispielsweise von einer re- gelbaren Hochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt. Die Zuleitung 30 ist zu einer Kraftstoffleitung 11 im Gehäuse 29 gefuhrt. Die Kraftstoffleitung 11 steht direkt mit einer Dusenkammer 20 m Verbindung, die in einen Emspritzraum 31 mundet, von dem aus Einspritzlocher 22 ausgehen. Die Dusenkammer 20 und der Emspritzraum 31 sind m einem Dusenkorper 39 eingebracht, der sich an der unteren Spitze des Emspritzventils befindet. Im Emspritzraum 31 ist ein zweiter Dichtsitz 21 angeordnet, mit dem im geschlossenen Zustand eine Dusennadel 32 mit einer Nadelspitze 19 aufliegt. Die Nadelspitze 19 steht mit einem Fuhrungsabschnitt 18 n Verbindung, der in Form eines Zylinders ausgebildet ist.

Der Fuhrungsabschnitt 18 ist m einer Fuhrungsbohrung 33 des Emspritzventils langsbeweglich gefuhrt. Die Fuhrungsbohrung 33 ist m Form einer zylmderformigen Ausnehmung m das Gehäuse 29 eingebracht. Die Fuhrungsbohrung 33 mundet auf einer Seite m die Dusenkammer 20 und auf der anderen Seite in eine Durchgangsbohrung 34, die ebenfalls zylmderformig ausgebildet ist und vorzugsweise einen kleineren Querschnitt als die Fuhrungsbohrung 33 aufweist. Vorzugsweise sind Nuten 40 vorgesehen, die die Dusenkammer 20 mit der Kammer 25 verbinden. Die Durchgangsbohrung 34 mundet wiederum in eine Kammer 25, die ebenfalls zylmderformig ausgebildet ist und einen größeren Querschnitt als die Fuhrungsbohrung 33 aufweist. In der Durchgangsbohrung ist em Koppelstuck 35 angeordnet, das auf dem Fuhrungsabschnitt 18 aufliegt. In der Kammer 25 ist eine Koppelstange 17 angeordnet, die mit einer Platte 23 auf dem Koppelstuck 35 aufliegt. Die Platte 23 ist kreisförmig ausgebildet und weist einen größeren Querschnitt als die zylinder- formige Koppelstange 17 auf. Die Platte 23 weist die Funktion eines Stutzkragens für die Nadelfeder 24 auf. Alternativ zu den Nuten 40 kann die Fuhrung 18 der Dusennadel auch ganz entfallen, so dass em kreisförmiger Hohlraum zwischen Dusennadel 32 und Gehäuse 29 die Dusenkammer 20 mit der Kammer 25 verbindet. Ferner kann die Kammer 25 auch über eine Verb dungsleitung 26 direkt mit der Hochdruckleitung 11 verbunden werden.

Die Kammer 25 mundet auf der Seite, die der Durchgangsbohrung 34 gegenüberliegt, in eine zweite Fuhrungsbohrung 36. Die zweite Fuhrungsbohrung 36 weist ebenfalls eine Zylinderform auf. In der zweiten Fuhrungsbohrung 36 ist em zylmderforanger Steuerkolben 16 Längsrichtung beweglich angeordnet, der mit der Koppelstange 17 verbunden ist. Zwischen dem oberen Ende des Steuerkolbens 16 und dem Gehäuse 29 ist in der zweiten Fuhrungsbohrung 36 eine Steuerkammer 15 ausgebildet.

In der Kammer 25 ist eine Nadelfeder 24 angeordnet, die die Koppelstange 17 umfasst und zwischen der Platte 23 und einer Stufe 37 angeordnet ist, wobei die Stufe 37 in dem Ubergangs- bereich zwischen der Kammer 25 und der zweiten Fuhrungsbohrung 36 angeordnet ist. Die zweite Fuhrungsbohrung 36 weist einen kleineren Durchmesser als die Kammer 25 auf. Die Funktionsweise der Nadelfeder 24 besteht darin, dass die Nadelfeder 24 die Dusennadel 32 mit der Nadelspitze 19 auf den zwei- ten Dichtsitz 21 vorspannt. Die Kammer 25 ist vorzugsweise u- ber eine Verbmdungsleitung 26 mit der Kraftstoffleitung 11 verbunden.

Die Steuerkammer 15 steht über eine Zulaufdrossel 13 mit der Kraftstoffleitung 11 und über eine Ablaufdrossel 14 mit einer Ventilkammer 9 in Verbindung. Der Querschnitt der Zulaufdrossel 13 ist kleiner als der Querschnitt der Ablaufdrossel 14. In der Ventilkammer 9 ist em Schließglied 6 und eine Ventil- feder 8 angeordnet, wobei das Schließglied 6 von der Ventil- feder 8 m Richtung auf einen Dichtsitz 7 vorgespannt ist.

Das Schließglied 6 und der Dichtsitz 7 stellen em Servoven- til 5 dar. Die Ventilkammer 9 steht über eine Ablaufbohrung 38 mit einem Rucklauf 40 Verbindung. Weiterhin ist eine Bypassdrossel 12 m Form einer Bohrung vorgesehen, die die Kraftstoffleitung 11 mit der Ventilkammer 9 verbindet. Die Leitungen zwischen der Steuerkammer 15 und dem Servoventil 6 stellen die Ruckleitung 27 dar. In der Abiaufbohrung 38 ist em Ventilkolben 4 gefuhrt, der mit einem Aktor 3 verbunden ist. Der Ventilkolben 4 liegt mit einer Druckflache auf einer zugeordneten Druckflache des Schließgliedes 6 auf. Der Aktor 3 steht über elektrische Anschlüsse 2 mit einem Steuergerat 1 in Verbindung.

Das Emspritzventil funktioniert wie folgt: Im Kraftstoffspeicher 10 befindet sich Kraftstoff mit hohem Druck, so dass bei einem geschlossenen Servoventil 5, bei dem das Schließ- glied 6 am Dichtsitz 7 anliegt, in der Ventilkammer 9, m der Steuerkammer 15, in der Dusenkammer 20, im Emspritzraum 31 und in der Kammer 25 Kraftstoff mit hohem Druck vorhanden ist. Da die Flache, mit der der Steuerkolben 16 an die Steuerkammer 15 grenzt, großer ist als die Flache, die von der Dusennadel 32 mit Druck m Richtung auf die Steuerkammer 15 beaufschlagt wird und zusätzlich die Vorspannkraft der Nadelfeder 24 die Dusennadel 32 auf den Dichtsitz 21 druckt, sitzt die Dusennadel 22 auf dem Dichtsitz 21 auf und trennt den Emspritzraum 31 von den Einspritzlochern 22. Somit erfolgt keine Einspritzung.

Soll nun eine Einspritzung erfolgen, so steuert das Steuergerät 1 den piezoelektrischen Aktor 3 m der Weise an, dass sich der Aktor 3 auslenkt und über den Ventilkolben 4 das Schließglied 6 vom Dichtsitz 7 abhebt. Als Folge davon fließt über die Ablaufdrossel 14 aus der Steuerkammer 15 mehr Kraftstoff ab, als über die Zulaufdrossel 13 zufließt. Der Kraftstoff fließt über die Ablaufdrossel 14 in die Ventilkammer 9 und weiter über die Abiaufbohrung 38 in die Ruckleitung 27 zu einem Kraftstoffreservoir . Als Folge davon sinkt der Druck in der Steuerkammer 15. Der Druck in der Dusenkammer 20 bleibt weiterhin auf dem Niveau der Kraftstoffleitung 11. Als Folge davon überwiegt die Kraft, die die Dusennadel 32 vom zweiten Dichtsitz 21 abhebt, so dass die Dusennadel 32 den zweiten Dichtsitz 21 freigibt und eine Verbindung zwischen dem Einspritzraum 31 und den Einspritzlochern 22 öffnet. Somit wird Kraftstoff aus dem Emspritzraum 31 über die Einspritzlocher 22 abgegeben.

In dieser Position fließt auch über die Bypassdrossel 12 Kraftstoff in die Ventilkammer 9 und über die Abiaufbohrung 38 zur Ruckleitung 27.

Soll nun die Einspritzung beendet werden, so steuert das Steuergerat 1 den piezoelektrischen Aktor 3 in der Weise an, dass sich der Aktor 3 verkürzt. Somit wird das Schließglied 6 wieder von der Ventilfeder 8 auf den Dichtsitz 7 gedruckt, so dass die Verbindung zur Ruckleitung 27 unterbrochen ist. Über die Bypassdrossel 12 fließt weiterhin Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung 11 in die Ventilkammer 9 und von der Ventilkammer 9 über die Ablaufdrossel 14 in die Steuerkammer 15. Zugleich fließt über die Zulaufdrossel 13 Kraftstoff von der Kraftstoffleitung 11 in die Steuerkammer 15. Somit wird schnell wieder ein hoher Kraftstoffdruck m der Kraftstoffkammer 15 erreicht, so dass die Dusennadel 32 von dem Druck, der in der Steuerkammer 15 herrscht, wieder auf den zweiten Dichtsitz 21 gedruckt wird. Folglich wird die Verbindung zwischen dem Einspritzraum 31 und den Einspritzlochern 22 unterbrochen.

Durch die Anbmdung der Kammer 25 an den Druck der Kraft- Stoffleitung 11 über die Verbindungsleitung 26 oder die Nuten 40 wird eine hydraulische Anbindung der Kammer 25 erreicht. Dadurch wird eine besonders reibungsarme Bewegung der Dusennadel 32 möglich. Zudem tritt eine Leckage über die Kammer 25 m Richtung Steuerkammer 15 nur dann auf, wenn das Servoven- til 5 geöffnet ist und em geringer Druck m der Steuerkammer 15 herrscht. Weiterhin hat die Anbindung der Kammer 25 an die Kraftstoffleitung 11 den Vorteil, dass die Fuhrungspassung zwischen dem Fuhrungsabschnitt 18 und der Fuhrungsbohrung 33 nicht so präzise sein müssen, da keine Abdichtung zwischen der Dusenkammer 20 und der Kammer 25 notwendig ist. Diese ermöglicht eine Kosteneinsparung bei der Herstellung des Ein- spritzventils .

Die Fuhrungspassung zwischen dem Steuerkolben 16 und der zweiten Fuhrungsbohrung muss weiterhin sehr präzise gefertigt sein, um eine Abdichtung zwischen der Steuerkammer 15 und der Kammer 25 zu gewährleisten.

Em Ziel der Anmeldung ist es, Dauerleckage zu vermeiden. Dazu wird die Kammer 25, die die Nadelfeder enthalt, entlang der Fuhrung der Dusennadel mit dem Hochdruck in der Dusenkam- mer verbunden. Die einzige hydraulisch wirksame Kolbenflache, die die Bewegung der Dusennadel steuert, ist damit der Querschnitt der Fuhrung des Steuerkolbens. Bei geöffneter Nadel und geschlossenem Servoventil sind die Druckkräfte, die auf den Verband aus Nadel und Steuerkolben wirken, beinahe ausge- glichen. Der Schließvorgang wird im wesentlichen durch die Nadelfeder eingeleitet. Um durch die abwärts gerichtete Schließbewegung von Nadel und Steuerkolben keinen zu großen Druckeinbruch im Steuerraum zu bekommen, wird die Bay- passdrossel angeordnet. Die Bypassdrossel ist für das Offnen der Dusennadel ohne Bedeutung, wenn sie klein genug ausgeführt wird, um den Druckabbau über das Servoventil 5 nicht zu beeinträchtigen. Beim Schließen dient sie als zusatzliche Zulaufdrossel, mit der sich über die Ablaufdrossel die Steuerkammer befullen lasst. Die Kombination einer einzigen hydrau- lisch aktiven Fuhrung der Nadel zur Vermeidung der Dauerleckage einerseits, und der Bypassdrossel zur Verbesserung der Funktion andererseits, bedingt folgende Vorteile:

• Keine Dauerleckage außerhalb des Schaltvorgangs/Em- spπtzvorgangs des Emspritzventils, da die Kammer unter Hochdruck steht;

• Beibehaltung einer separaten Kammer für die Nadelfeder, wodurch em kleines Steuerraumvolumen, d. h. geringer Schadraum erreicht wird.

Vermeidung von Schmutzproblemen am Servoventil bzw. von Kavitationsschaden an der Feder;

• Einbeziehung der Kammer 25 in das Hochdruckvolumen der Dusenkammer, wodurch eine Vergrößerung des Hochdruckvolumens vor der D se erreicht wird;

Verringerung des Druckeinbruchs infolge der Kompressibilität von Dieselöl in der Hochdruckleitung nach dem Offnen; Verbesserung der Zerstäubung des Dieselöls in den Einspritzlochern nach dem Offnen, da mehr Druck zur Verfugung steht;

• Nur eine genau zu fertigende Fuhrung der Dusennadel;

• Verwendung einer Bypassdrossel zur Unterstützung des Schließvorgangs der Dusennadel;

• Einbeziehung der Hochdruckkammer, die das Servoventil und die Ventilfeder enthalt, in die Ausfuhrung der Bypassdrossel .

Aufgrund der Arbeitsweise des Piezoaktors ist es von Vorteil, ein nach innen (gegen den Hochdruck arbeitendes) Servoventil zu verwenden. Die entstehende Kammer kann als Ablaufleitung verwendet werden, um die Hochdruckleitung über die Bypassdrossel mit dem Auslauf der Ablaufdrossel zu verbinden.

Claims

Patentansprüche

1. Einspritzventil mit einer Kraftstoffleitung, die über eine Zulaufdrossel zu einer Steuerkammer gefuhrt ist, - mit einer Ablaufdrossel, die eine Ruckleitung mit der Steuerkammer verbindet, mit einem Steuerventil, das in der Ruckleitung vor einem Rucklauf geschaltet ist, mit einer Bypassdrossel, die die Kraftstoffleitung mit der Ruckleitung verbindet, mit einer Dusennadel, die in einer Dusenkammer beweglich angeordnet ist, wobei die Dusenkammer mit der Kraftstoffleitung in Verbindung steht, wobei die Dusennadel (32) mit einem Steuerkolben (16) in Verbindung steht, wobei der Steuerkolben (16) die Steuerkammer (15) begrenzt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Teil der Ruckleitung (27) als Ventilkammer (9) ausgebildet ist, und das die Bypassdrossel (12) in die Ven- tilkammer (9) mundet.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (16) über eine Stange (17) mit der Dusennadel (32) verbunden ist, und dass die Stange (17) durch eine Kammer (25) geführt ist.

3. Emspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (25) mit der Kraftstoffleitung (11) verbunden ist.

4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Steuerkolbens (16) gleich dem Querschnitt des geführten Bereichs (18) der Dusennadel (32) ist.

5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ventilkammer (9) ein Schließglied (6) angeordnet ist, das gegen einen Dichtsitz (7) von einer Feder (8) vorgespannt ist.

6. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Nuten (40) vorgesehen sind, die die Düsenkammer (20) mit der Kammer (25) verbinden.

7. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (25) eine Feder (24) angeordnet ist, die die Düsennadel (32) in Richtung auf einen Dichtsitz (21) vorspannt.