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Dokumentenidentifikation DE10039543C2 18.06.2003
Titel Einspritzventil
Anmelder Conti Temic microelectronic GmbH, 90411 Nürnberg, DE
Erfinder Erhardt, Wolfgang, Dipl.-Ing.(FH), 91560 Heilsbronn, DE;
Krell, Stephan, Dipl-Phys.Dr., 91126 Schwabach, DE
DE-Anmeldedatum 12.08.2000
DE-Aktenzeichen 10039543
Offenlegungstag 28.02.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.06.2003
IPC-Hauptklasse F02M 51/06

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Um den Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen, werden zunehmend Einspritzventile eingesetzt, denen der von einer Kraftstoffpumpe bereitgestellte Kraftstoff unter hohem Druck zugeführt wird. Über eine Kraftstoffleitung gelangt der Kraftstoff an die Einspritzdüse, wobei die Injektion des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum über die Betätigung einer Düsennadel der Einspritzdüse entweder mittels einer nach außen öffnenden Einspritzdüse ("A-Düse") oder einer nach innen öffnenden Einspritzdüse ("I-Düse") erfolgt. Zur Betätigung der Düsennadel sind Aktoren vorgesehen (bsp. piezoelektrische Aktoren oder magnetostriktive Aktoren), die in der Regel mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden und sich hierdurch entsprechend ausdehnen oder entspannen; die Düsennadel kann entweder direkt oder indirekt vom Aktor betätigt werden. Der Hub des Aktors kann bei sich ändernden Systemeigenschaften des Einspritzventils oder variierenden äußeren Bedingungen (bsp. Temperaturschwankungen), insbesondere durch unterschiedliche Wärmedehnungen der einzelnen Komponenten des Einspritzventils, beeinträchtigt werden. Um ein in der Serie reproduzierbares und im gesamten Temperaturbereich stabil arbeitendes Einspritzventil zu realisieren, ist deshalb ein Toleranz- und Temperaturausgleich erforderlich. In der nicht vorveröffentlichten DE 100 07 735 A1 ist dieser Toleranz- und Temperaturausgleich als Ventilspielausgleich ausgebildet und auf der Oberseite des Aktors, also entgegengesetzt zu der der Düsennadel zugewandten Unterseite des Aktors, angeordnet. Der Ventilspielausgleich besitzt eine mit Kraftstoff unter niedrigem Druck gefüllte Druckkammer und einen mit der Druckkammer verbundenen Ausgleichskolben. Hierbei tritt jedoch bei einer Entspannung des Aktors (und der hierdurch bedingten Bewegung des Ausgleichskolbens) aufgrund von Schwingungen des durch den Ausgleichskolben, einer Kolbenfeder und den Kraftstoff in der Druckkammer gebildeten Feder-Masse-Systems eine starke Entspannung des Kraftstoffs in der Druckkammer auf, der Unterdruck in der Druckkammer verbunden mit der Gefahr von Kavitation zur Folge hat. Dies kann insbesondere im Dauerbetrieb des Einspritzventils bei einer hohen Anzahl an Einspritzvorgängen Probleme verursachen, so daß ein störungsfreier Betrieb des Einspritzventils nur bedingt und kurzfristig gewährleistet ist.

Aus der DE 35 33 085 A1 ist ein Einspritzventil für Kraftstoff-Einspritzsysteme in Brennkraftmaschinen bekannt, das einen Ventilspielausgleich zur Kompensation von Längenänderungen eines piezoelektrischen Aktors mittels eines infolge Temperaturänderungen bewegten Dämpfungskolbens aufweist, bei dem ein von der Stirnseite eines Dämpfungskolbens begrenzter Dämpfungsraum über einen Drosselspalt mit einem Ausgleichsraum in Verbindung steht.

Des gleichen ist aus der DE 29 31 874 A1 ein elektrisch betätigbares Ventil mit einem Ventilspielausgleich bekannt, bei dem ein in einer Dämpferkammer längsverschieblicher Dämpferkolben vorgesehen ist.

Schließlich ist aus der JP 62 199 963 A ein Einspritzventil mit einem Ventilspielausgleich bekannt, bei dem eine Kraftstoff enthaltende Kraftstoffkammer über einen Spalt mit einer Vorratskammer verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, mit dem auf einfache Weise ein zuverlässiger und reproduzierbarer Einspritzvorgang und ein störungsfreier Betrieb des Einspritzventils gewährleistet wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.

Beim vorgestellten Einspritzventil ist der auf der Oberseite des Aktors, also entgegengesetzt zu der der Düsennadel zugewandten Unterseite des Aktors, angeordnete Ventilspielausgleich zur Gewährleistung eines Temperatur- und Toleranzausgleichs bei sich ändernden Systemeigenschaften des Einspritzventils oder variierenden äußeren Bedingungen (bsp. Temperaturschwankungen) durch das Zusammenspiel zweier über eine erste Entlüftungsdrossel (bsp. einen Drosselspalt) miteinander verbundenen, mit Kraftstoff gefüllten Druckkammern mit einem mit dem Aktor in Verbindung stehenden Ausgleichskolben realisiert; die beiden Druckkammern werden jeweils zwischen dem sich bis zur Gehäusewandung erstreckenden Ausgleichskolben und mindestens einer als Abstützung bzw. Lager für den Ausgleichskolben dienenden Ausformung der Gehäusewandung gebildet. Die beiden Druckkammern können entweder ein gleich großes Volumen aufweisen oder unterschiedlich groß sein, insbesondere sich in ihrer Stirnfläche und Höhe voneinander unterscheiden. Die beiden Druckkammern können entweder mittels eines Doppelkolbens als Ausgleichskolben realisiert werden, der ein als Abstützung bzw. Lager für den Ausgleichskolben dienendes, die beiden Kolben des Doppelkolbens separierendes Gehäuseteil als Ausformung der Gehäusewandung einschließt oder mittels zweier einen Einfachkolben als Ausgleichskolben einschließender, als Abstützung bzw. Lager für den Ausgleichskolben dienender Gehäuseteile als Ausformungen der Gehäusewandung. Die erste Druckkammer wird somit entweder durch das von dem ersten Kolben des Doppelkolbens und dem Gehäuseteil eingeschlossene Volumen gebildet oder durch das von dem Einfachkolben und dem ersten Gehäuseteil eingeschlossene Volumen; die zweite Druckkammer wird somit entweder durch das von dem zweiten Kolben des Doppelkolbens und dem Gehäuseteil eingeschlossene Volumen gebildet oder durch das von dem Einfachkolben und dem zweiten Gehäuseteil eingeschlossene Volumen.

Die erste Druckkammer ist entweder über den ersten Kolben des Doppelkolbens vom auf der Unterseite des Ventilspielausgleichs angrenzenden ersten Niederdruckbereich (Druck bsp. 5-10 bar) oder durch das erste Gehäuseteil vom auf der Oberseite des Ventilspielausgleichs angrenzenden zweiten Niederdruckbereich (Druck bsp. 5-10 bar) separiert und über ein Rückschlagventil an den jeweiligen Niederdruckbereich gekoppelt; durch das Rückschlagventil wird eine zu schnelle Druckverminderung des Kraftstoffs in dieser Druckkammer bei der Entspannung des Aktors und der damit verbundenen Bewegung des Ausgleichskolbens verhindert. Weiterhin ist zwischen dem zweiten Niederdruckbereich und der angrenzenden Druckkammer eine zweite Entlüftungsdrossel vorgesehen, die zur Entlüftung dieser Druckkammer dient. Diese zweite Entlüftungsdrossel kann bsp. durch eine definierte Bohrung im zweiten Kolben bei einem Doppelkolben bzw. im ersten Gehäuseteil bei einem Einfachkolben oder durch einen definierten Drosselspalt (Ringspalt) zwischen dem zweiten Kolben des Doppelkolbens und der Gehäusewandung bzw. zwischen der Kolbenstange des Einfachkolbens und dem ersten Gehäuseteil realisiert werden.

Die zweite Druckkammer ist entweder über den zweiten Kolben des Doppelkolbens vom zweiten Niederdruckbereich oder durch das zweite Gehäuseteil vom ersten Niederdruckbereich separiert und über ein Rückschlagventil an den jeweiligen Niederdruckbereich gekoppelt; durch das Rückschlagventil wird eine zu schnelle Druckverminderung des Kraftstoffs in dieser Druckkammer bei der Aktivierung (Bestromung) des Aktors und der damit verbundenen Bewegung des Ausgleichskolbens verhindert wird. Weiterhin kann optional zwischen dem ersten Niederdruckbereich und der angrenzenden Druckkammer eine dritte Entlüftungsdrossel vorgesehen werden, die zur Entlüftung dieser Druckkammer dient. Diese dritte Entlüftungsdrossel kann bsp. durch eine definierte Bohrung im ersten Kolben bei einem Doppelkolben bzw. im zweiten Gehäuseteil bei einem Einfachkolben oder durch einen definierten Drosselspalt (Ringspalt) zwischen dem ersten Kolben des Doppelkolbens und der Gehäusewandung bzw. zwischen der Kolbenstange des Einfachkolbens und dem zweiten Gehäuseteil realisiert werden.

Zur Begrenzung der im Betrieb des Einspritzventils auftretenden Leckageverluste im Ventilspielausgleich kann optional zwischen dem ersten Kolben und/oder dem zweiten Kolben des Doppelkolbens und der Gehäusewandung bzw. zwischen dem ersten Gehäuseteil und/oder dem zweiten Gehäuseteil und der Kolbenstange jeweils eine Dichtung vorgesehen werden. Falls die zweite Entlüftungsdrossel und die optional vorgesehen dritte Entlüftungsdrossel als Drosselspalte ausgebildet sind, werden zwischen den beiden Kolben des Doppelkolbens und der Gehäusewandung bzw. zwischen den beiden Gehäuseteilen und der Kolbenstange keine Dichtungen benötigt.

Bei der Versorgung des Einspritzventils mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff fließt über eine zwischen der Einspritzdüse und dem Aktor angeordnete, den Druck reduzierende Drossel ein permanenter Leckagestrom von Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich; danach strömt ein Teil dieses Leckagestroms über eine Drosselbohrung am Ventilspielausgleich vorbei, der andere Teil durch den Ventilspielausgleich zur Kraftstoffpumpe oder zum Kraftstofftank zurück. Durch diesen Volumenstrom an Kraftstoff wird der Ventilspielausgleich mit Kraftstoff gefüllt (geflutet) und auch ständig entlüftet. Die Drosselbohrung ist so auf die Entlüftungsdrosseln des Ventilspielausgleichs abgestimmt, daß die Druckdifferenz zwischen dem ersten Niederdruckbereich am Aktor und dem zweiten Niederdruckbereich am Rücklauf zur Kraftstoffpumpe bsp. 0.5 bar beträgt.

Der Doppelkolben kann entweder einstückig oder zweistückig ausgebildet werden, wobei im letzteren Falle die beiden Kolben des Doppelkolbens für den Betrieb des Einspritzventils starr (kraftschlüssig oder formschlüssig) miteinander verbunden werden.

Die zwischen den beiden Druckkammern und den beiden jeweils angrenzenden Kraftstoffkammern vorgesehenen Rückschlagventile sind so ausgebildet, daß sie auf Druckänderungen in der zugeordneten Druckkammer schnell ansprechen; vorzugsweise sind sie als dünne topfförmige Blechteile realisiert, die über einen Befestigungsstreifen entweder am jeweils zugeordneten Kolben bei einem Doppelkolben oder am jeweils zugeordneten Gehäuseteil bei einem Einfachkolben befestigt sind. Bei einer Aktivierung des Aktors (bei einer Beaufschlagung des Aktors mit einer vorgegebenen Spannung) bewegt sich die Düsennadel nach Kompression des Kraftstoffs in der ersten Druckkammer und gleichzeitiger Entspannung des Kraftstoffs in der zweiten Druckkammer (wobei Kraftstoff aus dem an die zweite Druckkammer angrenzenden Niederdruckbereich angesaugt werden kann) sowie nach Kompensation der Vorspannkraft der zwischen der Düsennadel und dem Kopfstück des Gehäuses angeordneten Ventilfeder in die vorgegebene Richtung (bsp. bei einer A- Düse mit einer sich nach außen öffnenden Einspritzdüse nach außen), wodurch die Einspritzöffnung der Düsennadel vom Ventilsitz abhebt und ein Öffnungsspalt entsteht. Nach der Deaktivierung des Aktors wird die Düsennadel wieder in ihre ursprüngliche Position zurückbewegt und damit der Öffnungsspalt zwischen Düsennadel und Ventilsitz geschlossen, wobei die Kontaktkraft zwischen Aktor und Ausgleichskolben schlagartig abnimmt. Dadurch ist das aus dem Ausgleichskolben, einer auf der Oberseite des Ventilspielausgleichs angeordneten Kolbenfeder und dem komprimiertem Kraftstoff in der ersten Druckkammer bestehende Feder-Masse- System nicht mehr kraftausgeglichen, und der Ausgleichskolben wird in Richtung des Aktors beschleunigt. Durch die aufgrund der unmittelbar einsetzenden Kompression des Kraftstoffs in der zweiten Druckkammer entstehende Gegenkraft wird die Schwingung des Ausgleichskolbens stark gedämpft; demzufolge entsteht nur ein geringer Unterdruck in der ersten Druckkammer, der durch das erste Rückschlagventil zusätzlich begrenzt wird, so daß die Gefahr von Kavitation in der ersten Druckkammer vermindert wird.

Durch die Ausbildung des Toleranz- und Temperaturausgleichs mit den beiden über eine Entlüftungsdrossel (bsp. einen Drosselspalt) miteinander verbundenen und durch Rückschlagventile gegenüber dem jeweils angrenzenden Niederdruckbereich in Verbindung stehenden Druckkammern kann der im Ventilspielausgleich bei der Bewegung des Aktors entstehende Unterdruck in der jeweils betroffenen Druckkammer stark reduziert werden und daher das Auftreten von Kavitation in jeder der beiden Druckkammern verhindert werden, insbesondere falls ein leichter Überdruck im Niederdruckbereich (von 5-10 bar) vorhanden ist. Hierdurch lassen sich Einspritzventile mit (insbesondere über die gesamten im Betrieb des Einspritzventils vorkommenden Temperaturschwankungen) reproduzierbaren Eigenschaften auch in Serienfertigung realisieren, die ein konstantes Betriebsverhalten über einen großen Temperaturbereich aufweisen.

Die zweite Druckkammer bietet insbesondere bei der Deaktivierung des Aktors folgende Vorteile bei der Verhinderung von Kavitation:

Der in der ersten Druckkammer entstehende Unterdruck wird vermindert.

Über das Rückschlagventil der ersten Druckkammer muß weniger Kraftstoff aus dem angrenzenden Niederdruckbereich angesaugt werden.

die Verstellung des Ausgleichskolbens aus der Nullage (Aufpumpen) wird minimiert.

Der Druck im Niederdruckbereich kann klein gehalten werden (bsp. 5-10 bar).

Das Einspritzventil wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben.

Hierbei zeigt

Fig. 1 als Schnittzeichnung die wesentlichen Komponenten des Einspritzventils zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Ottomotors mit einer ersten Ausführungsform des Temperatur- und Toleranzausgleichs,

Fig. 2 als Schnittzeichnung die wesentlichen Komponenten des Einspritzventils zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Ottomotors mit einer zweiten Ausführungsform des Temperatur- und Toleranzausgleichs,

Fig. 3 die Detailansicht eines Rückschlagventils.

Die Einspritzdüse 1 ist als nach außen öffnende Düse (A-Düse) ausgebildet, bei der die Düsennadel 2 außen am Ventilsitz 3 anliegt und diesen durchdringt. Die Düsennnadel 2 wird über eine Ventilfeder 4 in den Ventilsitz 3 gepreßt, deren Federkraft klein gehalten werden kann; somit wird die Einspritzdüse 1 durch die Ventilfeder 4 im spannungslosen Zustand des Aktors 6 verschlossen. Die Vorspannkraft der Ventilfeder 4 wird für die jeweilige Ausführung des Einspritzventils und der Einspritzdüse 1 so eingestellt, daß ein sicheres Verschließen der Einspritzdüse 1 im spannungslosen Zustand des Aktors 6 erreicht wird. Der für den Betrieb des Einspritzventils benötigte Einspritzdruck des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs 11 von bis zu 300 bar (typischerweise 50 bar-200 bar) wird von einer dem Einspritzventil vorgeschalteten Kraftstoffpumpe bereitgestellt. Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff 11 wird von der Kraftstoffpumpe vorzugsweise über ein Rail an einen Kraftstoffanschluß 13 und über die Kraftstoffleitung 5 sowie über die als ringförmig umlaufender Hohlzylinder ausgebildete Kraftstoffleitung 30 im Inneren des Einspritzventils bis an die Düsennadel 2 geführt; die Kraftstoffleitung 5 mündet in die zur Kraftstoffzuführung an die Einspritzdüse 1 bzw. Düsennadel 2 vorgesehene Kraftstoffkammer 8. Die Kraftstoffkammer 8 ist bsp. als Drallkammer mit zur Verwirbelung des Kraftstoffs dienenden tangentialen Strömungskanälen ausgebildet; an der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 ist eine bsp. ringförmige Ausformung 9 vorgesehen. Die Düsennadel 2 ist kraftschlüssig oder formschlüssig auf dem Trägerteil 7 aufgebracht (bsp. aufgepreßt), wobei beim Fügen von Düsennadel 2 und Trägerteil 7 eine sehr exakte Positionierung (und damit eine genaue Ausrichtung) der Düsennadel 2 ermöglicht wird. Der für den Einspritzvorgang notwendige Öffnungsweg (Hub) der Düsennadel 2 wird durch die an der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 angebrachte, einen Anschlag für das Trägerteil 7 bildende Ausformung 9 auf bsp. 80 µm begrenzt (maximaler Öffnungsweg der Düsennadel 2). Das Trägerteil 7 besitzt eine den unteren Bereich 17 begrenzende Ausformung 10 in der Art eines Federtellers; mit dieser Ausformung wird die Ventilfeder 4 vorgespannt. In dem sich nach der Ausformung 10 des Trägerteils 7 in Richtung Aktor 6 erstreckenden oberen Bereich 18 des Trägerteils 7, d. h. zwischen der Ventilfeder 4 und der Aktorfeder 15, ist eine zur Druckreduzierung des sich in der Kraftstoffleitung 5, der Kraftstoffleitung 30 und in der Kraftstoffkammer 8 befindlichen, unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs 11 dienende Drossel 14 vorgesehen; die Drossel 14 wird durch auf der Außenfläche (Mantelfläche) des Trägerteils 7 eingebrachte Aussparungen 27 und einem das Trägerteil 7 im Bereich der Aussparungen 27 umgebenden, als Drosselführung ausgebildeten Drosselzylinder 16 gebildet. Das bsp. aus Stahl bestehende, im oberen Bereich 18 in der Form eines Zylinders ausgebildete Trägerteil 7 besitzt einen Außendurchmesser von bsp. 3 mm; auf einer Länge von bsp. 10 mm sind bsp. 8 umlaufende Nuten mit einer Tiefe von bsp. 0.2 mm als Aussparungen 27 in die Außenfläche (Mantelfläche) des Trägerteils 7 eingebracht. Das Trägerteil 7 wird im oberen Bereich 18 von dem als Drosselführung ausgebildeten Drosselzylinder 16 im Abstand von bsp. 2 µm umschlossen, so daß bei einem Druckgefälle von bsp. ca. 250 bar zwischen Hochdruckbereich 23 und erstem Niederdruckbereich 24 ein Leckagestrom an Kraftstoff von bsp. 2 l/h bis 4 l/h vom Hochdruckbereich 23 mit sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff 11 (Druck bsp. 250 bar) zum ersten Niederdruckbereich 24 mit sich unter niedrigem Druck befindlichen Kraftstoff 12 (Druck bsp. 5 bar-10 bar) auftritt. Nach dem Einsetzen von Düsennadel 2 und Trägerteil 7 in das Kopfstück 25 des Gehäuses des Einspritzventils wird die Düsennadel 2 mit dem Trägerteil 7 kraft- oder formschlüssig verbunden, bsp. auf das Trägerteil 7 aufgepreßt. Anschließend wird der Drosselzylinder 16 in das Kopfstück 25 eingebracht und dort bsp. eingeschweißt. Das durch die Ventilfeder 4 vorgespannte Trägerteil 7 ist direkt kraftschlüssig mit dem Aktor 6 gekoppelt; hierdurch wird die vom Aktor 6 hervorgerufene Bewegung direkt auf das Trägerteil 7 und damit auf die Düsennadel 2 bzw. Einspritzdüse 1 übertragen. Der Aktor 6 ist von einem als Kapselung gegenüber dem Kraftstoff 12 fungierenden Aktorgehäuse 28 umgeben. Als mit einer elektrischen Spannung beaufschlagter Aktor 6 ist bsp. ein piezoelektrischer Aktor 6 mit den Maßen Höhe × Breite × Tiefe von bsp. 80 mm × 7 mm × 7 mm vorgesehen, der sich proportional zur an den Aktor 6 angelegten Spannung ausdehnt.

Gemäß der Fig. 1 ist der Ventilspielausgleich 21 zur Realisierung eines Temperatur- und Toleranzausgleichs an der der Einspritzdüse 1 bzw. der Düsennadel 2abgewandten Oberseite 20 des Aktors 6 ein als Doppelkolben 35, 36 ausgebildeter Ausgleichskolben 22 vorgesehen (Durchmesser bsp. 15 mm), wobei die beiden Kolben 35, 36 über die Kolbenstange 38 miteinander verbunden sind; der Ausgleichskolben 22 schließt ein als Lager bzw. Abstützung für den Doppelkolben 35, 36 fungierendes Gehäuseteil 42 als Ausformung der Gehäusewandung 26 ein, so daß zwischen der Unterseite des Ausgleichskolbens 22 (dem ersten Kolben 35 des Doppelkolbens 35, 36) und dem Gehäuseteil 42 eine erste Druckkammer 39 (Höhe bsp. ≤ 1 mm) und zwischen der Oberseite des Ausgleichskolbens 22 (dem zweiten Kolben 36 des Doppelkolbens 35, 36) und dem Gehäuseteil 42 eine zweite Druckkammer 40 (Höhe bsp. ≤ 1 mm) gebildet wird. Beide Druckkammern 39, 40 sind mit sich unter niedrigem Druck befindlichen Kraftstoff 12 gefüllt (Kraftstoffdruck bsp. 5 bis 10 bar) und über die bsp. als Drosselspalt ausgebildete erste Entlüftungsdrossel 41 miteinander verbunden; die erste Entlüftungsdrossel 41 (der Drosselspalt) besitzt bsp. einen Durchmesser von ca. 7 mm, eine Länge von ca. 8 mm und eine Breite von bsp. 5 µm. Die erste Druckkammer 39 ist gegenüber dem angrenzenden ersten Niederdruckbereich 24 über das erste Rückschlagventil 45 gesichert, die zweite Druckkammer 40 ist gegenüber dem angrenzenden zweiten Niederdruckbereich 50 über das zweite Rückschlagventil 46 gesichert. Die gemäß der Fig. 3 bsp. eine als topfförmiges Blechteil ausgebildete Ventilklappe 47 aufweisenden und mit dem Ventilsitz 49 zusammenspielenden Rückschlagventile 45, 46 mit einem Dichtungs- Durchmesser von bsp. 3 mm sind über den Befestigungsstreifen 48 am jeweiligen Kolben des Doppelkolbens 35, 36 befestigt, d. h. das erste Rückschlagventil 45 am ersten Kolben 35 des Doppelkolbens 35, 36 und das zweite Rückschlagventil 46 am zweiten Kolben des Doppelkolbens 35, 36.

Zwischen der zweiten Druckkammer 40 und dem die Kraftstoff-Rückleitung 29 aufweisenden zweiten Niederdruckbereich 50 ist die zweite Entlüftungsdrossel 33 (Durchmesser ca. 0.25 mm, Länge ca. 1 mm) zur Entlüftung der zweiten Druckkammer 40 vorgesehen; zwischen dem ersten Niederdruckbereich 24 und der angrenzenden ersten Druckkammer 39 kann optional die dritte Entlüftungsdrossel 53 vorgesehen werden; die Entlüftungsdrosseln 33, 53 können jeweils über definierte Bohrungen im jeweiligen Kolben des Doppelkolbens 35, 36 und/oder durch Spalte zwischen dem jeweiligen Kolben 35 bzw. 36 des Doppelkolbens 35, 36 und der Gehäusewandung 26 bei Verzicht auf Dichtungen realisiert werden. Der Verschluß 31 und der Stopfen 51 dienen zur Abdichtung der Drosselbohrung 52, der Stecker 34 zur Abdichtung des zweiten Niederdruckbereichs 50 sowie zur Kontaktierung des Aktors 6.

Der aus der ersten Druckkammer 39 verdrängte Kraftstoff 12 wird über die erste Entlüftungsdrossel 41, die zweite Druckkammer 40 und die zweite Entlüftungsdrossel 33 sowie optional über die dritte Entlüftungsdrossel 53 dem Kraftstofftank bzw. der Kraftstoffpumpe zur Verfügung gestellt, der aus der zweiten Druckkammer 40 verdrängte Kraftstoff 12 wird über die zweite Entlüftungsdrossel 33 sowie optional über die erste Entlüftungsdrossel 41, die erste Druckkammer 39 und die dritte Entlüftungsdrossel 53 dem Kraftstofftank bzw. der Kraftstoffpumpe zur Verfügung gestellt. Die im Betrieb des Einspritzventils auftretenden Leckageverluste an Kraftstoff 12 in den beiden Druckkammern 39, 40 werden nach der Deaktivierung des Aktors 6 über die erste Entlüftungsdrossel 41 und die zweite Entlüftungsdrossel 33 und optional über die dritte Entlüftungsdrossel 53 aus dem jeweiligen Niederdruckbereich 24, 50 ausgeglichen.

Gemäß der Fig. 2 ist der Ventilspielausgleich 21 zur Realisierung eines Temperatur- und Toleranzausgleichs an der Einspritzdüse 1 bzw. der Düsennadel 2 abgewandten Oberseite 20 des Aktors 6 mittels eines als Einfachkolben 37 ausgebildeten Ausgleichskolbens 22 vorgesehen (Durchmesser bsp. 15 mm), der von zwei als Lager bzw. Abstützung für den Einfachkolben 37 und damit als Führung für die Kolbenstange 38 fungierenden Gehäuseteilen 43, 44 als Ausformungen der Gehäusewandung 26 eingeschlossen wird, so daß zwischen der Oberseite des Ausgleichskolbens 22 (dem Einfachkolben 37) und dem ersten Gehäuseteil 43 eine erste Druckkammer 39 (Höhe bsp. 1 mm) und zwischen der Unterseite des Ausgleichskolbens 22 (dem Einfachkolben 37) und dem zweiten Gehäuseteil 44 eine zweite Druckkammer 40 (Höhe bsp. 1 mm) gebildet wird. Beide Druckkammern 39, 40 sind mit sich unter niedrigem Druck befindlichen Kraftstoff 12 gefüllt (Kraftstoffdruck bsp. 5 bis 10 bar) und über die bsp. als Drosselspalt ausgebildete erste Entlüftungsdrossel 41 miteinander verbunden; der Drosselspalt 41 besitzt bsp. einen Durchmesser von ca. 15 mm, eine Länge von ca. 8 mm und eine Breite von bsp. 5 µm.

Die erste Druckkammer 39 ist gegenüber dem angrenzenden zweiten Niederdruckbereich 50 über das erste Rückschlagventil 45 gesichert, die zweite Druckkammer 40 ist gegenüber dem angrenzenden ersten Niederdruckbereich 24 über das zweite Rückschlagventil 46 gesichert. Die gemäß der Fig. 3 bsp. eine als topfförmiges Blechteil ausgebildete Ventilklappe 47 aufweisenden und mit dem Ventilsitz 49 zusammenspielenden Rückschlagventile 45, 46 mit einem Dichtungs- Durchmesser von bsp. 3 mm sind über den Befestigungsstreifen 48 am jeweiligen Gehäuseteil 43, 44 befestigt, d. h. das erste Rückschlagventil 45 am ersten Gehäuseteil 43 und das zweite Rückschlagventil 46 am zweiten Gehäuseteil 44. Zwischen der ersten Druckkammer 39 und dem die Kraftstoff-Rückleitung 29 aufweisenden zweiten Niederdruckbereich 50 ist die zweite Entlüftungsdrossel 33 (Durchmesser ca. 0.25 mm, Länge ca. 1 mm) zur Entlüftung der ersten Druckkammer 39 vorgesehen; zwischen dem ersten Niederdruckbereich 24 und der angrenzenden zweiten Druckkammer 40 kann optional die dritte Entlüftungsdrossel 53 vorgesehen werden; die Entlüftungsdrosseln 33, 53 können jeweils über definierte Bohrungen in den beiden Gehäuseteilen 43, 44 und/oder durch Spalte zwischen den beiden Gehäuseteilen 43, 44 und der Kolbenstange 38 bei Verzicht auf Dichtungen realisiert werden. Der Verschluß 31 und der Stopfen 51 dienen zur Abdichtung der Drosselbohrung 52, der Stecker 34 zur Abdichtung des zweiten Niederdruckbereichs 50 sowie zur Kontaktierung des Aktors 6.

Der aus der ersten Druckkammer 39 verdrängte Kraftstoff 12 wird über die Entlüftungsdrossel 33 sowie optional über die erste Entlüftungsdrossel 41, die zweite Druckkammer 40 und die Entlüftungsdrossel 53 dem Kraftstofftank bzw. der Kraftstoffpumpe zur Verfügung gestellt, der aus der zweiten Druckkammer 40 verdrängte Kraftstoff 12 wird über die erste Entlüftungsdrossel 41, die erste Druckkammer 39 und die Entlüftungsdrossel 33 sowie optional über die Entlüftungsdrossel 53 dem Kraftstofftank bzw. der Kraftstoffpumpe zur Verfügung gestellt.

Bei der Versorgung des Einspritzventils mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff 11 fließt über die Drossel 14 ein permanenter Leckagestrom von Kraftstoff 11 aus dem Hochdruckbereich 23 als Kraftstoff 12 in den Niederdruckbereich 24; danach strömt ein Teil dieses Leckagestroms über die Drosselbohrung 52, der andere Teil durch den Ventilspielausgleich 21, vorzugsweise über das erste Rückschlagventil 45 (Doppelkolben) bzw. über das zweite Rückschlagventil 46 (Einfachkolben) und optional über die dritte Entlüftungsdrossel 53, die erste Entlüftungsdrossel 41 und die zweite Entlüftungsdrossel 33 zur Hochdruckpumpe zurück. Durch diesen Volumenstrom an Kraftstoff 12 wird der Ventilspielausgleich 21 mit Kraftstoff 12 gefüllt (geflutet) und auch ständig entlüftet.

Während eines Einspritzvorgangs wird der Aktor 6 (bsp. von einem Steuergerät) mit einer konstanten oder zeitlich sich ändernden Spannung beaufschlagt und hierdurch aktiviert; infolge der Bestromung wird durch die Ausdehnung des sich am Ausgleichskolben 22 des Ventilspielausgleichs 21 abstützenden Aktors 6 der Kraftstoff 12 in der ersten Druckkammer 39 komprimiert (verdichtet) und der Kraftstoff 12 in der zweiten Druckkammer 40 entspannt. Das erste Rückschlagventil 45 ist geschlossen, das zweite Rückschlagventil 46 geöffnet, um Unterdruck in der zweiten Druckkammer 40 zu verhindern. Durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Druckkammern 39, 40 wird über den sich zwischen den beiden Druckkammern 39, 40 befindlichen Drosselspalt 41 Kraftstoff 12 von der ersten Druckkammer 39 zur zweiten Druckkammer 40 gedrückt. Durch die Druckdifferenz zwischen der ersten Druckkammer 39 und dem ersten Niederdruckbereich 24 bzw. zweiten Niederdruckbereich 50 wird Kraftstoff 12 von der ersten Druckkammer 39 durch die zweite Entlüftungsdrossel 33 in den ersten Niederdruckbereich 24 bzw. zweiten Niederdruckbereich 50 gedrückt. Nach der Kompression des Kraftstoffs in der ersten Druckkammer 39 und der Kompensation der Vorspannung der Düsennadel 2 wird das Trägerteil 7 nach unten bewegt, wodurch die Düsennadel 2 vom Ventilsitz 3 abhebt und über den hierdurch entstehenden Öffnungsspalt als Einspritzöffnung 32 eine bestimmte Menge an sich unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff 11 proportional zur (Zeitdauer der) Bestromung des Aktors 6 in den entsprechenden Verbrennungsraum des Ottomotors eingespritzt wird. Der Öffnungsweg bzw. die Auslenkung der Düsennadel 2 wird dadurch begrenzt, daß der Spalt zwischen dem Trägerteil 7 und der an der Oberseite 19 der Kraftstoffkammer 8 befindlichen Ausformung 9 geschlossen wird, d. h. daß das Trägerteil 7 gegen den durch die Ausformung 9 gebildeten Anschlag fährt.

Nach dem Deaktivieren des Aktors 6 (der Aktor 6 wird entladen bzw. entstromt) werden die Düsennadel 2 bzw. das Trägerteil 7 sowie der Aktor 6 und der Ventilspielausgleich 21 durch die Federn (Ventilfeder 4, Aktorfeder 15, Kolbenfeder 54) in ihre Ausgangslage zurückgestellt. Bei der Entstromung des Aktors 6 nimmt durch die Kontraktion des Aktors 6 die Kontaktkraft zwischen Aktor 6 und Ausgleichskolben 22 des Ventilspielausgleichs 21 schlagartig stark ab. Durch das nun vorhandene Kräfteungleichgewicht am Ventilspielausgleich 21 (der sich in der ersten Druckkammer 39 befindliche komprimierte Kraftstoff 12 entspricht einer gespannten Feder) wird der Ausgleichskolben 22 in Richtung des Aktors 6 beschleunigt und hierdurch der Kraftstoff 12 in der ersten Druckkammer 39 entspannt und der Kraftstoff 12 in der zweiten Druckkammer 40 komprimiert (verdichtet); durch diese Gegenkraft schwingt das aus Ausgleichskolben 22, Kraftstoff 12 und Kolbenfeder 54 gebildete Feder-Masse-System nur gering, so daß nur ein geringer Unterdruck in der ersten Druckkammer 39 entsteht. Das zweite Rückschlagventil 46 ist geschlossen, das erste Rückschlagventil 45 geöffnet, wodurch das Auftreten von Unterdruck in der ersten Druckkammer 39 noch weiter begrenzt bzw. verhindert wird, so daß sich der Ventilspielausgleich 21 kaum aus der Nullage verstellt (kaum aufpumpt). Über den Drosselspalt 41 zwischen den beiden Druckkammern 39, 40 wird Kraftstoff 12 von der zweiten Druckkammer 40 zur ersten Druckkammer 39 gedrückt. Der Ausgleichskolben 22 des Ventilspielausgleichs 21 kehrt in seine Ausgangslage zurück. Da nur ein geringer Unterdruck in den beiden Druckkammern 39, 40 auftritt, kann der Druck in den beiden an den Ventilspielausgleich 21 angrenzenden Niederdruckbereichen 24, 50 gering gewählt werden. Durch die Drossel 14 wird der Druck des sich im Hochdruckbereich 23 befindlichen Kraftstoffs 11 gegenüber dem sich im Niederdruckbereich 24, 50 befindlichen Kraftstoff 12 stark reduziert, bsp. von 300 bar auf 5-10 bar. Um eine hohe Dynamik im Betrieb des Einspritzventils zu erreichen, besitzen alle bewegten Bauteile des Einspritzventils (insbesondere Trägerteil 7, Aktorfeder 15 und Düsennadel 2) eine geringe Masse.


Anspruch[de]
  1. 1. Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff (11) unter hohem Druck in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine, mit

    einer eine axial verschiebbare Düsennadel (2) aufweisenden Einspritzdüse (1), einem mit einer elektrischen Spannung beaufschlagten Aktor (6) zur Betätigung der Düsennadel (2),

    einem auf der Oberseite (20) des Aktors (6) angeordneten, mit dem Aktor (6) gekoppelten Ventilspielausgleich (21),

    dadurch gekennzeichnet,

    daß der Ventilspielausgleich (21) zwei durch einen Ausgleichskolben (22) und mindestens eine Ausformung der Gehäusewandung (26) begrenzte, mit Kraftstoff (12) gefüllte Druckkammern (39, 40) aufweist,

    daß die beiden Druckkammern (39, 40) über eine erste Entlüftungsdrossel (41) miteinander verbunden sind,

    daß die beiden Druckkammern (39, 40) jeweils über ein Rückschlagventil (45, 46) mit zwei an den Ventilspielausgleich (21) angrenzenden Niederdruckbereichen (24, 50) gekoppelt sind,

    und daß der sich oberhalb des Ventilspielausgleichs (21) befindliche zweite Niederdruckbereich (50) mit der angrenzenden Druckkammer (40) über eine zweite Entlüftungsdrossel (33) verbunden ist.
  2. 2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Entlüftungsdrossel (41) als Drosselspalt ausgebildet ist.
  3. 3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sich unterhalb des Ventilspielausgleichs (21) befindliche erste Niederdruckbereich (24) mit der angrenzenden Druckkammer (39) über eine dritte Entlüftungsdrossel (53) verbunden ist.
  4. 4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rückschlagventile (45, 46) über Befestigungsmittel (48) mit dem Ausgleichskolben (22) oder der mindestens einen Ausformung der Gehäusewandung (26) verbunden sind.
  5. 5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskolben (22) als Doppelkolben und die mindestens eine Ausformung der Gehäusewandung (26) als ein von den beiden Kolben (35, 36) des Doppelkolbens eingeschlossener Kolbenträger (42) ausgebildet sind.
  6. 6. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskolben (22) als Einzelkolben (37) und die mindestens eine Ausformung der Gehäusewandung (26) als zwei den Einzelkolben (37) einschließende Kolbenträger (43, 44) ausgebildet sind.
  7. 7. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rückschlagventile (45, 46) eine topfförmige Ventilklappe (47) aufweisen.
  8. 8. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rückschlagventile (45, 46) aus Metallblech bestehen und einen Befestigungsstreifen (48) zur Verbindung mit dem Ausgleichskolben (22) oder der mindestens einen Ausformung der Gehäusewandung (26) aufweisen.
  9. 9. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kraftstoff (12) in den beiden Druckkammern (39, 40) unter niedrigem Druck befindet.
  10. 10. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der sich oberhalb des Ventilspielausgleichs (21) befindliche zweite Niederdruckbereich (50) mit einer Kraftstoff-Rückleitung (29) in Verbindung steht.
  11. 11. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel nach außen öffnet.






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