DE60306265T2

DE60306265T2 - Nicht aufprellendes Nadelventil für einen Kraftstoffeinspritzinjektor

Info

Publication number: DE60306265T2
Application number: DE60306265T
Authority: DE
Inventors: Paul Palos Park Gottemoller; Michel Barry Orland Park Goetzke
Original assignee: Electro Motive Diesel Inc
Current assignee: Progress Rail Locomotive Inc
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: US20030226911A1; EP1371842B1; MXPA03004484A; DE60306265D1; US6874703B2; BR0301558A; ATE331136T1; EP1371842A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft für Verbrennungskraftmaschinen verwendete Kraftstoffinjektoren und insbesondere deren Nadelventil. Noch genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Nadelventil des obengenannten Typs mit einem Antiaufprallmerkmal.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, verwenden Kraftstoffeinspritzsysteme, um eine genaue Dosierung von Kraftstoff an jeden Zylinder vorzusehen, wodurch die Leistung und Kraftstoffsparsamkeit verbessert wird sowie unerwünschte Emissionen reduziert werden.
Eine typische herkömmliche Anwendung eines Kraftstoffinjektors 10 bezüglich einer Dieselverbrennungskraftmaschine 12 ist in 1 und 2 gezeigt. Eine Quelle von unter Druck stehendem Kraftstoff 14 ist durch eine Kraftstoffleitung 16 mit dem Kraftstoffinjektor 10 verbunden. In 2 ist am besten zu sehen, dass der Kraftstoffinjektor 10 einen Spitzenkörper 18, ein Nadelventil 20 mit einer Nadel 22 und einem Ventilsitz 24 sowie eine Nadelfeder 26 aufweist, welche die Nadel sitzbar auf den Ventilsitz vorspannt. Unter Druck stehender Kraftstoff fließt entlang eines Durchgangs 28 des Kraftstoffinjektors, und wenn ein vorbestimmtes Druckniveau erreicht ist, bewegt sich die Nadel 22 gegen die Vorspannung der Nadelfeder 26, öffnet dadurch den Nadelventilsitz 20, wodurch Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird. Wenn der unter Druck stehende Kraftstoff unter ein zweites vorbestimmtes Niveau abfällt, wird die Nadel 22 durch die Nadelfeder 26 vorgespannt, um das Nadelventil 20 wieder zu schlie ßen. Die Bewegungen der Nadel 22 sind sehr schnell, und wenn sich die nadel auf dem Ventilsitz 24 schließt, kommt es zu einem Schlag.
Die Motorleistung, die Kraftstoffsparsamkeit und die Emissionen hängen alle von der genauen Einstellung des Starts und Endes des Kraftstoffeinspritzereignisses ab. In dieser Hinsicht ist erwünscht, dass der Beginn und das Ende des Kraftstoffeinspritzereignisses so rasch wie möglich stattfinden.
Der Verschlussschlag beinhaltet eine Tendenz der Nadel 22, auf den Ventilsitz 24 zu prallen, mit den unerwünschten Folgen von übermäßigem Sitzverschleiß und einer zweiten Kraftstoffeinspritzung, die während des Aufpralls stattfindet. Die durch den Aufprall induzierte Kraftstoffeinspritzung beinhaltet eine unerwünschte Niederdruckkraftstoffeinspritzung spät im Verbrennungszyklus, welche die Kraftstoffsparsamkeit und die Leistung ungünstig beeinflussen und unerwünschte Emissionen erhöhen kann.
Der Ursprung des Verschlussschlagaufpralls steht mit den Metallkomponenten der Nadel und des Ventilsitzes in Zusammenhang, die auf im wesentlichen elastische Weise kollidieren. Als solches gibt es eine wesentliche Erhaltung kinetischer Energie, die sich in den Aufprall der Nadel überträgt.
Herkömmlicherweise haben Hersteller von Kraftstoffinjektoren mit dem Nadelaufprall gekämpft und versucht, dieses Problem zu lösen, indem hydraulische Hilfssysteme eingebaut wurden, die zum Dämpfen des Nadelaufpralls dienen. Problematisch ist, dass diese hydraulischen Systeme komplex und kostspielig sind.
Die US-A-5 284 302 offenbart einen Kraftstoffinjektor mit einem Nadelventil, das von einem Elektromagneten betätigt wird. Eine kleine Bohrung in dem Ventilkörper enthält eine geringe Menge von Magnetpulver. Wenn das Ventil durch Betätigen des Elektomagneten geöffnet wird, wird das Magnetpulver von der Spule angezogen und bewegt sich damit nach oben in der Bohrung, bis es mit einem Bolzen kollidiert, der die Bohrung abdeckt. Wenn die Länge der Bohrung und die Masse des Pulvers geeignet gewählt sind, kompensiert die Kollision des Pulvers gegen den Bolzen die Trägheit des Ventils und beseitigt damit das Aufprallen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt also darin, einen Kraftstoffinjektor mit einem Nadelventil vorzusehen, bei dem immanent kein Aufprallen vorliegt, unabhängig davon, wie das Ventil betätigt wird.
Diese Aufgabe ist durch eine nicht aufprallende Nadel nach Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung betrifft auch einen Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, der eine nicht aufprallende Nadel nach Anspruch 1 aufweist.
Im Betrieb, wenn die nicht aufprallende Nadel beim Abschluss des Kraftstoffeinspritzvorgangs auf den Ventilsitz prallt, bewirkt der Schrot, dass die Nadelkollision mit dem Ventilsitz unelastisch ist, wodurch die kinetische Energie des Aufpralls nicht erhalten (in Wärme umgeformt) gemacht wird, so dass es zu keinem Aufprallen der Nadel bezüglich des Ventilsitzes kommen kann.
Demnach liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine nicht aufprallende Nadel eines Nadelventils für einen Kraftstoffinjektor vorzusehen.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlicher.
KURZE BESCHRIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine ausgebrochene Teilschnittseitenansicht eines Dieselmotors mit einem herkömmlichen Kraftstoffinjektor;
2 ist eine Schnittseitenansicht des herkömmlichen Kraftstoffinjektors von 1;
3A ist eine Schnittansicht einer nicht aufprallenden Nadel nach der vorliegenden Erfindung in einem ersten Fertigungsstadium;
3B ist eine Schnittansicht einer nicht aufprallenden Nadel nach der vorliegenden Erfindung in einem Zwischenfertigungsstadium;
3C ist eine Schnittansicht einer nicht aufprallenden Nadel nach der vorliegenden Erfindung in einem Endfertigungsstadium;
4 ist eine Teilschnittseitenansicht einer nicht aufprallenden Nadel nach der vorliegenden Erfindung, die sitzend in einem Spitzenkörper eines herkömmlichen Kraftstoffinjektors gezeigt ist;
5 ist eine Teilschnittansicht aus der Sicht entlang der Linie 5-5 in 4; und
6 ist eine Teilschnittansicht aus der Sicht entlang der Linie 6-6 in 4.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezug auf die Zeichnungen stellen nun 3A bis 6 ein Beispiel einer nicht aufprallenden Nadel 100 für ein Nadelventil 102 eines Kraftstoffinjektors einer Verbrennungskraftmaschine dar. Die nicht aufprallende Nadel 100 ist als geeignet zur Verwendung in einem Kraftstoffinjektorspitzenkörper 104 bezüglich eines Ventilsitzes 106 davon konfiguriert.
Die nicht aufprallende Nadel 100 besteht z.B. aus einem Material und ist extern konfiguriert wie eine herkömmliche Nadel.
Wie in 3A gezeigt, hat die nicht aufprallende Nadel 100 einen Nadelkörper 100a mit einem darin ausgebildeten Innenhohlraum 108, z.B. durch Bohren oder eine andere Fertigungstechnik. Der Innenhohlraum 108 verläuft von dem hinteren Ende 110 der nicht aufprallenden Nadel 100, wo eine Öffnung 112 ausgebildet ist, und endet in einem Sackloch 114 am vorderen Ende 116 der nicht aufprallenden Nadel (das vordere Ende der Nadel bildet eine Schnittstelle mit dem Nadelsitz).
Wie in 3B gezeigt, wird eine Menge an losem Schrot 118 füllend in den Innenhohlraum 108 über dessen Öffnung 112 eingebracht. Der Schrot 118 ist bevorzugt Wolframcarbidschrot mit einem kleinen Radius (z.B. kann der Schrot einen Radius haben, der etwa eine Größenordnung kleiner als der Durchmesser der nicht aufprallenden Nadel ist).
Wie in 3C gezeigt, wird ein Stopfen 120 in den Innenhohlraum 108 am hinteren Ende 110 der Nadel 100 gesetzt. Der Stopfen 120 ist sicher und unbeweglich an der nicht aufprallenden Nadel 100 befestigt, wie z.B. durch Presspassung, Klebung oder durch Schweißen. Beim Aufsetzen des Stopfens 120 füllt der Schrot zumindest einen wesentlichen Anteil des Innenhohlraums, so dass er innen lose verteilt ist.
Wie in 4 gezeigt, ist nach der Fertigung die nicht aufprallende Nadel 100 in den Kraftstoffinjektorspitzenkörper 104 eingepasst, wo die nicht aufprallende Nadel bezüglich des Ventilsitzes 106 sitzt.
Im Betrieb, wenn die nicht aufprallende Nadel am Ende eines Kraftstoffeinspritzvorgangs auf den Ventilsitz schlägt, bewirkt der Schrot 118, dass die Nadelkollision mit dem Ventilsitz unelastisch ist, so dass die nicht aufprallende Nadel nicht abprallt.
Man nimmt an, dass das grundlegende Betriebsprinzip folgendes ist. Obwohl bei jeder Kollision Bewegungsenergie erhalten bleibt, muss die kinetische Energie nicht erhalten bleiben. Betrachten wir ein bewegliches Objekt und ein Zielobjekt, das unbeweglich ist. Bei einer perfekt elastischen Energie bleibt kinetische Energie erhalten, so dass bei der Kollision das bewegliche Objekt von dem Zielobjekt abprallt. Wenn andererseits die Kollision perfekt unelastisch ist, dann stoppt das bewegliche Objekt bei der Kollision an dem Zielobjekt und prallt nicht ab. Allgemein können für jede Kollision die Energieterme wie folgt dargestellt werden: KE1 = KE2 + Qworin KE₁ die kinetische Energie (1/2m (v₁)²) eines beweglichen Objekts (der nicht aufprallenden Nadel) vor der Kollision mit einem unbeweglichen Zielobjekt (dem Ventilsitz) ist, KE₂ die kinetische Energie (1/2m (v₂)²) des beweglichen Objekts (der nicht aufprallenden Nadel) nach der Kollision mit dem unbeweglichen Zielobjekt (dem Ventilsitz) ist, und Q eine Menge an Wärme (und Schallenergie) ist, die durch die Kollision erzeugt wird.
Bei einer herkömmlichen Kraftstoffinjektornadelkollision mit ihrem Ventilsitz ist die Kollision allgemein elastisch, so dass Q klein ist, und da der Ventilsitz unbeweglich ist, ist V₂ groß und muss durch Abprallen in die Feder und/oder ein herkömmliches hydraulisches Hilfssystem gedämpft werden. Bei der nicht aufprallenden Nadel nach der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Änderung der Bewegungsenergie des Schrots über die Zeit verteilt, so dass die Kollision im wesentlichen unelastisch ist, wobei Q groß ist und V₂ gegen null geht, so dass die Nadel nicht abprallt. Dieses Betriebsprinzip ist ähnlich dem von Bohrhämmern verwendeten.
Dem Fachmann, den diese Erfindung betrifft, kann die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform Anlass zu Änderung oder Modifzierung sein. Eine solche Änderung oder Modifizierung kann durchgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt sein soll.

Claims

Nicht aufprallende Nadel (100) für einen Kraftstoffinjektor mit einem Kraftstoffinjektorspitzenkörper (104); einem Ventilsitz (106), der in dem Spitzenkörper ausgebildet ist; wobei die nicht aufprallende Nadel (100) in dem Spitzenkörper angeordnet ist und ein vorderes Ende (116) aufweist, das mit dem Ventilsitz (106) eine Schnittstelle bildet, und ein gegenüberliegend angeordnetes hinteres Ende (110) umfasst, wobei die nicht aufprallende Nadel einen Nadelkörper (100a) mit einem Innenhohlraum (108) umfasst, der von dem hinteren Ende (110) zu dem vorderen Ende (116), das mit dem Ventilsitz (106) eine Schnittstelle bildet, verläuft, wobei eine Menge an Schrot mit kleinem Durchmesser (118) lose in dem Innenhohlraum (108) verteilt ist und zumindest einen wesentlichen Anteil des Innenhohlraums (108) füllt.
Nicht aufprallende Nadel (100) nach Anspruch 1, wobei der Schrot (118) aus Wolframcarbid besteht.
Nicht aufprallende Nadel (100) nach Anspruch 2, wobei der Schrot (118) im Vergleich zu einem Durchmesser des Innenhohlraums (108) einen allgemein kleinen Durchmesser besitzt.
Kraftstoffinjektor, mit: einem Kraftstoffinjektorspitzenkörper (104); einem Ventilsitz (106), der in dem Spitzenkörper (104) ausgebildet; einer nicht aufprallenden Nadel (100), die in dem Spitzenkörper (104) angeordnet ist; und einer Nadelfeder, um die nicht aufprallende Nadel in Sitz bezüglich des Ventilsitzes (106) vorzuspannen, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht aufprallende Nadel (100) eine nicht aufprallende Nadel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.