DE10333688B3

DE10333688B3 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE10333688B3
Application number: DE2003133688
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-07-25

Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) mit einem Einspritzventil (9), einer dem Einspritzventil (9) bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck zuführenden Leitung (5), einem den Druck in einer mit der genannten Leitung (5) verbundenen Steuerkammer (43) des Einspritzventils steuernden Steuerventil (41), dessen bewegliches Ventilteil von einem Aktor (31) über einen hydraulischen Koppler (35) betätigbar ist, der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers zusammenwirkende, linear hintereinander angeordnete Kolben (36, 37) aufweist, wobei der Sitz (53) des beweglichen Ventilteils (51) eine lichte Querschnittsfläche f3 aufweist, mit Mitteln zum Füllen des Kopplervolumens über Führungsspalte (65, 67) der Kolben (36, 37) mit unter Druck stehendem Kraftstoff, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen den Kolben (36, 37) angeordneter Füllraum (75) mit der genannten Leitung (5) verbunden ist, dass einer (36) der Kolben mit dem Aktor (31) mechanisch gekoppelt ist, dass der andere Kolben (37), der eine Querschnittsfläche f2 aufweist, über eine Stange (63) mit einer gegenüber f2 kleineren Querschnittsfläche f1 das Steuerventil (41) betätigt, dass die beiden einander abgewandten Enden der Kolben (36, 37) in zugeordnete Übersetzerräume (72 bzw. 73) eingreifen, die über einen Kanal (74) verbunden sind, und dass die Querschnittsflächen so gewählt sind, dass f3 + f2 - f1 < f2 ist, derart, dass das Steuerventil mindestens teilweise kraftausgeglichen ist, und dass die Richtung der ...

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des einzigen Patentanspruchs. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise durch die DE 101 18 053 A1 bekannt geworden.

Die aus DE 101 18 053 A1 bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist ein Ventil mit einer piezoelektrischen Aktor-Einheit zur Betätigung eines Ventilglieds auf, das einen Stellkolben und einen in einem Ventilkörper geführten Betätigungskolben aufweist. Der Betätigungskolben betätigt ein Ventilschließglied, das mit einem an dem Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt und in Schließstellung eine Steuerbohrung von einem Ablaufraum trennt, von welchem ein Rücklaufkanal abzweigt. Zwischen dem Stellkolben und dem Betätigungskolben ist eine Hydraulikkammer angeordnet, die eine Bewegung des Stellkolbens auf den Betätigungskolben überträgt. Um die Größe der Aktor-Einheit gering halten zu können, ist der Betätigungskolben bei geschlossenem Ventilschließglied im wesentlichen hydraulisch kraftausgeglichen gelagert.

Weiterhin ist aus der US 4,579,283 eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Einspritzventil bekannt, das mittels eines piezoelektrischen Aktors betätigt wird. Der piezoelektrische Aktor wirkt auf einen Kolben, der das Volumen einer zwischen dem Kolben und der Ventilnadel des Einspritzventils vorgesehenen Pumpkammer ändert. Die Ventilnadel bewegt sich auf- und abwärts, abhängig vom Druck in der Pumpkammer, um die Einspritzöffnung des Einspritzventils für eine Einspritzung zu öffnen oder zu schließen.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des einzigen Patentanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass auch das Kopplervolumen und das verbleibende Ende des antriebsseitigen Kolbens des Kopplers mit Hochdruck beanschlagt wird und dadurch zumindest teilweise ein Kraftausgleich für das Steuerventil erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
die einzige Figur die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Einspritzventil und einem Steuerventil sowie einem hydraulischen Koppler.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 wird von einem Druckspeicher (Common Rail) 3 mit Kraftstoff unter hohem Druck über eine Hochdruckleitung 5 versorgt, von der aus Kraftstoff über eine Einspritzleitung 6 zu einem Einspritzventil 9 gelangt. Eine Brennkraftmaschine hat normalerweise mehrere derartige Einspritzventile, und der Einfachheit halber ist lediglich eines dargestellt. Das Einspritzventil 9 weist eine Ventilnadel (Ventilkolben, Düsennadel) 11 auf, die mit einer konischen Ventildichtfläche 12 in ihrer Schließstellung Einspritzöffnungen 13, durch die Kraftstoff ins innere eines Verbrennungsraums des Verbrennungsmotors eingespritzt werden soll, verschließt. Der Kraftstoff gelangt in den Bereich der Düsennadel über einen ringförmigen Düsenraum 14, von dem aus er über eine als Druckschulter ausgebildete Steuerfläche 15 einen Druck in Öffnungsrichtung der Düsennadel auszuüben gestattet. Wenn der genannte Druck eine Kraft in Öffnungsrichtung auf die Ventilnadel ausübt, die diesem Öffnen entgegen wirkende Kräfte überwindet, so öffnet sich das Ventil.
Zum Steuern des Öffnens und Schließens der Einspritzöffnungen dient ein Aktor 31. Dieser erzeugt in Abhängigkeit von einer Ansteuerung an einem mechanischen Ausgang eine Auslenkung und eine Kraft zum Betätigen weiterer Elemente. Im Beispiel handelt es sich um einen elektrisch betätigten Aktor. Im Beispiel ist es ein Aktor, der ein piezoelektrisches Element aufweist, nämlich ein Piezoaktor. Der Aktor nimmt in Abhängigkeit von einer elektrischen Ansteuerung in Vertikalrichtung der Zeichnung und somit in seiner Längsrichtung eine gelängte Konfiguration oder eine verkürzte Konfiguration ein. Im Beispiel ist ein Aktor mit einer derartigen Konstruktion vorgesehen, der bei Bestromung (Anschluss an eine Gleichstromversorgung) eine gelängte Konfiguration einnimmt, ohne Bestromung eine verkürzte Konfiguration einnimmt. Der Aktor bildet eine kapazitive Last und nimmt bei Dauerbestromung keine Verlustleistung auf. Es kann vorteilhaft oder erforderlich sein, den Piezoaktor durch eine Spannvorrichtung, z. B. Feder, so vorzuspannen, dass im Aktor enthaltene piezoelektrische Elemente stets auf Druck beansprucht sind. Dies ist den Fachleuten bekannt. und deshalb wird hierauf im Folgenden nicht hingewiesen. Während das obere Ende des Piezoaktors in einer in der Zeichnung nicht sichtbaren Weise in der Einspritzvorrichtung verankert ist, dient das untere Ende des Piezoaktors dazu, dessen Kraft und Bewegung letztendlich zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung zu verwenden. Hierzu ist für seine Ankopplung ein hydraulischer Koppler 35 vorgesehen, der einen mit dem Piezoaktor gekoppelten Kolben 36 und einen weiteren Kolben 37 aufweist. Im vorliegenden Anwendungsfall ist im allgemeinen durch den Koppler eine Vergrößerung des Wegs des weiteren Kolbens 37 im Vergleich zum Weg des Kolbens 36 (durch passende Wahl der hydraulisch wirksamen Kolbenflächen) nötig. Die Konstruktion und Wirkungsweise des hydraulischen Kopplers wird weiter unten beschrieben.
Wenn der mit dem Piezoaktor nicht unmittelbar verbundene Kolben 37 des hydraulischen Kopplers ein Steuerventil 41 (oder Auslassventil) öffnet, sinkt der Druck in einer mit Kraftstoff gefüllten Steuerkammer 43, in die der obere Endabschnitt der Düsennadel eingreift. Die Steuerkammer 43 wird mit Kraftstoff unter Druck über eine Zulaufdrossel 47 gefüllt, und bei geöffnetem Steuerventil 41 fließt Kraftstoff über eine Ablaufdrossel 49 aus der Steuerkammer 43 aus. Das Ausfließen von Kraftstoff wird durch Kräfte unterstützt wird, die die Düsennadel 11 in ihre offene Stellung zu bewegen bestrebt sind. Ein bewegliches Ventilstück 51 liegt bei geschlossenem Steuerventil 41 an einem Ventilsitz 53 dichtend an und ist mit dem weiteren Kolben 37 mechanisch gekoppelt. Die bei geöffnetem Ventilstück 51 aus der Steuerkammer ausströmende Steuermenge wird durch einen Leckagekanal 55 abgeführt.
Die Kolben 36 und 37 sind im Beispiel im wesentlichen linear hintereinander angeordnet, im Beispiel genau hintereinander. Ein seitlicher Versatz oder ein von 0 Grad verschiedener Winkel zwischen den Längsachsen der Kolben würde funktionell nichts ändern. Die Art, in der sie miteinander gekoppelt sind, wird unten erläutert. Im Kolben 36 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung dieses Kolbens anzeigt, wenn der Aktor eine Bewegung in der Zeichnung nach unten ausführt. Im Kolben 37 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung dieses Kolbens anzeigt, wenn der Kolben 36 die durch seinen Pfeil bezeichnete Bewegung ausführt. Durch Vergleich des Pfeil des Kolbens 37 mit der Richtung, in der das bewegliche Ventilelement des vom hydraulischen Wandler 35 zu betätigenden Ventils zum Öffnen bzw. zum Schließen bewegt werden muss, ist aus der Zeichnung unmittelbar ersichtlich, ob die in der Zeichnung eingezeichnete Richtung der genannten Pfeile einem Öffnungsvorgang oder einem Schließvorgang des genannten Ventils entspricht.
Das bewegliche Ventilstück 51 ist im wesentlichen kugelförmig ausgebildet. Insbesondere liegt es mit einem im wesentlichen die Form einer Kugelkalotte aufweisenden Flächenbereich im geschlossenen Zustand an dem Ventilsitz 53 an. Im Beispiel muss das bewegliche Ventilteil 51 zum Schließen unter Aufwendungen einer Kraft gegen seinen Ventilsitz gedrückt werden, damit es das Ausströmen des unter Druck stehenden Kraftstoffs aus der Steuerkammer 43 verhindert. Es befindet sich somit dann im Sperrzustand, wenn das bewegliche Ventilteil nach "innen", nämlich in Richtung von einem Bereich niedrigeren Drucks zu einem Bereich höheren Drucks in seine Sperrstellung bewegt worden ist, und daher wird das Steuerventil im vorliegenden Fall als I-Ventil bezeichnet. Mit anderen Worten stimmt die Richtung der Öffnungsbewegung des beweglichen Ventilteils mit der Richtung von aus der Steuerkammer ausströmendem Kraftstoff überein.
Anstatt des genannten Kugelventils, das eine freie Kugel ohne starre Verbindung mit einem anderen Teil aufweisen kann, mag eine geeignete andere Konstruktion für das I-Ventil verwendet sein, z. B. ein Kegelventil mit einem kegelförmigen Flächenbereich, der mit dem Ventilsitz zusammen wirkt.
Der Aktor 31 ist mit dem Kolben 36 durch eine Stange 61 mit einem Durchmesser d5 verbunden. Der Kolben 37 ist mit dem von ihm zu betätigenden beweglichen Ventilteil 51 durch eine Stange 63 mit einem Durchmesser d1 verbunden. Der Kolben 36 hat einen Durchmesser d4, der Kolben 37 hat einen Durchmesser d2. Der lichte Durchmesser des Ventilsitzes 53 dort, wo das bewegliche Ventilteil an ihm anliegt, ist d3.
Zwischen den zylindrischen Außenflächen der Kolben und einem diese aufnehmenden Gehäuse (in der vereinfachten Darstellung der Figur nicht gezeigt) bestehen Führungsspalte 65 für den Kolben 36 und 67 für den Kolben 37. Die Führungsspalte dienen zum Füllen des Kopplervolumens bzw. eines oder mehrerer Wandlerräume mit Kraftstoff.
Maßgeblich für die Funktion sind die den oben genannten Durchmessern (für kreisförmige Querschnitte) entsprechenden Flächen f1 bis f5. Kreisförmige Querschnitte sind zwar für die Herstellung zweckmäßig, die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
Die einander zugewandten Endbereiche der Kolben 36 und 37 greifen in einen mit der Hochdruckleitung 5 verbundenen Füllraum 71 ein. Mit ihrem jeweils anderen Endbereich greifen die Kolben 36 und 37 in einen ersten Übersetzerraum 72 bzw. einen zweiten Übersetzerraum 73 ein, die über einen Kanal 74 verbunden sind. Die Übersetzerräume und der Kanal 74 bilden das Kopplervolumen, das über die Führungsspalte 65 und 67 mit Raildruck befüllt wird. Durch eine Vorspannfeder (Druckfeder) 75 im Füllraum 71 wird der Kolben 36 immer an den Aktor gedrückt und mit diesem in Kontakt gehalten. Die Kolben 36 und 37 bewegen sich gleichsinnig, aber wegen der gewünschten Weg-Übersetzung vom Aktor zum Steuerventil mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
Der Aktor 31 (Piezosteller) ist im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 9 bestromt und ausgefahren (gelängt). Zum Öffnen des Steuerventils 41 wird der elektrische Strom zum Aktor 1 abgeschaltet und der Aktor zieht sich zurück (verkürzt sich). Dadurch wird der Kolben 36 (erster Übersetzerkolben) zurückgezogen. In dem Übersetzerraum 72 ist im Ruhezustand CR-Druck (= Druck des Druckspeichers bzw. Common Rails) als Systemdruck. Im Übersetzerraum 72 steigt durch das Zurückziehen des Kolbens 36 der Druck über den CR-Druck hinaus und öffnet über den Kolben 37 (zweiter Übersetzerkolben) das Steuerventil 41, das ein I-Ventil ist. Die Übersetzung des Kopplers ist (d₄ ² – d₅ ²) / (d₂ ²– d₁ ²). Das Steuerventil 41 ist sicher geschlossen, wenn d₃ ² + d₂ ² – d₁ ² < d₂ ² ist.
Mit diesem Verhältnis ist d₃ kraftausgeglichen. Es steht daher im Vergleich zum Stand der Technik ein größerer Überschuss an Kraft, die vom Aktor geliefert wird, zur Beschleunigung der Masse des beweglichen Ventilteils und zum Schließen des Ventils entgegen dem CR-Druck in der Steuerkammer 43 zur Verfügung. Die Endung schafft somit eine Variante mit teilausgeglichenem (= bezüglich der Kraft teilweise ausgeglichenem) Steuerventil, wobei das Ventil ein I-Ventil ist. Die vom Aktor zum Schließen des Ventils zu liefernde Kraft ist daher gegenüber dem Bekannten kleiner.
Die Erfindung erfasst auch Ausführungsformen, bei denen der unter hohem Druck stehende Kraftstoff nicht von einem Hochdruckspeicher zugeführt wird, sondern von einer dem Einspritzventil zugeordneten Pumpe (z.B. Pumpe-Düse-Einheit, Unit Injector), die auch den Füllraum speist.

Claims

Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) mit einem Einspritzventil (9), einer dem Einspritzventil (9) bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druckzuführenden Leitung (5), einem den Druck in einer mit der genannten Leitung (5) verbundenen Steuerkammer (43) des Einspritzventils (9) steuernden Steuerventil (41), dessen bewegliches Ventilteil (51) von einem Aktor (31) über einen hydraulischen Koppler (35) betätigbar ist, der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers (35) zusammenwirkende, linear hintereinander angeordnete Kolben (36, 37) aufweist, wobei eine Querschnittsfläche f3 des beweglichen Ventilteils (51) bei geschlossenem Steuerventil (41) von der Steuerkammer (43) her mit hohem Druck beaufschlagt wird, mit Mitteln zum Füllen des Kopplervolumens über Führungsspalte (65, 67) der Kolben (36, 37) mit unter Druck stehendem Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen den Kolben (36, 37) angeordneter Füllraum (71) mit der genannten Leitung (5) verbunden ist, dass der dem Aktor (31) zugewandte Kolben (36), der eine Querschnittsfläche f4 aufweist, mit dem Aktor (31) über eine Stange (61) mit einer gegenüber f4 kleineren Querschnittsfläche f5 mechanisch gekoppelt ist, dass der andere Kolben (37), der eine Querschnittsfläche f2 aufweist, über eine weitere Stange (63) mit einer gegenüber f2 kleineren Querschnittsfläche f1 das Steuerventil (41) betätigt, dass die beiden einander abgewandten Enden der Kolben (36, 37) in zugeordnete Übersetzerräume (72 bzw. 73) eingreifen, die über einen Kanal (74) verbunden sind, und dass die Querschnittsflächen so gewählt sind, dass f3 + f2 – f1 < f2 ist, derart, dass das Steuerventil (41) mindestens teilweise kraftausgeglichen ist, und dass die Richtung der Öffnungsbewegung des beweglichen Ventilteils (51) mit der Richtung von aus der Steuerkammer (43) ausströmendem Kraftstoff übereinstimmt.