DE19939450A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Es wird eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, bei dem ein Kraftstoffeinspritzventil (9) einen von einem Einspritzventilglied (14) betätigten Stößel (21) aufweist, der einen Steuerraum (25) begrenzt, welcher ständig von Kraftstoffhochdruck versorgt wird, und der über ein Steuerventil (43) und einen Abflußkanal (29) zu einem Abflußraum (32) hin entlastet werden kann. Das Steuerventil (43) weist ein Ventilglied (42) auf, das von einem Piezo (45) betätigt wird, wobei das Ventilglied (42) zusammen mit einer Sitzkante (40) einen ersten Dichtsitz (41) mit einem Flachsitz ausbildet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der DE 196 24 001 A1 bekannt ist. Die bekannte Vorrichtung weist ein von einem Piezo betätigbares Ventilglied auf, das in einem Kraftstoffeinspritzventil den Steuerraum zu einem Abflußkanal hin abdichtet oder öffnet. Die Abdichtung erfolgt entsprechend der Ausführungsbeispiele entweder über einen am Ventilglied ausgebildeten Kegel- oder über einen Kugelsitz. Aufgrund dieser Bauart entsteht beim Abheben des Ventilgliedes von seinem Ventilsitz am Ventilgehäuse der Effekt, daß der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser des Ventilgliedes größer ist als dessen geometrischer Sitzdurchmesser. Dadurch resultiert, daß zum Abheben des Ventilgliedes von seinem Ventilsitz eine erhöhte Öffnungskraft von dem Piezo aufzubringen ist. Diese erhöhte Öffnungskraft verringert den Hub des Piezos bzw. begrenzt den Einsatzbereich eines vorgeschalteten hydraulischen Kraft-Weg-Übersetzers. Der Effekt des im Verhältnis zum geometrischen Sitzdurchmesser erhöhten hydraulisch wirksamen Sitzdurchmesser des Ventilgliedes bei den angesprochenen Kegel- oder Kugelsitzen läßt sich aus Strömungs- bzw. Drosseleffekten erklären, die entstehen, wenn sich beim Abheben des Ventilgliedes von seinem Ventilsitz zwischen dem Ventilglied und dem Ventilsitz ein Strömungskanal mit einer gewissen Länge ausgebildet, durch den der Kraftstoff vom Steuerraum zum Abflußkanal hindurchströmt. Sobald das Ventilglied jedoch einen bestimmten Mindesthub ausgeführt hat, treten die beschriebenen Effekte nicht mehr auf.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch den verwendeten Flachsitz beim Abheben des Ventilgliedes von seinem Ventilsitz dessen hydraulisch wirksamer Sitzdurchmesser in der Praxis nur geringfügig größer als der geometrische Sitzdurchmesser des Ventilgliedes ist. Dabei entspricht der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser desto eher dem geometrischen Sitzdurchmesser des Ventilgliedes, desto geringer der Durchmesserunterschied zwischen der von dem Ventilglied verschlossenen Öffnung und dem Durchmesser des Ventilgliedes am Ventilsitz ist, da dann beim Abheben des Ventilgliedes sehr kurze Strömungswege für das Druckmittel am Ventilsitz geschaffen werden, wodurch sich die die unterschiedlich wirksamen Sitzdurchmesser verursachenden Stömungs- bzw. Drosseleffekte verringern. Weiterhin läßt sich ein Flachsitz besonders einfach fertigungstechnisch realisieren, da die Toleranzanforderungen bezüglich der Führung des Ventilgliedes in Bezug auf den Ventilsitz relativ gering sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn das Ventilglied mit einer umlaufenden, erhöhten Sitzkante am Ventilsitz zusammenwirkt. Diese umlaufende Sitzkante läßt sich fertigungstechnisch relativ einfach mittels einer Schräge realisieren. In der besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser des Ventilgliedes nahezu gleich dem geometrischen Sitzdurchmesser, und zwar unabhängig von der Größe bzw. dem Durchmesser des Ventilgliedes in Höhe des Flachsitzes.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit Versorgung aus einem Hochdruckspeicher und einem von einem Steuerventil gesteuertem Kraftstoffeinspritzventil und

Fig. 2 ein Kraftstoffeinspritzventil entsprechend dem Ausschnitt A der Fig. 1 im Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, mit der mit hohen Einspritzdrücken und geringem Aufwand eine große Variation der Kraftstoffeinspritzung, insbesondere mit sehr exakt steuerbaren Einspritzzeitpunkten und Einspritzmengen möglich ist, wird durch ein sogenanntes Common-Rail-System verwirklicht. Dieses stellt eine andere Art von Kraftstoffhochdruckquelle zur Verfügung, als es durch die übliche Kraftstoffhochdruckeinspritzpumpe gegeben ist. Dabei ist jedoch die Erfindung sowohl bei diesem sogenannten Common-Rail-System, als auch bei einer Kraftstoffeinspritzpumpe verwendbar. Dem Common-Rail-System ist dabei jedoch der Vorzug zu geben.

In der Fig. 1 ist bezüglich eines Common-Rail-Systems als Kraftstoffhochdruckquelle ein Kraftstoffhochdruckspeicher 1 vorgesehen, der von einer Kraftstoffhochdruckförderpumpe 2 aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 4 mit Kraftstoff versorgt wird. Der Druck in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 wird durch ein Drucksteuerventil 5 in Verbindung mit einem Drucksensor 6 über eine elektrische Steuereinrichtung 8 gesteuert. Diese steuert auch ein Kraftstoffeinspritzventil 9.

Das Kraftstoffeinspritzventil 9 weist ein Ventilgehäuse 11 auf, das an seinem einen Ende, das zum Einbau an der Brennkraftmaschine bestimmt ist, Einspritzöffnungen 12 besitzt, deren Austritt aus dem Inneren des Kraftstoffeinspritzventils 9 durch ein Einspritzventilglied 14 gesteuert wird. Dieses ist im ausgeführten Beispiel als langgestreckte Ventilnadel ausgeführt, die an ihrem einen Ende eine Dichtfläche 15 besitzt, die mit einem innenliegenden Ventilsitz zusammenwirkt. Die Ventilnadel befindet sich innerhalb eines durch eine Druckleitung 17 mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 verbundenen Druckraumes 16 innerhalb des Ventilgehäuses 11. In einem im Durchmesser vergrößerten Teils des Druckraumes 16 ist eine Druckfeder 19 angeordnet, die zwischen einem Ventilteller 20 und dem Ventilgehäuse 11 axial eingespannt ist und das Einspritzventilglied 14 in Schließrichtung beaufschlagt.

Koaxial zur Druckfeder 19 ist ein Stößel 21 vorgesehen, der einerseits am Ventilteller 20 anliegt und andererseits in eine Führungsbohrung 22 eintaucht und dort mit seiner Stirnseite 23, die eine bewegliche Wand bildet, einen Steuerraum 25 mit dem geschlossenen Ende der Führungsbohrung 22 einschließt. In diesen Steuerraum 25 mündet ein Zuflußkanal 26, in dem eine Zulaufdrossel 27 angeordnet ist, und der vom Druckraum 16 ausgehend immer Kraftstoff unter Hochdruck über die Zulaufdrossel 27 in den Steuerraum 25 liefert.

Vom Steuerraum 25 führt koaxial zum Stößel 21 von der diesem gegenüberliegenden Stirnseite ein Abflußkanal 29 mit einer darin angeordneten Abflußdrossel 28 ab, der in einen Entlastungsraum 30 innerhalb des Ventilgehäuses 11 mündet. Der Entlastungsraum 30 führt über eine weiterführende . Entlastungsleitung 31 zu einem aufnahmefähigen Abflußraum 32, der zum Beispiel auch der Kraftstoffvorratsbehälter 4 sein kann.

Wie am besten aus der Fig. 2 ersichtlich ist, weist der Entlastungsraum 30 einen oberen Bereich 33 und einen dem Steuerraum 25 zugewandten unteren Bereich 34 auf. Von dem im Verhältnis zum unteren Bereich 34 im Durchmesser kleineren oberen Bereich 33 zweigt seitlich, auf der dem Zulaufkanal 26 gegenüberliegenden Seite, die Entlastungsleitung 31 ab. In den unteren Bereich 34 ragt eine umlaufende Erhebung bzw. ein Steg 35 hinein, dessen Innenwand 36 als Verlängerung der Bohrungswand 37 des oberen Bereichs 33 ausgebildet ist. Auf der der Innenwand 36 abgewandten Seite weist der Steg 35 eine Schräge 39 auf, so daß der Steg 35 in dem in der Fig. 2 dargestellten Längsschnitt dreiecksförmig ausgebildet ist.

Die dem Abflußkanal 29 zugewandte Stirnseite des Steges 35 bildet eine umlaufende Sitzkante 40 aus, die, wenn sie mit einem Ventilglied 42 zusammenwirkt, einen ersten Dichtsitz 41 bildet. Das Ventilglied 42 ist Bestandteil eines Steuerventils 43, wobei das Ventilglied 42 durch einen Piezo 45 in Schließstellung bzw. Öffnungsstellung gebracht werden kann.

Das Ventilglied 42 hat einen Ventilschaft 46 und ein sich an das eine Ende des Ventilschaftes 46 anschließendes, mit der Sitzkante 40 zusammenwirkendes Schließelement 47. Der Ventilschaft 46 ist im oberen Bereich 33 des Entlastungsraums 30 mit radialem Spiel angeordnet. Das Schließelement 47 ist halbkugel- bzw. kugelabschnittsförmig ausgebildet, mit einer der Sitzkante 40 zugewandten ebenen Sitzfläche 48, an die sich auch der Ventilschaft 46 anschließt. Der erste Dichtsitz 41 ist somit von der Sitzfläche 48 und der Sitzkante 40 als Flachsitz ausgebildet, wobei die Sitzfläche 48 des Schließelements 47 die Sitzkante 40 im Durchmesser überragt.

Die gewölbte, der Sitzfläche 48 abgewandte Fläche 49 des Schließelements 47 bildet zusammen mit einer der Fläche 49 zumindest teilweise formschlüssig angepaßten Sitzfläche 51 im Mündungsbereich des Abflußkanals 29 in dem unteren Bereich 34 des Entlastungsraums 30 einen Kugelsitz als zweiten Dichtsitz 52 aus.

Die oben beschriebene Kraftstoffeinspritzvorrichtung arbeitet wie folgt: Durch die vorzugsweise synchron zur Brennkraftmaschine angetriebene Kraftstoffhochdruckförderpumpe 2 wird Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter 4 in den Kraftstoffhochdruckspeicher 1 gefördert, dessen Druck über das Drucksteuerventil 5 in Verbindung mit dem Drucksensor 6 auf einen vorzugsweise konstanten Wert eingestellt wird. Dieser Wert kann bei Bedarf auch geändert werden. Der aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 zur Verfügung stehende Kraftstoff versorgt mehrere Kraftstoffeinspritzventile 9 der beschriebenen Bauart.

So lange das Ventilglied 42 des Steuerventils 43 in der gezeigten Schließstellung ist, wird aufgrund des über die Druckleitung 17 zugeführten Kraftstoffs auch im Steuerraum 25 ein relativ hoher Druck eingehalten, der über die bewegliche Wand 23 das Einspritzventilglied 14 zusätzlich zur Druckfeder 19 mit einer Schließkraft beaufschlagt, so daß das Einspritzventilglied 14 in Schließstellung gebracht wird und in dieser Stellung bleibt. Wird das Steuerventil 43 jedoch geöffnet, kann der Steuerraum 25 über den Abflußkanal 29, den Entlastungsraum 30 und die Entlastungsleitung 31 zum Abflußraum 32 hin entlastet werden.

Wesentlich dabei ist, daß aufgrund der Ausbildung des ersten Dichtsitzes 41 als Flachsitz beim Abheben des Schließelements 47 von der Sitzkante 40 nur ein sehr kurzer Strömungsweg für den Kraftstoff von dem unteren Bereich 34 in den oberen Bereich 33 des Entlastungsraums 30 entsteht. Somit treten nur sehr geringe, die Öffnungskraft des Piezos 45 erhöhende Strömungseffekte auf. Durch die besondere Ausbildung der Sitzkante 40 an dem erhöhten Steg 35 wird zusätzlich der Effekt der Durchmesserunterschiede zwischen dem Schließelement 47 im Bereich der Sitzfläche 48 und dem oberen Bereich 33 reduziert, was auf die erforderliche Öffnungskraft des Piezos 45 einen zusätzlichen positiven Effekt bewirkt.

Aufgrund des im Steuerraum 25 sinkenden Druckes reicht die Schließkraft der Druckfeder 19 beim Abheben des Schließelements 47 von der Sitzkante 40 nicht mehr aus, das Einspritzventilglied 14 gegen den an einer Druckfläche 53 des Ventilgliedes 42 angreifenden Kraftstoffhochdruck in Schließstellung zu halten, so daß das Einspritzventilglied 14 in Offenstellung geht. Dies bewirkt im beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem das Ventilglied 42 einen zweiten Dichtsitz 52 ausbildet, einen ersten Einspritzvorgang, Voreinspritzung genannt. Wenn das Ventilglied 42 seinen vollen Hubweg durchlaufen hat, bildet die Fläche 49 des Schließelements 47 mit der Sitzfläche 51 den zweiten Dichtsitz 52 aus, womit die Voreinspritzung dadurch beendet wird, daß im Steuerraum 25 wieder der ursprüngliche, hohe Kraftstoffdruck herrscht, da kein Kraftstoff zum Ablaufraum 32 hin abströmen kann.

Wird das Ventilglied 42 nunmehr wieder in Richtung des ersten Dichtsitzes 41 bewegt, wird ein zweiter Einspritzvorgang, Haupteinspritzung genannt, ausgelöst. Diese Auslösung erfolgt in Analogie zum ersten Einspritzvorgang durch Druckabsenkung im Steuerraum 25 infolge Abströmens von Kraftstoff in den Abflußraum 32. Die Haupteinspritzung wird beendet, sobald das Ventilglied 42 mit seiner Sitzfläche 48 unter Bildung des ersten Dichtsitzes 41 wieder auf der Sitzkante 40 aufliegt. In diesem Moment sperrt des Schließelement 47 den oberen Bereich 33 zum unteren Bereich 34 im Entlastungsraum 30 hin ab, so daß im Steuerraum 25 sofort wieder der hohe Kraftstoffdruck entsteht, der dann das Einspritzventilglied 14 wieder in Schließstellung bringt.

Claims (6)

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffhochdruckquelle (1), aus der ein Kraftstoffeinspritzventil (9) mit Kraftstoff versorgt wird, das ein Einspritzventilglied (14) zur Steuerung von wenigstens einer Einspritzöffnung (12) und einen Steuerraum (25) aufweist, der von einer beweglichen Wand (23), die mit dem Einspritzventilglied (14) wenigstens mittelbar verbunden ist, begrenzt wird, und der einen mittels einer ersten Drossel (27) dimensionierten, von einer Hochdruckquelle, vorzugsweise von der Kraftstoffhochdruckquelle (1) kommenden Zuflußkanal (26) und einen Abflußkanal (29) mit definiertem maximalem Abflußquerschnitt zu einem Entlastungsraum (30) aufweist, wobei der Abfluß von Kraftstoff aus dem Steuerraum (25) in einen Abflußbehälter (32) mittels eines einen ersten Ventilsitz (41) aufweisenden Ventilgliedes (42), das Bestandteil eines von einem Piezo (45) betätigbaren Steuerventils (43) ist, sperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (41) als Flachsitz ausgebildet ist.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachsitz gebildet ist von einer ebenen Fläche (48) des Ventilgliedes (42) und einer Wand im Übergangsbereich zwischen einem dem Steuerraum (25) zugewandten ersten Bereich (34) des Entlastungsraums (30) und einem dem Steuerraum (25) abgewandten zweiten Bereich (33) des Entlastungsraums (30).

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand als eine in den ersten Bereich (34) des Entlastungsraums (30) hineinragende, umlaufende Sitzkante (40) ausgebildet ist.

4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzkante (40) an einem Steg (35) ausgebildet ist.

5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (35) eine Schräge (39) aufweist.

6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (42) ein halbkugel- oder kugelabschnittsförmiges Schließglied (47) aufweist, dessen dem ersten Ventilsitz (41) abgewandte Fläche (49) im Übergangsbereich zwischen dem Abflußkanal (29) und dem Entlastungsraum (30) einen zweiten Ventilsitz (52) ausbildet.