DE602004002686T2

DE602004002686T2 - Kraftstoffinjektor mit kraftausgeglichenem Steuerventil

Info

Publication number: DE602004002686T2
Application number: DE602004002686T
Authority: DE
Inventors: c/o C.R.F.Società Consortile per Mario Ricco; c/o C.R.F.Società Sisto Luigi De Matthaeis; Adriano c/o C.R.F.Società Consortile Gorgoglione; Antonio c/o C.R.F. Società.Consortil Gravina
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2007-08-16
Also published as: JP4358776B2; US7469843B2; JP2006017103A; ES2273197T3; EP1612398A1; ATE341708T1; EP1612398B1; US20060000930A1; DE602004002686D1; DE602004002686T8

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Servoventil zum Steuern/Regeln einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors.
Bekanntlich umfasst eine Einspritzvorrichtung einen Einspritzvorrichtungskörper, der eine Düse zum Einspritzen von Kraftstoff in den Motor ausgebildet hat und eine Regel-/Steuerstange aufnimmt, die entlang einer jeweiligen Achse beweglich ist, um einen die Düse schließenden Stift zu betätigen. Im Einspritzvorrichtungskörper ist auch ein elektromagnetisches Regel-Servoventil untergebracht, das eine Regel-/Steuerkammer umfasst, die auf einer Seite axial durch die Regel-/Steuerstange und auf der anderen Seite durch eine Stirnwand mit einer Auslassöffnung, die außerhalb der Regel-/Steuerkammer axial in einen konischen Sitz austritt, begrenzt ist. Das Regel-Servoventil umfasst auch ein Verschlussglied, das wiederum eine in den konischen Sitz eingreifende Kugel umfasst und durch einen Elektromagneten betätigt wird, um sich axial zum Sitz hin und davon weg zu bewegen, um die Auslassöffnung zu öffnen und zu schließen und so den Druck in der Regel-/Steuerkammer zu verändern. Im Spezielleren unterliegt das Verschlussglied auf einer Seite der axialen Schubkraft, die durch den Druck des Kraftstoffs in der Auslassöffnung auf die Kugel ausgeübt wird, und auf der anderen Seite dem Zug des Elektromagneten und der axialen Schubkraft einer vorgespannten Feder, um die Auslassöffnung geschlossen zu halten, wenn der Elektromagnet nicht erregt ist.
Der Markt verlangt gegenwärtig nach dem Einsatz von piezolektrischen im Gegensatz zu elektromagnetischen Stellgliedern.
Wenn piezoelektrische Stellglieder einer Spannung ausgesetzt werden, können sie eine Schub- aber keine Zugkraft ausüben und lassen sich deshalb in den vorstehend beschriebenen bekannten Lösungen nicht einsetzen.
Außerdem bewirken piezoelektrische Stellglieder eine relativ geringe Verdrängung, so dass, um die notwendigen Kraftstoffauslassströmungsquerschnitte zu erzielen, Hubverstärkungssysteme vorgesehen werden müssen, oder die Verschlussfläche der Auslassöffnung des Verschlussglieds vergrößert werden muss. Einerseits sind Hubverstärkungssysteme, vor allem weil sie komplex und sperrig sind, nicht wünschenswert; und andererseits würde eine Vergrößerung der Verschlussfläche die axiale Kraft verstärken, die durch den Kraftstoffdruck auf das in der Schließstellung befindliche Verschlussglied ausgeübt wird, so dass die Vorspannung der Feder erhöht werden müsste, um das Verschlussglied geschlossen zu halten, und das piezoelektrische Stellglied bräuchte eine stärkere Kraft, was wiederum zu einer erheblichen Sperrigkeit und Komplexität führen würde.
Die US 5,979,790 offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil, das einen Ventilblock mit einer mit Druck beaufschlagten Fluidöffnung, einer Arbeitskammer und einer Auslassöffnung umfasst. Der Ventilblock besteht im Wesentlichen aus zwei hülsenartigen Gehäuseteilen, die zusammen einen Steuerkolben führen, der im Ansprechen auf die Wirkung eines piezoelektrischen Stellglieds durch eine dazwischen eingesetzte Wirbelkammer zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung beweglich ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Servoventil zum Regeln/Steuern einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, das dazu ausgelegt ist, die vorstehende Anforderung auf unkomplizierte, kostengünstige Weise zu erfüllen, und das vorzugsweise auch bei relativ geringem Anhub des Verschlussglieds für große Kraftstoffauslassströmungsquerschnitte sorgt, kompakt ist und eine relativ geringe Anzahl an Bauteilen umfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein wie durch Anspruch 1 definiertes Servoventil zum Steuern/Regeln einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors bereitgestellt.
Zum klaren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird eine bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsform eines Servoventils zum Steuern/Regeln einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors beispielhaft mit Bezug auf die beigefüg ten Zeichnungen beschrieben, die einen Querschnitt des Servoventils zeigt, wobei Teile der Klarheit halber weggelassen sind.
Die Zahl 1 in der beigefügten Zeichnung gibt eine (teilweise gezeigte) Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors insgesamt, insbesondere eines (nicht gezeigten) Dieselmotors an. Die Einspritzvorrichtung 1 umfasst einen Außenaufbau oder ein Gehäuse 2, das sich entlang einer Längsachse 3 erstreckt, einen Seiteneinlass 5 zum Anschluss einer Pumpe hat, die einen Teil eines (nicht gezeigten) Kraftstoffzufuhrsystems bildet, und in einer (nicht gezeigten) Düse endet, die mit dem Einlass 5 in Verbindung steht und dazu vorgesehen ist, Kraftstoff in einen jeweiligen Zylinder des Motors einzuspritzen.
Das Gehäuse 2 bildet einen axialen Sitz 6 und nimmt eine Stange 7 auf, die axial in dem Sitz 6 gleitet, um einen (nicht gezeigten) Verschlussstift zum Öffnen und Schließen der Kraftstoffeinspritzdüse zu steuern.
Im Gehäuse 2 ist ein Regel-Servoventil 8 untergebracht, das eine Steuerkammer 13 umfasst, die koaxial mit der Stange 7 ausgebildet ist, mit dem Einlass 5 über einen Kanal 18 ständig in Verbindung steht, um unter Druck stehenden Kraftstoff aufzunehmen, und axial auf einer Seite durch die Stange 7 und auf der anderen Seite durch eine Endscheibe 20 begrenzt ist, die an einer feststehenden Stelle im Gehäuse 2 untergebracht ist.
Die Kammer 13 umfasst einen Auslasskanal 21, der wiederum zwei Abschnitte 22, 23 umfasst; der Abschnitt 22 umfasst eine Öffnung 24 mit kalibriertem Querschnitt und ist in der Scheibe 20 in einem Abstand von der Achse 3 ausgebildet; und der Abschnitt 23 ist in einem mit der Scheibe 20 koaxialen Rohrkörper 25 ausgebildet.
Vorzugsweise sind (nicht gezeigte) geeignete Ausrichtungssysteme zwischen der Scheibe 20 und dem Körper 25 vorgesehen, um die Abschnitte 22, 23 beim Zusammenbau der Einspritzvorrichtung 1 auszurichten.
Der Körper 25 ist axial, auf flüssigkeitsdichte Weise und in einer feststehenden Stellung durch eine an eine Innenfläche 28 des Gehäuses 2 geschraubte Ringmutter 27 an der Scheibe 20 festgemacht und umfasst einen axialen durchgehenden Sitz 29, der durch eine zylindrische Fläche 30 gebildet ist, durch welche der Abschnitt 23 austritt.
Der Sitz 29 ist durch ein Gleitverschlussglied 32 in Eingriff genommen, das durch einen Rundkopfstift gebildet ist, der einen zylindrischen Schaft umfasst, der durch eine zylindrische Außenfläche 33 begrenzt ist, die auf im Wesentlichen flüssigkeitsdichte Weise an der Fläche 30 mit einem ausreichend kleinen, kalibrierten Durchmesserspielraum, z.B. von weniger als 4 μm, oder mit dazwischengesetzten Dichtungselementen angreift, wie etwa Ringen aus bronzebeschwertem PTFE oder Werkstoffen, die unter den Handelsbezeichnungen „Turcite" oder „Turcon" bekannt sind.
Der zylindrische Schaft umfasst eine in der Fläche 33 ausgebildete ringförmige Kammer 34, endet angrenzend an die Kammer 34 in einem Kopf 35 und hat eine konische Schulter 36, die an einer konischen Anschlagschulter 37 aufliegt, die eine Verlängerung der Fläche 30 bildet.
Das Verschlussglied 32 wird axial durch eine Betätigungsvorrichtung 39 zwischen einer zurückgezogenen, geschlossenen Stellung, in welcher der Kanal 21 durch einen flüssigkeitsdichten Passsitz der Schultern 36, 37 auf einer Seite und der Flächen 30, 33 auf der anderen Seite geschlossen ist, und einer nach vorne gerichteten offenen Stellung verschoben, in welcher der Kanal 21 mit einer (nicht gezeigten) Auslass- oder Umwälzleitung in Verbindung steht, um den Druck in der Regel-/Steuerkammer 13 zu verändern und so die Einspritzdüse durch eine axiale Translation der Stange 7 zu öffnen und zu schließen.
In der zurückgezogenen Stellung fließt Kraftstoff radial in die Kammer 34 und übt eine resultierende axiale Nullschubkraft auf das Verschlussglied 32 aus; und in der nach vorne gerichteten Stellung fließt Kraftstoff über die Kammer 34, über einen Zwischenraum zwischen den Schultern 36, 37 und über einen im Verschlussglied 32 ausgebildeten Durchlass 38 in die Auslass- oder Umwälzleitung.
Die Vorrichtung 39 umfasst ein (teilweise gezeigtes) piezoelektrisches Stellglied 40 und eine vorgespannte Feder 42, die an entgegengesetzten axialen Enden des Verschlussglieds 32 angeordnet ist.
Das Stellglied 40 liegt direkt auf dem Verschlussglied 32 auf und verformt sich, wenn es (auf eine nicht dargestellte Weise) mit Spannung beaufschlagt wird, um in einer Richtung eine axiale Schubkraft auf das Verschlussglied 32 auszuüben, die zu derjenigen entgegengesetzt ist, die durch die Vorspannung der Feder 42 ausgeübt wird.
Die Feder 42 ist axial zwischen dem Verschlussglied 32 und der Scheibe 20 eingesetzt und teilweise in einem Hohlraum 43, der axial im Kopf 35 ausgebildet ist, und teilweise in einer axialen Ausnehmung 44 aufgenommen, die in der Scheibe 20 ausgebildet ist und auch einen Teil des Kopfs 35 aufnimmt.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar sein wird, erfüllt das Servoventil 8 die Anforderung nach dem Einsatz eines piezoelektrischen Stellglieds und sorgt gleichzeitig selbst mit einem relativ geringen Anhub des Verschlussglieds für den Kraftstoff, der vom Kanal 21 über die ringförmige Kammer 34 zur Auslass- oder Umwälzleitung fließt, genauer gesagt, mittels der ringförmigen Kammer 34 selbst, für relativ große Strömungsquerschnitte.
Der Kanal 21 und die Gleitbewegung des Verschlussglieds 32 im Sitz 29 sorgen für einen axialen Ausgleich der auf das Verschlussglied 32 in der zurückgezogenen, geschlossenen Stellung wirkenden Druckkräfte, und ermöglichen so im Vergleich zu bekannten Lösungen, bei denen das Verschlussglied den Auslass der Kammer 13 axial oder frontal schließt, eine ca. 30%-ige Reduktion der Vorspannung der Feder 42, so dass ein relativ unkompliziertes, kompaktes piezoelektrisches Stellglied verwendet werden kann.
Aufgrund der großen Strömungsquerschnitte, die bereitstehen, kann das Verschlussglied 32 auch mit einem relativ geringen Anhub oder einer relativ geringen axialen Verschiebung direkt durch das piezoelektrische Stellglied 40 betätigt werden, ohne dass dabei Übertragungs- und/oder Hubverstärkungssysteme dazwischen vonnöten wären.
Aufgrund der Eigenschaften des Körpers 25, des Verschlussglieds 32 und der Scheibe 20, lässt sich die Feder 42 relativ einfach einbauen und der Körper 25 relativ einfach mittels der Ringmutter 27 an Ort und Stelle festsetzen.
Selbstverständlich können Änderungen an dem wie hier beschriebenen und dargestellten Regel-Servoventil 8 vorgenommen werden, ohne dass dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen würde.
Insbesondere können sich die Kammer 34 und/oder die Form des Kanals 21 von den hier beispielhaft dargestellten unterscheiden, während gleichzeitig immer noch für den auf das Verschlussglied 32 in der geschlossenen Stellung wirkenden resultierenden axialen Kraftstoffnulldruck gesorgt wird.

Claims

Servoventil (8) zum Steuern/Regeln einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) eines Verbrennungsmotors; wobei das Servoventil in einem Gehäuse (2) der Einspritzvorrichtung untergebracht ist und Folgendes umfasst: – eine Betätigungseinrichtung (39), die ein piezoelektrisches Stellglied (40) umfasst; – eine Regel-/Steuerkammer (13), die über einen Einlasskanal (18) mit einem Kraftstoffeinlass (5) und über einen Auslasskanal (21), der eine Öffnung (24) mit kalibriertem Querschnitt hat, mit einem Kraftstoffauslass ständig in Verbindung steht; – einen einzelnen Rohrkörper (25), der im Hinblick auf das Gehäuse (2) feststeht und einen Innensitz bildet, der sich entlang einer Längsachse (3) erstreckt; und – ein Verschlussglied (32), das von einem einzelnen Stiftkörper gebildet ist, der mit dem Innensitz in im Wesentlichen fluiddichter Weise in Eingriff steht und zusammen mit dem einzelnen Rohrkörper (25) eine ringförmige Kammer (34) bildet; wobei das Verschlussglied (32) durch das piezoelektrische Stellglied (40) aus einer geschlossenen Stellung, in der es die ringförmige Kammer (34) verschließt und durch den Kraftstoffdruck einer resultierenden axialen Nullkraft unterliegt, axial in eine offene Stellung geschoben wird, die den Auslasskanal (21) öffnet, um eine Düse der Einspritzvorrichtung (1) zu öffnen und zu schließen; dadurch gekennzeichnet, dass: – die Regel-/Steuerkammer (13) auf einer Seite axial durch eine Stange (7), die einen Verschlussstift zum Öffnen und Schließen der Düse steuert, und auf der anderen Seite durch eine Endscheibe (20) begrenzt ist, die sich koaxial mit dem einzelnen Rohrkörper (25) innerhalb des Gehäuses (2) befindet; – der Auslasskanal (21) vom Einlasskanal (18) getrennt ist, aus der Regel-/Steuerkammer (13) austritt, durch die Endscheibe (20) verläuft und in die ringförmige Kammer (34) übergeht; und – der einzelne Rohrkörper (25) umfasst: – eine Zylinderfläche (30), durch welche der Auslasskanal (21) austritt, und – eine konische Schulter (37), die eine Verlängerung der Zylinderfläche (30) und einen Anschlag für den einzelnen Stiftkörper (32) bildet.
Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Stiftkörper (32) axial und direkt am piezoelektrischen Stellglied (40) anliegt.
Servoventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (39) auch eine vorgespannte Feder (42) umfasst, die axial zwischen dem einzelnen Stiftkörper (32) und der Endscheibe (20) eingesetzt ist, die die Regel-/Steuerkammer (13) axial begrenzt.
Servoventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgespannte Feder (42) teilweise innerhalb eines axialen Hohlraums (43) in dem einzelnen Stiftkörper (32) untergebracht ist.
Servoventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Rohrkörper (25) durch eine auf das Gehäuse (2) aufgeschraubte Ringmutter (27) axial an der Endscheibe (20) festgeklemmt ist.
Servoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Kammer (34) in einer Außenzylinderfläche (33) des einzelnen Stiftkörpers (32) ausgebildet ist.
Servoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Stiftkörper (32) sich mit einem kalibrierten Spielraum in das Innere der Innensitzfläche in dem einzelnen Rohrkörper (25) einpasst.
Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Stiftkörper (32) in den Innensitz (29) im einzelnen Rohrkörper (25) eingepasst ist, wobei Dichtungsteile dazwischen eingesetzt sind.