DE19940297A1 - Kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

Abstract

Bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilkörper (10), einem Steuerdruckraum (22), einem Steuerventil (28), das den Druck im Steuerdruckraum (22) steuert, und einem Betätigungsteil (14) für eine Düsennadel (12), das in dem Ventilkörper (10) verschiebbar angebracht ist und vom Druck im Steuerdruckraum (22) beaufschlagt wird, sollen die auf das Betätigungsteil (14) und die Düsennadel (12) ausgeübten Druckkräfte verringert werden. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, daß das Steuerventil (28) einen Zulauf (24) zum Steuerdruckraum (22) steuert.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil mit ei­ nem Ventilkörper, einem Steuerdruckraum, einem Steuerventil, das den Druck im Steuerdruckraum steuert, und einem Betäti­ gungsteil für eine Düsennadel, das in dem Ventilkörper ver­ schiebbar angebracht ist und vom Druck im Steuerdruckraum be­ aufschlagt wird.

Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der DE 196 24 001 A1 bekannt und dient dazu, das Einspritzen von unter hohem Druck bereitgestellten Kraftstoff in einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine zu steuern. Es kann insbesondere bei einem sogenannten "Common Rail"-System ver­ wendet werden.

Das Steuerventil ist bei dem bekannten Kraftstoffeinspritz­ ventil im Ablauf von dem Steuerdruckraum angeordnet, so daß es dort den Kraftstoff aufstauen kann. Auf diese Weise wird im Steuerdruckraum ein Druck erzeugt, der das Betätigungsteil und damit die Düsennadel in einer geschlossenen Stellung hält. Wenn das Steuerventil öffnet, kommt es zu einem Druck­ abfall im Steuerdruckraum, so daß die auf das Betätigungsteil ausgeübte Schließkraft so weit abfällt, daß eine auf die Dü­ sennadel ausgeübte Öffnungskraft die Düsennadel öffnen kann.

Vorteile der Erfindung

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 er­ geben sich insgesamt geringere Druckkräfte, da nicht mehr der Druck im Steuerdruckraum aufgestaut wird, um die Düsennadel in ihrer geschlossenen Stellung zu halten, sondern der Steu­ erdruckraum durch Öffnen des Steuerventils nur dann unter Druck gesetzt wird, wenn die Düsennadel öffnen soll. Hierbei ergeben sich insgesamt geringere Kräfte, da im Steuerdruck­ raum zu keinem Zeitpunkt der volle Kraftstoffdruck wirkt. Die Verringerung der Druckkräfte führt zu einer Verringerung der Klemmkräfte, die aus Positions- und Ausrichtungstoleranzen zwischen Betätigungsteil und Düsennadel resultieren. Als Er­ gebnis der geringeren Klemmkräfte ergibt sich ein geringerer Verschleiß insbesondere der Düsennadel.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Betätigungsteil an seinem von der Düsen­ nadel abgewandten Ende mit einem Steuerkolben versehen ist, dessen Außendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Betätigungsteils, und daß der Steuerkolben auf der von der Düsennadel abgewandten Seite des Steuerdruckraumes aus diesem austritt. Auf diese Weise läßt sich in konstruktiv einfacher Weise der erforderliche Durchmesserunterschied er­ zielen, der erforderlich ist, um das Betätigungsteil durch eine Druckerhöhung im Steuerdruckraum so zu verstellen, daß die Düsennadel öffnen kann.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist der Steuerkolben auf seiner von der Düsennadel abgewandten Seite mit einem Ausgleichsfortsatz versehen, der in ein Ausgleichsraum hin­ einragt, der mit dem Kraftstoff unter Druck gesetzt werden kann. Der Ausgleichsfortsatz hat dabei vorzugsweise denselben Durchmesser wie der Ventilsitz der Düsennadel, so daß der Ausgleichsfortsatz die Öffnungskraft kompensiert, die im ge­ öffneten Zustand der Düsennadel auf die dem Ventilsitz ent­ sprechende Fläche der Düsennadel einwirkt.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin eine Dichtfeder vorgesehen, die auf das von der Düsennadel abge­ wandte Ende des Betätigungsteils einwirkt und das Betäti­ gungsteil in eine Stellung beaufschlagt, in der die Düsenna­ del geschlossen ist. Da die Dichtfeder nicht mehr im Bereich des Betätigungsteils angeordnet ist, ergibt sich ein Kraft­ stoffeinspritzventil, das im Bereich des Betätigungsteils und der Düsennadel eine sehr schlanke Bauform hat. Es können Au­ ßendurchmesser im Bereich von 10 bis 14 mm erzielt werden.

Vorzugsweise ist die Dichtfeder um den Ausgleichsfortsatz herum angeordnet. Auf diese Weise ist ohne Aufwand eine Füh­ rung für die Dichtfeder erzielt, während sich gleichzeitig eine sehr kompakte Bauform ergibt.

Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß das Steuerventil eine Steuerkammer aufweist, die mit einem ersten Ventilsitz versehen ist, der einem Ablauf aus der Steuerkam­ mer zugeordnet ist, und mit einem zweiten Ventilsitz, der ei­ nem Zulauf zur Steuerkammer angeordnet ist, und daß in der Steuerkammer ein Ventilelement angeordnet ist, das mit den beiden Ventilsitzen zusammenwirken kann. Auf diese Weise er­ gibt sich ein doppeltschaltendes Steuerventil, mit dem eine reproduzierbar kleine Voreinspritzmenge erzielt werden kann. Falls zur Betätigung des Ventilelements ein Piezo-Aktuator verwendet wird, ergibt sich im Vergleich zu einem einfach­ schaltenden Steuerventil eine Energieeinsparung, da der Pie­ zo-Aktuator nur einmal bestromt werden muß.

Vorzugsweise ist das Ventilelement mit einem Führungsansatz versehen, dessen Außendurchmesser dem Durchmesser des ersten und des zweiten Ventilsitzes entspricht. Es ergibt sich daher ein Steuerventil, das in seinen beiden Endstellungen, in de­ nen sich das Ventilelement in Anlage an einem der Ventilsitze befindet, kraftausgeglichen ist. Es sind somit nur geringe Betätigungskräfte erforderlich, die auch vän einem Piezo- Aktuator aufgebracht werden können.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine be­ vorzugte Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:

Fig. 1 in einem schematischen Schnitt ein erfindungsgemä­ ßes Kraftstoffeinspritzventil;

Fig. 2 in einer Seitenansicht ein Ventilelement, das bei dem Steuerventil des Kraftstoffeinspritzventils von Fig. 1 verwendet wird; und

Fig. 3 ein Diagramm des Hubes des Ventilelementes des Steuerventils und der Düsennadel des Kraftstoffeinspritzven­ tils über der Zeit.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzven­ til gezeigt. Es weist einen Ventilkörper 10 auf, in welchem verschiebbar eine Düsennadel 12 sowie ein Betätigungsteil 14 für die Düsennadel angeordnet sind. Die Düsennadel 14 wirkt mit einem Ventilsitz 16 zusammen, der einen Durchmesser Dv hat. Zur Düsennadel 12 führt ein Zulauf 18, durch den Kraft­ stoff zugeführt wird, der unter einem Druck P steht. Wenn das Kraftstoffeinspritzventil bei einem "Common Rail"-System ver­ wendet wird, kann dieser Druck P über 1000 bar betragen.

Das Betätigungsteil 14 ist auf seiner von der Düsennadel 12 abgewandten Seite mit einem Steuerkolben 20 versehen. Dieser ist so angeordnet, daß der Übergang zwischen dem Betätigungs­ teil 14 und dem Steuerkolben 20 im Inneren eines Steuerdruck­ raumes 22 liegt. Der Steuerdruckraum 22 weist einen Zulauf 24 auf, der mit einer Steuerkammer 26 eines Steuerventils 28 in Verbindung steht. Zur Steuerkammer 26 führt ebenfalls ein Zu­ lauf 18, über den Kraftstoff zugeführt wird. In der Steuer­ kammer 26 ist ein erster Ventilsitz 30 ausgebildet, der dem Zulauf 24 zum Steuerdruckraum 22 zugeordnet ist, sowie ein zweiter Ventilsitz 32, der dem Zulauf 18 zugeordnet ist. Im Inneren der Steuerkammer 26 ist ein Ventilelement 34 (siehe auch Fig. 2) angeordnet, das mit einer dem ersten Ventilsitz 30 zugeordneten ersten Ventilfläche 36 sowie einer dem zwei­ ten Ventilsitz 32 zugeordneten zweiten Ventilfläche 38 verse­ hen ist. Das Ventilelement 34 ist ferner mit einem Führungs­ ansatz 40 versehen, auf den ein Aktuator 42 einwirken kann. Der Aktuator kann ein Piezo-Aktuatoroder ein Magnet- Stellelement sein. Der Durchmesser des Führungsansatzes 40 entspricht dem Durchmesser der beiden Ventilsitze 30, 32 der Steuerkammer, so daß die auf das Ventilelement 34 ausgeübten Kräfte, die aus dem Kraftstoffdruck P resultieren, ausgegli­ chen sind, wenn sich das Ventilelement in Anlage an einem der Ventilsitze 30, 32 befindet.

Vom Steuerdruckraum 22 geht ein Ablauf 44 ab, in welchem eine Ablaufdrossel 46 angeordnet ist. Der Ablauf 44 führt bei­ spielsweise zu einem Kraftstoffvorratsbehälter.

Der Steuerkolben 20 ist auf seiner von der Düsennadel 12 ab­ gewandten Seite mit einem Ausgleichsfortsatz 48 versehen.

Dieser erstreckt sich durch einen Sammelraum 50 hindurch in einen Ausgleichsraum 52, der über einen Zulauf 18 ebenfalls mit dem Kraftstoffdruck P beaufschlagt wird. Der Ausgleichs­ fortsatz 48 hat denselben Durchmesser wie der Ventilsitz 16 der Düsennadel 12.

Im Sammelraum 50, der über einen Sammelraum-Ablauf 54 mit dem Ablauf 44 in Verbindung steht, ist eine Dichtfeder 56 ange­ ordnet. Diese wird vom Ausgleichsfortsatz 48 geführt und stützt sich zwischen einer Wand des Sammelraumes 50 und dem von der Düsennadel 12 abgewandten Ende des Steuerkolbens 20 ab. Die Dichtfeder 56 dient zur Kompensation der Differenz zwischen den Durchmessern des Ventilsitzes 16 und der Düsen­ nadel 12. Da die Düsennadel 12 einen größeren Durchmesser hat als der Ventilsitz 16, erzeugt der Kraftstoffdruck P im Be­ reich der Düsennadel eine Öffnungskraft, welche die Düsenna­ del 12 vom Ventilsitz abzuheben sucht. Diese Öffnungskraft wird von der Dichtfeder 56 kompensiert. Wenn für den Ventil­ sitz 16 ein Durchmesser von etwa 2 mm und für die Düsennadel 12 ein Durchmesser zwischen 2,5 und 3 mm verwendet wird, wird die von der Dichtfeder 56 auf die Düsennadel 12 ausgeübte Vorspannung im Bereich von etwa 100 N gewählt.

Da die Dichtfeder 56 auf der von der Düsennadel 12 abgewand­ ten Seite des Steuerkolbens 20 angeordnet ist, läßt sich im Bereich des Betätigungsteils 14 eine sehr schlanke Bauform mit einem Außendurchmesser Da erzielen, der im Bereich von 10 bis 14 mm liegt.

Das beschriebene Kraftstoffeinspritzventil arbeitet in der folgenden Weise: Im Ausgangszustand, in welchem das Ventil­ element 34 an dem dem Zulauf 18 zugeordneten zweiten Ventil­ sitz 32 anliegt, liegt im Steuerdruckraum 22 kein Druck vor, da der Steuerdruckraum über den Ablauf 44 entlastet ist. Die Düsennadel 12 befindet sich in ihrer geschlossenen Stellung in Anlage am Ventilsitz 16, da die auf das Betätigungsteil 14 ausgeübte Schließkraft größer ist als die auf die Düsennadel 12 ausgeübte Öffnungskraft. Die Schließkraft setzt sich zu­ sammen aus der im Ausgleichsraum 52 auf den Ausgleichsfort­ satz 48 ausgeübten Kraft sowie der von der Dichtfeder 56 auf den Steuerkolben 20 ausgeübten Kraft. Die auf die Düsennadel 12 ausgeübte Öffnungskraft resultiert aus der mit dem Druck P beaufschlagten ringförmigen Fläche der Düsennadel 12 außer­ halb des Ventilsitzes 16.

Zur Erzielung einer Voreinspritzung wird das Ventilelement 34 vom Ventilsitz 32 abgehoben. Es kann dann Kraftstoff über den Zulauf 18, die Steuerkammer 26 und den Zulauf 24 in den Steu­ erdruckraum 22 einfließen. Da die Ablaufdrossel 46 im Ablauf 44 das Ausfließen des Kraftstoffs aus dem Steuerdruckraum 22 behindert, ergibt sich in diesem ein Druckanstieg. Dieser übt auf den Steuerkolben 20 eine bezüglich Fig. 1 nach oben ge­ richtete Öffnungskraft aus, die zusammen mit der auf die Dü­ sennadel 12 ausgeübten Öffnungskraft größer als die auf das Betätigungsteil 14 ausgeübte Schließkraft ist. Die Düsennadel 12 kann sich nun von ihrem Ventilsitz 16 abheben, so daß Kraftstoff eingespritzt wird.

Um die Voreinspritzung zu beenden, kann das Ventilelement 34 entweder zurück in Anlage an den zweiten Ventilsitz 32 bewegt werden (einfachschaltendes Ventil; dargestellt in Fig. 3 in gestrichelten Linien) oder durch die Steuerkammer 26 in Anla­ ge an den ersten Ventilsitz 30 bewegt werden (doppeltschal- tendes Ventil; in Fig. 3 dargestellt in durchgezogenen Lini­ en). Sobald das Ventilelement 34 an einem der Ventilsitze 30, 32 anliegt, ist das Nachfließen von Kraftstoff über den Zu­ lauf 18 unterbrochen, so daß der Druck im Steuerdruckraum 22 wieder absinkt. Daraus resultiert ein entsprechendes Absinken der Öffnungskraft, so daß die Düsennadel 12 wieder am Ventil­ sitz 16 anliegt und die Voreinspritzung unterbrochen wird.

In Fig. 3 ist als Phase I die Voreinspritzung dargestellt. In der oberen Darstellung ist der Hub des Ventilelementes 34 gezeigt, während in der unteren Darstellung der Hub der Dü­ sennadel 12 gezeigt ist. Wenn das Ventilelement 34 für ein einfachschaltendes Steuerventil verwendet wird, führt es ei­ nen Hub weg vom Ventilsitz 32 in eine Mittelstellung aus, in der es für eine bestimmte Zeit gehalten wird, bis es schließ­ lich wieder zurück in Anlage an den Ventilsitz 32 bewegt wird. Wenn das Ventilelement 34 dagegen für ein doppeltechal­ tendes Steuerventil 28 verwendet wird, bewegt sich das Ventil­ element ausgehend vom Ventilsitz 32 durch die Steuerkammer 26 bis in Anlage am Ventilsitz 30. Sobald es dort anliegt, ist die Voreinspritzung beendet.

Für die in Fig. 3 mit II bezeichnete Phase der Spritzunter­ brechung verbleibt das Ventilelement 34 in Anlage am entspre­ chenden Ventilsitz der Steuerkammer 26, so daß das Kraft­ stoffeinspritzventil geschlossen bleibt.

Für die nachfolgende Haupteinspritzung wird das Ventilelement 34 vom entsprechenden Ventilsitz der Steuerkammer 26 abgeho­ ben. Daraus ergibt sich wieder ein Druckanstieg im Steuer­ druckraum 22, der zu einem Öffnen der Düsennadel 12 führt. Unabhängig von der Verwendung des Ventilelementes für ein einfachschaltendes oder ein doppeltschaltendes Steuerventil wird das Ventilelement für die Dauer der gewünschten Haupt­ einspritzung in einer Stellung etwa in der Mitte der Steuer­ kammer 26 gehalten, so daß Kraftstoff vom Zulauf 18 durch die Steuerkammer 26 in den Steuerdruckraum 22 fließen kann und die Düsennadel 12 in der geöffneten Stellung hält. Zur Been­ digung der Haupteinspritzung, die als Phase III in Fig. 3 dargestellt ist, wird das Ventilelement 34 wieder in Anlage an den zweiten Ventilsitz 32 bewegt, so daß das Nachlaufen von Kraftstoff über den Zulauf 18 unterbrochen wird. Das dar­ aus resultierende Absinken der Öffnungskraft führt zum Schließen des Kraftstoffeinspritzventils.

Claims (7)

1. Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilkörper (10), ei­ nem Steuerdruckraum (22), einem Steuerventil (28), das den Druck im Steuerdruckraum (22) steuert, und einem Betätigungs­ teil (14) für eine Düsennadel (12), das in dem Ventilkörper (10) verschiebbar angebracht ist und vom Druck im Steuer­ druckraum (22) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (28) einen Zu­ lauf (24) zum Steuerdruckraum (22) steuert.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Betätigungsteil (14) an seinem von der Dü­ sennadel (12) abgewandten Ende mit einem Steuerkolben (20) versehen ist, dessen Außendurchmesser größer ist als der Au­ ßendurchmesser des Betätigungsteils (14), und daß der Steuer­ kolben (20) auf der von der Düsennadel (12) abgewandten Seite des Steuerdruckraumes (22) aus diesem austritt.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkolben (20) auf seiner von der Düsen­ nadel abgewandten Seite mit einem Ausgleichsfortsatz (48) versehen ist, der in einen Ausgleichsraum (52) hineinragt, der mit dem Kraftstoff unter Druck gesetzt werden kann.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtfeder (56) vorgesehen ist, die auf das von der Düsennadel (12) abgewand­ te Ende des Betätigungsteils (14) einwirkt und das Betäti­ gungsteil in eine Stellung beaufschlagt, in der die Düsenna­ del geschlossen ist.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfeder (56) um den Aus­ gleichsfortsatz (48) herum angeordnet ist.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (28) eine Steuerkammer (26) aufweist, die mit einem ersten Ventil­ sitz (30) versehen ist, der einem Ablauf aus der Steuerkammer zugeordnet ist, und mit einem zweiten Ventilsitz (32), der einem Zulauf zur Steuerkammer zugeordnet ist, und daß in der Steuerkammer ein Ventilelement (34) angeordnet ist, das mit den beiden Ventilsitzen zusammenwirken kann.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventilelement (34) mit einem Führungsansatz (40) versehen ist, dessen Außendurchmesser dem Durchmesser des ersten und des zweiten Ventilsitzes entspricht.