DE10042231A1

DE10042231A1 - Einspspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zur Steuerung des Öffnungs-und Schließvorgangs einer Düsennadel eines Einspritzventils

Info

Publication number: DE10042231A1
Application number: DE10042231A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bloching; Reda Rizk; Willibald Schuerz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: DE10042231B4; EP1313945A1; EP1313945B1; DE50104321D1; WO2002018779A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Steuerung des Öffnungs- und Schließvorgangs einer Düsennadel (7) eines mit einem Steuerventil (3) versehenen Einspritzventils. Um ein schnelles Betätigen der Düsennadel (7) bei gleichzeitig nur geringer Leckage zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß zum Schließen der Düsennadel (7) zusätzlich zur Vorspannkraft der Feder (10) ein auf die Düsennadel (7) wirkender Druck im Steuerraum (15) erzeugt wird und daß zum Öffnen der Düsennadel (7) der zusätzliche auf die Düsennadel (7) wirkende Druck aufgehoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Öff nungs- und Schließvorgangs einer Düsennadel eines Einspritz ventils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Einspritzventil zur Durchführung dieses Verfahrens.

Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche Ein spritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme (für Dieselmoto ren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) bekannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Kraftstoff mit einer Hoch druckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen Druckspeicher gefördert, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern mit Kraftstoff versorgt werden. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird dabei in der Regel elektromagnetisch gesteuert.

Zu diesem Zweck sind die Einspritzventile bei solchen Syste men mit als Servoventilen ausgebildeten Steuerventilen ausge rüstet, die hydraulisch das Öffnen und Schließen der Düsenna del des Einspritzventils steuern, das heißt insbesondere den Beginn und das Ende des Einspritzvorgangs zeitlich festlegen. Das Servoventil beeinflußt vor allem die Geschwindigkeit, mit der das Einspritzventil öffnet und schließt.

Da bei Dieselmotoren der Kraftstoff mit einem Druck von bis über 1500 bar in eine Brennkammer des Motors eingespritzt wird, werden an die Einspritzventile sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Dichtheit gestellt. Bei den aus der Praxis bekannten Common-Rail-Injektoren stellt die Leckage, sowohl die Dauerleckage als auch die Schaltleckage, einen deutlichen Leistungsverlust dar. Diese Leckagen treten insbesondere im Bereich des Steuerventils zur Steuerung der Kraftstoffein spritzung und im Bereich des Steuerraums auf, in dem ein mit der Düsennadel in Wirkverbindung stehender Düsenkörper axial beweglich gelagert ist. Eine Leckagestelle bildet hierbei die Düsennadelführung, deren Dichtspalt ständig dem Druckgefälle zwischen Raildruck und Leckagedruck ausgesetzt ist. Bei den bekannten Einspritzventile wurede versucht, die Dauerleckage durch Verkleinerung der Dichtspalte zu verringern.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung des Öffnungs- und Schließvorgangs der Düsennadel eines Einspritzventils so auszugestalten, daß ei nerseits das Öffnen und Schließen einfach und schnell erfol gen kann und darüber hinaus die damit verbundenen Dauer- und Schaltleckagen weitestgehend minimiert werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.

Die verfahrensmäßige Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Die vorrichtungsmäßigen Merkmale eines erfindungsgemäßen Ein spritzventils werden im Patentanspruch 3 genannt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl des Verfahrens als auch des Einspritzventils werden in den Unteransprüchen beschrie ben.

Durch die erfindungsgemäße Druckregulierung des Drucks im Steuerraum in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerventils ist es möglich, einerseits den Schließvorgang der Düsennadel durch Druckbeaufschlagung zu beschleunigen und andererseits sicherzustellen, daß das Öffnen der Düsennadel nur gegen die Vorspannkraft der den Düsenkörper belastenden Feder erfolgt.

Da der Druck im Steuerraum nur zum Schließen der Düsennadel anliegt, nachfolgend bei geöffnetem Steuerventil aber wieder ganz abgebaut wird, ist es möglich, Dauerleckagen so gut wie ganz abzubauen und das Auftreten von Schaltleckagen stark zu verringern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ein spritzventils schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzventils und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungs form eines erfindungsgemäßen Einspritzventils.

Wie aus den Abbildungen ersichtlich, wird der Kraftstoff mit Systemdruck von einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher über eine Hochdruckbohrung 1 dem Einspritzventilgehäuse 2 zu geführt.

Im Einspritzventilgehäuse 2 ist ein Steuerventil 3 angeord net, über das der dem Einspritzventilgehäuse 2 zugeführte Kraftstoff mittels einer Leitung 4 einer Düsendruckkammer 5 zuführbar ist. In der Düsendruckkammer 5 wirkt der vorliegen de Druck den vorderen Bereich eines axial beweglich im Ein spritzventilgehäuse 2 gelagerten und geführten Düsenkörpers 6, der dazu dient, mit einer am vordersten Ende angeordneten Düsennadel 7 Einspritzbohrungen 8 im Einspritzventilgehäuse 2 zu öffnen und zu schließen, die zum Brennraum eines Verbren nungsmotors führen.

Die Einspritzbohrungen 8 stehen somit bei geöffnetem Ein spritzventil mit der Düsendruckkammer 5 in Verbindung, die ihrerseits über die Leitung 4, das Steuerventil 3 und die Hochdruckbohrung 1 mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist.

Das Steuerventil 3 dient als Schaltorgan zwischen dem Be triebsdruck (Raildruck) in einer Ventilkammer 9 des Steuer ventils 3 und der Düsendruckkammer 5. In der geschlossenen Stellung sitzt das Steuerventil 3 durch die Wirkung des Raildrucks und der Vorspannkraft einer Feder 10 abdichtend auf einem Ventilsitz 11. Das Steuerventil 3 schaltet über ei nen Stößel 12, der von einem durch den Pfeil 13 nur angedeu teten Aktor angesteuert wird.

Das Ansteuern des Stößels 12 führt ausgehend von der in den Abbildungen dargestellten geschlossenen Stellung der Steuer ventile 3 dazu, daß die Steuerventile 3 gegen den Raildruck in der Ventilkammer 9 und die Vorspannkraft der Feder 10 ge öffnet werden. Beim Öffnen der Steuerventile 3 pflanzt sich der Raildruck in eine Ringkammer 14 und durch die Leitung 4 bis in die Düsendruckkammer 5 fort.

Der Raildruck in der Düsendruckkammer 5 bewirkt ein Verschie ben des Düsenkörpers 6 entgegen der Vorspannkraft einer in einem Steuerraum 15 angeordneten, den Düsenkörper 6 belasten den Feder 16, so daß die Düsennadel 7 die Einspritzbohrungen 8 freigibt und das Einspritzen von Kraftstoff in die Brenn kammer des Verbrennungsmotors ermöglicht.

Um zu ermöglichen, daß das Öffnen des Düsenkörpers 6 nur ge gen die Vorspannkraft der Feder 16 erfolgt und nicht auch noch gegen den in dem Steuerraum 15 herrschenden Druck, wird gleichzeitig mit dem Öffnen des Steuerventils 3 und somit der Einleitung des Raildrucks in die Düsendruckkammer 5 der Druck im Steuerraum 15 abgebaut. Zu diesem Zweck weist das Steuer ventil 3 einen Druckausgleichsraum 17 auf. Bei den in den Ab bildungen Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen ist der Druckausgleichsraum 17 dadurch ausgebildet, daß die Steuerventile 3 einen mit Bereichen unterschiedlichen Durchmes sers versehenen Stufenkolben 18 aufweisen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform er folgt das Öffnen und Schließen der Düsennadel 7 wie folgt:
Sobald das Steuerventil 3 öffnet, gelangt Kraftstoff unter Raildruck über die Ringkammer 14 und die Leitung 4 in die Dü sendruckkammer 5, wo der Raildruck auf den Düsenkörper 6 wirkt. Da der Durchmesser des D₁ des Stufenkolbens 18 größer ist als der Durchmesser D₂ des Stufenkolbens 18 entspannt sich mit dem Öffnen des Steuerventils 3 gleichzeitig der Druck im Steuerraum 15 sowie einer Kammer 19 des Steuerven tils 3, so daß dem Öffnen der Düsennadel 7 ausschließlich die Vorspannkraft der im Steuerraum 15 angeordneten Feder 16 ent gegenwirkt.

Das Schließen des Steuerventils 3 erfolgt durch Absteuern des Aktors, wodurch das Steuerventil 3 unter der Vorspannkraft der Feder 10 schließt. Die Verschiebung des Stufenkolbens 18 bewirkt dabei einen Druckaufbau in der Kammer 19 sowie im Steuerraum 15. Da gleichzeitig mit dem Schließen des Steuer ventils 3 der Raildruck in der Düsendruckkammer 5 zusammen bricht, schließt die Düsennadel 7 unter Wirkung der auf den Düsenkörper 6 wirkenden Vorspannkraft der Feder 10 sowie des Drucks im Steuerraum 15. Der Druckaufbau in der Kammer 19 so wie im Steuerraum 15 wird zusätzlich über ein Ventil 20 gere gelt.

Diese Ausgestaltung stellt somit sicher, daß das Schließen der Düsennadel 7 unter Mitwirkung des zusätzlichen Drucks im Steuerraum 15 schnell und ohne Verzögerung erfolgt, während beim Öffnen der Düsennadel 7 der Druck im Steuerraum 15 abge baut wird, so daß das Öffnen nur gegen die Vorspannkraft der Feder 10 erfolgt. Die kurzen Schaltzeiten sowie der Umstand, daß der Druck in der Kammer 19 sowie im Steuerraum 15 nicht permanent anliegt sorgen dafür, daß Dauerleckagen nicht auf treten und Schaltleckagen weitestgehend minimiert werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform er folgt das Öffnen und Schließen der Düsennadel 7 wie folgt:
Sobald das Steuerventil 3 öffnet, gelangt Kraftstoff unter Raildruck über die Ringkammer 14 und die Leitung 4 in die Dü sendruckkammer 5, wo der Raildruck auf den Düsenkörper 6 wirkt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist bei diesem Ausfüh rungsbeispiel der Stufenkolben 18 zweiteilig ausgebildet. So bald Kraftstoff mit Raildruck in die Leitung 4 strömt, strömt gleichzeitig Kraftstoff mit Raildruck über eine Bohrung 21 zum zweiten Teil des Stufenkolbens 18 und verlagert diesen entgegen der Vorspannkraft einer zusätzlichen Feder 22. Da der Durchmesser des D₁ des Stufenkolbens 18 größer ist als der Durchmesser D₂ des Stufenkolbens 18 entspannt sich mit dem Öffnen des Steuerventils 3 gleichzeitig der Druck im Steuerraum 15 sowie in der Kammer 19 des Steuerventils 3, so daß dem Öffnen der Düsennadel 7 ausschließlich die Vorspann kraft der im Steuerraum 15 angeordneten Feder 16 entgegen wirkt.

Das Schließen des Steuerventils 3 erfolgt durch Absteuern des Aktors, wodurch das Steuerventil 3 unter der Vorspannkraft der Feder 10 schließt. Die Verschiebung des Stufenkolbens 18 bewirkt dabei einen Druckaufbau in der Kammer 19 sowie im Steuerraum 15, da gleichzeitig mit dem Schließen des Steuer ventils 3 der Raildruck in der Düsendruckkammer 5 sowie über die Bohrung 21 auf den Stufenkolben 18 zusammenbricht. Die Düsennadel 7 schließ somit unter Wirkung der auf den Düsen körper 6 wirkenden Vorspannkraft der Feder 10 sowie des Drucks im Steuerraum 15.

Auch diese Ausgestaltung stellt somit sicher, daß das Schlie ßen der Düsennadel 7 unter Mitwirkung des zusätzlichen Drucks im Steuerraum 15 schnell und ohne Verzögerung erfolgt, während beim Öffnen der Düsennadel 7 der Druck im Steuerraum 15 abgebaut wird, so daß das Öffnen nur gegen die Vorspannkraft der Feder 10 erfolgt. Die kurzen Schaltzeiten sowie der Um stand, daß der Druck in der Kammer 19 sowie im Steuerraum 15 nicht permanent anliegt sorgen dafür, daß Dauerleckagen nicht auftreten und Schaltleckagen weitestgehend minimiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung des Öffnungs- und Schließvor gangs einer über eine Feder (10) vorgespannten Düsennadel (7) eines mit einem Steuerventil (3) versehenen Einspritzventils für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungs kraftmaschine, wobei über das Steuerventil (3) der Druck in einem Steuerraum (15) beeinflussbar ist, der mit der Düsenna del (7) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen der Düsennadel (7) bei geschlossenem Steu erventil (3) zusätzlich zur Vorspannkraft der Feder (10) ein auf die Düsennadel (7) wirkender Druck im Steuerraum (15) er zeugt wird und daß zum Öffnen der Düsennadel (7) bei geöffne tem Steuerventil (3) der zusätzliche auf die Düsennadel (7) wirkende Druck aufgehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei geöffnetem Steu erventil (3) ein Steuerdruck gegen die Vorspannkraft der Fe der (10) in eine Düsendruckkammer (5) im Bereich des vorderen Endes der Düsennadel (7) gelenkt wird.

3. Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Steuerventil (3) zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und mit einem Steuerraum (15), in dem ein axial beweglicher und über eine Feder (10) vorgespannter Düsenkörper (6) angeordnet ist, der mit einer Düsennadel (7) in Wirkverbindung steht, die bei der Bewegung des Düsenkörpers (6) Einspritzbohrungen (8) freigibt oder verschließt, wobei über das Steuerventil (3) der Druck im Steuerraum (15) beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (3) und der Steuerraum (15) so miteinan der gekoppelt sind, daß das Schließen des Steuerventils (3) eine Druckerhöhung im Steuerraum (15) bewirkt und das Öffnen des Steuerventils (3) eine Druckabsenkung im Steuerraum (15) bewirkt.

4. Einspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (3) zur Absenkung des Drucks im Steuerraum (15) bei geöffnetem Steuerventil (3) zumindest einen Druckausgleichsraum (17) aufweist.

5. Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (3) zur Ausbildung des Druckausgleichraums (17) einen mit Berei chen unterschiedlichen Durchmessers versehenen Stufenkolben (18) aufweist.

6. Einspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stufenkolben (18) des Steuerventils (3) mehrteilig aufgebaut ist.