DE10044120A1 - Common-Rail-System - Google Patents

Common-Rail-System

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Abstract

Es wird ein Ventil zum Ansteuern eines Fluids vorgeschlagen, mit einer Aktuator-Einheit (7) zur Betätigung eines axial verschiebbaren Ventilglieds (6), dem ein Ventilschließglied (15) zugeordnet ist, das zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) mit einem Ventilsitz (23) zusammenwirkt und das einen Hochdruckbereich (3) von dem Ventil (1) trennt. In dem Hochdruckbereich (3) befindet sich das anzusteuernde Fluid unter einem Arbeitsdruck (p_R). Dieser Arbeitsdruck (p_R) und ein unter Umständen auftretender Überdruck wird dadurch registriert, daß die Aktuator-Einheit (7) als Kraftmeßsensor ausgebildet ist. Insbesondere dient dieses Ventil (1) als Druckbegrenzungsventil bei einem Common-Rail-System (Figur).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Common-Rail-System gemäß der in Patentanspruch 1 und insbesondere von einem Ventil zum Ansteuern eines Fluids gemäß der in Patentanspruch 3 näher definierten Art aus.
Derartige Ventile zum Ansteuern eines Fluids, bei denen in der Regel ein Ventilschließglied einen Niederdruckbereich innerhalb des Ventils von einem Hochdruckbereich außerhalb des Ventils trennt, sind in der Praxis u. a. bei Kraftstoff­ injektoren, wie beispielsweise Common-Rail-Injektoren, oder bei Pumpen aus dem Kraftfahrzeugbereich in den unterschied­ lichsten Ausführungen bekannt.
So ist aus der EP 0 477 400 A1 ein Ventil dieser Gattung bekannt, das über einen speziellen piezoelektrischen Aktua­ tor betätigbar ist. Darüber hinaus weist das darin be­ schriebene Ventil eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden Wegtransformator des piezoelektrischen Aktuators auf, wobei dessen Auslenkung über eine Hydraulikkammer übertragen wird. Diese Hydraulikkammer dient als Überset­ zungs- und Toleranzausgleichselement.
Hierbei bestimmt sich das Übersetzungsverhältnis über die unterschiedlichen Durchmesser zweier Kolben, zwischen denen die Hydraulikkammer angeordnet ist. Daneben können über das Arbeitsvolumen der Hydraulikkammer unter Umständen auftre­ tende Setzeffekte sowie Toleranzen ausgeglichen werden, die beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Temperatur­ ausdehnungskoeffizienten der in dem Ventil zur Anwendung kommenden Materialien auftreten.
Aus dem Stand der Technik sind auch Common-Rail-Systeme mit Magnetventilen bekannt, bei denen eine Feder ein entspre­ chendes Ventilschließglied zu Dichtungszwecken gegen einen Ventilsitz drückt.
Bei gängigen Common-Rail-Systemen, bei denen der Einspritz­ druck unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritz­ menge erzeugt wird und in einem gemeinsamen Kraftstoffspei­ cher (Common Rail) zur Einspritzung über ventilgesteuerte Injektoren bereitgehalten wird, werden Druckbegrenzungsven­ tile zur Sicherung gegen Überdruck eingesetzt, die in der Regel in dem Bereich des für alle Einspritzventile gemein­ samen Kraftstoffspeichers angeordnet sind.
Ein solches Druckbegrenzungsventil begrenzt den Druck in dem Kraftstoff- bzw. Druckspeicher, indem es bei zu hoher Beanspruchung eine Ablauföffnung für den Kraftstoff freigibt. Dabei kann es z. B. bei einem normalen Arbeitsdruck von bis 1350 bar in dem Druckspeicher kurzzeitig einen ma­ ximalen Druck von bis zu 1500 bar zulassen.
Bei aus der Praxis bekannten Druckbegrenzungsventilen han­ delt es sich um mechanisch arbeitende Komponenten mit einem Gehäuse mit Außengewinde zum Anschrauben an den Rail, einem Anschluß an eine Rücklaufleitung zu einem Kraftstoffbehäl­ ter, einem beweglichen Kolben und einer Feder. Das Gehäuse hat auf der Anschlußseite zu dem Rail eine Bohrung, die durch ein kegelförmiges Ende des Kolbens am Dichtsitz im Gehäuseinneren verschlossen wird.
Die Feder drückt bei normalem Arbeitsdruck des Kraftstoffs den Kolben dicht in seinen Dichtsitz, so daß der Druckspei­ cher auf der Anschlußseite, an der das Druckbegrenzungsven­ til angeschlossen ist, geschlossen bleibt. Erst beim Über­ schreiten des maximalen Arbeits- bzw. Einspritzdruckes wird der Kolben durch den in dem Druckspeicher vorherrschenden Überdruck gegen die Feder aufgedrückt, so daß der unter Hochdruck stehende Kraftstoff entweichen kann. Der entwei­ chende Kraftstoff wird dann über Kanäle in eine zylindri­ sche Bohrung des Kolbens geleitet und über eine Sammellei­ tung zu dem Kraftstoffbehälter zurückgeführt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Common-Rail-System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 benötigt vorteilhafterweise kein aus dem Stand der Technik bekanntes separates Überdruckventil an dem Common-Rail-Druckspeicher, da dessen Funktion von den ohnehin vorhandenen Steuerventilen, mittels denen das Einspritzverhalten in den Einspritzeinrichtungen gesteuert wird, übernommen wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn ein erfindungsge­ mäßes Ventil zur Steuerung eines Fluids mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 zum Einsatz kommt. Ein solches Ven­ til, welches selbstverständlich auch in anderen Bereichen Verwendung finden kann, bietet den Vorteil, daß der anste­ hende Druck über eine gegebenenfalls bereits vorhandene Ak­ tuator-Einheit sensiert wird, und die Druckbegrenzungsfunk­ tion im wesentlichen über eine einfache Software realisier­ bar ist.
Damit werden nicht nur Druckbegrenzungsventile als zusätz­ liche Komponenten überflüssig, sondern es entsteht auch kein nennenswerter mechanischer Mehraufwand bei den Venti­ len, so daß sich hierdurch eine erhebliche Kosteneinsparung erzielen läßt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge­ genstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeich­ nung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils zur Ansteuerung eines Fluids ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt die einzige Figur der Zeichnung eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung für eine Einspritzeinrichtung eines Common-Rail- Systems im Längsschnitt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ei­ ne Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils 1 bei einem Common-Rail-Injektor bzw. einer Einspritzeinrichtung 2 zur Einspritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff für Brenn­ kraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. In der vorliegenden Ausführung erfolgt die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 3, der mit einer Hochdruckversorgung 4 verbunden ist. In diesem Ventilsteu­ erraum 3 herrscht ein Hochdruck bzw. Einspritzdruck p_R vor, welcher den Hochdruckbereich definiert. Die Hochdruck­ versorgung 4 verbindet den Ventilsteuerraum 3 mit einem Common-Rail-Druckspeicher 5, in dem der Kraftstoff eben­ falls unter Hochdruck p_R vorliegt.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdau­ er und einer Einspritzmenge über bestimmte Kräfteverhält­ nisse in der Einspritzeinrichtung 2 wird ein Ventilglied 6 in dem Ventil 1 über eine als piezoelektrischer Aktor 7 ausgebildete Aktuator-Einheit angesteuert, die auf der dem Ventilsteuerraum 3 und dem Brennraum abgewandten Seite des Ventilglieds 6 angeordnet ist.
Der piezoelektrische Aktor 7 ist in üblicher Weise aus meh­ reren Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilglied 6 zugewandten Seite einen Aktorkopf 9 und auf seiner dem Ventilglied 7 abgewandten Seite einen Aktorfuß 8 auf, der sich an einer Wand eines Ventilkörpers 9 des Ventils 1 abstützt. Über ein Auflager 11 schließt ein erster Kolben 12 einer hydraulischen Übersetzungseinrichtung 13 des Ven­ tilglieds 6 an. Das Ventilglied 6 ist in einer entsprechen­ den Längsbohrung des Ventilkörpers 10 axial verschiebbar angeordnet und weist einen zweiten Kolben 14 auf, der ein Ventilschließglied 15 betätigt.
Innerhalb der hydraulischen Übersetzungseinrichtung 13 sind der erste Kolben 12 und der zweite Kolben 14 derart ausge­ staltet, daß sie in einer Kammer 16 der hydraulischen Über­ setzungseinrichtung 13 in dem Ventilkörper 10 axial ver­ schiebbar angeordnet sind, wobei der zweite Kolben 14 wie­ derum in einem muffenartig ausgebildeten Endstück 17 des ersten Kolbens 12 geführt ist.
Der erste Kolben 12 und der zweite Kolben 14 schließen mit dem Ventilkörper 9 eine erste Hydraulikkammer 18 ein. Zwi­ schen der der ersten Hydraulikkammer 18 abgewandten Seite des zweiten Kolbens 14 und dem ersten Kolben 12 ist in der für die Führung des zweiten Kolbens 14 in dem ersten Kolben 12 vorgesehenen Ausnehmung eine zweite Hydraulikkammer 19 ausgebildet.
Es ist zu erkennen, daß durch die spezielle Anordnung der Hydraulikkammern 18 und 19 eine Bewegungsumkehr zwischen beiden Kolben 12 und 14 bewerkstelligt wird. Wird der erste Kolben 12 infolge einer Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 7 nach unten gedrückt, führt dies gleichzeitig zu einer Hubbewegung des zweiten Kolbens 14 in entgegengesetz­ ter Richtung. Dieser zweite Kolben 14 verdrängt das in der zweiten Hydraulikkammer 19 befindliche Arbeitsfluid über einen Ausgleichskanal 20 in eine Ausgleichskammer 21. Die Ausgleichskammer 21 steht zu Zwecken der Abführung des Ar­ beitsfluids mit einem Leckageausgleichskanal 22 in Verbin­ dung und ist durch eine Membran 29 gegenüber dem piezoelek­ trischen Aktor 7 abgedichtet.
Mit anderen Worten sind die Kolben 12 und 14 in der hydrau­ lischen Übersetzungseinrichtung 13 so miteinander gekop­ pelt, daß die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 7 übertragen wird, indem der zweite Kolben 14 entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser um eine bestimmte Wegstrecke angehoben wird.
An dem dem Ventilsteuerraum 3 zugewandten Ende des Ventil­ glieds 6 wirkt das kugelartige Ventilschließglied 15 mit einem an dem Ventilkörper 10 ausgebildeten Ventilsitz 23 zusammen, wobei das Ventilschließglied 15 einen Nieder­ druckbereich 24 mit einem darin vorherrschenden Niederdruck des Fluids von einer Ablaufdrossel 30 und dem Ventilsteuer­ raum 3, welcher mit dem Hoch- bzw. Einspritzdruck p_R des Fluids beaufschlagbar ist, trennt.
Von dem Niederdruckbereich 24 zweigt ein Leckageaus­ gleichskanal 25 ab. Der Ventilsteuerraum 3 der Einsprit­ zeinrichtung 2 ist in der Figur lediglich ausschnittsweise angedeutet. In dieser ist eine bewegliche Düsennadel 26 an­ geordnet, die eine Einspritzöffnung in eine Brennkammer ei­ nes Motors schließt und öffnet. Durch deren axialer Bewegung wird das Einspritzverhalten der Einspritzeinrichtungen 2 auf an sich bekannte Art und Weise gesteuert, wobei der Kraftstoff in dem Ventilsteuerraum 3 über die Hochdruckver­ sorgung 4 aus dem mit dem für mehrere Einspritzeinrichtun­ gen 2 gemeinsamen Druckspeicher 5 zugeführt wird, und der Ventilsteuerraum 3 zur Einspritzung über die Ablaufdrossel 30 und das erfindungsgemäße Ventil 1 entlastet wird.
Zwischen der hydraulischen Übersetzungseinrichtung 13 und dem Ventilschließglied 15 ist eine Dichtfeder 27 angeord­ net, die den zweiten Kolben 14 umschließt und in dem Ven­ tilkörper 10 derart abgestützt ist, daß durch die Feder­ kraft der Dichtfeder 27 der zweite Kolben 14 nach unten ge­ preßt wird, so daß das Ventilschließglied 15 im Ruhezustand des Ventils 1 gegen den Ventilsitz 23 dichtend zum Anliegen kommt.
Der hier mit Piezokeramik ausgebildete Aktuator-Einheit 7 dient erfindungsgemäß nicht nur als Huborgan, sondern auch als Kraftsensor, denn die auf die piezoelektrische Einheit wirkenden Kraftänderungen werden als Spannungsänderungen registriert. Hierzu steht der piezoelektrische Aktor 7 über eine einzige Leitung, welche als Sensor- und Steuerleitung fungiert, mit einem Steuergerät 28 in Verbindung.
Dieses Steuergerät 28 dient sowohl der Meßaufnahme, wenn der piezoelektrische Aktor 7 als Kraftmeßsensor wirkt, als auch gleichzeitig als Ansteuergerät, wenn der piezoelektri­ sche Aktor 7 ausgelenkt werden soll. Innerhalb des Steuer­ geräts 28 lassen sich diese Funktionen gemeinsam über eine entsprechende elektronische Schaltung bzw. Software bewerk­ stelligen.
Das erfindungsgemäße Ventil 1 übernimmt die Funktion eines Druckbegrenzungsventils für einen in dem Hochdruckbereich 3 gegebenenfalls auftretenden Überdruck, der über dem Ein­ spritzdruck p_R liegt. Der Durchmesser des Ventilsitzes 23 bestimmt bei festgelegter Federkraft der Dichtfeder 27 die Dichtkraft. Wird diese Dichtkraft überschritten, öffnet das Ventil 1 ohne Ansteuerung durch den piezoelektrischen Aktor 7 von sich aus, wenn die aus dem Überdruck in dem Hoch­ druckbereich 3 resultierende Gegenkraft die Dichtkraft übersteigt. In diesem Fall wird durch den Hub des zweiten Kolbens 14 und der hydraulischen Übersetzungseinrichtung 13 eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktor 7 übertragen, der diese mißt und an das Steuergerät 28 weitergibt. So kann das Steuergerät 28 erkennen, daß eine Fehlfunktion in dem Hochdruckbereich 3 vorliegt.
Durch eine daraufhin folgende gezielte Auslenkung des pie­ zoelektrischen Aktors 7 läßt sich dann der Hub des zweiten Kolbens 14 und damit das Ventilschließglied 15 gezielt öff­ nen, so daß sich der Überdruck, der in dem Hochdruckbereich 3 vorherrscht, über den Leckageausgleichskanal 25 abbauen kann.
Die Öffnung zu Zwecken des Abbaus des Überdrucks wird dabei so kurz getaktet, daß es zu keiner Ansteuerung der Düsenna­ del 26 selbst kommen kann. Mit anderen Worten erfolgt die Öffnung des Ventils 1 in so kurzen Zeiträumen, daß infolge der Trägheit der Düsennadel 26 diese in ihrer Schließstellung verharrt mit dem Effekt, daß die Einspritzeinrichtung 2 nicht öffnet und es zu keiner Einspritzung von Kraftstoff kommt.
Es versteht sich auch, daß die Erfindung nicht nur bei den hier als bevorzugtes Einsatzgebiet beschriebenen Common- Rail-Systemen Verwendung finden kann, sondern generell bei Kraftstoffeinspritzventilen oder auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise bei Pumpen, verwirklicht werden kann, wo ein schlagartiger Abbau eines kurzfristig auftretenden Überdrucks sichergestellt werden soll.

Claims (10)

1. Common-Rail-System mit einem Common-Rail-Druckspeicher (5) und mehreren über jeweils ein Steuerventil (1) an­ steuerbaren Einspritzeinrichtungen (2), dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens eines der Steuerventile (1) gleichzeitig als Druckbegrenzungsventil für den Common- Rail-Druckspeicher (5) ausgebildet ist.
2. Common-Rail-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Steuerventil (1) von einem Steuergerät (28) derart ansteuerbar ist, daß es bei Erkennen eines Über­ druckes in dem Common-Rail-Druckspeicher (5) so lange geöffnet bleibt, bis der Überdruck über das Steuerventil (1) abgebaut ist, ohne daß dabei eine Düsennadel (26) der Einspritzeinrichtung (2) angesteuert ist.
3. Ventil, insbesondere als Steuerventil in einem Common- Rail-System nach dem Anspruch 1 oder 2, zum Ansteuern eines Fluids mit einer Aktuator-Einheit (7) zur Betäti­ gung eines axial verschiebbaren Ventilglieds (6), dem ein Ventilschließglied (15) zugeordnet ist, das zum Öff­ nen und Schließen des Ventils (1) mit einem Ventilsitz (23) zusammenwirkt und das einen Hochdruckbereich (3) von dem Ventil (1) trennt, in dem sich das anzusteuernde Fluid unter einem Hochdruck (p_R) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des anstehenden Hochdrucks (p_R) die Aktuator-Einheit (7) gleichzeitig als Kraft­ meßsensor ausgebildet ist und in Abhängigkeit der detek­ tierten, auf diese einwirkenden Kraft ansteuerbar ist.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuator-Einheit (7) als piezoelektrische Einheit ausge­ bildet ist.
5. Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (6) mit einer Dichtfeder (27) gekop­ pelt ist, die das Ventilschließglied (15) unter einer bestimmten Dichtkraft gegen den Ventilsitz (23) drückt.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventilschließglied (15) in einem Nie­ derdruckbereich (24) angeordnet ist, in dem sich das Fluid bei geschlossenem Ventil (1) unter einem Nieder­ druck befindet.
7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckbereich (24) mit einem Leckageausgleichkanal (25) verbunden ist.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventilglied (6) eine hydraulische Übersetzungseinrichtung (13) aufweist.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Übersetzungseinrichtung (13) so ausgebildet ist, daß das Ventilglied (6) entgegen einer Auslenkungs­ richtung der piezoelektrischen Einheit (7) verschiebbar ist.
10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Übersetzungseinrichtung (13) einen ersten Kolben (12) aufweist, in dem ein zweiter Kolben (14) des Ventilglieds (6) derart geführt ist, daß zu beiden Sei­ ten des zweiten Kolbens (14) jeweils eine Hydraulikkam­ mer (18) und (19) angeordnet ist.
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