DE10051548A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Kraftstoffeinspritzsystem für BrennkraftmaschinenInfo
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Abstract
Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Kraftstoffeinspritzventil (1), das einen Ventilkörper (20) aufweist, in dem in einer Bohrung (62) ein Ventilglied (60) axial beweglich angeordnet ist, welches hydraulisch gesteuert durch den Kraftstoffdruck in einem Druckraum (64) entgegen einer Schließkraft längsverschiebbar ist und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung (68) steuert. Im Kraftstoffeinspritzventil ist ein Steuerventil (30) angeordnet, das ein in einer Steuerventilbohrung (38) längsverschiebbares Steuerventilglied (32) umfaßt, welches Steuerventilglied (32) in einer ersten Stellung die Verbindung von einer Kraftstoffhochdruckquelle (10) zu dem Druckraum (64) öffnet und in einer zweiten Stellung den Druckraum (64) mit einem Steuerraum (50) verbindet und dabei die Verbindung zur Kraftstoffhochdruckquelle (10) unterbricht. Die beim Schließen des Steuerventils (30) auftretende Druckwelle gelangt in den Steuerraum (50), der mit einem Entlastungsraum (72) über eine Aufnahmebohrung (43) verbunden ist, in welcher Aufnahmebohrung (43) ein Druckbolzen (45) geführt ist, der sich über eine starre Verbindung synchron mit dem Ventilglied (60) in Längsrichtung bewegt und welcher Druckbolzen (45) durch die hydraulischen Kräfte der Druckwelle durch seine Längsbewegung das Ventilglied (60) in Schließrichtung beaufschlagt (Figur 1).
Description
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzsystem nach
der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Ein solches Kraft
stoffeinspritzsystem ist beispielsweise aus der Schrift
DE 197 01 879 A1 bekannt. Bei einem solchen Kraftstoffein
spritzsystem wird durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe Kraft
stoff in einen Hochdrucksammelraum ("common rail") geför
dert, in dem ein vorgegebener Kraftstoffhochdruck aufrecht
erhalten wird. Von diesem Hochdrucksammelraum gehen Hoch
druckleitungen zu jedem Kraftstoffeinspritzventil, welche
Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine ein
spritzen. Ein Kraftstoffeinspritzventil besteht dabei im we
sentlichen aus einem kolbenförmigen Ventilglied, das in ei
ner Bohrung entgegen einer Schließkraft längsverschiebbar
angeordnet ist und das eine Druckfläche aufweist, die sich
in einem Druckraum befindet und dort vom Kraftstoffdruck be
aufschlagt wird. Bei einem entsprechend hohen Kraftstoff
druck auf die Druckfläche des Ventilglieds bewegt sich das
Ventilglied durch die hydraulische Kraft auf die Druckfläche
entgegen der Schließkraft in Längsrichtung und öffnet so we
nigstens eine Einspritzöffnung, durch die Kraftstoff in den
entsprechenden Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt
wird.
Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist ein Steuer
ventil angeordnet, das die Verbindung zwischen dem Druckraum
und dem Hochdrucksammelraum öffnet oder unterbricht. Die
Schließkraft auf das Ventilglied wird dabei durch eine als
Schraubendruckfeder ausgebildete Schließfeder aufgebracht.
Öffnet das Steuerventil, so fließt Kraftstoff aus dem Hoch
drucksammelraum in den Druckraum, so daß das Ventilglied die
Einspritzöffnungen freigibt, sobald die hydraulische Kraft
auf die Druckfläche dazu ausreicht. Das Ende der Einsprit
zung erfolgt entsprechend, in dem die Verbindung vom Hoch
drucksammelraum zum Druckraum durch das Steuerventil unter
brochen wird. Der Druckraum wird durch das Steuerventil, das
als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist, mit einem als Entla
stungsraum dienenden Leckölraum verbunden, der über eine
Leckölleitung ständig druckentlastet ist. Dadurch wird der
Kraftstoffdruck im Druckraum sehr rasch abgebaut und das
Ventilglied verschließt die Einspritzöffnungen erneut. Hier
bei weist das bekannte Kraftstoffeinspritzventil den Nach
teil auf, daß das Schließen der Nadel nur indirekt über den
sich abbauenden Kraftstoffdruck im Druckraum gesteuert wer
den kann. Bei modernen Kraftstoffeinspritzsystemen, die sehr
präzise gesteuert werden müssen, um optimale Verbrennungsab
läufe zu erreichen, kann dieser Schließvorgang unter Umstän
den nicht exakt genug bestimmt sein. Darüber hinaus weist
das bekannte Kraftstoffeinspritzventil den Nachteil auf, daß
der Kraftstoffdruck im Druckraum bei beginnender Ventil
glied-Schließbewegung bereits so stark abgefallen ist, daß
das Ventilglied angetrieben durch die Kraft der Schließfeder
nahezu ungebremst mit der Ventildichtfläche auf dem Ventil
sitz aufsetzt. Bei längerem Betrieb kann es deshalb zu über
mäßigem Verschleiß im Bereich des Ventilsitzes kommen, wo
durch sich die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffein
spritzventil mit der Zeit in nachteiliger Weise ändert.
Weiter ist aus der Offenlegungsschrift DE 196 09 799 A1 ein
Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei dem die Steuerung des
Ventilglieds durch eine entsprechende Änderung der Schließ
kraft erfolgt, während die hydraulische Kraft auf die Druck
fläche des Ventilgliedes durch eine ständige Verbindung mit
dem Hochdrucksammelraum konstant bleibt. Zu diesem Zweck ist
im Kraftstoffeinspritzsystem ein Steuerventil vorgesehen,
das die vom Hochdrucksammelraum kommende Hochdruckleitung
mit einem Steuerraum verbinden kann. Dieser Steuerraum wird
einseitig von einem Kolben begrenzt, der längsverschiebbar
dichtend in einer Bohrung geführt ist und der koaxial zum
Ventilglied angeordnet und mit diesem über eine Druckstange
verbunden ist. Öffnet das Ventilglied die Verbindung der
Hochdruckleitung zum Steuerraum, so ergibt sich eine hydrau
lische Schließkraft auf den Kolben, der über die Druckstange
das Ventilglied in Schließstellung drückt, so daß es am Ven
tilsitz anliegt. Durch ein geeignetes Verhältnis der druck
beaufschlagten Flächen von Kolben und Ventilglied ist diese
hydraulische Schließkraft größer als die hydraulische Öff
nungskraft auf das Ventilglied, und das Ventilglied verharrt
in der geschlossenen Stellung. Soll eine Einspritzung erfol
gen, so wird die Verbindung der Hochdruckleitung zum Steuer
raum unterbrochen und der Steuerraum mit einem Entlastungs
raum verbunden. Dadurch sinkt die hydraulische Kraft auf den
Kolben, so daß die hydraulische Kraft auf die Druckfläche
des Ventilglieds überwiegt und das Ventilglied eine Öff
nungshubbewegung ausführt, die die Einspritzöffnungen frei
gibt. Die Einspritzung wird wiederum dadurch beendet, daß
die Verbindung des Entlastungsraums zum Steuerraum durch das
Steuerventil geöffnet wird. Der Druck im Steuerraum steigt
dadurch auf den Druck des Hochdrucksammelraums an, und der
Kolben und damit das Ventilglied bewegen sich in die
Schließstellung. Das Kraftstoffeinspritzsystem weist hierbei
jedoch den Nachteil auf, daß das Schließen des Ventilgliedes
mittels des Drucks im Hochdrucksammelraum das Ventilglied
zur Schließstellung hin stark beschleunigt, so daß es am
Ventilsitz mit einer hohen Geschwindigkeit auftrifft. Da
durch ergibt sich dort eine starke mechanische Belastung,
was zu übermäßigem Verschleiß in diesem Bereich führen kann.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem mit den kenn
zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber
den Vorteil, daß das Ventilglied durch den Druck im Steuer
raum zumindest mittelbar beaufschlagt ist, wobei der Steuer
raum mit einem Entlastungsraum verbindbar ist. Die Verbin
dung des Steuerraums mit dem Entlastungsraum wird dabei
durch das Ventilglied gesteuert, so daß die zusätzliche
Schließkraft durch den Druck im Steuerraum nicht ständig auf
das Ventilglied wirkt. Das Steuerventil ist dabei als 3/2-
Wegeventil ausgeführt, das in der ersten Stellung die Kraft
stoffhochdruckquelle mit dem Druckraum des Ventilglieds ver
bindet und die Verbindung vom Druckraum zum Steuerraum un
terbricht. In der zweiten Stellung des Steuerventils wird
die Verbindung zur Kraftstoffhochdruckquelle verschlossen
und der Druckraum mit dem Steuerraum verbunden. Die Druck
welle, die beim Schalten des Steuerventils auftritt, wird in
den Steuerraum geleitet und beaufschlagt dort ein Steuerele
ment, das sich synchron mit dem Ventilglied bewegt. Das
Steuerventil wird dabei beispielsweise über einen Elektroma
gneten geschaltet, so daß der Zeitpunkt des Schaltens genau
einstellbar ist.
Der Steuerraum ist über eine Aufnahmebohrung mit einem Ent
lastungsraum verbunden, der mit einem Leckölsystem verbunden
ist und in dem ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Ein
Druckbolzen, der als Steuerelement dient, ist in der Aufnah
mebohrung geführt und mit dem Ventilglied verbunden, so daß
er sich synchron mit dem Ventilglied bei der Öffnungshubbe
wegung des Ventilglieds in der Aufnahmebohrung in Längsrich
tung bewegt. Soll Kraftstoff in den Brennraum der Brenn
kraftmaschine eingespritzt werden, so fährt das Steuerventil
in die erste Stellung, und durch den Kraftstoffdruck im
Druckraum wird das Ventilglied in axialer Richtung vom Ven
tilsitz weg bewegt und gibt so die Einspritzöffnungen frei.
Die Beendigung der Einspritzung erfolgt durch Schalten des
Steuerventils in die zweite Stellung, so daß die Kraftstoff
hochdruckleitung verschlossen wird und die Druckwelle, die
sich durch das Schließen des Steuerventils ergibt, in den
Steuerraum geleitet wird. Dort wird der Druckbolzen in axia
ler Richtung bewegt und damit über den Druckstift auch das
Ventilglied. Da im Druckraum zu diesem Zeitpunkt ein noch
relativ hoher Kraftstoffdruck herrscht, erfolgt die Schließ
bewegung gedämpft, so daß der Verschleiß im Ventilsitz redu
ziert wird.
Darüber hinaus weist das vorliegende Kraftstoffeinspritzsy
stem den Vorteil auf, daß über den bei der Öffnungshubbewe
gung des Ventilglieds hydraulisch abgeschlossenen Steuerraum
auch eine Dämpfung der Öffnungshubbewegung des Ventilglieds
erfolgt. Dadurch wird die Anlage des Ventilglieds an der An
schlagfläche gedämpft, was einen ruhigeren Betrieb und ge
ringeren Verschleiß im Bereich der Anschlagfläche bewirkt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der
Erfindung ist am Druckbolzen eine Steuerkante angeordnet,
die mit einem am Steuerraum abgewandten Ende der Aufnahme
bohrung ausgebildeten Dichtkante zusammenwirkt. In geöffne
ter Stellung des Kraftstoffeinspritzventils taucht die Steu
erkante in die Aufnahmebohrung ein, so daß der Steuerraum
gegen den Entlastungsraum abgedichtet ist. Im Zuge der
Schließbewegung des Ventilgliedes bewegt sich auch der
Druckbolzen entsprechend in der Aufnahmebohrung, und nach
einem Teil des Gesamthubs taucht die Steuerkante aus der
Aufnahmebohrung aus. Sobald die Steuerkante die Dichtkante
passiert, wird der Entlastungsraum über Ausnehmungen, die
seitlich am Druckbolzen ausgebildet sind, mit dem Steuerraum
verbunden, so daß der Druck im Steuerraum entlastet wird.
Der Druckbolzen und damit das Ventilglied wird so nur am An
fang der Schließbewegung durch den Kraftstoffdruck im Steu
erraum beschleunigt bewegt, so daß das Ventilglied mit ge
dämpfter Geschwindigkeit am Ventilsitz aufsetzt. Hierdurch
wird der Verschleiß im Bereich des Ventilsitzes minimiert
und gleichzeitig ein exaktes und rasches Schließen des Ven
tilglieds ermöglicht.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegen
standes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung
und den Ansprüchen entnehmbar.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfin
dungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems gezeigt. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritz
ventil und schematisch den Aufbau der Kraftstoffhoch
druckversorgung und des Leckölsystems,
Fig. 2 zeigt eine Vergrößerung von Fig. 1 im Bereich
der Zwischenscheibe,
Fig. 3 und
Fig. 4 sind vergrößerte Darstellungen von Fig. 1 im Be
reich des Druckbolzens, wobei Fig. 3 die Position des
Druckbolzens in geschlossener Stellung des Ventilgliedes
und Fig. 4 die Position des Druckbolzens in Öffnungs
stellung des Ventilgliedes zeigt,
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch das Kraftstoffein
spritzventil entlang der Linie V-V der Fig. 4,
Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Steuerven
tils im Längsschnitt.
In Fig. 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem gezeigt, das
aus einer Kraftstoffhochdruckversorgung 2, einem Leckölsy
stem 4 und einem Kraftstoffeinspritzventil 1 besteht. Das
Kraftstoffeinspritzventil 1 ist im Längsschnitt dargestellt,
während die Kraftstoffhochdruckversorgung 2 und das Lecköl
system 4 nur schematisch dargestellt sind.
Aus einem Kraftstofftank 3 wird über eine Kraftstoffleitung
5 Kraftstoff einer Hochdruckpumpe 7 zugeführt, die den
Kraftstoff unter hohem Druck über eine Hochdruckleitung 8 in
einen als Kraftstoffhochdruckquelle dienenden Hochdrucksam
melraum 10 fördert. Im Hochdrucksammelraum 10 wird durch ei
ne in der Zeichnung nicht dargestellte Druckregeleinrichtung
ein vorgegebener Kraftstoffhochdruck aufrecht erhalten. Vom
Hochdrucksammelraum 10 gehen eine Vielzahl von Hochdrucklei
tungen 12 ab, die jeweils mit einem Kraftstoffeinspritzven
til 1 verbunden sind, von denen in der Fig. 1 nur eines
dargestellt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist einen
Ventilhaltekörper 15 auf, der unter Zwischenlage einer Zwi
schenscheibe 17 durch eine Spannmutter 22 in axialer Rich
tung gegen einen Ventilkörper 20 verspannt ist. Im Ventil
haltekörper 15 ist ein Zulaufkanal 25 ausgebildet, der mit
der Hochdruckleitung 12 verbunden ist und über den Kraft
stoff in das Kraftstoffeinspritzventil 1 eingeführt wird.
Der Zulaufkanal 25 ist über ein Steuerventil 30 mit einer
Zulaufbohrung 27 verbindbar, die durch den Ventilhaltekörper
15 und die Zwischenscheibe 17 bis in den Ventilkörper 20
reicht. Im Ventilkörper 20 ist eine Bohrung 62 ausgebildet,
in der ein kolbenförmiges Ventilglied 60 längsverschiebbar
angeordnet ist. Das Ventilglied 60 ist in einem brennraumab
gewandten Abschnitt in der Bohrung 62 dichtend geführt, ver
jüngt sich dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschul
ter 65 und geht an seinem Ende in eine im wesentlichen koni
sche Ventildichtfläche 66 über, die mit einem am brennraum
seitigen Ende der Bohrung 62 ausgebildeten Ventilsitz 70 zu
sammenwirkt. Im Ventilsitz 70 ist wenigstens eine Ein
spritzöffnung 68 ausgebildet, die die Bohrung 62 mit dem
Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. Durch eine ra
diale Erweiterung der Bohrung 62 ist im Bereich der Druck
schulter 65 ein Druckraum 64 ausgebildet, der sich als ein
das Ventilglied 60 umgebender Ringkanal bis zum Ventilsitz
70 fortsetzt. In den Druckraum 64 mündet die Zulaufbohrung
27, so daß der Druckraum 64 über die Zulaufbohrung 27 mit
Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann.
Im Ventilhaltekörper 15 ist ein Federraum 72 ausgebildet,
der als Entlastungsraum dient und als Bohrung ausgeführt
ist, welche Bohrung koaxial zur Bohrung 62 angeordnet ist
und über eine in der Zwischenscheibe 17 ausgebildete zentra
le Öffnung 67 mit der Bohrung 62 verbunden ist. Der Feder
raum 72 ist mit einem im Ventilhaltekörper 15 ausgebildeten
Ablaufkanal 24 verbunden, welcher Ablaufkanal 24 über eine
Leckölleitung 18 mit dem Kraftstofftank 3 verbunden ist, so
daß im Federraum 72 stets ein niedriger Kraftstoffdruck
herrscht. In Fig. 2 ist eine Vergrößerung von Fig. 1 im
Bereich der Zwischenscheibe 17 gezeigt. In der zentralen
Öffnung 67 der Zwischenscheibe 17 ist eine Hülse 69 angeord
net, die längsverschiebbar in der zentralen Öffnung 67 ist
und die mit ihrer dem Ventilglied 60 zugewandten Stirnseite
an der brennraumabgewandten Stirnseite des Ventilgliedes 60
anliegt. Unter Zwischenlage eines ringscheibenförmigen Fe
dertellers 61 ist zwischen der Hülse 69 und dem brennraum
abgewandten Ende des Federraums 72 eine Schraubendruckfeder
74 unter Vorspannung angeordnet, wodurch die Vorspannung der
Schraubendruckfeder 74 über die Hülse 69 eine in axialer
Richtung auf den Ventilsitz 70 zu und damit in Schließrich
tung wirkende Kraft auf das Ventilglied 60 ausgeübt. Das
Ventilglied 60 wird so mit der Ventildichtfläche 66 gegen
den Ventilsitz 70 gepreßt, so daß die Einspritzöffnungen 68
verschlossen werden, falls keine der Federkraft entgegen ge
richtet Kraft auf das Ventilglied 60 wirkt.
Die zentrale Öffnung 67 ist im Durchmesser gestuft ausgebil
det, so daß eine auf das Ventilglied 60 zu gerichtete, ring
förmige Anschlagfläche 73 in der Zwischenscheibe 17 gebildet
ist. Die Hülse 69 ist ebenfalls im Außendurchmesser gestuft
ausgebildet und verjüngt sich unter Bildung einer ringförmi
gen Anschlagschulter 71 dem Federraum 72 zu. In Schließstel
lung des Ventilglieds 60, das ist, wenn das Ventilglied 60
mit seiner Ventildichtfläche 66 am Ventilsitz 70 anliegt,
kommt die Hülse 69 an der brennraumabgewandten Stirnseite 63
des Ventilkörpers 20 zur Anlage. In dieser Stellung hat die
Anschlagschulter 71 einen axialen Abstand von der Anschlag
schulter 73, welcher Abstand den Gesamthub h0 des Ventil
glieds 60 definiert. An der brennraumabgewandten Stirnseite
des Ventilglieds 60 liegt ein Druckstift 40 an, der koaxial
zum Ventilglied 60 angeordnet ist und bis in den Federraum
72 ragt, wo er von der Schraubendruckfeder 74 umgeben wird.
Das brennraumabgewandte Endstück des Druckstifts 40 ist als
Druckbolzen 45 ausgebildet, der als Steuerelement dient und
in einer Aufnahmebohrung 43 einer Führungshülse 42 angeord
net ist, die zwischen dem brennraumabgewandten Ende der
Schraubendruckfeder 74 und dem brennraumabgewandten Ende des
Federraums 72 angeordnet ist. In den Fig. 3 und 4 sind
vergrößerte Darstellungen dieses Bereichs des Kraftstoffein
spritzventils dargestellt. Dabei kann es vorgesehen sein,
daß zwischen der Schraubendruckfeder 74 und der Führungshül
se 42 eine Ausgleichsscheibe 75 angeordnet ist, über deren
axiale Ausdehnung die Vorspannung der Schraubendruckfeder 74
einstellbar ist. Der Druckbolzen 45 ist in der Aufnahmeboh
rung 43 geführt und ist durch eine Ringnut 41 vom Druckstift
40 getrennt. Dabei weist der Druckbolzen 45 seitliche Aus
nehmungen 48 auf, durch die die Ringnut 41 mit der brennrau
mabgewandten Stirnseite des Druckbolzens 45 verbunden ist.
In Fig. 5 ist die Form der Ausnehmungen 48 in einem Quer
schnitt des Kraftstoffeinspritzventils entlang der Linie V-V
der Fig. 4 im Bereich des Druckbolzens 45 gezeigt. Der
Druckstift 40 weist dabei einen Durchmesser auf, der nur ge
ringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Aufnahmeboh
rung 43, so daß der Druckstift 40 beim Eintauchen in die
Aufnahmebohrung 43 dort dichtend geführt ist. Die dem Druck
stift 40 zugewandte Kante der Ringnut 41 bildet eine Steuer
kante 77, die mit der am brennraumzugewandten Ende der Auf
nahmebohrung 43 gebildeten Dichtkante 79 zusammenwirkt:
Durch die Längsbewegung des Ventilglieds 60 wird über den Druckstift 40 auch der Druckbolzen 45 in Längsrichtung be wegt. Bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil, das ist, wenn das Ventilglied 60 mit seiner Ventildichtfläche 66 am Ventilsitz 70 anliegt und die Einspritzöffnungen 68 verschließt, befindet sich die Dichtkante 79 außerhalb der Aufnahmebohrung 43, und der Federraum 72 ist mit der Aufnah mebohrung 43 über die Ausnehmungen 48 verbunden. Dieser Zu stand ist in Fig. 3 dargestellt. Der axiale Abstand der Dichtkante 79 von der Steuerkante 77 ergibt den Freihub h. Im geöffneten Zustand des Kraftstoffeinspritzventils taucht die Steuerkante 77 in die Aufnahmebohrung 43 ein. Sobald die Steuerkante 77 die Dichtkante 79 passiert, wird die Aufnah mebohrung 43 durch den Druckstift 40, der in der Aufnahme bohrung 43 nur ein sehr geringes Spiel aufweist, verschlos sen. Diese Position des Druckbolzens 43 ist in der Fig. 4 dargestellt, wobei der axiale Abstand der Steuerkante 77 von der Dichtkante 79 in diesem Zustand des Kraftstoffeinspritz ventils als Überdeckung u bezeichnet wird. Der Gesamthub h0 entspricht der Summe (h0 = h + u) von Freihub h und Überdec kung u.
Durch die Längsbewegung des Ventilglieds 60 wird über den Druckstift 40 auch der Druckbolzen 45 in Längsrichtung be wegt. Bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil, das ist, wenn das Ventilglied 60 mit seiner Ventildichtfläche 66 am Ventilsitz 70 anliegt und die Einspritzöffnungen 68 verschließt, befindet sich die Dichtkante 79 außerhalb der Aufnahmebohrung 43, und der Federraum 72 ist mit der Aufnah mebohrung 43 über die Ausnehmungen 48 verbunden. Dieser Zu stand ist in Fig. 3 dargestellt. Der axiale Abstand der Dichtkante 79 von der Steuerkante 77 ergibt den Freihub h. Im geöffneten Zustand des Kraftstoffeinspritzventils taucht die Steuerkante 77 in die Aufnahmebohrung 43 ein. Sobald die Steuerkante 77 die Dichtkante 79 passiert, wird die Aufnah mebohrung 43 durch den Druckstift 40, der in der Aufnahme bohrung 43 nur ein sehr geringes Spiel aufweist, verschlos sen. Diese Position des Druckbolzens 43 ist in der Fig. 4 dargestellt, wobei der axiale Abstand der Steuerkante 77 von der Dichtkante 79 in diesem Zustand des Kraftstoffeinspritz ventils als Überdeckung u bezeichnet wird. Der Gesamthub h0 entspricht der Summe (h0 = h + u) von Freihub h und Überdec kung u.
Der genaue Aufbau des Steuerventils 30 ist in Fig. 6 im
Längsschnitt dargestellt. Die Aufnahmebohrung 43 ist über
eine Verbindungsbohrung 47 im Ventilhaltekörper 15 mit einem
im Ventilhaltekörper 15 angeordneten Steuerraum 50 verbun
den, der zylindrisch ausgebildet ist und dem Ventilglied 60
abgewandt in eine Steuerbohrung 38 übergeht. Die Steuerboh
rung 38 ist dabei parallel zur Bohrung 60 ausgebildet, wobei
es jedoch auch vorgesehen sein kann, daß beide Bohrungen ei
nen Winkel miteinander einschließen oder senkrecht zueinan
der sind. Die Steuerbohrung 38 ist im Durchmesser gestuft
ausgebildet: An den Steuerraum 50 schließt sich ein Schie
berabschnitt 138 an, der sich im weiteren Verlauf unter Bil
dung eines konischen Steuerventilsitzes 52 radial erweitert
und in einen Führungsabschnitt 238 übergeht. An ihrem dem
Steuerraum 50 abgewandten Ende ist die Steuerbohrung 38 über
eine Zwischenbohrung 49 mit einem Leckölraum 51 verbunden,
der mit dem Ablaufkanal 24 verbunden ist und in dem sich ein
Elektromagnet 34 befindet, der mit einem ebenfalls im
Leckölraum 51 angeordneten Magnetanker 36 wirkverbunden ist.
In der Steuerbohrung 38 ist ein kolbenförmiges Steuerventil
glied 32 angeordnet, das im Führungsabschnitt 238 mit einem
ersten Abschnitt 132 dichtend geführt ist. Das Steuerventil
glied 32 verjüngt sich dem Steuerraum 50 zu und geht in ei
nen im Durchmesser kleineren zweiten Abschnitt 232 über, so
daß zwischen dem zweiten Abschnitt 232 des Steuerventil
glieds 32 und der Wand des Führungsabschnitt 238 der Steuer
ventilbohrung 38 ein ringförmiger erster Hochdruckraum 55
ausgebildet ist, in den der Zulaufkanal 25 mündet. Im weite
ren Verlauf dem Steuerraum 50 zu geht das Steuerventilglied
32 unter Bildung einer konischen Steuerventildichtfläche 54
in einen gegenüber dem zweiten Abschnitt 232 im Durchmesser
verringerten dritten Abschnitt 332 des Steuerventilglieds 32
über. Dieser dritte Abschnitt 332 ist innerhalb des Schie
berabschnitts 138 angeordnet, so daß zwischen dem dritten
Abschnitt 332 des Steuerventilglieds 32 und der Wand der
Steuerventilbohrung 38 ein zweiter Hochdruckraum 56 ausge
bildet ist, der ebenfalls ringförmig ist. Die Steuerventil
dichtfläche 54 bildet zusammen mit dem Steuerventilsitz 52
ein erstes Ventil, durch das der Zulaufkanal 25 mit der Zu
laufbohrung 27 verbindbar ist. Das dem Steuerraum 50 zuge
wandte Ende des Steuerventilglieds 32 wird durch einen ge
genüber dem dritten Abschnitt 332 des Steuerventilglieds 32
im Durchmesser vergrößerten Schieberkopf 39 gebildet, der,
wenn die Steuerventildichtfläche 54 am Steuerventilsitz 52
anliegt, in den Steuerraum 50 ragt. An dem dem Steuerraum 50
abgewandten Ende des Schieberkopfs 39 ist an diesem eine
Schieberkante 57 gebildet, die mit einer am Übergang der
Steuerventilbohrung 38 zum Steuerraum 50 gebildeten Dicht
kante 58 zusammenwirkt. Der Durchmesser des Schieberkopfs 39
ist nur geringfügig kleiner als der Durchmesser der Schie
berbohrung 138 der Steuerventilbohrung 38, so daß der Schie
berkopf 39 dichtend in die Schieberbohrung 138 eintauchen
kann. Sobald bei der Längsbewegung des Steuerventilglieds 32
die Schieberkante 57 die Dichtkante 58 erreicht, wird die
Verbindung vom zweiten Hochdruckraum 56 zum Steuerraum 50
unterbrochen, so daß dadurch ein zweites als Schieberventil
ausgebildetes Ventil gebildet ist.
An dem dem Steuerraum 50 abgewandten Ende ist das Steuerven
tilglied 32 über einen Stift 53 mit dem Magnetanker 36 ver
bunden. Wird der Elektromagnet 34 geeignet bestromt, so wird
der Magnetanker 36 und über den Stift 51 auch das Steuerven
tilglied 32 in axialer Richtung vom Brennraum wegbewegt, so
daß die Steuerventildichtfläche 54 vom Steuerventilsitz 52
abhebt und den ersten Hochdruckraum 55 mit dem zweiten Hoch
druckraum 56 verbindet. Sobald sich die Schieberkante 57 des
Schieberkopfs 39 und die Dichtkante 58, die am brennraumsei
tigen Ende der Schieberbohrung 138 ausgebildet ist, gegen
überliegen, verschließt der Schieberkopf 39 den Steuerraum
50 gegen den zweiten Hochdruckraum 56. Dadurch sind jetzt
der Zulaufkanal 25 und die Zulaufbohrung 27 über den ersten
Hochdruckraum 55 und den zweiten Hochdruckraum 56 miteinan
der verbunden, so daß Kraftstoff unter hohem Druck in den
Druckraum 64 einfließen kann. Durch eine andere Bestromung
des Elektromagneten 34 wird der Magnetanker 36 wieder in die
entgegengesetzte Richtung bewegt, so daß das Steuerventil
glied 32 mit der Steuerventildichtfläche 54 wieder am Steu
erventilsitz 52 zur Anlage kommt und so den ersten Hoch
druckraum 55 gegen den zweiten Hochdruckraum 56 verschließt.
Dabei taucht auch der Schieberkopf 39 aus der Führungsab
schnitt 138 aus, so daß jetzt über den zweiten Hochdruckraum
56 die Zulaufbohrung 27 mit dem Steuerraum 50 verbunden ist.
Die beiden durch das Steuerventilglied 32 gebildeten Ventile
bilden zusammen ein 3/2-Wegeventil, das den Steuerraum 50,
die Zulaufbohrung 27 und den Zulaufkanal 25 wechselseitig
miteinander verbindet.
Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie
folgt:
Der Hochdrucksammelraum 10 ist über die Hochdruckleitung 12 und den Zulaufkanal 25 mit dem ersten Hochdruckraum 55 ver bunden, so daß im ersten Hochdruckraum 55 ein hoher Kraft stoffdruck anliegt. Soll die Einspritzung erfolgen, so wird durch geeignetes Bestromen des Elektromagneten 34 der Magne tanker 36 in axialer Richtung bewegt, so daß das Steuerven tilglied 32 eine axiale Bewegung ausführt und mit der Steu erventildichtfläche 54 vom Steuerventilsitz 52 abhebt. Gleichzeitig taucht der Schieberkopf 39 in den Schieberab schnitt 138 der Steuerventilbohrung 38 ein und verschließt den zweiten Hochdruckraum 56 gegen den Steuerraum 50. Da nun der Zulaufkanal 25 und die Zulaufbohrung 27 miteinander ver bunden sind, fließt Kraftstoff unter hohem Druck in den Druckraum 64 und erhöht dort die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 65 des Ventilgliedes 60. Übersteigt diese hy draulische Kraft die Kraft der Schraubendruckfeder 74, so bewegt sich das Ventilglied 60 in axialer Richtung vom Brennraum weg und hebt mit der Ventildichtfläche 66 vom Ven tilsitz 70 ab und verbindet so den Druckraum 64 mit den Ein spritzöffnungen 68, so daß Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Durch die Öffnungshub bewegung des Ventilglieds 60 wird auch der Druckstift 40 in axialer Richtung bewegt. Sobald das Ventilglied 60 den Frei hub h durchfahren hat, taucht die am Übergang des Druck stifts 40 zum Druckbolzen 45 ausgebildete Steuerkante 77 in die Aufnahmebohrung 43 der Führungshülse 42 ein, so daß der Steuerraum 50 hydraulisch verschlossen ist und so als hy draulischer Puffer für die Öffnungshubbewegung des Ventil glieds 60 dient. Nach Durchfahren des Freihubs h verlangsamt sich somit die Öffnungshubbewegung des Ventilglieds 60 und es setzt mit abgedämpfter Geschwindigkeit mittelbar durch die Hülse 69 an der Anschlagfläche 73 der Zwischenscheibe 17 auf. Das Ende der Einspritzung wird durch ein geeignetes Be stromen des Elektromagneten 34 ausgelöst, der den Magnetan ker 36 in axialer Richtung auf den Brennraum zu verschiebt, wodurch das Steuerventilglied 32 ebenfalls in axialer Rich tung bewegt wird. Sobald die Schieberkante 57 des Schieber kopfs 39 aus der Schieberbohrung 138 austaucht, ist für eine kurze Zeitspanne der erste Hochdruckraum 55 mit dem Steuer raum 50 verbunden, und zwar so lange, bis die Steuerventil dichtfläche 54 wieder am Steuerventilsitz 52 zur Anlage kommt und den Zulaufkanal 25 verschließt. Durch diese kurze Verbindung des Steuerraums 50 über den zweiten Hochdruckraum 56 mit dem ersten Hochdruckraum 55 und durch den sich ent spannenden Kraftstoff im Druckraum 64 ergibt sich eine Druckwelle, die sich in den Steuerraum 50 ausbreitet. Durch diese Druckwelle ergibt sich eine Kraft auf die brennraumab gewandte Stirnseite des Druckbolzens 45, so daß über den Druckstift 40 auch das Ventilglied 60 auf den Brennraum zu beschleunigt bewegt wird, mit größerer Kraft und damit schneller, als dies allein durch die Schraubendruckfeder 74 möglich wäre. Die Kraft auf den Druckbolzen 45 hält aller dings nur so lange an, wie die Steuerkante 77 innerhalb der Aufnahmebohrung 43 ist. Sobald nach Durchfahren der Überdec kung u die Steuerkante 77 aus der Aufnahmebohrung 43 aus taucht, wird über die Ausnehmungen 48 und die Ringnut 41 der Steuerraum 50 mit dem Federraum 72 verbunden. Der Kraft stoffdruck im Steuerraum 50 fällt dadurch rasch auf den Wert des im Federraum 72 herrschenden Drucks ab, so daß die hy draulische Kraft auf den Druckbolzen 45 abnimmt. Da zu die sem Zeitpunkt im Druckraum 64 noch ein relativ hoher Kraft stoffdruck herrscht, wird die weitere Schließbewegung des Ventilgliedes 60 auf den Ventilsitz 66 zu hydraulisch durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 64 gedämpft, so daß das Ventilglied 60 nach einer anfänglich schnellen axialen Schließbewegung relativ sanft mit der Ventildichtfläche 66 am Ventilsitz 70 zur Anlage kommt.
Der Hochdrucksammelraum 10 ist über die Hochdruckleitung 12 und den Zulaufkanal 25 mit dem ersten Hochdruckraum 55 ver bunden, so daß im ersten Hochdruckraum 55 ein hoher Kraft stoffdruck anliegt. Soll die Einspritzung erfolgen, so wird durch geeignetes Bestromen des Elektromagneten 34 der Magne tanker 36 in axialer Richtung bewegt, so daß das Steuerven tilglied 32 eine axiale Bewegung ausführt und mit der Steu erventildichtfläche 54 vom Steuerventilsitz 52 abhebt. Gleichzeitig taucht der Schieberkopf 39 in den Schieberab schnitt 138 der Steuerventilbohrung 38 ein und verschließt den zweiten Hochdruckraum 56 gegen den Steuerraum 50. Da nun der Zulaufkanal 25 und die Zulaufbohrung 27 miteinander ver bunden sind, fließt Kraftstoff unter hohem Druck in den Druckraum 64 und erhöht dort die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 65 des Ventilgliedes 60. Übersteigt diese hy draulische Kraft die Kraft der Schraubendruckfeder 74, so bewegt sich das Ventilglied 60 in axialer Richtung vom Brennraum weg und hebt mit der Ventildichtfläche 66 vom Ven tilsitz 70 ab und verbindet so den Druckraum 64 mit den Ein spritzöffnungen 68, so daß Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Durch die Öffnungshub bewegung des Ventilglieds 60 wird auch der Druckstift 40 in axialer Richtung bewegt. Sobald das Ventilglied 60 den Frei hub h durchfahren hat, taucht die am Übergang des Druck stifts 40 zum Druckbolzen 45 ausgebildete Steuerkante 77 in die Aufnahmebohrung 43 der Führungshülse 42 ein, so daß der Steuerraum 50 hydraulisch verschlossen ist und so als hy draulischer Puffer für die Öffnungshubbewegung des Ventil glieds 60 dient. Nach Durchfahren des Freihubs h verlangsamt sich somit die Öffnungshubbewegung des Ventilglieds 60 und es setzt mit abgedämpfter Geschwindigkeit mittelbar durch die Hülse 69 an der Anschlagfläche 73 der Zwischenscheibe 17 auf. Das Ende der Einspritzung wird durch ein geeignetes Be stromen des Elektromagneten 34 ausgelöst, der den Magnetan ker 36 in axialer Richtung auf den Brennraum zu verschiebt, wodurch das Steuerventilglied 32 ebenfalls in axialer Rich tung bewegt wird. Sobald die Schieberkante 57 des Schieber kopfs 39 aus der Schieberbohrung 138 austaucht, ist für eine kurze Zeitspanne der erste Hochdruckraum 55 mit dem Steuer raum 50 verbunden, und zwar so lange, bis die Steuerventil dichtfläche 54 wieder am Steuerventilsitz 52 zur Anlage kommt und den Zulaufkanal 25 verschließt. Durch diese kurze Verbindung des Steuerraums 50 über den zweiten Hochdruckraum 56 mit dem ersten Hochdruckraum 55 und durch den sich ent spannenden Kraftstoff im Druckraum 64 ergibt sich eine Druckwelle, die sich in den Steuerraum 50 ausbreitet. Durch diese Druckwelle ergibt sich eine Kraft auf die brennraumab gewandte Stirnseite des Druckbolzens 45, so daß über den Druckstift 40 auch das Ventilglied 60 auf den Brennraum zu beschleunigt bewegt wird, mit größerer Kraft und damit schneller, als dies allein durch die Schraubendruckfeder 74 möglich wäre. Die Kraft auf den Druckbolzen 45 hält aller dings nur so lange an, wie die Steuerkante 77 innerhalb der Aufnahmebohrung 43 ist. Sobald nach Durchfahren der Überdec kung u die Steuerkante 77 aus der Aufnahmebohrung 43 aus taucht, wird über die Ausnehmungen 48 und die Ringnut 41 der Steuerraum 50 mit dem Federraum 72 verbunden. Der Kraft stoffdruck im Steuerraum 50 fällt dadurch rasch auf den Wert des im Federraum 72 herrschenden Drucks ab, so daß die hy draulische Kraft auf den Druckbolzen 45 abnimmt. Da zu die sem Zeitpunkt im Druckraum 64 noch ein relativ hoher Kraft stoffdruck herrscht, wird die weitere Schließbewegung des Ventilgliedes 60 auf den Ventilsitz 66 zu hydraulisch durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 64 gedämpft, so daß das Ventilglied 60 nach einer anfänglich schnellen axialen Schließbewegung relativ sanft mit der Ventildichtfläche 66 am Ventilsitz 70 zur Anlage kommt.
Neben dem Druckbolzen 45 ist es auch möglich, das Kraft
stoffeinspritzventil in anderer Form auszubilden. Beispiels
weise kann der Druckbolzen mit rechteckigem Querschnitt aus
geführt sein, der in einer ebenso rechteckigen Verbin
dungsöffnung geführt ist. Ebenso ist es möglich, die Verbin
dung des Druckbolzens mit dem Ventilglied nicht durch eine
starre mechanische Verbindung auszubilden, sondern durch ei
ne hydraulische Kopplung beider Elemente. Weiter ist es mög
lich, die Verbindung des Steuerraums mit dem Entlastungsraum
durch einen zusätzlichen Verbindungskanal auszubilden, der
abhängig vom Hub des Ventilglieds geöffnet oder geschlossen
wird.
Claims (11)
1. Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit ei
nem Kraftstoffeinspritzventil (1), das einen Ventilkörper
(20) aufweist, in dem in einer Bohrung (62) ein Ventil
glied (60) axial beweglich angeordnet ist, welches Ven
tilglied (60) hydraulisch gesteuert durch den Kraftstoff
druck in einem Druckraum (64) entgegen einer Schließkraft
längsverschiebbar ist und dadurch wenigstens eine Ein
spritzöffnung (68) steuert, und mit einem Steuerventil
(30), durch das die Verbindung des Druckraums (64) mit
einer Kraftstoffhochdruckquelle (10) und mit einem Entla
stungsraum (72) gesteuert wird (3/2-Ventil), wobei das
Steuerventil (30) ein in einer Steuerventilbohrung (38)
längsverschiebbares Steuerventilglied (32) umfaßt, wel
ches Steuerventilglied (32) in einer ersten Stellung zum
Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils (1) die Verbindung
der Kraftstoffhochdruckquelle (10) zu dem Druckraum (64)
öffnet und die Verbindung des Entlastungsraums (72) mit
dem Druckraum (64) unterbricht und in einer zweiten Stel
lung zum Schließen des Kraftstoffeinspritzventils (1) den
Druckraum (64) mit dem Entlastungsraum (72) verbindet und
dabei die Verbindung des Druckraums (64) mit der Kraft
stoffhochdruckquelle (10) unterbricht, wobei das Ventil
glied (60) zumindest mittelbar vom im Entlastungsraum
(72) herrschenden Druck in Schließstellung beaufschlagt
ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung vom
Steuerventil (30) zum Entlastungsraum (72) ein Steuerraum
(50) angeordnet ist, der eine zumindest mittelbar durch
das Ventilglied (60) gesteuerte Verbindung mit dem Entla
stungsraum (72) aufweist.
2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Steuerraum (50) durch ein bewegli
ches Steuerelement begrenzt wird, das sich synchron mit
dem Ventilglied (60) bewegt und das vom Druck im Steuer
raum (50) beaufschlagt wird und dadurch das Ventilglied
(60) in Schließrichtung drückt.
3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Steuerelement die Verbindung des
Steuerraums (50) mit dem Entlastungsraum (72) in Schließ
stellung des Ventilglieds (60) aufsteuert und in Öff
nungsstellung des Ventilglieds (60) verschließt.
4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Steuerelement als ein mit dem
Ventilglied (60) verbundener Druckbolzen (45) ausgebildet
ist, der in einer Aufnahmebohrung (43) geführt ist und
vom Druck im Steuerraum (50) beaufschlagt ist, wobei die
Aufnahmebohrung (43) die Verbindung des Steuerraums (50)
mit dem Entlastungsraum (72) bildet.
5. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß am Druckbolzen (45) eine Steuerkante
(77) angeordnet ist, die mit einer am steuerraumabge
wandten Ende der Aufnahmebohrung (43) ausgebildeten
Dichtkante (79) zusammenwirkt.
6. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Steuerkante (77) des Druckbolzens
(45) über wenigstens eine am Druckbolzen (45) ausgebilde
te Ausnehmung (48) mit der steuerraumzugewandten Stirn
seite des Druckbolzens (45) verbunden ist.
7. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Steuerkante (77) des Druckbolzens
(45) nach einem Teil des Gesamthubs des Druckbolzens (45)
aus der Aufnahmebohrung (47) austaucht, wodurch der Steu
erraum (50) mit dem Entlastungsraum (72) verbunden wird.
8. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Druckbolzen (45) koaxial zum Ven
tilglied (60) angeordnet ist.
9. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Druckbolzen (45) mit dem Ventil
glied (60) über einen koaxial zum Ventilglied (60) ange
ordneten Druckstift (40) verbunden ist.
10. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Steuerraum (50) bei der Bewegung
des Steuerventilglieds (32) zwischen dessen erster und
zweiter Stellung in einer Zwischenstellung des Steuerven
tilglieds (32) mit der Kraftstoffhochdruckquelle (10)
verbunden ist.
11. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorstehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffhoch
druckquelle (10) ein Hochdrucksammelraum ("common rail")
ist.
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