DE102004021540A1 - Ventil zum Steuern von Fluiden - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Ventil (1) zum Steuern von Fluiden beschrieben. Das Ventil (1) umfasst ein Steuermodul (2) sowie ein Düsenmodul (3), das zur Steuerung einer Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eine Ventilaußennadel (4) und eine Ventilinnennadel (5) aufweist. Mit ihren dem Brennraum zugewandten Bereichen wirken die Ventilnadeln (4, 5) mit Ventilsitzen (4A, 4B und 5A, 5B) und diesen zugeordneten Einspritzöffnungen (7, 8) des Düsenkörpers (6) zusammen. Die Ventilaußennadel (4) ist über eine Federeinrichtung (21) gegen den der Ventilaußennadel (4) zugeordneten Ventilsitz (4A, 4B) des Düsenkörpers (6) angefedert. Erfindungsgemäß ist zwischen der Ventilaußennadel (4) und der Ventilinnennadel (5) eine mit einer Rohrfeder (27) ausgebildete und die Ventilinnennadel (5) wenigstens bereichsweise umgreifende weitere Federeinrichtung (26) vorgesehen, über die die Ventilinnennadel (5) gegen den der Ventilinnennadel (5) zugeordneten Ventilsitz (5A, 5B) des Düsenkörpers (6) angefedert ist (Figur).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Fluiden, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
  • Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist aus der DE 101 33 434 A1 bekannt und kann zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Dieselbrennkraftmaschine eingesetzt werden.
  • Dieses aus der DE 101 33 434 A1 bekannte Kraftstoffeinspritzventil umfasst ein Düsenmodul und Steuermodul. Das Düsenmodul ist als eine so genannte Koaxial-Vario-Düse ausgebildet, die mit einer Ventilinnennadel und eine Ventilaußennadel ausgeführt ist. Die Ventilaußennadel, welche eine Hohlnadel darstellt und zur Führung der Ventilinnennadel dient, wirkt zur Steuerung von ersten Einspritzöffnungen mit einem ersten Ventilsitz zusammen. Die Ventilinnennadel wirkt zur Steuerung von zweiten Einspritzöffnungen mit einem zweiten Ventilsitz zusammen. Bei der Ansteuerung der Ventilnadeln mittels des Steuermoduls erfolgt zunächst ein Öffnen der Ventilaußennadel, so dass über die ersten Einspritzöffnungen, die einen geringeren Durchmesser als die zweiten Einspritzöffnungen aufweisen, kleine Kraftstoffmengen in den Brennraum einspritzbar sind. Durch den geringen Durchmesser der zweiten Einspritzöffnungen kann eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs erreicht werden, womit günstigere Emissionswerte umsetzbar sind. Wenn die Brennkraftmaschine unter Volllast betrieben wird, sind größere Kraftstoffmengen in den Brennraum einzuspritzen. Dies wird dadurch realisiert, dass auch die Ventilinnennadel geöffnet und damit die zweiten Einspritzöffnungen mit dem größeren Durchmesser freigegeben werden.
  • An den den Einspritzöffnungen abgewandten Stirnflächen grenzen die beiden Düsennadeln an einen Ventilsteuerraum, in dem ein Fluiddruck herrscht, der über das Steuermodul eingestellt wird. Zum Öffnen der Ventilnadeln wird der in dem Ventilsteuerraum herrschende Fluiddruck verringert, so dass die jeweilige Ventilnadel durch einen an einer Druckschulter angreifenden Hochdruck in Öffnungsstellung verfahren wird. Das Öffnungsverhalten der beiden Ventilnadeln ist abhängig von der Ausbildung der Druckschultern und von Schließfedern, die die Ventilnadeln jeweils in Schließrichtung des Kraftstoffeinspritzventils vorspannen.
  • Bei aus der Praxis bekannten Einspritzventilen sind die den Ventilnadeln zugeordneten Schließfedern in dem mit den Ventilnadeln zusammenwirkenden Steuerraum bzw. jeweils eine einer Ventilnadel zugeordnete Schließfeder jeweils in einem mit einer Ventilnadel zusammenwirkenden Steuerraum angeordnet, wodurch das Volumen des Steuerraumes bzw. die Volumina der Steuerräume derart groß sind, dass eine Steifigkeit der Ventilanordnung in unerwünschtem Umfang herabgesetzt ist. Darüber hinaus erfolgt der bei einer Ansteuerung der Ventilnadeln erfolgende Druckabbau im Steuerraum bzw. in den Steuerräumen aufgrund der großen Steuerraumvolumina im Vergleich zu kleiner ausgebildeten Steuerräumen verzögert, was sich nachhaltig auf die Präzision eines Einspritzvorganges auswirkt.
  • Zusätzlich ist ein Verlauf eines Druckgradienten während einer Steuerphase des Einspritzventiles im Steuerraum bzw. in den Steuerräumen aufgrund der großen Volumina derart flach, dass eine Genauigkeit des Einspritzvorganges durch Bauteiltoleranzen im Bereich der Ventilsitze der Ventilnadeln stark beeinflusst wird und die Einspritzöffnungen bei Abweichungen von einem vordefinierten Durchmesser der Ventilsitze entweder viel zu früh oder sehr viel später als vorgesehen geöffnet werden, was sich jedoch sehr nachteilig auf einen Verbrennungsvorgang der Brennkraftmaschine auswirkt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Fluiden, insbesondere zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Ventil zwischen der Ventilaußennadel und der mit der Ventilinnennadel eine mit einer Rohrfeder ausgebildete und die Ventilinnennadel wenigstens bereichsweise umgreifende weitere Federeinrichtung vorgesehen ist, über die die Ventilinnennadel gegen den der Ventilinnennadel zugeordneten Ventilsitz des Körpers abgefedert ist, hat den Vorteil, dass ein Volumen des Steuerraums zum Ansteuern der Ventilinnennadel derart dimensionierbar ist, dass das erfindungsgemäße Ventil mit geringen Reaktionszeiten exakt steuerbar ist. Dadurch kann ein Einspritzvorgang äußerst präzise durchgeführt werden, da die druckgesteuerte Bewegung der Ventilinnennadel bei einem geringen Steuerraumvolumen durch einen steilen Verlauf des Druckgradienten während einer über eine Aktuatorik des erfindungsgemäßen Ventiles ausgelösten Volumenänderung des Steuerraumes und einer daraus resultierenden Druckabsenkung im Steuerraum gekennzeichnet ist.
  • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils zum Steuern von Fluiden ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Teils eines erfindungsge mäß ausgeführten Ventils zum Steuern von Fluiden.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In der Figur ist ein Ventil 1 zum Steuern von Fluiden bzw. ein Kraftstoffeinspritzventil dargestellt, das vorzugsweise Bestandteil eines so genannten Common-Rail-Einspritzsystems ist und zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges dient. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst als wesentliche Baueinheiten ein Steuermodul 2 und ein mit dem Steuermodul 2 zusammen wirkendes Düsenmodul 3, das zur Steuerung einer Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eine Ventilaußennadel 4 und eine Ventilinnennadel 5 aufweist.
  • Die Ventilaußennadel 4 und die Ventilinnennadel 5 sind koaxial zueinander in einem Düsenkörper 6 des Düsenmoduls 2 angeordnet und längsbeweglich geführt. Dabei ist die Ventilaußennadel 4 im Düsenkörper 6 und die Ventilinnennadel 5 in der Ventilaußennadel 4 geführt.
  • Des Weiteren wirken die Ventilaußennadel 4 und die Ventilinnennadel 5 im Bereich ihrer dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Enden jeweils mit Ventilsitzen 4A, 4B bzw. 5A, 5B zum Ansteuern von in dem Düsenkörper 6 ausgebildeten Einspritzöffnungen 7, 8 zusammen.
  • Die Ventilaußennadel 4 und die Ventilinnennadel 5 sind in einer Bohrung 9 des Düsenkörpers 6 angeordnet, wobei in ei nem von der Ventilaußennadel 4 und dem Düsenkörper 6 begrenzten Ringraum 10 über einen Zuführkanal 11 und einer in der Figur nicht näher dargestellten Hochdruckquelle Kraftstoff unter Hochdruck zugeführt wird. Der Ringraum 10 erstreckt sich bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventiles 1 von einem Kopfstück 12 bis hin zu dem der Ventilaußennadel 4 zugeordneten ersten Ventilsitz 4A des Düsenkörpers 6.
  • Darüber hinaus ist der Ringraum 10 über Durchgangsbohrungen 13 in der Ventilaußennadel 4 mit einem weiteren Ringraum 14 verbunden, der von der Ventilaußennadel 4 und der Ventilinnennadel 5 begrenzt ist. Das bedeutet, dass der über den Zuführkanal 11 unter Hochdruck zugeführte Kraftstoff über den Ringraum 10 und die Durchgangsbohrungen 13 in den weiteren Ringraum 14 zwischen die Ventilaußennadel 4 und die Ventilinnennadel 5 bis kurz vor die Einspritzöffnungen 7 und 8, die in dem Düsenkörper 6 ausgebildet sind, geleitet wird.
  • Des Weiteren ist die Ventilinnennadel 5 mit einem Kraftstoffkanal 15 ausgebildet, über den der weitere Ringraum 14 mit einem stromab des der Ventilinnennadel 5 zugeordneten Ventilsitz 5B zwischen der Ventilinnennadel 5 und dem Düsenkörper 6 ausgebildeten Kraftstoffraum 16, der in dem Bereich der in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragenden Spitze des Düsenmodules 3 ausgebildet ist, verbunden ist.
  • Mit dieser Ausgestaltung des Kraftstoffeinspritzventiles 1 wird der über den Zuführkanal 11 unter Hochdruck zugeführte Kraftstoff jeweils von zwei Seiten an die Einspritzöffnungen 7 und 8 des Düsenkörpers 6 heran geführt. Dabei ist vorliegend unter dem Begriff „von beiden Seiten" zu verstehen, dass der Kraftstoff an die von der Ventilaußennadel 4 angesteuerten Einspritzöffnungen 7 über den Ringraum 10 zwischen dem Düsenkörper 6 und der Ventilaußennadel 4 an den ersten der Ventilaußennadel 4 zugeordneten Ventilsitz 4A und über den weiteren Ringraum 14 zwischen der Ventilaußennadel 4 und der Ventilinnennadel 5 an den zweiten der Ventilaußennadel 4 zugeordneten Ventilsitz 4B des Düsenkörpers 6 heran geführt wird. Die gleiche Vorgehensweise ist bei den von der Ventilinnennadel 5 anzusteuernden Einspritzöffnungen 8 des Düsenkörpers 6 vorgesehen, an welchen sowohl am ersten der Ventilinnennadel 5 zugeordneten Ventilsitz 5A und auch am zweiten der Ventilinnennadel 5 zugeordneten Ventilsitz 5B der jeweils über den weiteren Ringraum 14 unter Hochdruck anstehende Kraftstoff sowie über den Kraftstoffraum 16 unter Hochdruck anstehende Kraftstoff anliegt.
  • Die Ventilaußennadel 4 und auch die Ventilinnennadel 5 sind im Bereich der Ventilsitze 4A, 4B bzw. 5A, 5B mit derartigen abgeschrägten Flächen 41, 42, 43 und 44 bzw. 51, 52, 53, 54 ausgeführt, so dass sowohl die Ventilaußennadel 4 als auch die Ventilinnennadel 5 im Bereich der Ventilsitze 4A, 4B bzw. 5A, 5B jeweils mit einer über den Umfang der Ventilaußennadel 4 bzw. der Ventilinnennadel 5 verlaufenden Dichtkante an dem Düsenkörper 6 anliegen. Über die dadurch zwischen der Ventilaußennadel 4 bzw. die Ventilinnennadel 5 ausgebildete Linienberührung ist eine hohe Dichtwirkung zwischen den Bauteilen gegeben. Damit ist gewährleistet, dass ein Austritt von Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzventil nur bei einer entsprechenden Ansteuerung über das Steuermodul 2 erfolgt.
  • Des Weiteren wirken die Ventilaußennadel 4 und Ventilinnennadel 5 jeweils mit ihren den Ventilsitzen 4A, 4B und 5A, 5B abgewandten Enden mit einem Steuerraum 17, 18 zusammen, die über einen Verbindungskanal 19 verbunden sind. Der Steuerraum 17 ist von den Stirnflächen der Ventilaußennadel 4 und der Ventilinnennadel 5, dem Kopfstück 12 sowie einer an der Ventilaußennadel 4 geführten Steuerraumhülse 20 begrenzt.
  • Die Steuerraumhülse 20 ist über eine Federeinrichtung 21, welche in Einbaulage zwischen einem Absatz 22 der Ventilaußennadel 4 und der Steuerraumhülse 20 vorgespannt ist, gegen das Kopfstück 12 gedrückt, so dass der Steuerraum 17 gegenüber dem Ringraum 10 des Düsenkörpers 6 abgedichtet ist.
  • Um eine Auflagefläche des Absatzes 22 der Ventilaußennadel 4 für die Federeinrichtung 21 zu vergrößern, ist zwischen der Federeinrichtung 21 und dem Absatz 22 eine Unterlegscheibe 23 angeordnet, deren Innendurchmesser in etwa dem Außendurchmesser der Ventilaußennadel 4 im Bereich des Absatzes 22 und deren Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Absatzes 22 ausgeführt ist.
  • Des Weiteren ist die Steuerraumhülse 20 in Bezug auf den in dem Ringraum 10 während des Betriebs des Kraftstoffeinspritzventiles 1 vorherrschenden hydraulischen Druckes kraftausgeglichen ausgeführt, so dass an der Steuerraumhülse 20 im Wesentlichen lediglich die von der Federeinrichtung 21 ausgehende Druckkraft in Richtung des Kopfstückes 12 angreift, wodurch während allen Betriebszuständen des Kraftstoffeinspritzventiles 1 eine sichere Abdichtung zwischen dem Ringraum 10 und dem Steuerraum 17 gewährleistet ist.
  • Der über den Verbindungskanal 19 mit dem ersten Steuerraum 17 verbundene zweite Steuerraum 18 des Kraftstoffeinspritzventiles 1 ist von dem Kopfstück 12, einem Übersetzerkolben 24 des Steuermodules 2 und einer weiteren Steuerraumhülse 25 begrenzt. Der Übersetzerkolben 24 wirkt in an sich bekannter Art und Weise mit einem in der Figur nicht näher dargestellten und als piezoelektrischer Aktor ausgebildeten Aktuator zusammen, der unter anderem aus einem geschichteten keramischen Werkstoff gefertigt ist und in einem Aktorraum des Steuermoduls angeordnet ist.
  • Im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils 1 wird der piezoelektrische Aktuator bei geschlossenen Ventilsitzen 4A, 4B und 5A, 5B derart bestromt, dass der Übersetzerkolben 24 aufgrund der in Abhängigkeit der Bestromung stehenden Längung um einen mit der Längung korrespondierenden Verstellweg in Richtung des Kopfstückes 12 in axialer Richtung des Kraftstoffeinspritzventiles 1 gegenüber einem unbestromten Zustand des piezoelektrischen Aktuators verstellt ist. Aufgrund dieser Verstellung liegt sowohl in dem Steuerraum 18 als auch dem damit verbundenen Steuerraum 17 ein derartiges Druckniveau vor, dass sowohl die Ventilaußennadel 4 als auch die Ventilinnennadel 5 gegen die jeweils damit korres pondierenden Ventilsitze 4A, 4B und 5A, 5B des Düsenkörpers 6 dichtend gedrückt sind.
  • Das in den Steuerräumen 17 und 18 vorliegende Druckniveau wird im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventiles 1 zudem in Abhängigkeit von zwischen dem jeweils die Steuerräume 17 und 18 begrenzenden Bauteile auftretenden Leckageströme ausgehend von den Ringräumen 10 und 14 und in Abhängigkeit der jeweils über den piezoelektrischen Aktuator aktuell eingestellten axialen Position des Übersetzerkolbens 24 eingestellt.
  • Zusätzlich ist im weiteren Ringraum 14, d. h. zwischen der Ventilaußennadel 4 und der Ventilinnennadel 5 eine weitere Federeinrichtung 26 vorgesehen, mittels der auf die Ventilinnennadel 5 eine in Schließrichtung der der Ventilinnennadel 5 zugeordneten Einspritzöffnungen 8 wirkende Kraftkomponente auf die Ventilinnennadel 5 aufgebracht wird, die über die Ventilaußennadel 4, die Federeinrichtung 21 und die Steuerraumhülse 20 an dem Kopfstück 12 abgestützt ist.
  • Die Federeinrichtung 26 ist vorliegend mit einer offenen Rohrfeder 27 ausgeführt, welche zwischen zwei Unterlegscheiben 28A und 28B angeordnet ist, die als geschlitzte Federringe ausgeführt sind. Dabei wirkt die Unterlegscheibe 28A in Abhängigkeit der jeweiligen axialen Position der Ventilaußennadel 4 bzw. der Ventilinnennadel 5 entweder mit einer Schulter 29 der Ventilinnennadel 5 oder mit einer Anlageschulter 30 der Ventilaußennadel 4 zusammen. Die Unterlegscheibe 28B hingegen wirkt nur mit einer weiteren Schulter 31 der Ventilinnennadel 5 zusammen, so dass an der Ven tilinnennadel 5 angreifende und in Öffnungsrichtung der Ventilinnennadel 5 wirkende Kräfte über die Unterlegscheibe 28B, die Rohrfeder 27, die Unterlegscheibe 28A in die Ventilaußennadel 4 führbar sind.
  • Eine Wandstärke der Rohrfeder 27 trägt vorliegend etwa 0,2 mm und ist zudem in einem zwischen den Schultern 29 und 31 mit einem gegenüber einem Führungsdurchmesser D_F der Ventilinnennadel 5 reduzierten Durchmesser D_R ausgebildeten Bereich der Ventilinnennadel 5 angeordnet, so dass die Federeinrichtung 26 zwischen der Ventilaußennadel 4 und der Ventilinnennadel 5 in radialer Richtung nur wenig zusätzlichen Bauraum beansprucht.
  • Die Rohrfeder 27 ist vorliegend als ein zylindrischer Körper ausgeführt, der mit Aussparungen in seiner Mantelfläche ausgeführt ist. Die Aussparungen führen zu einer Erhöhung der Elastizität des aus Federstahl gebildeten zylindrischen Körpers, wobei die Aussparung vorzugsweise über ein Laserverfahren aus der Mantelfläche ausgeschnitten sind. Des Weiteren ist die Rohrfeder mit einem sich in axialer Erstreckung der Rohrfeder 27 verlaufenden Schlitz ausgeführt, so dass die Rohrfeder zur Montage im Bereich des axial verlaufenden Schlitzes derart aufweitbar ist, dass die Rohrfeder 27 über den Führungsdurchmesser D_F der Ventilinnennadel 5 in den mit dem reduzierten Durchmesser D_R ausgebildeten Bereich der Ventilinnennadel 5 führbar ist und anschließend bauraumgünstig an dem reduzierten Durchmesserbereich der Ventilinnennadel 5 anliegt.
  • Der Übersetzerkolben 24 wird vorliegend von dem piezoelektrischen Aktuator derart angesteuert, dass das Kraftstoffeinspritzventil 1 in der nachfolgend beschriebenen Art und Weise betrieben werden kann.
  • In geschlossenem Zustand der Einspritzöffnungen 7, 8, das bedeutet, bei entsprechend bestromtem piezoelektrischen Aktuator, liegen sowohl die Ventilaußennadel 4 als auch Ventilinnennadel 5 mit ihren dem Brennraum zugewandten Enden jeweils an den Ventilsitzen 4A, 4B bzw. 5a, 5B des Düsenkörpers 6 dichtend an. Dies wird dadurch bewirkt, dass der piezoelektrische Aktuator in bestromtem Zustand, d. h. wenn an dem piezoelektrischen Aktuator eine Spannung angelegt ist, in axialer Richtung eine Längung aufweist, die über eine nicht näher dargestellte hydraulische oder mechanische Übersetzungseinheit auf den Übersetzerkolben 24 übertragen wird und diesen in Richtung des Kopfstückes 12 verschiebt, dass in den Steuerräumen 17 und 18 ein derartiges Druckniveau vorliegt, dass sowohl die Ventilaußennadel 4 als auch die Ventilinnennadel 5 die damit korrespondierenden Einspritzöffnungen 7, 8 gegenüber dem unter Hochdruck in den Düsenkörper 6 zugeführten Kraftstoff abdichten.
  • Liegt eine entsprechende Anforderung für den Beginn eines Einspritzvorganges vor, wird die an dem piezoelektrischen Aktuator anliegende Spannung reduziert, dass sich eine spontane Längenänderung, d. h. Verkürzung im Bereich der piezoelektrischen Keramik des piezoelektrischen Aktuators, einstellt. Diese Längenänderung bewirkt, dass der Übersetzerkolben 25 durch den im Steuerraum 18 vorliegenden Druck, der dem Systemdruck bzw. dem Raildruck entspricht und der bis zu 1,8 kbar sein kann, von dem Kopfstück 12 in Richtung des piezoelektrischen Aktuators verschoben wird.
  • Diese spontane Verstellung des Übersetzerkolbens 24 und die damit einher gehende Volumenvergrößerung des Steuerraumes 18 führt zu einem derartigen Druckabfall in den Steuerräumen 17 und 18, dass die Ventilinnennadel 5 von ihren damit korrespondierenden Ventilsitzen 5A und 5B abhebt.
  • Dies resultiert aus der Tatsache, dass die an der Ventilinnennadel 5 angreifende resultierende Kraftkomponente, die sich aus den an den Wirkflächen der Ventilinnennadel 5 angreifenden hydraulischen Druckverhältnissen sowie der zwischen der Ventilaußennadel 4 und der Ventilinnennadel 5 angeordneten Federeinrichtung 26 zusammensetzt, von den Ventilsitzen 5A, 5B der Ventilinnennadel 5 in Richtung des Übersetzerkolbens 24 gerichtet ist.
  • In diesem Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils 1 wird der über den Zuführkanal 11 in das Düsenmodul 3 unter Hochdruck zugeführte Kraftstoff über den Ringraum 10, die Durchgangsbohrungen 13 der Ventilaußennadel 4, den weiteren Ringraum 14 und die Einspritzöffnungen 8 des Düsenkörpers 6 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
  • Die Federkonstante der Federeinrichtung 21 ist vorliegend größer als die Federkonstante der Federeinrichtung 26 ausgeführt, so dass die Ventilinnennadel 5 aufgrund des jeweils in dem Steuerraum 17 und dem Steuerraum 18 eingestellten Druckniveaus auf jeden Fall vor der Ventilaußenna del 4 und den damit korrespondierenden Ventilsitzen 5A, 5b des Düsenkörpers 6 abhebt.
  • Liegt eine Anforderung zur Beendigung der Einspitzung ausgehend von dem vorbeschriebenen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventiles 1, bei welchem die der Ventilinnennadel 5 zugeordneten Ventilsitze 5A, 5B des Düsenkörpers 6 geöffnet sind, vor, wird die an dem piezoelektrischen Aktuator anliegende Spannung derart erhöht, dass der Übersetzerkolben 24 wieder in Richtung des Kopfstückes 12 bewegt wird, wodurch wiederum eine Volumenreduzierung und ein Anheben des Druckniveaus im Bereich der Steuerräume 17 und 18 bewirkt wird. Durch das Anheben des Druckniveaus in den Steuerräumen 17 und 18 greift an der Ventilinnennadel 5 eine resultierende Kraftkomponente an, die die Ventilinnennadel 5 gegen die der Ventilinnennadel 5 zugeordneten Ventilsitze 5A und 5B drückt, womit die Einspritzöffnungen 8 von der Ventilinnennadel 5 geschlossen sind und die Einspritzung beendet ist.
  • Befindet sich die Brennkraftmaschine hingegen im Volllastbereich, wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktuators bei geöffneter Ventilinnennadel 5 derart herabgesetzt, dass der Übersetzerkolben 24 aufgrund der weiteren Längenänderung bzw. Verkürzung der piezoelektrischen Keramik noch weiter von dem Kopfstück 12 in Richtung des piezoelektrischen Aktuators bewegt wird. Dadurch wird das Druckniveau in den Steuerräumen 17 und 18, welches zuvor bereits ausgehend vom Systemdruck bzw. Raildruck reduziert wurde, noch weiter abgesenkt, so dass sowohl an der Ventilinnennadel 5 als auch an der Ventilaußennadel 4 jeweils eine in Öff nungsrichtung der Ventilnadeln 4, 5 wirkende resultierende Kraftkomponente anliegt und die der Ventilaußennadel 4 zugeordneten Ventilsitze 4A, 48 des Düsenkörpers 6 von der Ventilaußennadel 4 freigegeben werden.
  • In diesem Betriebszustand wird der über den Zuführkanal 11 in das Düsenmodul 3 unter Hochdruck zugeführte Kraftstoff direkt aus dem Ringraum 10 über die Einspritzöffnungen 7 und 8 des Düsenkörpers 6 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, wobei der nunmehr in den Brennraum einbringbare Kraftstoffvolumenstrom größer ist als der zuvor über die Einspritzöffnungen 8 in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffvolumenstrom, da der Durchmesser der über die Ventilaußennadel 4 ansteuerbaren Einspritzöffnungen 8 des Düsenkörpers 6 größer ist als der Durchmesser der über die Ventilinnennadel 5 ansteuerbaren Einspritzöffnungen 8 des Düsenkörpers 6.
  • Ausgehend von diesem Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventiles 1 besteht nunmehr die Möglichkeit, den Einspritzvorgang durch eine entsprechende Bestromung des piezoelektrischen Aktuators und einem damit einhergehenden vollständigen Schließen Kraftstoffeinspritzventiles 1 zu beenden. Alternativ hierzu besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Aktor derart zu bestromen, dass lediglich die über die Ventilaußennadel 4 ansteuerbaren Einspritzöffnungen 7 des mit einem reduzierten Kraftstoffvolumenstrom durch die Einspritzöffnungen 8 weiterzuführen.
  • Der Düsenkörper 6 ist im Bereich zwischen dem Ringraum 10 und den Durchgangsbohrungen 13 der Ventilaußennadel 4 an seiner der Ventilaußennadel 4 zugewandten Innenseite mit drei ebenen Bereichen bzw. Abflachungen 32 ausgeführt. Des Weiteren ist die Ventilaußennadel 4 an ihrer dem Düsenkörper 6 zugewandten Außenseite im Bereich der Abflachungen 32 des Düsenkörpers 6 ebenfalls mit drei mit den Abflachungen 32 zusammenwirkenden ebenen Anschliffen 33 ausgeführt, so dass der über den Zuführkanal 11 und über den Ringraum 10 unter Hochdruck zugeführte Kraftstoff ausgehend von dem Ringraum 10 über die zwischen den Abflachungen 32 und den Anschliffen 33 ausgebildeten Zwischenräume mit geringerem Strömungswiderstand zu den Durchgangsbohrungen 13 der Ventilaußennadel 4 führbar ist.
  • Die vorbeschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Düsenmodules eines Kraftstoffeinspritzventiles bzw. eines Ventiles zum Steuern von Flüssigkeit ist prinzipiell auch mit anderen aus der Stand der Technik bekannten Steuermodulen kombinierbar und stellt unabhängig von der jeweils ausgewählten Ausführungsform des Steuermodules eine sehr kompakte Lösung dar, wobei das in der Zeichnung dargestellte Kraftstoffeinspritzventil, welches direkt angesteuert ist und einen so genannten Servoinjektor darstellt, besonders geeignet ist, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden.

Claims (11)

  1. Ventil (1) zum Steuern von Fluiden, insbesondere zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem Steuermodul (2), das einen auf einen Übersetzerkolben (24) wirkenden Aktuator aufweist, und einem mit dem Steuermodul (2) zusammenwirkenden Düsenmodul (3), das zur Steuerung einer Einspritzung von Kraftstoff eine Ventilaußennadel (4) und eine Ventilinnennadel (5) aufweist, die in einem Düsenkörper (6) angeordnet und längsbeweglich geführt sind und die jeweils an ihrer dem Brennraum abgewandten Stirnseite mit einem Ventilsteuerraum (17, 18), der an den Übersetzerkolben (24) grenzt und dessen Druckniveau in Abhängigkeit von der Lage des Übersetzerkolbens (24) einstellbar ist, und mit ihren dem Brennraum zugewandten Bereichen mit Ventilsitzen (4A, 4B und 5A, 5B) und diesen zugeordneten Einspritzöffnungen (7, 8) des Düsenkörpers (6) zusammenwirken, wobei wenigstens die Ventilaußennadel (4) über eine Federeinrichtung (21) gegen den der Ventilaußennadel (4) zugeordneten Ventilsitz (4A, 4B) des Düsenkörpers (6) angefedert ist, und wobei die Federeinrichtung (21) an der dem Düsenkörper (6) zugewandten Außenfläche der Ventilaußennadel (4) zwischen der Ventilaußennadel (4) und dem Düsenkörper (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ventilaußennadel (4) und der Ventilinnennadel (5) eine mit einer Rohrfeder (27) ausgebildete und die Ventilinnennadel (5) wenigstens bereichsweise umgreifende weitere Federeinrichtung (26) vorgesehen ist, über die die Ventilinnennadel (5) gegen den der Ventilinnennadel (5) zugeordneten Ventilsitz (5A, 5B) des Düsenkörpers (6) angefedert ist.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrfeder (27) an der Ventilinnennadel (5) in einem Bereich mit reduziertem Durchmesser (D_R) angeordnet ist.
  3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Rohrfeder (27) und der Ventilinnennadel (5) und zwischen der Rohrfeder (27) und der Ventilaußennadel (4) jeweils eine Unterlegscheibe (28A, 28B) vorgesehen ist.
  4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlegscheiben (28A, 28B) als geschlitzte Federringe ausgeführt sind.
  5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (17) von einem Kopf stück (12), der Ventilinnennadel (5), der Ventilaußennadel (4) und einer Steuerraumhülse (20) begrenzt ist.
  6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumhülse (20) über eine an der Ventilaußennadel (4) abgestützte Federeinheit (21) gegen das Kopfstück (12) gedrückt ist.
  7. Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumhülse (20) an der Ventilaußennadel (4) geführt ist.
  8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Ventilinnennadel (5) als auch die Ventilaußennadel (4) jeweils mit zwei Ventilsitzen (5A, 5B bzw. 4A, 4B) des Düsenkörpers (6) zusammenwirkt, wobei jeweils zwischen zwei einer Ventilnadel (4 oder 5) zugeordneten Ventilsitzen (4A, 4B oder 5A, 5B) Einspritzöffnungen (7 oder 8) angeordnet sind.
  9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federkonstante der der Steuerraumhülse (20) zugeordneten Federeinrichtung (21) größer als eine Federkonstante der zwischen der Ventilinnennadel (5) und der Ventilaußennadel (4) angeordneten weiteren Federeinrichtung (26) ist.
  10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilaußennadel (4) mit wenigstens einer Durchgangsbohrung (13) ausgeführt ist, über die ein von der Ventilaußennadel (4) und der Ventilinnennadel (5) begrenzter Bereich (14) mit einem Hochdruckbereich (10, 11) verbunden ist.
  11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (6) in einem Anlagebereich für die Ventilaußennadel (4) wenigstens bereichsweise mit wenigstens einer Abflachung (32) ausgeführt ist, die mit wenigstens einem Anschliff (33) der Ventilaußennadel (4) derart zusammenwirkt, dass unter Hochdruck in den Düsenkörper (6) zugeführter Kraftstoff zwischen der Abflachung (32) und dem Anschliff (33) in die Durchgangsbohrung (13) der Ventilaußennadel (4) führbar ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2943733A3 (fr) * 2009-03-24 2010-10-01 Renault Sas Injecteur de carburant et procede de pilotage d'un injecteur de carburant
GB2488929A (en) * 2012-03-20 2012-09-12 Vilis Ivars Lietuvietis Low inertia fuel pressure actuated inward opening direct injector

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