DE102004030445A1

DE102004030445A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE102004030445A1
Application number: DE200410030445
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-01-12
Also published as: WO2006000486A1

Abstract

Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (1) mit einem Einspritzventil (8), dem Kraftstoff unter hohem Druck zuzuführen ist, wobei das Einspritzventil (8) eine äußere Ventilnadel (11) (oder Nadel oder Ventilkolben) aufweist, die rohrförmig ist und eine innere Ventilnadel (20) (oder Nadel, Ventilkolben) koaxial umgibt, deren unterer Endbereich zum Schließen und Freigeben von Einspritzöffnungen (12) ausgebildet ist, wobei die äußere Ventilnadel (11) im Betrieb in Abhängigkeit von ihrer Stellung die Zufuhr von Kraftstoff zu dem unteren Endbereich der inneren Ventilnadel (20) freigibt oder drosselt, wobei eine Steuerkammer (35) vorgesehen ist, die im Betrieb von einer Hochdruckleitung (5) für Kraftstoff her gefüllt wird, und wobei ein Steuerventil (40) vorgesehen ist, das für seine Betätigung mit einem Aktor (38) gekoppelt ist und das zur Beeinflussung des Drucks in der Steuerkammer (35) dient, und wobei das obere Ende der äußeren Ventilnadel (11) und der inneren Ventilnadel (20) eine untere Begrenzung der Steuerkammer (35) bildet und die Stellung der Ventilnadeln (11, 20) jeweils in Abhängigkeit vom Druck in ihrem unteren Endbereich und dem Druck in der Steuerkammer (35) hubgesteuert ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkammer (35) unmittelbar über eine erste Zuflussdrossel (58) mit einer bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck führenden Leitung verbunden ist, dass das Steuerventil (40) als 3/3-Wege-Ventil ausgebildet ist, von dem ein dritter Anschluss (65) über ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein bekannter CR-Injektor mit KVD-Düse der Anmelderin wird über ein 2/3-Wege-Ventil und eine Ablaufsteuerung gesteuert. Die KVD-Düse (KVD = Koaxial-Vario-Düse) hat eine so genannte erste Ventilnadel oder äußere Ventilnadel, die im wesentlichen die Form eines kreiszylindrischen Hohlzylinders hat und koaxial eine so genannte zweite Ventilnadel oder innere Ventilnadel umgibt, die im wesentlichen bolzenförmig ist und mit ihrem im wesentlichen kegelförmigen unteren Endbereich Einspritzöffnungen für in einen Verbrennungsmotor einzuspritzenden Kraftstoff öffnet beziehungsweise verschließt. Die äußere Ventilnadel dient zur Steuerung des an die innere Ventilnadel gelangenden Drucks des Kraftstoffs. Die zylindrische Außenfläche der inneren Ventilnadel und die zylindrische Innenfläche der äußeren Ventilnadel berühren sich. Die oberen Endflächen der beiden Ventilnadeln bilden Kolbenflächen, die in eine gemeinsame Steuerkammer eingreifen. Die Steuerkammer wird vom CR-Druck her gefüllt (CR-Druck = Common-Rail-Druck). Bei hohem Druck in der Steuerkammer sind die beiden Ventilnadeln in ihrer unteren Endstellung und geschlossen. Wenn der Druck in der Steuerkammer abnimmt, so bewegt sich auf Grund des Flächenverhältnisses der Kolbenflächen der Ventilnadeln in der Steuerkammer und der Flächen der Druckstufen am jeweiligen unteren Ende (unter Berücksichtigung etwa vorhandener, auf die Ventilnadeln wirkender Federn) die äußere Ventilnadel zuerst nach oben und gibt den Druck des Kraftstoffs frei, der somit zu diesem Zeitpunkt zunächst noch von einer Dichtkante der inneren Ventilnadel aufgenommen wird, so dass zunächst noch keine Einspritzung erfolgt. Wenn der Druck in der Steuerkammer weiter abnimmt, so öffnet sich die innere Ventilnadel. Die Steuerung des Drucks in der Steuerkammer erfolgt durch ein Steuerventil, das den Druck in der Steuerkammer durch Ablassen von Kraftstoff über eine Abflussdrossel (A-Drossel) steuert. Das Steuerventil ist bei der bekannten Anordnung ein 2/3-Wege-Ventil.

Ein bekannter CR-Injektor mit KVD-Düse der Anmelderin benötigt eine Mehrfachansteuerung des den Injektor steuernden Steuerventils, um zu verhindern, dass die innere Ventilnadel öffnet. Durch die Mehrfachansteuerung wird der Druck in der Steuerkammer auf einem höheren Niveau gehalten als derjenige Druck, mit dem die innere Ventilnadel öffnet.

Vorteile der Erfindung

Durch die Verwendung eines 3/3-Wege-Ventils und einer Parallelschaltung von zwei Z-Drosseln gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 ist es möglich, die beiden Ventilnadeln ohne Mehrfachansteuerung zu schalten.

Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gestattet es durch die Verwendung eines 3/3-Wege-Ventils und einer Parallelschaltung von Drosseln, die zwei Ventilnadeln gestuft mit einer einzigen Ansteuerung zu öffnen.

Die Ausführungsform nach dem selbständigen Anspruch 2 ist eine vorteilhafte Variante mit nur einer Z-Drossel.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 ist nicht maßstäblich. Insbesondere können die Außendurchmesser der beiden Ventilnadeln in der Praxis relativ zueinander andere Größen haben. Die in 1 gezeigte Einspritzvorrichtung 1 wird im Betrieb von einem Hochdruckspeicher (Common Rail) 3 über eine Hochdruckleitung 5 mit Kraftstoff unter hohem Druck versorgt. Die Einspritzvorrichtung 1 weist ein Einspritzventil 8 auf. Dieses enthält in einem Gehäuse 9 einen mit der Hochdruckleitung 10 verbundenen ringförmigen Raum 10, und radial innerhalb von diesem eine so genannte äußere Ventilnadel 11 (auch erste Ventilnadel genannt), die im wesentlichen als Hohlzylinder mit rundem Querschnitt ausgebildet ist. In ihrem unteren (d. h. den Einspritzöffnungen 12 zugewandten) Bereich ist die äußere Ventilnadel 11 zunächst bei 14 relativ steil kegelstumpfförmig verjüngt und geht bei einem eine Dichtkante 15 bildenden Knick in einen schwächer geneigten kegelförmigen Abschnitt 16 über. Der Abschnitt 14 bildet bei geschlossener äußerer Ventilnadel 11 eine Druckstufe. Eine innere Ventilnadel 20 ist großenteils als runder Vollzylinder ausgebildet und in ihrem unteren Endbereich zunächst bei 22 steiler kegelstumpfförmig verjüngt und schließlich bei 24 mit schwächerer Neigung kegelförmig verjüngt. Der Übergang zwischen den verjüngten Teil 22 und 24 bildet eine Dichtkante 26, mit der die innere Ventilnadel 20 in geschlossenen Zustand an einer gegenüberliegenden Fläche des Gehäuses 9 dichtend anliegt.
Das Gehäuse 9 ist von einer Kanalplatte 30 abgedeckt, in der verschiedene Kanäle untergebracht sind. An der Außenfläche der äußeren Ventilnadel 11 ist eine Hülse 32 verschiebbar geführt, die durch eine an der äußeren Ventilnadel 11 abgestützte Druckfeder 33 nach oben vorgespannt ist und an der Unterseite der Kanalplatte 30 mit einer scharten Kante (Beißkante) dichtend anliegt. Der Raum, der von der Hülse 32 umschlossen ist und mit der Unterseite 34 der Kanalplatte 30 in Verbindung steht, bildet eine Steuerkammer 35. Diese wird von der Hochdruckleitung 5 her gefüllt und durch ein Steuerventil 40 von Druck entlastet. Dieses wird mittels eines Aktors 38 über eine Schubstange 39 betätigt. Der Kraftstoff in der Hochdruckleitung 5 ist bei geöffneter äußerer Ventilnadel 11 und geschlossener innerer Ventilnadel 20 mit der Dichtkante 26 in Verbindung. Ist die äußere Ventilnadel 11 geschlossen, so gelang der Kraftstoff unter hohem Druck aus der Leitung 5 nur bis zur Dichtkante 15.
Der Öffnungsdruck der inneren Ventilnadel 20 liegt deutlich unter dem Öffnungsdruck der äußeren Ventilnadel 11. Durch die Verhältnisse der Querschnittsflächen der äußeren Ventilnadel 11 und der inneren Ventilnadel 20 sowie der Druckstufen 14 und 22 ist dafür gesorgt, dass die äußere Ventilnadel 11 sich bei einer relativ kleinen Druckdifferenz zwischen den Drücken an ihrem unteren Endbereich und in der Steuerkammer 35 nach oben bewegt. Wird der Druck in der Steuerkammer 35 noch weiter abgesenkt, so bewegt sich die innere Ventilnadel 20 nach oben und gibt den Weg für den Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen 12 frei. Bei der gezeigten Konstruktion nehmen die Ventilnadeln stets eine der zwei möglichen Endstellungen ein.
Das Steuerventil 40 enthält ein bewegliches Ventilelement 42, das einen Ventilteller 43 und einen mit diesem fest verbundenen, als Vollzylinder ausgebildeten Ventilschaft 44 aufweist. Das Ventilteil 42 ist durch eine Feder 46 in Richtung auf einen ersten Ventilsitz 47 vorgespannt. An dem Ventilsitz 47 liegt der Ventilteller 42 dann dichtend an, wenn der Aktor 38 nicht bestromt ist. Der Aktor 38 ist im Beispiel ein Piezoaktor, der nur im bestromten Zustand auf die Schubstange 39 eine nach unten gerichtete Kraft ausübt. Bei stromlosem Aktor 38 ist wegen der soeben geschilderten Anlage am Ventilsitz 47 der Weg für Kraftstoff aus einem Innenraum 50 des Steuerventils 40 zu einem ersten Anschluss 51 des Steuerventils 40 versperrt. Vom ersten Anschluss 51 führt ein gedrosselter Abflusskanal 52 zu einem Leckageanschluss 53, allgemein zu einem Bereich niedrigen Drucks.
Die Steuerkammer 35 wird im Betrieb direkt von der Hochdruckleitung 5 her über eine erste Zuflussdrossel (Z1-Drossel) 58, die in der Kanalplatte 30 angeordnet ist, mit CR-Druck gespeist. Das Steuerventil 40 hat an seiner Unterseite einen zweiten Anschluss 60, der über eine zweite Zuflussdrossel (Z2-Drossel) 61 an der Hochdruckleitung 5 angeschlossen ist. Über die Drossel 61 gelangt kein Kraftstoff in die Steuerkammer 35. Der zweite Anschluss 60 ist so angeordnet, dass er von dem Ventilschaft 44 dicht verschlossen werden kann.
Zusätzlich weist das Steuerventil 40 an seiner Unterseite einen dritten Anschluss 65 auf, der über eine Abflussdrossel 66 (A-Drossel) und einen im Inneren der Kanalplatte 30 angeordneten Kanal 67 mit der Steuerkammer 35 verbunden ist.
Die Wirkungsweise ist wie folgt:
Das Steuerventil 40 wird über den Aktor 38 angesteuert. Mit dem Steuerventil sollen die zwei Ventilnadeln 11 und 20 der Einspritzvorrichtung gesteuert werden. Bei geschlossenen Ventilnadeln herrscht in der Steuerkammer 35 CR-Druck (Hochdruck, Common-Rail-Druck), der dadurch hergestellt wird, dass bei gesperrtem Steuerventil (Ventilteller 43 abdichtend am Ventilsitz 47) von der Hochdruckleitung 5 über die erste Zuflussdrossel (Z1-Drossel) 58 Kraftstoff in die Steuerkammer 35 gelangt. Zum Steuern der Ventilnadeln in Öffnungsrichtung muss in der Steuerkammer 35 der CR-Druck soweit abgesenkt werden, dass die Ventilnadeln mit ihrer jeweiligen Druckstufe 14 beziehungsweise 22 öffnen. Die Druckstufen sind so ausgelegt, dass die äußere Ventilnadel 11 mit einer kleineren Druckdifferenz öffnet als die innere Ventilnadel 20. Mit dem Steuerventil 40, das ein 3/3 Wege-Ventil ist, kann der Druck in der Steuerkammer 35 in 3 Stufen geschaltet werden.
Wenn das Steuerventil 40 geschlossen ist (Ventilteilteller 43 dichtend an dem Ventilsitz 47), dann herrscht in der Steuerkammer 35 CR-Druck. Wenn das Steuerventil 40 in einer Mittelstellung ist, in der der Ventilteller 43 vom Ventilsitz 47 abgehoben ist, aber die untere Stirnfläche 53 des Ventilschafts 44 nicht den zweiten Anschluss 60 verschließt, dann öffnet nur die äußere Ventilnadel 11, da der Druck in dem Innenraum 50 des Steuerventils wegen der Zufuhr von Kraftstoff unter hohem Druck durch die Drossel 61 nur relativ wenig abfallen kann. Wenn der Aktor 38 den Ventilschaft 44 bis zum Anschlag an der Unterseite 56 des Steuerventils 40 bewegt, so ist der zweite Anschluss 60 geschlossen. Dann fällt der Druck im Innenraum 50 und somit auch in der Steuerkammer 35 stark ab, und es öffnet auch die innere Ventilnadel 20. Wird ausgehend von dem geschlossenen Steuerventil 40 sofort die zuletzt genannte Stellung des Steuerventils angesteuert, so öffnen die beiden Ventilnadeln 11 und 20 praktisch gleichzeitig. Beim Ausführungsbeispiel ist die Summe der Querschnitte der beiden Zuflussdrosseln kleiner als der Querschnitt der Abflussdrossel. Ein Vorteil der Erfindung ist ein einfacher und kompakter Aufbau, der keine Mehrfachsteuerung benötigt.
Somit kann mit der beschriebenen Einspritzvorrichtung ohne Mehrfachansteuerung, das heißt mit einer einzigen konstanten Ansteuerung eines als 3/3-Wege-Ventils ausgebildeten Steuerventils die äußere Ventilnadel geöffnet werden, bei einer anderen Ansteuerung zusätzlich die innere Ventilnadel. Mit der Erfindung kann daher ein KVD-Ventil ohne Mehrfachansteuerung gesteuert werden. Bei den Teilen der Einspritzvorrichtung, die sich unterhalb der Kanalplatte 30 befinden kann, handelt es sich im Wesentlichen um von dem eingangs genannten KVD-Ventil bekannte Elemente.
Durch den ersten Anschluss 51 fließt im Beispiel Kraftstoff gedrosselt ab; der Druck im Innenraum 50 kann nicht auf Leckagedruck absinken.
Zum Schließen beider Ventilnadeln wird das Ventil 42 nach oben geschlossen, wo es am Ventilsitz 47 schließt.
Anstatt des in der Figur gezeigten Steuerventils mit 2 Ventilsitzen (Sitzventil) kann auch jede geeignete andere Konstruktion vorgesehen werden, z.B. ein Schieberventil.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Strömungswiderstand der Z1-Drossel 58 im Verhältnis zur Z2-Drossel 61 sehr groß, vorzugsweise drosselt die Z1-Drossel unendlich stark, sie ist also verschlossen oder der Strömungskanal, in dem sie sich laut Zeichnung befindet, ist nicht vorhanden. Dann ergeben sich in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerventils 40 folgende Zustände: Beide Ventilnadeln sind geschlossen, wenn der Ventilteller 43 am Ventilsitz 47 anliegt und ihn deshalb verschließt; beide Ventilnadeln sind offen, wenn der zweite Anschluss 60 verschlossen ist; nur die äußere Ventilnadel ist offen, wenn das bewegliche Ventilteil eine Mittelstellung einnimmt und keinen Anschluss verschließt. Das Steuerventil 40 wirkt somit im Hinblick auf seine Stellungen in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel gemäß der Figur. Allerdings wird hier die A-Drossel 66 mindestens dann, wenn der Ventilteller 43 gegen den Ventilsitz 47 zur Anlage kommt und eine Zeitspanne danach, von Kraftstoff in Richtung zur Steuerkammer 35 durchflossen.

Claims

Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (1) mit einem Einspritzventil (8), dem Kraftstoff unter hohem Druck zuzuführen ist, wobei das Einspritzventil (8) eine äußere Ventilnadel (11) (oder Nadel oder Ventilkolben) aufweist, die rohrförmig ist und eine innere Ventilnadel (20) (oder Nadel, Ventilkolben) koaxial umgibt, deren unterer Endbereich zum Schließen und Freigegeben von Einspritzöffnungen (12) ausgebildet ist, wobei die äußere Ventilnadel (11) im Betrieb in Abhängigkeit von ihrer Stellung die Zufuhr von Kraftstoff zu dem unteren Endbereich der inneren Ventilnadel (20) freigibt oder drosselt, wobei eine Steuerkammer (35) vorgesehen ist, die im Betrieb von einer Hochdruckleitung (5) für Kraftstoff her gefüllt wird, und wobei ein Steuerventil (40) vorgesehen ist, das für seine Bestätigung mit einem Aktor (38) gekoppelt ist und das zur Beeinflussung des Drucks in der Steuerkammer (35) dient, und wobei das obere Ende der äußeren Ventilnadel (11) und der inneren Ventilnadel (20) eine untere Begrenzung der Steuerkammer (35) bildet und die Stellung der Ventilnadeln (11, 20) jeweils in Abhängigkeit vom Druck in ihrem unteren Endbereich und dem Druck in der Steuerkammer (35) hubgesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkammer (35) unmittelbar über eine erste Zuflussdrossel (58) mit einer bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck führenden Leitung verbunden ist, dass das Steuerventil (40) als 3/3-Wege-Ventil ausgebildet ist, von dem ein dritter Anschluss (65) über eine Abflussdrossel (A-Drossel) mit der Steuerkammer verbunden ist, ein zweiter Anschluss (60) über eine zweite Zuflussdrossel (61) mit einer bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck führenden Leitung verbunden ist, und von dem ein erster Anschluss (51) gedrosselt mit einem Bereich niedrigen Drucks verbunden ist, wobei bei einer ersten Stellung des Steuerventils nur dessen dritter (65) und zweiter (60) Anschluss miteinander verbunden sind, bei einer zweiten Stellung des Steuerventils dessen drei Anschlüsse miteinander verbunden sind, und bei einer dritten Stellung des Steuerventils der zweite Anschluss (60) durch ein bewegliches Ventilteil (42) des Steuerventils (40) verschlossen ist, wobei in der ersten und zweiten Stellung der Druck am ersten Anschluss (51) höher ist als der genannte niedrige Druck.
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (1) mit einem Einspritzventil (8), dem Kraftstoff unter hohem Druck zuzuführen ist, wobei das Einspritzventil (8) eine äußere Ventilnadel (11) (oder Nadel oder Ventilkolben) aufweist, die rohrförmig ist und eine innere Ventilnadel (20) (oder Nadel, Ventilkolben) koaxial umgibt, deren unterer Endbereich zum Schließen und Freigegeben von Einspritzöffnungen (12) ausgebildet ist, wobei die äußere Ventilnadel (11) im Betrieb in Abhängigkeit von ihrer Stellung die Zufuhr von Kraftstoff zu dem unteren Endbereich der inneren Ventilnadel (20) freigibt oder drosselt, wobei eine Steuerkammer (35) vorgesehen ist, die im Betrieb von einer Hochdruckleitung (5) für Kraftstoff her gefüllt wird, und wobei ein Steuerventil (40) vorgesehen ist, das für seine Bestätigung mit einem Aktor (38) gekoppelt ist und das zur Beeinflussung des Drucks in der Steuerkammer (35) dient, und wobei das obere Ende der äußeren Ventilnadel (11) und der inneren Ventilnadel (20) eine untere Begrenzung der Steuerkammer (35) bildet und die Stellung der Ventilnadeln (11, 20) jeweils in Abhängigkeit vom Druck in ihrem unteren Endbereich und dem Druck in der Steuerkammer (35) hubgesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (40) als 3/3-Wege-Ventil ausgebildet ist, von dem ein dritter Anschluss (65) über eine Abflussdrossel (A-Drossel) mit der Steuerkammer verbunden ist, ein zweiter Anschluss (60) über eine Zuflussdrossel (61) mit einer bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck führenden Leitung verbunden ist, wobei dies die einzige mit einer bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck führenden Leitung verbundene Drossel ist, und von dem ein erster Anschluss (51) gedrosselt mit einem Bereich niedrigen Drucks verbunden ist, wobei bei einer ersten Stellung des Steuerventils nur dessen dritter (65) und zweiter (60) Anschluss miteinander verbunden sind, bei einer zweiten Stellung des Steuerventils dessen drei Anschlüsse miteinander verbunden sind, und bei einer dritten Stellung des Steuerventils der zweite Anschluss (60) durch ein bewegliches Ventilteil (42) des Steuerventils (40) verschlossen ist, wobei in der ersten und zweiten Stellung der Druck am ersten Anschluss (51) höher ist als der genannte niedrige Druck.