DE102006055486A1

DE102006055486A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102006055486A1
Application number: DE200610055486
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, das verschiedene Betriebszustände aufweisen kann, mit einem Gehäuse, in dem eine Ventilnadel längsverschieblich angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung mit einem Ventilnadelsitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer dem Einspritzen von Kraftstoff dienenden Einspritzöffnung zusammenwirkt, und mit einem von mindestens einem Piezoelement eines Piezoantriebs durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung beaufschlagten Steuerventil zum Steuern eines Kraftstoffdrucks in einem Steuerraum, wobei der Kraftstoffdruck im Steuerraum eine Ventilnadel-Druckkraft auf einer Steuerfläche der Ventilnadel erzeugt und in Abhängigkeit der Ventilnadel-Druckkraft die Längsbewegung der Ventilnadel bewirkt wird. Es ist vorgesehen, dass der Steuerraum (21) mit einem Steuerventilraum (16) des Steuerventils (4) über einen drosselfreien Verbindungskanal (20) verbunden ist, sodass die Ventilnadel-Druckkraft im Wesentlichen verzögerungsfrei einer auf das Steuerventil (4) wirkenden Steuerventil-Druckkraft entspricht und das Steuerventil (4) diese Steuerventil-Druckkraft auf das Piezoelement (29) überträgt, das als Kraftsensor und damit als Betriebszustandserfassungssensor arbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, das verschiedene Betriebszustände aufweisen kann, mit einem Gehäuse, in dem eine Ventilnadel längsverschieblich angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung mit einem Ventilnadelsitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer dem Einspritzen von Kraftstoff dienenden Einspritzöffnung zusammenwirkt, und mit einem von mindestens einem Piezoelement eines Piezoantriebs durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung beaufschlagten Steuerventil zum Steuern eines Kraftstoffdrucks in einem Steuerraum, wobei der Kraftstoffdruck im Steuerraum eine Ventilnadel-Druckkraft auf einer Steuerfläche der Ventilnadel erzeugt und in Abhängigkeit der Ventilnadel-Druckkraft die Längsbewegung der Ventilnadel bewirkt wird.
Stand der Technik
Kraftstoffeinspritzventile der eingangs genannten Art sind bekannt. Mit ihnen wird unter Hochdruck stehender Kraftstoff in die Verbrennungsräume von Brennkraftmaschinen eingespritzt. Zur Betätigung einer längsverschieblich in einem Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils gelagerten Ventilnadel wird eine elektrische Steuerspannung an ein Piezoelement eines Piezoantriebs eines Kraftstoffeinspritzventils gelegt, wodurch ein Steuerventil beaufschlagt und der Kraftstoffdruck in einem Steuerraum derart beeinflusst wird, dass sich die Ventilnadel in Einspritzstellung bewegt. Dabei gibt sie eine Einspritzöffnung frei, sodass der unter Hochdruck stehende Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, das verschiedene Betriebszustände einnehmen kann, weist ein Gehäuse auf, in dem eine Ventilnadel längsverschieblich angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer dem Einspritzen von Kraftstoff dienenden Einspritzöffnung zusammenwirkt, und mit einem von mindestens einem Piezoelement eines Piezoantriebs durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung beaufschlagten Steuerventil zum Steuern eines Kraftstoffdrucks in einem Steuerraum, wobei der Kraftstoffdruck im Steuerraum eine Ventilnadel-Druckkraft auf einer Steuerfläche der Ventilnadel erzeugt und in Abhängigkeit der Ventilnadel-Druckkraft die Längsbewegung der Ventilnadel bewirkt wird, wobei der Steuerraum mit einem Steuerventilraum des Steuerventils über einen drosselfreien Verbindungskanal verbunden ist, sodass die Ventilnadel-Druckkraft im Wesentlichen verzögerungsfrei einer auf das Steuerventil wirkenden Steuerventil-Druckkraft entspricht und das Steuerventil diese Steuerventil-Druckkraft auf das Piezoelement überträgt, das als Kraftsensor und damit als Betriebszustandserfassungssensor arbeitet. Mithin übt das Piezoelement eine Doppelfunktion aus, indem es einerseits der Betätigung des Steuerventils dient und andererseits als Kraftsensor verwendet wird, um verschiedene Betriebszustände des Kraftstoffeinspritzventils zu erfassen. Als Betriebszustand ist unter anderem Folgendes anzusehen: Druckverlauf im Steuerraum, Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt der Düsennadel, Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt des Steuerventils, Hubweg, insbesondere maximaler Hubweg des Piezoelements und damit eines Steuerventilglieds des Steuerventils.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Piezoelement durch die Druckkraftbeaufschlagung eine Rückwirkung auf die elektrische Steuerspannung erzeugt, wobei die Rückwirkung die Betriebszustandserfassung ermöglicht. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Piezoelement durch die Druckkraftbeaufschlagung im nicht durch die elektrische Steuerspannung beaufschlagten Zustand eine Piezospannung erzeugt, die die Betriebszustandserfassung ermöglicht. Mithin kann während der Einwirkung der elektrischen Steuerspannung auf das Piezoelement und/oder während der Nichtbeaufschlagung des Piezoelements mit der elektrischen Steuerspannung eine Sensorfunktion des Piezoelements genutzt werden. Liegt die elektrische Steuerspannung an dem Piezoelement an, so wird durch die druckabhängige Piezospannung die elektrische Steuerspannung beeinflusst, das heißt, die elektrische Steuerspannung verändert sich aufgrund der erläuterten Rückwirkung. Diese Rückwirkung stellt daher ein Maß für die auf das Piezoelement wirkende Kraft dar und ermöglicht daher die erwähnte Zustandserfassung. Wenn das Piezoelement nicht bestromt wird, wenn also die elektrische Steuerspannung nicht das Piezoelement beaufschlagt, so kann die durch die Druckbeaufschlagung des Piezoelements erzeugte Piezospannung genutzt werden, um die wirkende Druckkraft zu ermitteln und damit die Betriebszustandserfassung zu ermöglichen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein die Ventilnadel seitlich umgebender Zulaufraum über einen drosselfreien Kupplungskanal mit dem Steuerventilraum verbunden ist. Der Kupplungskanal weist bevorzugt einen Abzweig zu einem Drosselkanal auf, wobei der Drosselkanal eine Drossel, insbesondere Zulaufdrossel, aufweist und in den Steuerraum mündet. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Steuerventil ein verschiebbares Steuerventilglied aufweist, das in Offenstellung des Steuerventils ein zugeordnetes Ende des Kupplungskanals verschließt. Wird demzufolge das Steuerventil in Offenstellung verlagert, so verschließt das Steuerventilglied den Kupplungskanal mit der Folge, dass unter Hochdruck stehender Kraftstoff nicht vom Zulaufraum über den Kupplungskanal und das sich in Offenstellung befindliche Steuerventil in einen Niederdruckbereich austreten kann. Das Steuerventil steht bevorzugt mit dem genannten Niederdruckbereich in Verbindung, wobei dort abgeführter Kraftstoff im Kreislauf zu einem Kraftstoffreservoir zurückgeführt wird. Die Offenstellung des Steuerventils wird bevorzugt mittels eines Hubanschlags begrenzt. Liegt das Steuerventilglied an diesem Hubanschlag an, so wird gleichzeitig der Kupplungskanal verschlossen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnung erläutert die Erfindung eines Ausführungsbeispiels, und zwar zeigt die Figur einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die Figur zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil 1 zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem unter anderem ein Piezoantrieb 3, ein Steuerventil 4 und eine Ventilnadel 5 angeordnet sind. Die Ventilnadel 5 wirkt mit einem Ventilnadelsitz 6 zusammen.
Das Gehäuse 2 ist mit einem Kraftstoffzulauf 7 versehen, über den unter Hochdruck stehender Kraftstoff in einen die Ventilnadel 5 seitlich umgebenden Zulaufraum 8 gelangt. Die Ventilnadel 5 weist an verschiedenen Seiten Abflachungen 9 sowie eine umlaufende Druckschulter 10 auf, an der sich eine Schraubendruckfeder 11 mit einem Endbereich abstützt, deren anderer Endbereich eine zylindrische Hülse 12 beaufschlagt, die längsverschieblich auf einem Endbereich 13 der Ventilnadel 5 gelagert ist und gegen die Unterseite 14 einer im Gehäuse 2 fest angeordneten Drosselscheibe 15 gedrängt wird.
Dem Steuerventil 4 ist ein Steuerventilraum 16 zugeordnet, in dem ein Steuerventilglied 17 längsverschieblich gelagert und mittels einer Schraubendruckfeder 18 in Richtung eines Steuerventilsitzes 19 gedrängt wird. Der Steuerventilraum 16 ist über einen Verbindungskanal 20, der die Drosselscheibe 15 durchsetzt, mit einem Steuerraum 21 verbunden. Der Steuerraum 21 ist zwischen der Unterseite 14 der Drosselscheibe 15, einem Innenwandungsbereich der zylindrischen Hülse 12 sowie einer Steuerfläche 22 der Ventilnadel 5 ausgebildet. Ferner steht der Zulaufraum 8 über einen Kupplungskanal 23, der die Drosselscheibe 15 durchsetzt, mit dem Steuerventilraum 16 in Verbindung, wobei das dem Steuerventil 4 zugekehrte Ende 24 derart in den Steuerventilraum 16 einmündet, dass es einem Ende 25 des Steuerventilglieds 17 gegenüberliegt. Der Kupplungskanal 23 weist einen Abzweig 26 auf, der in einen Drosselkanal 38 mündet, der eine Zulaufdrossel 27 aufweist. Der Abzweig 26 mündet in den Steuerraum 21. Der Verbindungskanal 20 ist drosselfrei ausgebildet, das heißt, er weist einen derart großen Querschnitt auf, dass Druckänderungen im sich im Steuerraum 11 befindlichen Kraftstoff verzögerungsfrei beziehungsweise im Wesentlichen verzögerungsfrei in den Steuerventilraum 16 und umgekehrt übertragen werden. Entsprechendes gilt für den Kupplungskanal 23, der ebenfalls drosselfrei ausgebildet ist, sodass Druckänderungen des sich im Zulaufraum 8 befindlichen Kraftstoffs verzögerungsfrei beziehungsweise im Wesentlichen verzögerungsfrei in den Steuerventilraum 16 übertragen werden. Demgegenüber ist der Drosselkanal 38 mit Drosselung versehen, sodass eine Druckänderung erst verzögert übertragen wird, wobei die Drossel als die genannte Zulaufdrossel 27 ausgebildet ist.
Das Steuerventilglied 17 steht – in der in der Figur dargestellten Ruhestellung (also nicht Einspritzstellung) des Kraftstoffeinspritzventils 1 – einem Stößel 28 des Piezoantriebs 3 mit geringem Abstand a gegenüber. Der Stößel 28 ist mit einem Piezoelement 29 verbunden, wobei das dem Stößel 28 gegenüberliegende Ende 30 des Piezoelements 29 gegen ein Temperaturausgleichsglied 31 anliegt, das insbesondere aus Aluminium besteht. Das Piezoelement 29 kann über elektrische Anschlusskabel 32 mit einer elektrischen Steuerspannung St verbunden werden, wobei sich beim Anlegen der Steuerspannung St das Piezoelement 29 in seiner Länge vergrößert, wodurch der Stößel 28 den Abstand a überbrückt und gegen das Steuerventilglied 17 tritt, sodass dieses vom Steuerventilsitz 19 abhebt, die Schraubendruckfeder 19 weiter spannt, bis schließlich das Ende 25 des Steuerventilglieds 17 gegen die Oberseite 33 als Hubanschlag 34 tritt, wodurch das Ende 24 des Kupplungskanals 23 verschlossen wird.
Es ergibt sich folgende Funktion: Wird das Piezoelement 29 durch die Steuerspannung St bestromt, so vergrößert sich seine Länge und der Stößel 28 öffnet das Steuerventilglied 17. Da über den Kraftstoffzulauf 7 unter Hochdruck stehender Kraftstoff im Zulaufraum 8 und über den Kupplungskanal 23 auch im Steuerventilraum 16 ansteht, führt das erläuterte Öffnen des Steuerventils 4 dazu, dass über den Verbindungskanal 20 und – in verzögertem Maße – auch über den mit Drossel versehenen Abzweig 26 eine Druckentlastung im Steuerraum 21 auftritt. Vor dieser Druckentlastung herrschte im Steuerraum 21 Kraftstoffhochdruck aufgrund der Verbindungen zum Zulaufraum 8 über den Kupplungskanal 23, den Abzweig 26 sowie den Steuerventilraum 16 und den Verbindungskanal 20. Die Druckentlastung sorgt in Verbindung mit der auf den Abflachungen 9 lastenden Kraftstoffhochdruck dafür, dass die Ventilnadel 5 von ihrem Ventilnadelsitz 6 abhebt und Kraftstoff aus einem Einspritzkanal 35 austreten kann. Da das Ende 25 des Steuerventilglied 17 in der Offenstellung des Steuerventils 4 das Ende 24 des Kupplungskanals 23 verschließt, tritt kein unter Hochdruck stehender Kraftstoff mehr vom Zulaufraum 8 in den Steuerventilraum 16 ein. Vielmehr strömt Kraftstoff aus dem Steuerraum 21 über das geöffnete Steuerventil 4 in eine Abströmkammer 36 und von dort über einen Auslass 37 in einen Niederdruckbereich N.
Wird die Steuerspannung St abgeschaltet, so verkürzt sich das Piezoelement 29 wieder, sodass das Steuerventil 4 schließt. Hierdurch wird das Ende 24 des Kupplungskanals 23 wieder freigegeben, sodass Kraftstoff unter Hochdruck vom Zulaufraum 8 über den Kupplungskanal 23 und den Abzweig 26 sowie den Steuerventilraum 16 und den Verbindungskanal 20 wieder in den Steuerraum 21 fließen kann, wodurch die Ventilnadel 5 auf den Ventilnadelsitz 6 rückverlagert wird, sodass die Kraftstoffeinspritzung endet.
Besteht zwischen dem Stößel 28 und dem Steuerventilglied 17 kein Abstand a, sondern liegen diese beiden Teile gegeneinander, so wird eine auf das Steuerventilglied 17 wirkende Steuerventil-Druckkraft direkt auf das Piezoelement 29 übertragen. Der jeweils im Steuerraum 21 herrschende Kraftstoffdruck, der von den verschiedenen Betriebszuständen – die vorstehend erläutert wurden – abhängig ist, bewirkt eine Ventilnadel-Druckkraft auf die Steuerfläche 22 der Ventilnadel 5, wobei in Abhängigkeit der Ventilnadel-Druckkraft die Längsbewegung der Ventilnadel 5 bewirkt wird. Da der Steuerraum 21 mit dem Steuerventilraum 16 des Steuerventils 4 über den drosselfreien Verbindungskanal 20 verbunden ist, wird die Ventilnadel-Druckkraft im Wesentlichen verzögerungsfrei auf das Steuerventil 4 als eine entsprechende Steuerventil-Druckkraft wirken, wobei das Steuerventil 4 diese Steuerventil-Druckkraft über den gegen das Steuerventil 4 anliegenden Stößel 28 auf das Piezoelement 29 überträgt. Das Piezoelement 29 dient nicht nur als Antrieb für das Steuerventilglied 17, sondern auch als Kraftsensor, das heißt, es ermittelt die Kraft, die vom Steuerventilglied 17 in den jeweiligen Betriebszuständen aufgebracht wird. Hierdurch lässt sich der Druckverlauf im Steuerraum und damit der Öffnungszeitpunkt und der Schließzeitpunkt der Ventilnadel 5 ermitteln. Ferner ist der Hubanschlag des Steuerventils 4 ermittelbar, wenn das Steuerventilglied 17 gegen den Hubanschlag 34 tritt. Ferner ist auch der maximale Hub des Piezoelements 29 ermittelbar. Sofern das Piezoelement 29 mittels der Steuerspannung St beaufschlagt ist, kann dennoch die Druckbeaufschlagungskraft des Steuerventilglieds 17 und damit eine Zustandserfassung der vorliegenden Betriebszustände erfolgen, da das Piezoelement eine druckabhängige Rückwirkung auf die elektrische Steuerspannung erzeugt, wobei diese Rückwirkung ausgewertet werden kann und eine Zustandserfassung ermöglicht. Wird das Piezoelement nicht bestromt, ist also die Steuerspannung St nicht am Piezoelement anliegend, so wird die Piezospannung mittels der Anschlusskabel 32 ausgewertet, die aufgrund der Druckbeaufschlagung im Piezoelement erzeugt wird und die eine Zustandserfassung hinsichtlich der Betriebszustände ermöglicht.
Aufgrund dessen, dass ein drosselfreier Verbindungskanal 20 vorliegt, sind klare Sensiervorteile des Piezoelements 29 vorhanden. Die Druckkraft des Steuerventils 4 wird in den verschiedenen Stellungen gemessen. Diese Druckkraft entspricht der Steuerraumdruckkraft an der Ventilnadel 5. Um einen Temperaturfehler ausgleichen zu können, ist das Temperaturausgleichsglied 31 vorgesehen. Ferner wird ein Vorhub durch den Abstand a realisiert, der dem größten Temperaturfehler entspricht. Der kleinste Fehler entspricht dem Temperaturgang des Piezoelements 29 zum Temperaturgang des Gehäuses 2. Für die Reduzierung dieses Restfehlers ist – wie bereits erwähnt – das Temperaturausgleichsglied 31 verantwortlich.
Von besonderem Vorteil ist die Kombination des Piezoantriebs 3 mit der Funktion seiner Ventilbetätigung und der Sensierbarkeit als Kraftsensor. Damit werden alle Stellungen des Steuerventils 4 und der Ventilnadel 5 ermittelt. Voraussetzung ist dabei der drosselfreie Verbindungskanal 20. Durch die erläuterte Sensierung wird auch ein Mengenfehler kompensiert, der aufgrund der fehlenden Drosselung im Verbindungskanal 20 vorliegt.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, das verschiedene Betriebszustände aufweisen kann, mit einem Gehäuse, in dem eine Ventilnadel längsverschieblich angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung mit einem Ventilnadelsitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer dem Einspritzen von Kraftstoff dienenden Einspritzöffnung zusammenwirkt, und mit einem von mindestens einem Piezoelement eines Piezoantriebs durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung beaufschlagten Steuerventil zum Steuern eines Kraftstoffdrucks in einem Steuerraum, wobei der Kraftstoffdruck im Steuerraum eine Ventilnadel-Druckkraft auf einer Steuerfläche der Ventilnadel erzeugt und in Abhängigkeit der Ventilnadel-Druckkraft die Längsbewegung der Ventilnadel bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (21) mit einem Steuerventilraum (16) des Steuerventils (4) über einen drosselfreien Verbindungskanal (20) verbunden ist, sodass die Ventilnadel-Druckkraft im Wesentlichen verzögerungsfrei einer auf das Steuerventil (4) wirkenden Steuerventil-Druckkraft entspricht und das Steuerventil (4) diese Steuerventil-Druckkraft auf das Piezoelement (29) überträgt, das als Kraftsensor und damit als Betriebszustandserfassungssensor arbeitet.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (29) durch die Druckkraftbeaufschlagung eine Rückwirkung auf die elektrische Steuerspannung erzeugt, wobei die Rückwirkung die Betriebszustandserfassung ermöglicht.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (29) durch die Druckkraftbeaufschlagung im nicht durch die elektrische Steuerspannung beaufschlagten Zustand eine Piezospannung erzeugt, die die Betriebszustandserfassung ermöglicht.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Ventilnadel (5) seitlich umgebender Zulaufraum (8) über einen drosselfreien Kupplungskanal (23) mit dem Steuerventilraum (16) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungskanal (23) einen Abzweig (26) zu einem Drosselkanal (38) aufweist, wobei der Drosselkanal (38) eine Drossel, insbesondere eine Zulaufdrossel (27), aufweist und in den Steuerraum (21) mündet.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (4) ein verschiebbares Steuerventilglied (17) aufweist, das in Offenstellung des Steuerventils (4) ein zugeordnetes Ende (24) des Kupplungskanals (23) verschließt.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilglied (17) in Offenstellung gegen einen Hubanschlag (34) tritt.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (4) zu einem Niederdruckbereich (N) führt.