DE10333573B3

DE10333573B3 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE10333573B3
Application number: DE2003133573
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-07-25

Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) mit einem Einspritzventil (8), das eine Ventilnadel (10) zum Öffnen und Schließen von Einspritzöffnungen (13) aufweist, mit einer dem Einspritzventil (8) bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck zuführenden Leitung (5), einem Aktor (31) und einem hydraulischen Koppler (35), der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers zusammenwirkende, linear hintereinander angeordnete Kolben (36, 37) aufweist, mit Mitteln zum Füllen des Kopplervolumens über mindestens einen Führungsspalt (65) der Kolben (36, 37) mit unter Druck stehendem Kraftstoff, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem mittleren Längenbereich mindestens eines der Kolben (36, 37) ein mit einem Führungsspalt (65) in Verbindung stehender Füllraum (71) angeordnet und mit der genannten Leitung (5) verbunden ist, dass einer (36) der Kolben mit dem Aktor (31) fest verbunden ist, dass der andere Kolben (37), der eine Querschnittsfläche f2 aufweist, über eine Stange (63) mit einer gegenüber f2 kleineren Querschnittsfläche f1 mit der Ventilnadel (10) fest verbunden ist, dass die beiden dem Aktor (31) zugewandten Enden der Kolben (36, 37) in zugeordnete Übersetzerräume (82-1 bzw. 82-2) eingreifen, die über einen Kanal (84-1) verbunden sind, und dass die beiden dem Aktor (31) abgewandten Enden der Kolben (36, 37) in zugeordnete Übersetzerräume (83-1 bzw. 83-2) eingreifen, die über einen Kanal (84-2) verbunden sind.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung mit direkt (nämlich ohne Steuerkammer und Steuerventil) gesteuerter Ventilnadel des Einspritzventils, mit Piezoaktor (= Piezosteller) und Übersetzung durch hydraulischen Koppler ist durch die DE 101 36 186 A1 bekannt geworden.

Die aus DE 101 36 186 A1 bekannte Krafteinspritzvorrichtung umfasst ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer piezoelektrischen Aktor-Einheit zur Betätigung einer Ventilglied-Anordnung, die einen ersten Kolben und einen zweiten Kolben aufweist, zwischen denen eine Hydraulikkammer angeordnet ist. Die Ventilglied-Anordnung bestätigt ein Ventilschließglied, das mit einem Ventilssitz zusammenwirkt. Nachteilig ist die kleine Druckstufe an dem Endbereich der Ventilnadel, der den Einspritzöffnungen zugewandt ist.

Weiterhin ist aus der EP 0 864 743 A2 ein Krafteinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einem Ventilkörper axial verschiebbaren Ventilglied, das an seinem einen Ende eine Ventildichtfläche aufweist, mit der es zur Steuerung eines Einspritzquerschnittes mit einer Ventilsitzfläche am Ventilkörper zusammenwirkt, von der wenigstens eine Einspritzöffnung in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine abgeführt, und mit einem das Ventilglied axial betätigenden elektrischen Stellglied bekannt, das über einen hydraulischen Arbeitsraum auf das Ventilglied wirkt. Dabei ist für eine verbesserte Steuerung der Ventilgliedhubbewegung ein zweites elektrisches Stellglied zur Betätigung des Ventilgliedes vorgesehen, das unabhängig vom ersten elektrischen Stellglied ansteuerbar ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, dass eine CR-Druckunterstützung geschaffen wird. Dadurch kann das Öffnen und Schließen des Einspritzventils schneller erfolgen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

die einzige Figur die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Einspritzventil und einem hydraulischen Koppler.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 wird von einem Druckspeicher (Common Rail) 3 mit Kraftstoff unter hohem Druck über eine Hochdruckleitung 5 versorgt, von der aus Kraftstoff über eine Einspritzleitung 6 zu einem Einspritzventil 8 gelangt. Eine Brennkraftmaschine hat normalerweise mehrere derartige Einspritzventile, und der Einfachheit halber ist lediglich eines dargestellt. Das Einspritzventil 8 weist eine Ventilnadel (Ventilkolben, Düsennadel) 10 auf, die mit einer konischen Ventildichtfläche 12 in ihrer Schließstellung Einspritzöffnungen 13, durch die Kraftstoff ins Innere eines Verbrennungsraums des Verbrennungsmotors eingespritzt werden soll, verschließt. Der Kraftstoff gelangt in den Bereich der Düsennadel über einen ringförmigen Düsenraum 14, von dem aus er über eine als Druckschulter ausgebildete Steuerfläche 15 einen Druck in Öffnungsrichtung der Düsennadel auszuüben gestattet. Wenn der genannte Druck eine Kraft in Öffnungsrichtung auf die Ventilnadel ausübt, die diesem Öffnen entgegen wirkende Kräfte überwindet, so öffnet sich das Ventil.
Zum Steuern des Öffnens und Schließens der Einspritzöffnungen dient ein Aktor 31. Dieser erzeugt in Abhängigkeit von einer Ansteuerung an einem mechanischen Ausgang eine Auslenkung und eine Kraft zum Betätigen weiterer Elemente. Im Beispiel handelt es sich um einen elektrisch betätigten Aktor. Im Beispiel ist es ein Aktor, der ein piezoelektrisches Element aufweist, nämlich ein Piezoaktor. Der Aktor nimmt in Abhängigkeit von einer elektrischen Ansteuerung in Vertikalrichtung der Zeichnung und somit in seiner Längsrichtung eine gelängte Konfiguration oder eine verkürzte Konfiguration ein. Im Beispiel ist ein Aktor mit einer derartigen Konstruktion vorgesehen, der bei Bestromung (Anschluss an eine Gleichstromversorgung) eine gelängte Konfiguration einnimmt, ohne Bestromung eine verkürzte Konfiguration einnimmt. Der Aktor bildet eine kapazitive Last und nimmt bei Dauerbestromung keine Verlustleistung auf. Es kann vorteilhaft oder erforderlich sein, den Piezoaktor durch eine Spannvorrichtung, z. B. Feder, so vorzuspannen, dass im Aktor enthaltene piezoelektrische Elemente stets auf Druck beansprucht sind. Dies ist den Fachleuten bekannt und deshalb wird hierauf im Folgenden nicht hingewiesen. Während das obere Ende des Piezoaktors in einer in der Zeichnung nicht sichtbaren Weise in der Einspritzvorrichtung verankert ist, dient das untere Ende des Piezoaktors dazu, dessen Kraft und Bewegung letztendlich zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen zu verwenden. Hierzu ist für seine Ankopplung ein hydraulischer Koppler 35 vorgesehen, der einen mit dem Piezoaktor gekoppelten Kolben 36 und einen weiteren Kolben 37 aufweist. Im vorliegenden Anwendungsfall ist im allgemeinen durch den Koppler eine Vergrößerung des Wegs des weiteren Kolbens 37 im Vergleich zum Weg des Kolbens 36 (durch passende Wahl der hydraulisch wirksamen Kolbenflächen) nötig. Die Konstruktion und Wirkungsweise des hydraulischen Kopplers wird weiter unten beschrieben.
Die Kolben 36 und 37 sind im Beispiel im wesentlichen linear hintereinander angeordnet, im Beispiel genau hintereinander. Ein seitlicher Versatz oder ein von 0 Grad verschiedener Winkel zwischen den Längsachsen der Kolben würde funktionell nichts ändern. Die Art, in der sie miteinander gekoppelt sind, wird unten erläutert. Im Kolben 36 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung dieses Kolbens anzeigt, wenn der Aktor eine Bewegung in der Zeichnung nach unten ausführt. Im Kolben 37 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung dieses Kolbens anzeigt, wenn der Kolben 36 die durch seinen Pfeil bezeichnete Bewegung ausführt. Durch Vergleich des Pfeils des Kolbens 37 mit der Richtung, in der die Ventilnadel 10 zum Öffnen bzw. zum Schließen bewegt werden muss, ist aus der Zeichnung unmittelbar ersichtlich, ob die in der Zeichnung eingezeichnete Richtung der genannten Pfeile einem Öffnungsvorgang oder einem Schließvorgang entspricht.
Der Aktor 31 ist mit dem Kolben 36 durch eine Stange 61 mit einem Durchmesser d5 fest verbunden. Der Kolben 37 ist mit dem von ihm zu bewegenden Ventilnadel 10 durch eine Stange 63 mit einem Durchmesser d1 fest verbunden. Der Kolben 36 hat einen Durchmesser d4, der Kolben 37 hat einen Durchmesser d2. Der lichte Durchmesser des Ventilsitzes bei anlegender Ventildichtfläche 12 der Ventilnadel 10 ist d6.
Zwischen den zylindrischen Außenflächen der Kolben und einem diese aufnehmenden Gehäuse (in der vereinfachten Darstellung der Figur nicht gezeigt) bestehen Führungsspalte 65 für den Kolben 36 und 67 für den Kolben 37. Mindestens einer der Führungsspalte dient zum Füllen des Kopplervolumens bzw. eines oder mehrerer Wandlerräume mit Kraftstoff.
Maßgeblich für die Funktion sind die den oben genannten Durchmessern (für kreisförmige Querschnitte) entsprechenden Flächen f1, f2, f4 bis f6. Kreisförmige Querschnitte sind zwar für die Herstellung zweckmäßig, die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
Mindestens einer der Kolben 36 und 37, im Beispiel der Kolben 36, weist etwa auf seiner halben Länge einen ringnutförmigen Füllraum 71 auf, der mit der CR-Druck führenden Leitung 5 verbunden ist. Die dem Aktor 31 zugewandten Endbereiche der Kolben 36 und 37 greifen in je einen ersten Übersetzerraum 82-1 bzw. 82-2 ein, die über einen Kanal 84-1 miteinander verbunden sind. In entsprechender Weise werden auch Übersetzerräume 83-1 und 83-2 an den dem Aktor 31 abgewandten Enden der Kolben 36 und 37 durch einen Kanal 84-2 verbunden. Die Übersetzerräume und die Kanäle bilden zwei Kopplervolumina, die über die Führungsspalte 65 und 67 mit CR-Druck befüllt werden. Der Übersetzerraum 82-1 wird von der Stange 61 durchdrungen, die durch den oberen Endbereich der Ventilnadel 10 ohne Querschnittsänderung gebildet wird. Der Übersetzerraum 83-2 des Kolbens 37 wird von der Stange 63 durchdrungen. Die Kolben 36 und 37 bewegen sich gegensinnig und bei einer gewünschten Weg-Übersetzung vom Aktor zum Steuerventil mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
Der Aktor 31 (Piezosteller) ist im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 9 stromlos und verkürzt. Zum Öffnen des Einspritzventils 8 wird der elektrische Strom zum Aktor 31 eingeschaltet und der Aktor wird länger. Dadurch wird der Kolben 36 (erster Übersetzerkolben) in der Figur nach unten gedrückt. In dem Übersetzerraum 83-1 ist im Ruhezustand CR-Druck (= Druck des Druckspeichers bzw. Common Rail) als Systemdruck. Durch das Bewegen des Kolbens 36 steigt dort und auch im Übersetzerraum 83-2 des Kolbens 37 der Druck, und der Kolben 37 (zweiter Übersetzerkolben) wird dadurch aktiv nach oben gedrückt und öffnet durch gleich gerichtete Bewegung der Ventilnadel 10 das Einspritzventil 8. Zum schnellen Anheben der Ventilnadel 10 ist diese fest mit der Stange 63 und somit mit dem Kolben 37 verbunden. Die Bewegung der Ventilnadel 8 nach oben wird durch den Druck des über die Einspritzleitung 6 zum Düsenraum 14 geführten Kraftstoffs unterstützt, der auf die Flächen 12 und 15 wirkt.
Beim Öffnen wird die Ventilnadel 10 durch den Druck in dem Übersetzerraum 83-2 mit einer zu (d2² – d1²) proportionalen Kraft aktiv angehoben. Der obere Übersetzerraum 82-2 des Kolbens 37 ist mit CR-Druck befüllt; dadurch erfolgt das Schließen des Ventils über den Übersetzerraum 82-2 mit einer gleich großen Kraft.
Wird beim Abschalten des Stroms des Aktors 31 der Kolben 36 angehoben, so wird der Druck im Übersetzerraum 82-1 erhöht und entsprechend der beschriebenen Wirkungsweise wird jetzt durch den ansteigenden Druck im Übersetzerraum 82-2 der Kolben 37 aktiv nach unten gedrückt und schließt das Steuerventil 41.
Bei einer speziellen Ausführungsform ist d5 = d1, und d4 = d2. Der Koppler überträgt daher den vom Aktor ausgeführten Weg im Verhältnis 1 : 1 auf die Ventilnadel. Dies ist in vielen Fällen ideal.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass an der dem Einspritzventil abgewandten Seite des mit ihm direkt verbundenen Kolbens 37 Raildruck anliegt, der die Betätigung des Einspritzventils unterstützt. Außerdem wirken die Räume an beiden Enden der Kolben als Übersetzerräume.
Von Vorteil ist, dass sich eine große Geschwindigkeit der Düsennadel 10 durch einen entsprechend kleinen Durchmesser d2 des Kolbens 37 erzielen lässt; man erhält so einen sehr schnellen CR-Injektor.
Die gezeigte Vorrichtung weist noch weitere Merkmale auf. Zumindest in einem Bereich der den Aktor 31 mit dem hydraulischen Koppler verbindenden Stange 61 ist in einem Abstand von dem dem Aktor 31 am nächsten liegenden Raum des Kopplers ein weiterer Füllraum 90 vorhanden, der mit der Leitung 5 verbunden ist. Im Beispiel umgibt der weitere Füllraum 90 den Aktor 31 in dessen unterem Endbereich. Vorzugsweise umgibt er den ganzen Aktor 31. Ein Führungsspalt 94 der Stange 61 ist für eine zusätzliche Füllung des benachbarten Raums des Kopplers mit unter Druck stehendem Kraftstoff dimensioniert. Ein Vorteil besteht in der zusätzlichen Befüllung des Kopplers mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff.
Bei Ausführungsformen der Erfindung ist der weitere Füllraum 90 nicht vorhanden oder ist nicht mit der Leitung 5 verbunden und hat nicht die Funktion eines Füllraums. In diesem Fall mag es zweckmäßig sein, eine Bohrung, in der die Stange 61 in einem nicht gezeigten Gehäuse der ganzen Vorrichtung geführt ist, für einen möglichst kleinen Abfluss von Kraftstoff aus dem Koppler zu dimensionieren.
Die Erfindung erfasst auch Ausführungsformen, bei denen der unter hohem Druck stehende Kraftstoff nicht von einem Hochdruckspeicher zugeführt wird, sondern von einer dem Einspritzventil zugeordneten Pumpe (z.B. Pumpe-Düse-Einheit, Unit Injector), die auch den Füllraum speist.

Claims

Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) mit einem Einspritzventil (8), das eine Ventilnadel (10) zum Öffnen und Schließen von Einspritzöffnungen (13) aufweist, mit einer dem Einspritzventil (8) bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck zuführenden Leitung (5), einem Aktor (31) und einem hydraulischen Koppler (35), der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers zusammenwirkende, linear hintereinander angeordnete Kolben (36, 37) aufweist, mit Mitteln zum Füllen des Kopplervolumens über mindestens einen Führungsspalt (65) der Kolben (36, 37) mit unter Druck stehendem Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mittleren Längenbereich mindestens eines der Kolben (36, 37) ein mit einem Führungsspalt (65) in Verbindung stehender Füllraum (71) angeordnet und mit der genannten Leitung (5) verbunden ist, dass einer (36) der Kolben mit dem Aktor (31) fest verbunden ist, dass der andere Kolben (37), der eine Querschnittsfläche f2 aufweist, über eine Stange (63) mit einer gegenüber f2 kleineren Querschnittsfläche f1 mit der Ventilnadel (10) fest verbunden ist, dass die beiden dem Aktor (31) zugewandten Enden der Kolben (36, 37) in zugeordnete Übersetzerräume (82-1 bzw. 82-2) eingreifen, die über einen Kanal (84-1) verbunden sind, und dass die beiden dem Aktor (31) abgewandten Enden der Kolben (36, 37) in zugeordnete Übersetzerräume (83-1 bzw. 83-2) eingreifen, die über einen Kanal (84-2) verbunden sind.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Bereich der den Aktor (31) mit dem hydraulischen Koppler verbindenden Stange (61) in einem Abstand von dem dem Aktor (31) am nächsten liegenden Raum des Kopplers ein weiterer Füllraum (90) vorhanden ist, der mit der genannten Leitung (5) verbunden ist und über einen Führungsspalt (94) der Stange (61) mit dem Koppler in Verbindung ist.