DE10333699A1

DE10333699A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE10333699A1
Application number: DE2003133699
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: 2005-03-03

Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) mit einem Einspritzventil (9), einer dem Einspritzventil (9) bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck zuführenden Leitung (5), einem den Druck in einer mit der genannten Leitung (5) verbundenen Steuerkammer (43) des Einspritzventils steuernden Steuerventil (41), dessen bewegliches Ventilteil von einem Aktor (31) über einen hydraulischen Koppler (35) betätigbar ist, der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers zusammenwirkende, linear hintereinander angeordnete Kolben (36, 37) aufweist, wobei der Sitz (53) des beweglichen Ventilteils (51) eine lichte Querschnittsfläche f3 aufweist, und die Richtung der Schließbewegung des beweglichen Ventilteils mit der Richtung von aus der Steuerkammer ausströmendem Kraftstoff übereinstimmt, mit Mitteln zum Füllen des Kopplervolumens über Führungsspalte (65, 67) der Kolben (36, 37) mit unter Druck stehendem Kraftstoff, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen den Kolben (36, 37) angeordneter Füllraum (75) mit der genannten Leitung (5) verbunden ist, dass einer (36) der Kolben mit einer Querschnittsfläche f4 mit dem Aktor (31) über eine Stange mit einer Querschnittsfläche f5 mechanisch gekoppelt ist, dass der andere Kolben (37), der eine Querschnittsfläche f2 aufweist, über eine Stange (63) mit einer gegenüber f2 kleineren Querschnittsfläche f1 das Steuerventil (41) betätigt, dass die beiden einander abgewandten Enden der Kolben (36, 37) in zugeordnete Übersetzerräume (72 bzw. 73) ...

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist durch den CR-Injektor (CR = Common Rail) mit Piezoaktor (= Piezosteller), A-Ventil (Erläuterung siehe unten) und Übersetzung durch hydraulischen Koppler bekannt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, dass eine alternative Variante eines CR-Injektors mit Piezosteller und großem Ventilquerschnitt 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 zeigen

1 die wesentlichen Komponenten eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Einspritzventil und einem Steuerventil sowie einem hydraulischen Koppler, und

2 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

In 1 wird eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 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 9 gelangt. Eine Brennkraftmaschine hat normalerweise mehrere derartige Einspritzventile, und der Einfachheit halber ist lediglich eines dargestellt.
Das Einspritzventil 9 weist eine Ventilnadel (Ventilkolben, Düsennadel) 11 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 Einspritzöffnung 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.
Wenn der mit dem Piezoaktor nicht unmittelbar verbundene Kolben 37 des hydraulischen Kopplers ein Steuerventil 41 (oder Auslassventil) öffnet, sinkt der Druck in einer mit Kraftstoff gefüllten Steuerkammer 43, in die der obere Endabschnitt der Düsennadel eingreift. Die Steuerkammer 43 wird mit Kraftstoff unter Druck über eine Zulaufdrossel 47 gefüllt, und bei geöffnetem Steuerventil 41 fließt Kraftstoff über eine Ablaufdrossel 49 aus der Steuerkammer 43 aus. Das Ausfließen von Kraftstoff wird durch Kräfte unterstützt wird, die die Düsennadel 11 in ihre offene Stellung zu bewegen bestrebt sind. Ein bewegliches Ventilstück 51 liegt bei geschlossenem Steuerventil 41 an einem Ventilsitz 53 dichtend an und ist mit dem weiteren Kolben 37 mechanisch gekoppelt. Die bei geöffnetem Ventilstück 51 aus der Steuerkammer ausströmende Steuermenge wird durch einen Leckagekanal 55 abgeführt.
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 Pfeil des Kolbens 37 mit der Richtung, in der das bewegliche Ventilelement des vom hydraulischen Wandler 35 zu betätigenden Ventils 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 des genannten Ventils entspricht.
Das bewegliche Ventilstück 51 ist im wesentlichen kegelförmig mit einem zylindrischen Fortsatz ausgebildet. Insbesondere liegt es mit dem kegelförmigen Teil im geschlossenen Zustand an dem Ventilsitz 53 an. Das Ventilstück 51 ist durch eine von dem zylindrischen Fortsatz geführte Druckfeder 54 in Richtung auf seinen Ventilsitz 53 vorgespannt. In seiner Sperrstellung ist es nach "außen" bewegt worden, nämlich in Richtung vom hohen Druck in der Steuerkammer 43 zu einem Bereich niedrigeren Drucks (Leckagedruck). Das Auslassventil wird in diesem Fall daher als A-Ventil bezeichnet. Die dem Ventilsitz 53 zugewandte Seite des Ventilstücks 51 ist mit einem Betätigungsteil starr verbunden, das mit dem hydraulischen Koppler verbunden ist. Die Verbindung mit dem Kolben 37 ist vorteilhaft zugfest für schnelles Schließen.
Der Aktor 31 ist mit dem Kolben 36 durch eine Stange 61 mit einem Durchmesser d5 verbunden. Der Kolben 37 ist mit dem von ihm zu betätigenden beweglichen Ventilteil 51 durch eine Stange 63 mit einem Durchmesser d1 verbunden. Der Kolben 36 hat einen Durchmesser d4, der Kolben 37 hat einen Durchmesser d2. Der lichte Durchmesser des Ventilsitzes 53 dort, wo das bewegliche Ventilteil an ihm anliegt, ist d3.
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. Die Führungsspalte dienen 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 bis f5. Kreisförmige Querschnitte sind zwar für die Herstellung zweckmäßig, die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
Die einander zugewandten Endbereiche der Kolben 36 und 37 greifen in einen mit der Hochdruckleitung 5 über eine Verbindungsleitung 79 verbundenen Füllraum 71 ein. Mit ihrem jeweils anderen Endbereich greifen die Kolben 36 und 37 in einen ersten Übersetzerraum 72 bzw. einen zweiten Übersetzerraum 73 ein, die über einen Kanal 74 verbunden sind. Die Übersetzerräume und der Kanal 74 bilden das Kopplervolumen, das über die Führungsspalte 65 und 67 mit Raildruck befüllt wird. Die Übersetzerräume 72 und 73 werden von den 61 bzw. 63 durchdrungen. Eine auf die Kolben wirkende Vorspannfeder (Druckfeder) ist im Füllraum 71 nicht vorhanden.
Die Kolben 36 und 37 bewegen sich gleichsinnig, aber wegen der gewünschten Weg-Übersetzung vom Aktor zum Steuerventil mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
Der Aktor 31 (Piezosteller) ist im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 9 stromlos und zurückgezogen (verkürzt). Zum Öffnen des Steuerventils 41 wird der elektrische Strom zum Aktor 1 eingeschaltet und der Aktor wird länger. Dadurch wird der Kolben 36 (erster Übersetzerkolben) in der Figur nach unten gedrückt. In dem Übersetzerraum 72 ist im Ruhezustand CR-Druck (= Druck des Druckspeichers bzw. Common Rails) als Systemdruck. Im Übersetzerraum 72 sinkt durch das Bewegens des Kolbens 36 der Druck. Daher bewegt der CR-Druck im Füllraum 71 den Kolben 37 (zweiter Übersetzerkolben) nach unten und öffnet durch gleich gerichtete Bewegung des Ventilteils 51 das Steuerventil 41, das ein A-Ventil ist. Die Übersetzung des Kopplers ist (d₄ ² – d₅ ²) / (d₂ ² – d₁ ²). Das Steuerventil 41 ist bei stromlosem Aktor sicher geschlossen, wenn d₅ > d₁ und d₂ > d₅ ist.
Mit diesem Verhältnis ist d3 kraftausgeglichen. Es steht daher im Vergleich zum Stand der Technik ein größerer Überschuss an Kraft, die vom Aktor geliefert wird, zur Beschleunigung der Masse des beweglichen Ventilteils zur Verfügung. Die Erfindung schafft somit eine Variante mit teilausgeglichenem (= bezüglich der Kraft teilweise ausgeglichenem) Steuerventil, wobei das Ventil ein A-Ventil ist. Die vom Aktor zum Schließen des Ventils zu liefernde Kraft ist daher gegenüber dem Bekannten kleiner. Stattdessen. ist bei einer Ausführungsform ein Ventil 51 mit einem gegenüber dem Bekannten größeren Durchmesser vorgesehen, der ein schnelleres Öffnen und Schließen des Einspritzventils ermöglicht, weil die Strömungszunahme und -Abnahme in diesem größer ist als bei dem bekannten kleineren Ventil.
Die in 2 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten nur dadurch, dass in die von der Hochdruckleitung 5 zum Füllraum 71 führenden Verbindungsleitung 79 ein Rückschlagventil 80 eingebaut ist. Dieses wird durch eine Kugel 81, die durch eine Feder 82 zu einem Ventilsitz zur Hochdruckleitung 5 hin vorgespannt ist, symbolisiert. In den beiden Figuren wurde der Querschnitt der genannten Verbindungsleitungen nur aus zeichnerischen Gründen abweichend gewählt. Die Kraft der Feder 82 sei so klein, dass sie das Öffnen des Rückschlagventils nicht behindert.
Wenn der Kolben 36 durch den Aktor 31 zum Füllraum 71 hin bewegt wird, schließt das Rückschlagventil oder bleibt geschlossen. Der Kolben 37 wird daher aktiv, nämlich durch Druck in der Füllkammer 71, in der gleichen Richtung angetrieben. Wenn der Kolben 36 durch Verkürzen des Aktors 31 in umgekehrter Richtung angetrieben wird, (wobei diese Bewegung, wie auch beim Beispiel der 1, durch eine den Aktor im Sinn einer Verkürzung beaufschlagende Druckfeder bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen unterstützt wird,) sinkt im Füllraum 71 der Druck und das Rückschlagventil 80 öffnet sich und ermöglicht das erneute Befüllen des hydraulischen Kopplers 35. Der Füllraum 71 hat daher bei Druckbeaufschlagung durch den Kolben 36 nicht die Funktion eines Füllraums, sondern die Funktion eines Übersetzerraums. Bei der Anordnung nach 2 mag eine andere Übersetzung des Kopplers 35 als bei der Anordnung nach 1 zweckmäßig sein. Bei der Anordnung nach 2 liegen in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Kolbens 36 unterschiedliche wirksame Wege für das Fluid (Kraftstoff) vor.
Die in den 1 und 2 gezeigten Beispiele weisen 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 (9), einer dem Einspritzventil (9) bei Betrieb Kraftstoff unter hohem Druck zuführenden Leitung (5), einem den Druck in einer mit der genannten Leitung (5) verbundenen Steuerkammer (43) des Einspritzventils steuernden Steuerventil (41), dessen bewegliches Ventilteil von einem Aktor (31) über einen hydraulischen Koppler (35) betätigbar ist, der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers zusammenwirkende, linear hintereinander angeordnete Kolben (36, 37) aufweist, wobei der Sitz (53) des beweglichen Ventilteils (51) eine lichte Querschnittsfläche f3 aufweist, und die Richtung der Schließbewegung des beweglichen Ventilteils mit der Richtung von aus der Steuerkammer ausströmendem Kraftstoff übereinstimmt, mit Mitteln zum Füllen des Kopplervolumens über Führungsspalte (65, 67) der Kolben (36, 37) mit unter Druck stehendem Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen den Kolben (36, 37) angeordneter Füllraum (75) mit der genannten Leitung (5) verbunden ist, dass einer (36) der Kolben mit einer Querschnittsfläche f4 mit dem Aktor (31) über eine Stange mit einer Querschnittsfläche f5 mechanisch gekoppelt ist, dass der andere Kolben (37), der eine Querschnittsfläche f2 aufweist, über eine Stange (63) mit einer gegenüber f2 kleineren Querschnittsfläche f1 das Steuerventil (41) betätigt, dass die beiden einander abgewandten Enden der Kolben (36, 37) in zugeordnete Übersetzerräume (72 bzw. 73) eingreifen, die über einen Kanal (74) verbunden sind, und dass die Querschnittsfläche f1, f2 und f5 so gewählt sind, dass f5 > f1 und f2 > f5 ist, derart, dass das Steuerventil mindestens teilweise kraftausgeglichen ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Verbindungsleitung (79) von der Leitung (5) zum Füllraum (71) ein in Richtung zur Leitung (5) hin sperrendes Rückschlagventil (80) eingebaut ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, 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.