DE10333752A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents
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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 beweglichen Ventilteil (51) von einem Aktor (31) über einen hydraulischen Koppler (38) betätigbar ist, der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers zusammenwirkende Kolben (39, 40) aufweist, wobei der Sitz (53) des beweglichen Ventilteils (51) einen lichten Durchmesser d3 aufweist, mit Mitteln zum Füllen des Kopplervolumens über Führungsspalte (65, 67) der Kolben (39, 40) mit unter Druck stehendem Kraftstoff, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (39, 40) parallel zueinander ineinander angeordnet sind, dass an den dem Aktor (31) abgewandten Enden der Kolben (39, 40) ein Übersetzerraum (72) angeordnet ist, dass im Inneren des äußeren Kolbens (39) ein Füllraum (71) vorgesehen ist, der mit der genannten Leitung (5) verbunden ist, dass einer (39) der Kolben mit einer Kolbenfläche f4 mit dem Aktor (31) über eine Stange (61) mit einem Durchmesser d5 mechanisch gekoppelt ist, dass der andere Kolben (40), der eine Kolbenfläche f2 (Durchmesser d2) aufweist, über eine Stange (63) mit einem gegenüber d2 kleineren Durchmesser d1 das Steuerventil (41) betätigt, dass die Richtung der Öffnungsbewegung des beweglichen Ventilteils (51) mit der Richtung von aus der ...
Description
- Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
- Ein CR-Injektor (CR = Common Rail) mit Piezoaktor (= Piezosteller) und Übersetzung durch hydraulischen Koppler ist bekannt. Ebenfalls bekannt sind integrierte Koppler mit koaxial ineinander angeordneten Kolben. Die bekannte Vorrichtung verwendet ein A-Ventil als Steuerventil.
- 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 geschaffen wird, die ein I-Ventil verwendet, das weniger aufwändig als ein A-Ventil ist, weil dieses wegen möglicher Kavitation eine besondere Formgebung benötigt. Außerdem wird bei der Erfindung ein großer Ventilquerschnitt ermöglicht. Dadurch kann das Öffnen und Schließen des Einspritzventils schneller erfolgen. Der integrierte Koppler ermöglicht eine kurze Baulänge der Vorrichtung.
- 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 Steuerventil sowie einem hydraulischen Koppler.
- Beschreibung des Ausführungsbeispiels
- Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
1 wird von einem Druckspeicher (Common Rail)3 mit Kraftstoff unter hohem Druck über eine Hochdruckleitung5 versorgt, von der aus Kraftstoff über eine Einspritzleitung6 zu einem Einspritzventil9 gelangt. Eine Brennkraftmaschine hat normalerweise mehrere derartige Einspritzventile, und der Einfachheit halber ist lediglich eines dargestellt. Das Einspritzventil9 weist eine Ventilnadel (Ventilkolben, Düsennadel)11 auf, die mit einer konischen Ventildichtfläche12 in ihrer Schließstellung Einspritzöffnungen13 , durch die Kraftstoff ins Innere eines Verbrennungsraums des Verbrennungsmotors eingespritzt werden soll, verschließt. Der Kraftstoff gelangt in den Bereich der Düsennadel über einen ringförmigen Düsenraum14 , von dem aus er über eine als Druckschulter ausgebildete Steuerfläche15 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 Koppler38 vorgesehen, der einen mit dem Piezoaktor gekoppelten Kolben39 und einen weiteren Kolben40 aufweist. Im vorliegenden Anwendungsfall ist im allgemeinen durch den Koppler eine Vergrößerung des Wegs des weiteren Kolbens40 im Vergleich zum Weg des Kolbens39 (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
40 des hydraulischen Kopplers ein Steuerventil41 (oder Auslassventil) öffnet, sinkt der Druck in einer mit Kraftstoff gefüllten Steuerkammer43 , in die der obere Endabschnitt der Düsennadel eingreift. Die Steuerkammer43 wird mit Kraftstoff unter Druck über eine Zulaufdrossel47 gefüllt, und bei geöffnetem Steuerventil41 fließt Kraftstoff über eine Ablaufdrossel49 aus der Steuerkammer43 aus. Das Ausfließen von Kraftstoff wird durch Kräfte unterstützt, die die Düsennadel11 in ihre offene Stellung zu bewegen bestrebt sind. Ein bewegliches Ventilstück51 liegt bei geschlossenem Steuerventil41 an einem Ventilsitz53 dichtend an und ist mit dem Kolben40 mechanisch gekoppelt. Die bei geöffnetem Ventilstück51 aus der Steuerkammer ausströmende Steuermenge wird durch einen Leckagekanal55 abgeführt. Bei geschlossenem Ventilstück51 wird dieses von der Steuerkammer her mit Raildruck (= Druck in der Leitung5 ) beaufschlagt, wobei der Druck auf die Fläche mit dem Durchmesser d3 wirkt. - Die Kolben
39 und40 sind im Beispiel parallel zueinander und ineinander, fertigungstechnisch vorteilhaft koaxial ineinander angeordnet (integrierter Koppler). Die Art, in der sie miteinander gekoppelt sind, wird unten erläutert. Im Kolben39 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung dieses Kolbens anzeigt, wenn der Aktor eine Bewegung in der Zeichnung nach unten ausführt. Im Kolben40 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung dieses Kolbens anzeigt, wenn der Kolben39 die durch seinen Pfeil bezeichnete Bewegung ausführt. Durch Vergleich des Pfeil des Kolbens40 mit der Richtung, in der das bewegliche Ventilelement des vom hydraulischen Wandler38 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 kugelförmig ausgebildet. Insbesondere liegt es mit einem im wesentlichen die Form einer Kugelkalotte aufweisenden Flächenbereich im geschlossenen Zustand an dem Ventilsitz53 an. Im Beispiel muss das bewegliche Ventilteil51 zum Schließen unter Aufwendungen einer Kraft gegen seinen Ventilsitz gedrückt werden, damit es das Ausströmen des unter Druck stehenden Kraftstoffs aus der Steuerkammer43 verhindert. Es befindet sich somit dann im Sperrzustand, wenn das bewegliche Ventilteil nach "innen", nämlich in Richtung von einem Bereich niedrigeren Drucks zu einem Bereich höheren Drucks in seine Sperrstellung bewegt worden ist, und daher wird das Steuerventil im vorliegenden Fall als I-Ventil bezeichnet. Mit anderen Worten, stimmt die Richtung der Öffnungsbewegung des beweglichen Ventilteils mit der Richtung von aus der Steuerkammer ausströmendem Kraftstoff überein. Demgegenüber wird ein Ventil, dessen bewegliches Ventilteil in seiner Sperrstellung nach "außen" bewegt worden ist, nämlich in Richtung vom hohen Druck in der Steuerkammer zu einem Bereich niedrigeren Drucks Leckagedruck, als A-Ventil bezeichnet. Es kann auch eine andere Ventilkonstruktion verwendet werden, z. B. ein Kegelventil, dessen bewegliches Ventilstück im wesentlichen kegelförmig ist. Die Verbindung des Steuerventils mit dem Kolben37 kann bei Bedarf für ein besonders schnelles Schließen zugfest sein. - Der Aktor
31 ist mit dem Kolben39 durch eine Stange61 mit einem Durchmesser d5 verbunden. Der Kolben40 ist mit dem von ihm zu betätigenden beweglichen Ventilteil51 durch eine Stange63 mit einem Durchmesser d1 verbunden. Der äußere Kolben39 hat eine kreisringförmige Kolbenfläche mit einer Flächengröße f4, der innere Kolben40 hat einen Durchmesser d2 (und daher eine Flächengröße 0,25 × π × d22). Der lichte Durchmesser des Ventilsitzes53 dort, wo das bewegliche Ventilteil an ihm anliegt, ist d3. - Führungsspalte
65 und67 , die der Gleitführung der Kolben dienen und durch die hindurch ein Kopplervolumen mit Treibstoff gefüllt wird, sind im Bereich der zylindrischen Außenfläche des äußeren Kolbens (gegenüber einem nicht gezeigten Gehäuse) und im Bereich der gegenseitigen Gleitführung der beiden Kolben gebildet. - Maßgeblich für die Funktion sind die den oben genannten Durchmessern (für kreisförmige Querschnitte) entsprechenden Flächen f1 bis f3 und f5, sowie die genannte Fläche f4. Kreisförmige Querschnitte sind zwar für die Herstellung zweckmäßig, die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
- Die dem Aktor
31 abgewandten Endbereiche der Kolben39 und40 greifen in einen gemeinsamen Übersetzerraum72 ein. Der andere Endbereich des Kolbens39 ist frei. Der andere Endbereich des inneren Kolbens40 ragt in einen Füllraum71 , der über eine Ringnut71' über einen Kanal71'' im Kolben39 mit CR-Druck befüllt wird. Über die Führungsspalte65 und67 wird der Übersetzerraum72 gefüllt. Der Übersetzerraum72 wird von der Stange63 durchdrungen. Die Kolben39 und40 bewegen sich gegensinnig und wegen der gewünschten Weg-Übersetzung vom Aktor zum Steuerventil mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. - Der Aktor
31 (Piezosteller) ist im geschlossenen Zustand des Einspritzventils9 stromlos und verkürzt. Zum Öffnen des Steuerventils41 wird der elektrische Strom zum Aktor31 eingeschaltet und der Aktor wird länger. Dadurch wird der Kolben39 (erster Übersetzerkolben) in der Figur nach unten gedrückt. In dem Übersetzerraum72 ist im Ruhezustand CR-Druck (= Druck des Druckspeichers bzw. Common Rail) als Systemdruck. Im Übersetzerraum72 steigt durch das Bewegen des Kolbens39 der Druck an. Dieser Druck bewegt den Kolben40 (zweiter Übersetzerkolben) nach oben und öffnet durch gleich gerichtete Bewegung des Ventilteils51 das Steuerventil41 , das ein I-Ventil ist. Zum schnellen Anheben des Ventilteils51 ist dieses fest mit der Stange63 und somit mit dem Kolben40 verbunden. Das Ventilteil51 wird durch den Druck in dem Übersetzerraum72 mit einer zu (d22 – d12) proportionalen Kraft aktiv angehoben. Der Füllraum71 ist mit CR-Druck befüllt, dadurch ist der Sitzdurchmesser d3 des Ventilteils51 sehr groß wählbar, da der Kolben40 diese Fläche mit seiner im Füllraum71 befindlichen Rückseite weitgehend ausgleicht. Somit schafft die Erfindung einen vorteilhaften I-Ventil-Servo-Injektor mit CR-Druckunterstützung für sehr schnelles Öffnen und Schließen des Einspritzventils. - Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass an der Rückseite (im Gegensatz zu der Seite am Übersetzerraum) des mit dem Steuerventil direkt verbundenen Kolbens
40 Raildruck anliegt, der die Betätigung des Steuerventils unterstützt und dem auf das Ventilteil51 im Sperrzustand von der Steuerkammer43 her wirkenden Druck entgegen wirkt. - Wegen des Raildrucks in der Füllkammer
71 ist d3 weitgehend 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 I-Ventil ist. Die vom Aktor zum Schließen des Ventils zu liefernde Kraft ist daher gegenüber dem Bekannten kleiner. Stattdessen ist bei einer Ausführungsform ein Ventil51 mit einem gegenüber dem Bekannten größeren Durchmesser d3 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. - Eine Druckfeder
75 im Füllraum71 drückt die Kolben auseinander und sorgt für gute Anlage des Kopplers am Aktor31 und bei geschlossenem Ventil des Ventilteils51 am Ventilsitz53 . - 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 (1)
- 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 (51 ) von einem Aktor (31 ) über einen hydraulischen Koppler (38 ) betätigbar ist, der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers zusammenwirkende Kolben (39 ,40 ) aufweist, wobei der Sitz (53 ) des beweglichen Ventilteils (51 ) einen lichten Durchmesser d3 aufweist, mit Mitteln zum Füllen des Kopplervolumens über Führungsspalte (65 ,67 ) der Kolben (39 ,40 ) mit unter Druck stehendem Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (39 ,40 ) parallel zueinander ineinander angeordnet sind, dass an den dem Aktor (31 ) abgewandten Enden der Kolben (39 ,40 ) ein Übersetzerraumraum (72 ) angeordnet ist, dass im Inneren des äußeren Kolbens (39 ) ein Füllraum (71 ) vorgesehen ist, der mit der genannten Leitung (5 ) verbunden ist, dass einer (39 ) der Kolben mit einer Kolbenfläche f4 mit dem Aktor (31 ) über eine Stange (61 ) mit einem Durchmesser d5 mechanisch gekoppelt ist, dass der andere Kolben (40 ), der eine Kolbenfläche f2 (Durchmesser d2) aufweist, über eine Stange (63 ) mit einem gegenüber d2 kleineren Durchmesser d1 das Steuerventil (41 ) betätigt, dass die Richtung der Öffnungsbewegung des beweglichen Ventilteils (51 ) mit der Richtung von aus der Steuerkammer (43 ) ausströmendem Kraftstoff übereinstimmt, so dass das Steuerventil wegen des auf den weiteren Kolben (40 ) in der Füllkammer (71 ) wirkenden Drucks mindestens teilweise kraftausgeglichen ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2003133752 DE10333752A1 (de) | 2003-07-24 | 2003-07-24 | Kraftstoffeinspritzvorrichtung |
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DE2003133752 DE10333752A1 (de) | 2003-07-24 | 2003-07-24 | Kraftstoffeinspritzvorrichtung |
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DE2003133752 Ceased DE10333752A1 (de) | 2003-07-24 | 2003-07-24 | Kraftstoffeinspritzvorrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE10333752A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017067052A (ja) * | 2015-10-02 | 2017-04-06 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 燃料噴射弁 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19519192C1 (de) * | 1995-05-24 | 1996-06-05 | Siemens Ag | Einspritzventil |
DE10118053A1 (de) * | 2001-04-11 | 2002-10-24 | Bosch Gmbh Robert | Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten |
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2003
- 2003-07-24 DE DE2003133752 patent/DE10333752A1/de not_active Ceased
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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8131 | Rejection |