DE19519192C1 - Einspritzventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Einspritzventil ist beispielsweise durch die EP-A 0 531 533 bekannt. Diese Veröffentlichung behandelt eine Dieseleinspritzeinrichtung mit einem Hochdrucksystem (Common- Rail-System) bei dem der Kraftstoff einem Hochdruckspeicher über eine Hochdruckpumpe zugeführt wird. Dieser unter hohem Druck stehende Kraftstoff wird dann entsprechend einer Steue­ rung den einzelnen Zylindern eines Dieselmotors über Ein­ spritzventile zugeführt. Dabei werden die Einspritzventile jeweils über ein Magnetventil angesteuert, um beispielsweise auch individuelle Einspritzzeiten zu ermöglichen.

Um insbesondere Einspritzventile zu erhalten, mit denen auch eine Voreinspritzung möglich ist, um damit Verbrauch, Abgas­ werte, Geräusch usw. zu verbessern, sollen die Einspritzven­ tile bei hohen Einspritzdrücken schnell schaltbar sein. Bei hohen Speicherdrücken ist bei Verwendung eines Magnetventils eine Voreinspritzung schwer möglich, da die Schaltzeiten des Magnetventils zu lang sind und der volle Hub des Ventils durchlaufen werden muß, damit reproduzierbare Bedingungen, beispielsweise die Einspritzmenge, erreicht werden. Außerdem ist die Formung der Einspritzrate, d. h. langsames Öffnen, jedoch schnellstes Schließen der Düsennadel, wobei die For­ mung der Einspritzrate gemäß einem Kennfeld vorgenommen werden kann, kaum möglich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einspritzven­ til bereitzustellen, mit dem es möglich ist, die Einspritz­ rate präzise zu regeln, d. h., kleinste reproduzierbare Vor­ einspritzmengen, langsame Erhöhung der Einspritzrate zu Beginn der Einspritzung bei schnellem Schließen der Düsenna­ del zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Im Gegensatz zu einem Ansteuern des Ventils mittels eines Magnetventils bietet ein Ansteuern mittels eines Piezoaktors die Möglichkeit, äußerst schnell zu schalten und jede belie­ bige Ventil-Zwischenstellung anzusteuern. Außerdem ist durch die besondere Gestaltung des Einspritzventils, insbesondere der Drosseln, die Voreinspritzmenge auch bei geringster Voreinspritzmenge durch Reduzierung der Einspritzrate (Verringerung des Düsennadelhubs) reproduzierbar.

Durch die sorgfältige Abstimmung der Drosseln gemäß den Maßnahmen nach Patentanspruch 2 kann das Ein­ spritzventil als sogenanntes 2/2-Wegeventil ausgebildet werden, das sich durch eine einfache Bauweise auszeichnet, da bei diesem Typus nur ein einfaches Sitzventil zur Steuerung der Düsennadel erforderlich ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Abbildung näher erläutert.

Die Abbildung zeigt ein 2/2-Wegeventil mit Piezoantrieb.

Das in der Abbildung gezeigte Einspritzventil besteht aus einem langgestreckten Gehäuse 6, auf dessen unterem Ende eine Überwurfmutter 3 aufgeschraubt ist. Mit dieser Überwurfmutter 3 wird vom unteren Ende des Gehäuses 6 aus eine Zwischen­ scheibe 4 und ein Düsenkörper 1, in welchem eine Düsennadel 2 geführt ist, gehalten. Sowohl die Zwischenscheibe 4 als auch der Düsenkörper 1 weisen eine Mittelbohrung 35 auf, in der die Düsennadel 2 in axialer Richtung verschiebbar geführt ist. An ihrem Ende liegt im gezeichneten Zustand die Düsenna­ del 2 an einem ringförmigen Düsensitz 36 an, in dessen Be­ reich Düsenlöcher 37, 35 vorgesehen sind, die die Düsennadel 2 verschließt. Am anderen Ende ist die Düsennadel 2 mit einem Druckbolzen 5 versehen, der in einem im Gehäuse 6 vorgesehe­ nen Federraum 30 angeordnet ist und von einer im Federraum 30 angeordneten Düsenfeder 7 beaufschlagt wird, so daß die Düsennadel 2 leicht in Richtung auf den Düsensitz 36 vorge­ spannt wird und diesen verschließt. Das andere Ende der Düsenfeder 7 liegt an dem dem Druckbolzen 5 gegenüberliegen­ den Ende des Federraums 30 an, wobei dazwischen eine Ein­ stellscheibe 9 zur Einstellung der Düsenfedervorspannkraft angeordnet ist. Mit dem Druckbolzen 5 steht an einem Ende ein Schließkolben 8 in Verbindung, der teilweise von der Düsenfe­ der 7 umfaßt wird und an seinem anderen Ende in Bereich eines ersten Druckraums 11 endet.

Mit dem Gehäuse 6 ist im oberen Teil der Einspritzdüse eine Ansteuereinrichtung für die Düsennadel 2 fest verbunden. Im Inneren des Ansteuergehäuses ist ein hydraulisch übersetzter Piezoantrieb vorgesehen, der aus einem Piezoaktor 20 besteht, der in einem Verschluß 21 gelagert ist, wobei dieser durch einen O-Ring 22 abgedichtet ist. Ein Sicherungsring 24 si­ chert den Piezoaktor 20 im Ansteuergehäuse in axialer Rich­ tung. Die elektrische Verbindung zum Piezoaktor 20 wird über die elektrischen Anschlüsse 23 hergestellt. Der Piezoaktor 20 liegt an einem Primärkolben 19 an, der auf eine Tellerfeder 16, die einen großen Durchmesser aufweist, einwirkt. Im Inneren des Primärkolbens 19 ist ein Sekundärkolben 39 vorge­ sehen, der mit einer Ventilnadel 27 fest verbunden ist. Im Sekundärkolben 39 ist eine kleine Feder 17 vorgesehen, die zwischen einer Innenfläche des Primärkolbens 19 und dem Sekundärkolben 39 angeordnet ist und die Ventilnadel 27 auf einen Ventilsitz 40 drückt, der mit einer Sekundärdrossel 32 in Verbindung steht. Die Sekundärdrossel 32 steht mit dem ersten Druckraum 11 in Verbindung, der außerdem über eine Primärdrossel 14 und eine Bohrung 13 mit dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffzulauf 11 in Verbindung steht. Der Kraftstoffzulauf 12 steht über eine Zulaufbohrung 10 mit einem zweiten Druckraum 41 in Verbindung, der durch eine Ausnehmung im Gehäuse 6 im Bereich der Düsennadel 2 gebildet ist, wobei die Düsennadel in diesem Bereich stufenartig abgesetzt ist, so daß dadurch Steuerflächen für die Düsenna­ del 2 gebildet werden.

Der Raum 31 im Bereich des Ventilsitzes 40 bildet einen Entlastungsraum sowie im Bedarfsfall eine weitere Drossel zur Formung der Einspritzung und steht mit einem Niederdruckzu­ lauf 29 in Verbindung, mit dem außerdem eine Leckagebohrung 33, die in den Federraum 30 mündet, verbunden ist. Weiter steht der Niederdruckzulauf 29 mit einem Füllzulauf 34 zum Arbeitsraum 28 des Piezoantriebs und einer Entlastungsbohrung 18 über einen Leckageraum 26 mit einem Rücklauf 25 in Verbin­ dung.

Die Funktionsweise des Einspritzventils ist wie folgt.

Es sei zunächst angenommen, daß der Piezoaktor 20 spannungs­ los ist. Damit liegt die Ventilnadel 27 aufgrund der Kraft der Feder 17 im Sekundärkolben 39 auf ihrem Sitz 40 an, wodurch die Sekundärdrossel 15 verschlossen und somit die Verbindung zum Niederdruckzulauf 29 unterbrochen ist. Der Hochdruck liegt damit über die Primärdrossel 14 an der oberen großen Fläche des Schließkolbens 8 an. Weiter liegt der Hochdruck an der abgestuften kleineren wirksamen Fläche der Düsennadel 2 im zweiten Druckraum 41 an, so daß aufgrund der wirksamen Flächen die Düsennadel 2 (auch ohne die Wirkung der Feder 7) auf ihren Sitz 36 gedrückt wird, der die Düsenöff­ nungen 37, 38 verschließt. Über eine Bohrung 15 und die Sekundärdrossel 32 liegt der Hochdruck außerdem am Ventilsitz 40 an.

Wird nun die Ventilnadel 27 geöffnet, so entweicht durch die Sekundärdrossel 32 ein Kraftstoff-Volumenstrom. Ist dieser Volumenstrom größer als der durch die Primärdrossel 14 zuge­ führte Volumenstrom, so sinkt der Druck im ersten Druckraum 11 oberhalb des Schließkolbens 8, so daß die Düsennadel 2 öffnet, wodurch die Einspritzung des Kraftstoffs freigegeben wird. Wird die Ventilnadel 27 geschlossen, so erhöht sich der Druck im ersten Druckraum 11 und die Düsennadel 2 wird wieder auf ihren Sitz 36 gedrückt.

Die Antriebseinrichtung für die Ventilnadel 27 arbeitet wie folgt.

Zum Öffnen der Ventilnadel 27 wird der Piezoaktor 20 geladen. Dabei dehnt er sich aus und schiebt den Primärkolben 19 gegen die Kraft der Tellerfeder 16 nach unten. Der Arbeits­ raum 28 ist vollständig mit Kraftstoff gefüllt, wodurch der Sekundärkolben 39 mit der Ventilnadel 27 gegen die Federkraft der Feder 17 nach oben bewegt wird. Dadurch wird das Ventil geöffnet. Bei Entladen des Piezoaktors 20 wird die Ventilna­ del 27 entsprechend wieder geschlossen.

Der Temperaturausgleich bzw. die Grundstellung des Ventils wird über definierte Spalte zwischen Ventilnadel 27 und Primärkolben 19 und zwischen Primärkolben 19 und Sekundärkol­ ben 27 erreicht. Um eine ständige vollständige Befüllung des Arbeitsraums 28 zu gewährleisten, bleibt der Rücklauf 25 am Einspritzventil immer mit einem Niederdruck beaufschlagt.

Claims (12)

1. Einspritzventil für Kraftstoffeinspritz-Systeme, mit

• - einer in einem Ventilgehäuse (1) angeordneten Düsennadel (2), die zumindest eine Einspritzdüsenöffnung (37, 38) öffnen und schließen kann,
• - einem Kraftstoffzulauf (12), der über jeweils einen Druck­ raum (11, 41) mit zwei unterschiedlichen Steuerflächen der Düsennadel (2) hydraulisch in Verbindung steht, und
• - einer Ansteuereinrichtung, die eine Ventilnadel (27) an­ steuert, um eine der Steuerflächen zur Steuerung der Kraft­ stoff-Einspritzung druckmäßig zu entlasten, dadurch gekennzeichnet, daß
• - einer der Druckräume (11) mit dem Kraftstoffzulauf (12) über eine Primärdrossel (14) sowie mit einem Entlastungsraum (31) über eine Sekundärdrossel (32) in Verbindung steht.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sekundärdrossel (32) durchflußgeregelt ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sekundärdrossel (32) steuerbar ist.

4. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durchflußgeregelte Sekundärdrossel (32) durch die Ventilnadel (27) angesteuert wird.

5. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Entlastungsraum (31) als weitere Dros­ sel ausgebildet ist.

6. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ansteuereinrichtung eine piezoelektri­ sche Ansteuereinrichtung ist.

7. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Primär- und Sekundärdrossel (14, 32) so ausgelegt ist, daß der beim Öffnen der Ventilnadel (27) sich einstellende Kraftstoff-Volumenstrom durch die Sekundärdros­ sel (32) größer ist als durch die Primärdrossel (14).

8. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilnadel (27) als Sitzventil ausge­ bildet ist, das den Öffnungsgrad der die dem Druckraum (11) abgewandten Öffnung der Sekundärdrossel (32) regelt.

9. Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die piezoelektrische Ansteuereinrichtung hydraulisch übersetzt ist.

10. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilnadel (27) kraftschlüssig mit einem Sekundärkolben (39) der piezoelektrischen Ansteuerein­ richtung verbunden ist.

11. Einspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilnadel (27) formschlüssig mit dem Sekundärkolben (39) der piezoelektrischen Ansteuereinrichtung verbunden ist.

12. Einspritzventil nach Anspruch 1 und 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Ventilnadel (27) und dem Ventilgehäuse (1) sowie zwischen einem die Ansteuerein­ richtung aufweisenden Primärkolben (19) und Sekundärkolben (39) sowie zwischen Primärkolben (19) und dem Ventilgehäuse (1) Spalte vorgesehen sind, über die eine geringe Leckage stattfinden kann, wodurch ein Arbeitsraum (28) immer mit Flüssigkeit gefüllt ist und daß bei Wärmedehnungen die pie­ zoelektrische Ansteuereinrichtung eine spielausgeglichene, mit Druckspannung vorgespannte und eindeutig definierte Ausgangslage hat.