DE19732802A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Kraftstoffeinspritzvorrichtung für BrennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs
1 aus. Bei einer durch die DE-C1-195 19 192 bekannten
Kraftstoffeinspritzvorrichtung dieser Art ist das
Steuerventil als einfach wirkendes Flachsitzventil ausgebil
det, das mit seiner Dichtfläche den Austritt des Abflußka
nals aus dem Steuerraum steuert. Das Ventilglied dieses
Steuerventils wird dabei durch einen Kolben, der die Druck
schulter aufweist, betätigt. Der Kolben stützt sich über
eine Druckfeder an einem zweiten Kolben ab, der seinerseits
durch den Piezoantrieb verstellbar ist und mit seiner
Stirnfläche, der Druckschulter nebengeordnet, den hydrau
lischen Druckraum begrenzt. Dieses bekannte Steuerventil
arbeitet so, daß es entweder den Abflußkanal öffnet oder
verschließt. Dem entsprechend nimmt das Einspritzventilglied
des Kraftstoffeinspritzventils entweder eine geöffnete oder
eine geschlossene Stellung ein.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat dagegen
den Vorteil, daß zwei Ventilsitze im Laufe des Abflußkanals
vorgesehen sind, und der Schließkörper mit seinen Dichtflä
chen vom einen Ventilsitz bei Betätigung durch den Piezo
antrieb zum anderen Ventilsitz in einer einzigen Bewe
gungsabfolge verstellt wird, wobei nach einem anfänglichen
Verschluß des Abflußkanals dieser zwischenzeitlich über den
Ventilraum geöffnet wird und anschließend wieder verschlos
sen wird. Dies führt in der Bewegungsabfolge des Schließ
körpers eine sehr kurzzeitige Entlastung des Steuerraumes
herbei, was ein Öffnen des Kraftstoffeinspritzventilglieds
mit ebenfalls sehr kurzzeitigen Kraftstoffeinspritzung zur
Folge hat. Auf diese Weise können vorteilhaft sehr kleine
Einspritzmengen gesteuert werden, die durch den Bewegungs
ablauf des Schließkörpers vom einen zum anderen Ventilsitz
bestimmt ist. Dieser Bewegungsablauf ist wesentlich von
einer einzigen Erregung des Piezoantriebs abhängig und kann
deshalb auf einen sehr kurzen Zeitraum begrenzt sein. Der
Zeitbedarf für diese Einspritzung läßt sich technisch
wesentlich kleiner halten, als wenn mit einer Kraftstoffein
spritzvorrichtung der gattungsgemäßen Art das Steuerventil
für denselben Vorgang der Voreinspritzung zweimal mit einer
ersten Erregung des Piezoantriebs geöffnet wird und dann
durch Abbau der Erregung geschlossen wird. Dieses Schalten
macht jedesmal eine zeitraubende Bewegungsumkehr des
Steuerventilglieds erforderlich und es ist ferner noch eine
Zeitkomponente miteinzurechnen, die für die jeweilige
Änderung des Erregungszustandes des Piezoantriebs
erforderlich ist. Somit ist die Verlustzeit für die
Steuerung der Einspritzfolge Vor- und Haupteinspritzung bei
der erfindungsgemäßen Lösung wesentlich geringer.
Dabei ist es gemäß der erfindungsgemäßen Kraftstoff
einspritzvorrichtung möglich, durch entsprechende Dosierung
der Erregung des Piezoantriebs den Schließkörper in einer
Zwischenstellung zu halten, in der über der vorstehenden
Arbeitsweise längere Zeit eine Entlastung des Steuerraums
erfolgt und über die dann die gewünschte Haupteinspritzmenge
im Anschluß an die in der vorbeschriebenen Weise
eingebrachten Voreinspritzmenge sowie einer Einspritzpause
zur Einspritzung gelangen kann. Mit der erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzvorrichtung läßt sich somit in höchst
genauer Weise eine Einspritzung verwirklichen bei der exakt
sehr kleine Kraftstoffvoreinspritzmengen zur Einspritzung
kommen, exakt ein Zeitraum zwischen Voreinspritzung und
Haupteinspritzung eingehalten werden kann und in der Folge
in der üblichen Weise ebenfalls sehr genau dosiert die
Haupteinspritzung bewirkt wird.
In vorteilhafter Weise wird dabei gemäß Patentanspruch 2 der
Hub des Schließkörpers mit der Stellgeschwindigkeit durch
den Piezoantrieb so abgestimmt, daß die gewünschte Vorein
spritzmenge erzielt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Patentansprüchen 3 bis 9 gegeben. Sie werden anhand der
Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
wiedergegeben und wird nachfolgend näher beschrieben. Es
zeigen Fig. 1 die schematische Darstellung einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannter Art, Fig. 2 die
Ausgestaltung des Steuerventils für die Kraftstoffein
spritzvorrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 3 den
Bewegungsablauf des Ventilglieds des Steuerventils aufgetra
gen über den Hubverlauf des Einspritzventilgliedes des
Kraftstoffeinspritzventils.
Fig. 1 zeigt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannter
Art mit einem Kraftstoffeinspritzventil 1, das ein
Einspritzventilgehäuse 2 aufweist mit einer Bohrung 3, in
der ein Einspritzventilglied 5 geführt ist. Dieses weist an
seinem einen Ende eine kegelförmige Dichtfläche 6 auf, die
mit einem kegelförmigen Ventilsitz 7 am Ende der Bohrung
zusammenwirkt. Stromabwärts von des Ventilsitzes 7 sind
Kraftstoffeinspritzöffnungen 8 angeordnet, die beim
Aufsetzten der Dichtfläche 6 auf dem Ventilsitz 7 von einem
Druckraum 9 getrennt werden. Der Druckraum 9 erstreckt sich
über einen Ringraum 10 um den sich an die Dichtfläche 6
stromaufwärts anschließenden Teil 11 des Einspritzventil
glieds mit kleinerem Durchmesser zum Ventilsitz 7 hin. Der
Druckraum 9 ist über eine Druckleitung 12 in ständiger
Verbindung mit einer Kraftstoffhochdruckquelle 14. Im
Bereich des Druckraumes 9 geht der im Durchmesser kleinere
Teil 11 des Einspritzventilglieds mit einer zum Ventilsitz 7
weisenden Druckschulter 16 in einem im Durchmesser größeren
Teil 18 des Einspritzventilglieds über. Dieser ist in der
Bohrung 3 dicht geführt und setzt sich auf der der
Druckschulter 16 abgewandten Seite in einem Verbindungsteil
19 fort bis hin zu einem kolbenförmigen Ende 20 des
Einspritzventilglieds. Im Bereich des Verbindungsteils hat
dieses einen Federteller 22, zwischen dem und dem Gehäuse 1
des Kraftstoffeinspritzventils eine Druckfeder 21
eingespannt ist, die das Kraftstoffeinspritzventilglied in
Schließstellung beaufschlagt.
Das kolbenartige Ende 20 begrenzt mit einer Stirnseite 24
deren Fläche größer ist als die der Druckschulter 16, im
Gehäuse 2 des Kraftstoffeinspritzventils einen Steuerraum
25, der über eine erste Drossel 26 in ständiger Verbindung
mit der Kraftstoffhochdruckquelle 14 ist und über eine
zweite in einem Abflußkanal 28 angeordnete Drossel 27 zu
einem Entlastungsraum 29 verbunden ist. Der Durchgang des
Abflußkanals 28 wird durch ein Steuerventil 31 gesteuert,
mit dem der Abflußkanal entweder geöffnet oder geschlossen
wird.
Das Steuerventil 21 in der nun erfindungsgemäß ausgestalte
ten Ausführung ist der Fig. 2 zu entnehmen. Dort ist
wiederum das kolbenartige Ende 20 des Einspritzventilgliedes
gezeigt, das den Steuerraum 25 im Kraftstoffeinspritzventil
gehäuse 2 begrenzt. In den Steuerraum mündet ein die erste
Drossel 26 enthaltender Zuflußkanal 33, so daß der Steuerraum
25 ständig mit der Kraftstoffhochdruckquelle 14 verbunden
ist. Koaxial zum kolbenförmigen Ende 20 führt vom Steuerraum
25 der Abflußkanal 28 mit der zweiten Drossel 27 ab. Der
Abflußkanal mündet dabei in einen Ventilraum 35 und weist an
der Einmündung in diesen eine ersten Ventilsitz 36 auf, der
vorzugsweise als kegelförmiger Ventilsitz ausgebildet ist.
Mit diesem wirkt eine ebenfalls kegelförmig ausgebildete
erste Dichtfläche 37 eines Schließkörpers 38 zusammen, der
in dem Ventilraum 35 verstellbar angeordnet ist und auf
seiner der ersten Ventilfläche 37 abgewandten Seite eine
zweite, ebenfalls kegelförmige Dichtfläche 39 aufweist, die
bei entsprechender Stellung des Schließkörpers 38 mit einem
zweiten Ventilsitz 40, der ebenfalls kegelförmig ausgebildet
ist, zusammen wirkt.
Der Schließkörper 38 befindet sich am Ende eines Stößels 42,
der in einer Führungsbohrung 43 im Gehäuse 2 des Kraftstoff
einspritzventils geführt ist. Die Führungsbohrung 43 endet
in einem Ringraum 44, der sich zwischen der Führungsbohrung
43 und dem zweiten Ventilsitz 40 bzw. der zweiten Dicht
fläche 39 erstreckt und von dem Stößel 42 und der Wand des
Gehäuses 2 begrenzt wird. Der Ringraum 44 steht in ständiger
Verbindung mit einem weiterführenden Teil 46 des
Abflußkanals, der zu dem Entlastungsraum 29 führt. Anderen
endes mündet die Führungsbohrung 43 in einen Federraum 48,
innerhalb dem der Stößel 42 einen Federteller 49 aufweist,
zwischen dem und dem Gehäuse 2 des Kraftstoffeinspritz
ventils sich eine Druckfeder 50 abstützt, die den Stößel
zusammen mit seinem Schließkörper in Richtung zum ersten
Ventilsitz 36 hin beaufschlagt. Aus dem Federraum 48 heraus
führt der Stößel weiter in einer Führungsbohrung in einen
hydraulischen Druckraum 52, der von einem ersten Kolben 53
am Ende einer Zylinderbohrung 54, die der Führung dieses
Kolbens dient, eingeschlossen ist. Koaxial zu dem ersten
Kolben 53 ist ein zweiter Kolben 56 in einer Sackbohrung 57
des ersten Kolbens geführt, der mit seiner ersten als
Druckschulter wirkenden Stirnseite 58 und zusammen mit der
nebengeordneten Stirnseite 59 des ersten Kolbens 53 als
bewegliche Wand den Druckraum 52 begrenzt. Die zweite
Stirnseite 60 des zweiten Kolbens 56 schließt in der
Sackbohrung 57 einen ersten Entlastungsbereich 61 ein, der
durch eine Bohrung 62 durch den Boden des ersten Kolbens 53
in einen zweiten Entlastungsbereich 62 übergeht.
Auf der der Stirnseite 59 des ersten Kolbens 53 abgewandten
Stirnseite 64, die in der Zylinderbohrung den Entlastungsbe
reich 62 begrenzt, wirkt als Antrieb ein Piezoantrieb 65,
der in bekannter Weise aus mehreren Elementen zusammen
gesetzt werden kann und durch eine hier nicht weiter
gezeigte Steuereinrichtung erregt bzw. entregt wird und bei
Erregung eine Längenausdehnung mit hoher Kraftwirkung
erfährt, die auf den ersten Kolben 53 übertragen wird.
Der erste Kolben 53 wird durch eine Tellerfeder 66, die in
dem hydraulischen Druckraum 52 angeordnet ist, in ständiger
Anlage an dem Piezoantrieb 65 gehalten. In der in der Fig.
2 gezeigten Stellung ist der Piezoantrieb 65 nicht erregt
und es wird der Stößel 42 durch die Druckfeder 50 so beauf
schlagt, daß die erste Dichtfläche 37 in dichter Anlage am
ersten Ventilsitz 36 ist und somit der Steuerraum 25
geschlossen ist. Demzufolge stellt sich dort der Druck ein,
der auch in der Kraftstoffhochdruckquelle 14 herrscht, wegen
der ständigen Verbindung zwischen dieser und dem Steuerraum
25 über den Zuflußkanal 33. Dieser hohe Druck belastet das
Einspritzventilglied so, daß es entgegen der an der
Druckschulter 16 wirkenden Druckkräfte in Schließstellung
gehalten wird, unterstützt durch die Druckfeder 21.
Wird nun der Piezoantrieb erregt, so wird der erste Kolben
53 verschoben, was den Druck im hydraulischen Druckraum 52
erhöht, so daß in der Folge wegen des auf die Stirnseite 58
des zweiten, mit dem Stößel 42 verbundenen Kolbens 56
wirkenden Drucks dieser ausweicht und weiter in die
Sackbohrung 57 eintaucht, wobei er Kraftstoff aus dem ersten
Entlastungsbereich 61 in den zweiten Entlastungsbereich 62
verdrängt. Dieser hat sich im Volumen vergrößert und unter
stützt dabei die Eintauchbewegung des zweiten Kolbens in die
Sackbohrung 57. Der Vorgang hat wiederum zur Folge, daß sich
der Stößel 42 gegen die Kraft der Druckfeder 50 verschiebt
und dabei den Schließkörper 38 vom ersten Ventilsitz 36
abhebt. In dem Moment erfolgt eine Entlastung des
Steuerraums 25, da der Abflußkanal 28 mit dem weiterfüh
renden Abflußkanalteil 46 durch die nunmehr offenen Ventil
sitze 36 und 40 verbunden ist. Ist die Erregung des
Piezoantriebs 65 so groß, daß der Stößel 42 den
Schließkörper 38 mit seiner zweiten Dichtfläche 39 an den
zweiten Ventilsitz 40 zur Anlage bringt, so erfolgt ein
Wiederverschluß des Abflußkanals, was zur Folge hat, daß im
Steuerraum 25 nach zwischenzeitlicher Entlastung wieder der
volle Druck der Kraftstoffhochdruckquelle aufgebaut wird.
Wird dieser vorstehend beschriebene Vorgang in dieser Weise
ausgeführt, so wird zwischen dem Öffnen am ersten Ventilsitz
36 und dem Wiederschließen des Abflußkanals am zweiten
Ventilsitz 40 der Steuerraum 25 kurzzeitig entlastet. Dies
hat zur Folge, daß auch das Einspritzventilglied 5 entlastet
wird und kurzzeitig in eine zumindest teilgeöffnete Stellung
bewegt wird. Damit kann, den kurzen Entlastungszeitraum
zugrundegelegt, eine sehr kleine Kraftstoffeinspritzmenge
zur Einspritzung gelangen. Am zweiten Ventilsitz 40
angelangt hält der Schließkörper in der Folge den
Abflußkanal 28-46 verschlossen, und durch den Druckaufbau im
Steuerraum 25 wird das Einspritzventilglied 5 wieder
bleibend in Schließstellung gebracht. Anschließend an diese
sehr kleine Kraftstoffeinspritzung, die vorzugsweise eine
Voreinspritzmenge sein kann, kann in der Folge nach einer
Spritzpause der Steuerraum 25 zur Betätigung des
Einspritzventilglieds für eine Haupteinspritzung wieder
entlastet werden, indem der Piezoantrieb so angesteuert
wird, daß der Schließkörper 38 in einer Zwischenstellung
zwischen dem ersten Ventilsitz 36 und dem zweiten Ventilsitz
40 verharrt. Dies ist der besondere Vorzug eines
Piezoantriebes, daß er auch Zwischenpositionen entsprechend
einer Erregung einnehmen kann. Diese Zwischenposition wird
nun solange beibehalten, bis die erforderliche
Haupteinspritzmenge eingespritzt ist und dann die Erregung
des Piezoantriebs beispielsweise ganz aufgehoben, so daß der
Stößel mit Schließkörper 38 unter Einwirkung der Druckfeder
50 wieder in Schließstellung am ersten Ventilsitz 36
gelangt.
In der Fig. 3 ist die Bewegungsabfolge des Steuerventils in
dem oberen Kurvenzug dargestellt und die Bewegungsabfolge
des Kraftstoffeinspritzventilglieds 5 in dem unteren Kurven
zug wiedergegeben. In dem oberen Kurvenzug erkennt man, daß
bei einer Erregung des Piezoantriebs am Punkt 0 der Abszisse
der Stößel 42 über die Zeit von ha aus einen negativen Hub
zurücklegt bis bei der Höhe h0 der Schließkörper 38 an den
zweiten Ventilsitz 40 gelangt ist. Über diesen Hub ergibt
sich im darunterliegenden Diagramm eine Einspritzventil
gliedbewegung V entsprechend einer Voreinspritzung. Nach
einer Zeitpause P, über die mit einem gewissen
Nachlaufverhalten das Kraftstoffeinspritzventilglied 5
wieder in Schließstellung gelangt ist, erfolgt
beispielsweise eine Teilerregung des Piezoantriebs, was den
Stößel 42 auf ein Zwischenniveau hz bewegt, so daß beide
Ventilsitze 36 und 40 geöffnet sind. Die resultierende Ent
lastung des Steuerraums 25 ergibt den Nadelhub H des Ein
spritzventilglieds 5 für die Haupteinsritzung. Bei weiterer
Entregung des Piezoantriebs gelangt der Stößel 42 unter
Einwirkung der Druckfeder wieder in Ausgangsstellung
entsprechend den Hub ha. Das Einspritzventilglied schließt
im Nachlaufverhalten, was auch in der dynamischen
Entlastung des Steuerraums 25 und die Auslegung der Drosseln
26 und 27 begründet ist.
Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung lassen sich kleinste
Einspritzmengen für einen Betrieb einer Brennkraftmaschine
mit Voreinspritzung und Haupteinspritzung erzielen. Dabei
hat diese Anordnung den besonderen Vorteil, daß eine Erre
gung des Piezoantriebs nur dann stattfindet, wenn eine
Einspritzung erfolgen soll. Der Piezoantrieb ist somit über
den größten Teil des Betriebs der Brennkraftmaschine
stromlos und es ist eine Bereitstellung von elektrischer
Energie nur für die Einspritzvorgänge erforderlich.
Claims (9)
1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschi
nen mit einer Kraftstoffhochdruckquelle, aus der ein
Kraftstoffeinspritzventil (1) mit Kraftstoff versorgt
wird, das ein Einspritzventilglied (5) zur Steuerung
von Einspritzöffnungen (8) und einen Steuerraum (25)
aufweist, der von einer beweglichen Wand (24), die mit
dem Einspritzventilglied (5) wenigstens mittelbar ver
bunden ist, begrenzt wird und der einen mittels einer
Drossel (26) dimensionierten von einer Hochdruckquelle,
vorzugsweise von der Kraftstoffhochdruckquelle kommen
den Zuflußkanal (33), und einem Abflußkanal (28, 46)
mit definiertem maximalen Abflußquerschnitt (27) zu
einem Entlastungsraum (29) aufweist, an welchem Abfluß
kanal ein Ventilsitz (36) eines Steuerventils (31) aus
gebildet ist, das ein von einer Feder (50) zum Ventil
sitz (36) hin beaufschlagtes, mit einer mit dem Ventil
sitz (36) zusammenwirkenden Dichtfläche (37) versehenes
Ventilglied (42, 38) aufweist, das an seinem der Dicht
fläche (37) abgewandten Ende eine zum Ventilsitz (36)
hin gerichtete Druckschulter (58) hat, die einen
hydraulischen Druckraum (52) begrenzt, der andererseits
durch eine von einem Piezoantrieb (65) betätigte beweg
liche Wand (59) geschlossen wird, deren Fläche größer
ist als die Fläche der Druckschulter dadurch gekenn
zeichnet, daß das Ventilglied (42, 38) einen in einer
Führungsbohrung (43) geführten Stößel (42) hat, an
dessen einem aus der Führungsbohrung (43) herausragen
den Ende die Druckschulter (58) und an dessen anderem
aus der Führungsbohrung herausragenden Ende ein
Schließkörper (38) angeordnet ist, der in einem Ventil
raum (35) durch den Stößel (42) hin- und herbewegbar
ist und auf seiner zum Steuerraum (25) hinweisenden
Seite die eine, erste, mit dem einen, ersten Ventilsitz
(36) zusammenwirkende Dichtfläche (37) hat und eine
zweite, auf seiner der ersten Dichtfläche (37) abge
wandten Seite liegende Dichtfläche (39) hat, die mit
einem zweiten dem ersten Ventilsitz (36) gegenüber
liegenden Ventilsitz (40) am Abflußkanal (28, 43)
zusammenwirkt, wobei der Abstand zwischen dem ersten
(36) und dem zweiten Ventilsitz (40) so groß ist, das
der Schließkörper (38) in einer Zwischenstellung an
keinem der Ventilsitze in Anlage ist und über den
Ventilraum (35) eine Verbindung zwischen den an den
Ventilsitzen anschließenden Abflußkanalteilen (28, 43)
hergestellt ist.
2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Schließkörper
(38) von seiner Anlage an dem einen der Ventilsitze bis
zur Anlage an dem anderen der Ventilsitze so groß ist,
das unter Berücksichtigung der Stellgeschwindigkeit des
Schließkörpers bei der während dieser Verstellung vom
einem zum anderen der Ventilsitze entstehenden Verbin
dung der Abflußkanalteile miteinander bis zur Unterbre
chung dieser Verbindung bei Anlage des Schließkörpers
an einem der Ventilsitze eine eine Voreinspritzung
bewirkende Entlastung des Steuerraumes erfolgt.
3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vor
stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
erste Ventilsitz (36) als Kegelventilsitz ausgebildet
ist.
4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ventilsitz (40)
als Kegelsitz ausgebildet ist.
5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ventilsitz als
Kugelsitz ausgebildet ist.
6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ventilsitz als
Flachsitz ausgebildet ist.
7. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vor
stehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schließkörper als Kugel ausgebildet ist.
8. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die
Führungsbohrung (43) in einen Ringraum (44) mündet, der
zwischen dem aus der Führungsbohrung austretenden
Stößel (42), dem zweiten Ventilsitz (40) und der Wand
des Gehäuses (1) des Einspritzventils gebildet wird und
von dem der Abflußkanal (43) zum Entlastungsraum (29)
abführt.
9. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die
Druckschulter (58) an einem mit dem Stößel (42) verbun
denen ersten Kolben (56) angeordnet ist, der in einer
Bohrung (57) eines zweiten in einer Zylinderbohrung
(54) geführten Kolbens (53) verschiebbar ist, welcher
mit seiner neben der Druckschulter (58) liegenden
Stirnfläche (59) den hydraulischen Raum (52) ein
schließt und durch eine Feder (66) in Anlage an dem
andererseits angeordneten Piezoantrieb (65) gehalten
wird.
Priority Applications (9)
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