DE19947772A1

DE19947772A1 - Einspritzventil, insb. für Common-Rail-Einspritzsysteme

Info

Publication number: DE19947772A1
Application number: DE1999147772
Authority: DE
Inventors: Hermann Golle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2001-04-19
Also published as: CN1377444A; WO2001025608A3; CZ20021171A3; WO2001025608A2; AU1381101A; EP1218630A2

Abstract

Einspritzventile für Diesel- oder Ottomotoren werden in großen Stückzahlen eingesetzt und sollen deshalb einen einfachen Aufbau bei exakter hydraulischer Steuerung besitzen. DOLLAR A Derzeitig gebräuchliche Ventile sind einfach aufgebaut, haben aber keine exakte Steuerung. Vorgeschlagene Systeme versprechen bessere hydraulische Steuerungen, besitzen aber meist einen komplizierten Aufbau. DOLLAR A Die Aufgabe besteht in der Schaffung eines einfach aufgebauten Einspritzventils mit exakter Steuerung durch den hydraulischen Systemdruck. DOLLAR A Am Steuerraum (6) des Einspritzventils, an dem herkömmlich eine gesteuerte Auslassdrossel (10) und eine ungesteuerte Einlassdrossel angeordnet sind, wird auch an der Einlassdrossel ein Ventil (13) angeordnet und beide Ventile (10; 13) werden zugleich durch ein und dasselbe Stellglied (14; 26) betätigt. Dabei kann das Stellglied (14; 26) direkt oder über zwischengeschaltete Hebel (25), die auch eine Wegvergrößerung ergeben, die Ventile (10; 13) betätigen. DOLLAR A Das Einspritzventil ist besonders geeignet für Common-Rail-Systeme in Diesel- und Ottomotoren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für Diesel- und Ottodirekteinspritzsysteme, welche nach dem Common-Rail- Prinzip arbeiten. Solche Ventile arbeiten mit einem Kraftstoffdruck von 1300 bar oder höher (im Falle des Dieselverfahrens). Durch eine hydraulische Steuerung wird die Einspritzmenge abhängig von den Motorparametern zugemessen. Die Ansteuerung des Systems erfolgt dabei durch schnelle Elektromagnete oder piezokeramische Aktoren.

Der technische Stand und die Nachteile der derzeitigen hydraulischen Steuerung werden anhand der Zeichnung nach Fig. 5, die einen Längsschnitt durch ein herkömmlisches Einspritzventil eines Common-Rail-Systems zeigt, beschrieben.

Dem Einspritzventilkörper 1 wird durch den Zulaufanschluss 2 der Kraftstoff mit hohem Druck zugeführt. Mit diesem Kraftstoffdruck wird über den Zuführkanal 3 einerseits die Einspritzdüse 4, andererseits über die Einlassdrossel 5 der Steuerraum 6 beaufschlagt. Der Steuerkolben 7 hat direkten Kontakt mit der Düsennadel 8 in der Einspritzdüse 4. Infolge des größeres Flächenverhältnisses des Steuerkolbens 7 zur Druckschulter der Düsennadel 8 bleibt die Einspritzdüse 4 geschlossen, eine Einspritzung findet nicht statt.

Um die Einspritzung einzuleiten, wird durch das elektrische System (magnetisch bzw. piezokeramisch), hier stellvertretend dargestellt durch den Bolzen 9, das Steuerventil 10 geöffnet und damit über die Auslassdrossel 11 der Steuerraum 6 entlastet. Somit kann der hohe, auf die Druckschulter der Düsennadel 8 wirkende Kraftstoffdruck dieselbe anheben, wodurch die Einspritzung eingeleitet wird. Diese findet solange statt, bis das elektrische System bzw. eine Federkraft das Steuerventil 10 schließt und der über die Einlassdrossel 5 nachfließende Kraftstoff den Druck im Steuerraum 6 wieder erhöht und dadurch die Düsennadel 8 geschlossen wird. Es wird also das Schließen der Düsennadel 8 und damit die Beendigung des Einspritzvorganges hydraulisch unterstützt.

Es ist dabei nachteilig, dass nach Öffnen der Auslassdrossel 11, also beim Einspritzvorgang, die Einlassdrossel 5 in voller Größe geöffnet bleibt, so dass bei der beabsichtigenden Entlastung des Steuerraumes 6 hochgespannter Kraftstoff in diesen Steuerraum 6 nachfließt. Dies verhindert ein schnelles Reagieren des Systems und führt zu einem beträchtlichen energetischen Verlust. Allein durch dieses unexakte Arbeitsprinzip treten hydraulische Steuerverluste bis zu 15% der Gesamtverlustleistung auf.

Es sind bereits Ausführungen von Einspritzventilen vorgeschlagen worden, mit denen die genannten Nachteile beseitigt werden sollen. Solche Ausführungen wie z. B. DE 197 16 220, besitzen querliegende Doppelsitzventile und haben neben einem fertigungstechnisch hohen Aufwand auch komplizierte Steuersysteme.

In anderen Fällen, wie z. B. DE 44 17 950, ist das Steuerventil außerhalb des eigentlichen Einspritzventils angeordnet und die Düsennadel besteht mit anderen Bauteilen aus einem Stück, ist also für schnelle Einspritzungen nicht geeignet.

Auch weitere bekannte Ausführungen weisen komplizierte Steuersysteme auf.

Einspritzventile für Common-Rail-Systeme werden aber in großen Mengen benötigt. Sie müssen deshalb technologisch übersichtlich und einfach aufgebaut sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei fertigungstechnisch einfachem Aufbau das hydraulische Steuersystem zu verbessern, um besonders bei den zukünftig noch stärker unterteilten Einspritzvorgängen (Multijet-System) präzise und schnelle Steuervorgänge ausführen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein das Ventil an der Auslassdrossel betätigendes Stellglied zugleich ein erfindungsgemäß an der Einlassdrossel angeordnetes Ventil öffnet und schließt, wobei das Stellglied beide Ventile direkt oder über die Zwischenschaltung von Hebeln steuert. Heim Einsatz eines piezokeramischen Aktors kann es dabei vorteilhaft sein, dass der Aktor zur Systemmitte des Injektorkörpers desaxiert angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen dargestellt. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Einspritzventil, wobei die Steuerung vorzugsweise durch einen Elektromagneten erfolgt,

Fig. 2 den oberen Abschnitt aus der Fig. 1, wenn keine Einspritzung stattfindet,

Fig. 3 den gleichen Abschnitt, wenn eine Einspritzung stattfindet,

Fig. 4 den gleichen Abschnitt, wenn der Injektor durch einen piezokeramischen Aktor gesteuert wird,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein herkömmliches Einspritzventil.

Im ersten Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 1 den Einspritzventilkörper 1, in welchem ein Zylinder 12 eingesetzt ist. In diesem Zylinder 12 ist ein Steuerkolben 7 und die Auslassdrossel 11 mit dem Auslasssteuerventil 10 angeordnet. Der Steuerkolben 7 ist direkt mit der Düsennadel 8 in der Einspritzdüse 4 verbunden. Erfindungsgemäß ist bei der Einlassdrossel ebenfalls ein Steuerventil angeordnet, das Einlasssteuerventil 13. Ein besonders gestalteter, als Stellglied fungierender Stellzapfen 14 betätigt zugleich beide Ventile. Dabei wird das Auslasssteuerventil 10 direkt gesteuert, während das Einlasssteuerventil 13 mittels eines Druckstiftes 15 von einer am Stellzapfen 14 befindlichen Steuerkante 16 betätigt wird. Ein und derselbe Stellzapfen 14 steuert somit auf einfachste Weise beide Steuerventile.

In Fig. 2 bis 4 ist der obere Abschnitt des Einspritzventils vergrößert dargestellt. Der hochgespannte Kraftstoff wird durch den Zulaufanschluss 2 über den Zuführkanal 3 einerseits der Einspritzdüse 4, andererseits dem Ventilraum 17 des Einlasssteuerventils 13 zugeführt. In der Darstellung nach Fig. 2 soll keine Einspritzung stattfinden. Demzufolge hält der Stellzapfen 14, belastet durch eine Federkraft, das Auslasssteuerventil 10 geschlossen, während die Steuerkante 16 über den Druckstift 15 das Einlasssteuerventil 13 geöffnet hält. Somit liegt der hohe hydraulische Druck über den Kanal 18 im Steuerraum 6 an und der Steuerkolben 7 hält die Einspritzdüse 4 geschlossen.

Wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Elektromagnet den Stellzapfen 14 angehoben hat, öffnet sich das Auslasssteuerventil 10 und der Steuerraum 6 einschließlich des Kanales 18 werden entlastet. Zugleich gibt die Steuerkante 16 den Druckstift 15 frei und infolge des abgefallenen Druckes im Steuerraum 6 schließt das Einlasssteuerventil 13, unterstützt von einer 1. Druckfeder 19, schlagartig. Somit kann kein hochgespannter Kraftstoff in den Steuerraum 6 nachfließen, so dass dieser sehr schnell entlastet wird. Die hydraulische Steuerung des Systems arbeitet demzufolge exakter, die hydraulische Verluststeuermenge wird deutlich verringert. Der aus dem Steuerraum 6 abfließende Kraftstoff gelangt über die (oder mehrere) Ablaufbohrung 20 in einen Raum niedrigen Druckes, in welchen über den Rücklaufkanal 21 auch der Leckkraftstoff aus der Einspritzdüse 4 und der Paarung Steuerkolben 7/Zylinder 12 zurückfließt.

Für den Abschluss der Einspritzung wird der Stellzapfen 14 in seine untere Stellung bewegt. Er schließt das Auslasssteuerventil 10 und über seine Steuerkante 16 und den Druckstift 15 wird zugleich das Einlasssteuerventil 13 geöffnet. Der hohe hydraulische Druck belastet über den Kanal 18 wieder schlagartig den Steuerkolben 7 und die Einspritzdüse 4 wird, wie es für den Abschluss der Einspritzung erforderlich ist, sehr schnell geschlossen.

In der Fig. 4 ist das zweite Ausführungsbeispiel mit einem piezokeramischen Aktor als Steuereinheit dargestellt. Das Auslasssteuerventil 10 ist dabei als nach innen öffnendes Ventil ausgebildet, welches entgegen einer 2. Druckfeder 22 durch einen Stößel 23 geöffnet wird. Der piezokeramische Aktor 24 ist desaxiert zur Mitte des Einspritzventilkörpers 1 angeordnet. Ein zweiarmiger Hebel, vorzugsweise als Winkelhebel 25 ausgebildet, ist zwischen dem, als Stellglied dienenden Aktorstößel 26 und den Steuerventilen 10 und 13 derart eingeschaltet, dass beide Ventile wechselseitig im vorher beschriebenen Sinne betätigt werden. Im Zustand "keine Einspritzung" ist das Auslasssteuerventil 10 geschlossen und das Einlasssteuerventil 13 geöffnet, im Steuerraum 6 liegt über dem Kanal 18 der hohe hydraulische Arbeitsdruck an. Im Zustand "Einspritzung" hat der Aktorstößel 26 den Winkelhebel 25 derart betätigt, dass, durch die Desaxierung des Aktors verstärkt, das Auslasssteuerventil 10 geöffnet und das Einlasssteuerventil 13 geschlossen wird.

Beim Abschluss der Einspritzung gibt der Aktorstößel 26 den Winkelhebel 25 frei, das Ventil 10 wird geschlossen und das Ventil 13 geöffnet. Dabei kann eine, in Fig. 4 nicht dargestellte Feder beliebiger Bauart die Rückführung des Winkelhebels 25 unterstützen.

Die Steuerventile 10 und 13 können abweichend von den Darstellungen in Fig. 1 bis 4 auch in anderer Weise gestaltet sein. So kann das Einlasssteuerventil 13 und der Druckstift 15 zusammengefasst auch z. B. als geführtes Kegelsitzventil ausgeführt sein. Auch das Auslasssteuerventil 10 und der Stößel 23 können als ein einziges Bauteil gestaltet werden.

Bezugszeichenliste

1

Einspritzventilkörper

2

Zulaufanschluss

3

Zuführkanal

4

Einspritzdüse

5

Einlassdrossel

6

Steuerraum

7

Steuerkolben

8

Düsennadel

9

Bolzen

10

Auslasssteuerventil

11

Auslassdrossel

12

Zylinder

13

Einlasssteuerventil

14

Stellzapfen

15

Druckstift

16

Steuerkante

17

Ventilraum

18

Kanal

19

1. Druckfeder

20

Ablaufbohrung

21

Rücklaufkanal

22

2. Druckfeder

23

Stößel

24

Aktor

25

Winkelhebel

26

Aktorstößel

Claims

1. Einspritzventil, insb. für Common-Rail-Einspritzsysteme, mit einem direkt mit der Düsennadel in Verbindung stehenden Steuerkolben, der durch hochgespannten Kraftstoff im Takt des Einspritzverlaufes durch Einschaltung von Drosseln und Öffnen bzw. Schließen von Steuerventilen be- und entlastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Auslasssteuerventil (10) betätigendes Stellglied (14; 26) zugleich ein in unmittelbarer Nähe eines Steuerraumes (6) angeordnetes und im diesen Steuerraum (6) umgebenden Zylinder (12) liegendes Einlasssteuerventil (13) öffnet und schließt, wobei das Stellglied (14; 26) mindestens zwei Steuerventile (10; 13) betätigt.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlasssteuerventil (13) durch das Stellglied (14; 26) über eine am Stellglied (14) befindliche Steuerkante (16) direkt oder über einen dem Stellglied (26) nachgeschalteten zweiarmigen Winkelhebel (25) betätigt ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, dass das Einlasssteuerventil (13) in den Weg vom in den Zylinder (12) hinein verlängerten Zuführ kanal (3) und dem zum Steuerraum (6) führenden Kanal (18) eingeschaltet ist.

4. Einspritzventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass bei Einsatz eines piezokeramischen Aktors (24) als Steuereinheit die Achse des Aktors (24) zur Systemmitte des Einspritzventilkörpers (1) desaxiert angeordnet ist.