DE19950779A1

DE19950779A1 - Hochdruckkraftstoffinjektor mit hydraulisch gesteuertem Steuerschieber

Info

Publication number: DE19950779A1
Application number: DE19950779A
Authority: DE
Inventors: Jaroslaw Hlousek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-04-26
Also published as: KR20010093168A; US6382189B1; CN1179123C; EP1144862B1; RU2256816C2; EP1144862A1; JP2003512565A; CN1327516A; DE50014473D1; WO2001029410A1; KR100703921B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen. Ein Hochdruckspeicher (common rail) ist über ein 3/2-Wege-Ventil 3 mit einer Einspritzdüse 2 verbindbar, wobei das 3/2-Wege-Ventil 3 ein Steuerventilglied 5 aufweist, das eine Versorgungsleitung 28 mit einer Hochdruckleitung 9 oder einer in einen Vorratstank 24 mündenden Entlastungsleitung 13 verbindet. Das Steuerventilglied 5 ist an seinen Endbereichen, Anschlägen 8, 18 gegenüberliegend, mit den Hub des Steuerventilgliedes 5 dämpfenden Elementen 7, 21; 6, 22 versehen.

Description

Technisches Gebiet

Bei Hochdruckkraftstoffeinspritzanlagen kommen 3/2-Wege-Ventile zum Einsatz, die Steuerschieber umfassen, deren Hubbewegung den Einspritzverlauf beein flußt. Die Steuerschieber führen im Gehäuse eines 3/2-Wege-Ventils Hubbewe gungen aus, wobei die Sitzflächen und Steuerkanten des Steuerschiebers hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind.

Stand der Technik

Bei 3/2-Wege-Ventilen sind die Steuerschieber, die die Kraftstoffzufuhr zur Ein spritzdüse freigeben und absperren, von einem Gehäuse umschlossen. Steuer schieber und Gehäusebohrungen sind in engsten Durchmessertoleranzen ausge führt, um eine möglichst genaue Kraftstoffdosierung zu erzielen und Leckage verluste gering zu halten. Die Dosierung des Kraftstoffes erfolgt über ablauf- und zulaufseitige Steuerkanten und ist abhängig vom Hub des Steuerschiebers im Ge häuse des 3/2-Wege-Ventils. Die mechanischen Belastungen an den Sitzflächen sind sehr hoch, da die Bewegungen des Steuerschiebers weitestgehend unge dämpft erfolgen.

Führen die Steuerschieber in den 3/2-Wege-Ventilgehäusen nur kleine Hubbewe gungen aus, so kann wegen des geringen Hubweges nur eine begrenzte Beeinflus sung des Einspritzverlaufes erfolgen. Da der Verlauf der Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine jedoch von hoher Bedeutung für den Verlauf und die Vollständigkeit der Verbrennung innerhalb der Zylinder ist, erscheint eine For mung des Einspritzverlaufes zur Optimierung des Verbrennungsverlaufes und zur vollständigen Verwertung der inneren Energie des Kraftstoffes als vom Steuerhub des Steuerventilgliedes abhängiger Verfahrensparameter nicht hinnehmbar.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Endlagendämpfung des Steuerventil gliedes innerhalb des Gehäuses des 3/2-Wege-Ventils wird die Hubbewegung in den Endlagen derart gedämpft, daß die Lebensdauer dieses Bauteils innerhalb des 3/2-Wege-Ventilgehäuses erheblich ansteigt. Als hydraulisch wirkende Dämpfer lassen sich an den Endbereichen des Steuerschiebers zueinander jeweils abge setzte Durchmesserpaare ausbilden, mit denen in den die Endbereiche des Steuer schiebers umfassenden Kammern ein Druckgleichgewicht erzeugbar ist, durch welches die Hubbewegungen des Steuerschiebers jeweils gedämpft werden. Da mit läßt sich die Standzeit des als Steuerschieber fungierenden zylindrischen Ele mentes erheblich verlängern. Werden die den Endflächen des Steuerschiebers gegenüberliegenden Anschlagflächen als ebene Ringflächen ausgeführt, ist die Bearbeitung einerseits einfacher und andererseits ist die Verschleißfestigkeit einer solcherart ausgebildeten Anschlagfläche erheblich höher, verglichen mit einem Kegelsitz beispielsweise.

Zu Einspritzbeginn kann ein oberhalb der oberen Steuerkammer vorgesehener Aktor angesteuert werden, wodurch der Druck in der oberen Steuerkammer ge senkt wird, was wiederum den Steuerschieber in seine obere Endlage bewegt. Da durch wird der Zulauf zur Einspritzdüse geöffnet und diese mit dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt.

Bevorzugt wird das Steuerventilglied von einer Hülse umschlossen, die in das Gehäuse des 3/2-Wege-Ventils eingeschrumpft wird und somit im Reparaturfall leicht austauschbar ist. Das Gehäuse des Injektors läßt sich aus kostengünstigem Werkstoff fertigen, während bei dieser Variante lediglich die Hülse aus hochwer tigem Material gefertigt werden kann. Die Steuerkanten, die sich zwischen der in das Gehäuse des 3/2-Wege-Ventils eingeschrumpften Hülse und den Absätzen des Steuerventilglieds ergeben, sind mit engen Toleranzen gefertigt, so daß sich mi nimale Leckagen einstellen. Durch eine Überdeckung der Steuerkanten am Steu erventilglied und an der eingeschrumpften Hülse auf Ablauf und Zulaufseite des Steuerventilglieds sind niedrigste Leckageverluste erzielbar, die über eine Entla stungsleitung in den Kraftstofftank zurückgeführt werden können.

Eine Steuerung des Verlaufs der Einspritzung läßt sich über eine hubabhängige Drosselung herbeiführen, wird beispielsweise der Aktor oberhalb der oberen Steuerkammer als Piezo-Aktor ausgeführt. Am Steuerventilglied kann unterhalb der zulaufseitigen Steuerkante eine Stufe ausgeführt werden, mit der eine zulauf seitige Drosselung als Funktion des Hubes des Steuerventilgliedes erzielbar ist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im Detail erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 die zwischen Hochdruckspeicher und Einspritzdüse gestaltete, mo dular aufgebaute 3/2-Wege-Ventilanordnung,

Fig. 2 ein in einer eingeschrumpften Hülse bewegbares Steuerventilglied mit den Einspritzverlauf formender zulaufseitiger Stufe.

Ausführungsvarianten

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist die zwischen Hochdruckspeicher 1 (common rail) und Einspritzdüse 2 vorgesehene 3/2-Wege-Ventileinheit 3 angeordnet.

Von einem Kraftstofftank 24 erstreckt sich eine Versorgungsleitung zu einer Hochdruckpumpe 26, in die eine Rückströmleitung 27 mündet und welche einen Hochdruckspeicher 1 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Vom Hochdruckspeicher 1 aus erstrecken sich Versorgungsleitungen 28 zu den jeweiligen 3/2-Wege-Ventileinheiten 3, von denen einer hier detaillierter darge stellt ist. Mittels einer Steuereinheit 14 läßt sich sowohl der Hochdruckspeicher 1 ansteuern als auch ein Aktor 4, mit dem eine oberhalb des Steuerventilgliedes 5 angeordnete Steuerkammer 17 entspannbar ist.

Am Steuerventilglied 5, umschlossen von einer Hülse 1 S aus hochwertigem Werkstoff, eingeschrumpft in das Gehäuse 30, ist der obere Endbereich in einem Durchmesser 6 ausgeführt, während der sich unmittelbar an die Stirnfläche an schließende Bereich in einem dazu verminderten Durchmesser 22 ausgeführt ist. Im in Fig. 1 dargestellten Zustand ragt der obere Endbereich des Steuerventilglie des 5 mit den abgestuften Durchmessern 22, 6 in die Steuerkammer 17 hinein. Ist diese durch den unbestromten Aktor 4 und das 2/2-Wege-Ventil 55 geschlossen, wirkt die Durchmesserstufe 22, 6 als hydraulisches Dämpfungselement für das Steuerventilglied 5.

In Richtung auf den sich verjüngenden Mittelbereich des Steuerventilgliedes 5 befinden sich die zulaufseitigen Steuerkanten 19, 19', die bei Aufwärtsbewegung des Steuerventilgliedes 5 durch Entspannung der Steuerkammer 17 die zulaufsei tige Eintrittsöffnung zur Hochdruckleitung 9 an die Einspritzdüse 2 freigibt. Im geöffneten Zustand tritt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff durch die Versorgungsleitung 28 in die Hülse 15 ein und tritt durch die von den Steuerkan ten 19, 19' freigegebene Öffnung in die Hochdruckleitung 9 ein. Zu diesem Zeit punkt ist - durch die Überdeckung der Steuerkantenflächen 19, 19' und 20, 20' - die ablaufseitige Öffnung geschlossen, so daß keine Leckageverluste am Steuer ventil 5 auftreten. Nach erfolgter Einspritzung nimmt das Steuerventilglied 5 die in Fig. 1 dargestellte Position ein; die zulaufseitigen Steuerkanten 20, 20' sind geöffnet, der Kraftstoff kann durch die Absteuerbohrung 11, den Überströmka nal 12 im unteren Bereich des Steuerventilglieds 5 in die Entlastungsleitung 13 eintreten, die ihrerseits wieder in den Kraftstofftank 24 mündet.

Der den Überströmkanal 12 aufnehmende Teil des Steuerventilgliedes 5 ist in einem Durchmesser 7 ausgeführt, der von der Hülse 15 umschlossen ist, die in einem Durchmesser 7' ausgeführt ist, wodurch sich engste Toleranzen und da durch bedingt geringste Leckageverluste erzielen lassen. Unterhalb des im Durchmesser 7 ausgeführten Bereiches des Steuerventilgliedes 5 ist ein weiterer Durchmesserbereich 21 ausgeführt, der einen im Vergleich zum Durchmesser 7 etwas geringeren Durchmesser 21 aufweist. Analog zum oberen Endbereich des Steuerventilgliedes 5 ist in dem unteren Endbereich eine Durchmesserstufung 7, 21 ausgeprägt, die bei der Abwärtsbewegung des Steuerventilgliedes 5 als Dämp fungselement auf diesen wirkt und den vorzeitigen Verschleiß am unteren An schlag der Hülse 15 entgegenwirkt. Die Wirkungsweise des von der Hülse 15 umschlossenen Steuerventils 5 ist die folgende:

Beim unbestromten elektrischen Aktor 4 bleibt die Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher 1 (common rail) und der Einspritzdüse 2 unterbrochen. Der über die Versorgungsleitung 28 anstehende Kraftstoff unter hohem Druck steht am Steuerventilglied 5 an. Durch die enge Passung 7, 7' im Bereich der Steuer kanten 19, 19' wird die Eintrittsöffnung in die Hochdruckleitung 9 zur Einspritz düse 2 versperrt. Der Düsenraum 2 mitsamt der Entlastungsleitung 13, des Über strömkanals 12, der Absteuerbohrung 12 sowie der Bohrungen 10 und die Hoch druckleitung 9 bleiben drucklos. Wird die Steuerkammer 17 nach Betätigen des Aktors 4 über Ansteuerung des 2/2-Wege-Ventils 55 und Öffnen der Ventildros sel 16 entspannt, bewegt sich das Steuerventilglied 5 nach oben auf die Anlage fläche 18 zu. Durch die gestuften Durchmesser 6, 22 wird die Hubbewegung des Steuerventilgliedes 5 bei Annäherung an die obere ebene Ringfläche des Anschla ges 18 gedämpft. Der Durchflußquerschnitt am Durchmesser 6, d. h. das Spiel zwischen dem Steuerventilglied 5 und der Führungshülse 15 ist geringer bemes sen als der Querschnitt der Ventildrossel 16 im oberen Anschlag 18. Bei der Auf wärtsbewegung verschließen die ablaufseitigen Steuerkanten 20, 20' die Ablauf öffnung, während die zulaufseitigen Steuerkanten 19, 19' die Eintrittsöffnung in die Hochdruckleitung 9 freigeben. Während der aufwärts gerichteten Hubbewe gung des Steuerventilglieds 5 wird dessen Anschlag an die ringförmige Fläche 18 durch den abgestuften Durchmesser 6, 22 gedämpft. Während der Abwärtsbewe gung, die durch die Abschaltung des Aktors 4 erfolgt, wandert das Steuerventil 5 in Richtung auf den unteren Anschlag 8 hin und verschließt, da der hohe Druck nun auch in der Steuerkammer 17 anliegt, die Eintrittsöffnungen in die Hoch druckleitung 9 durch die abwärts bewegten Steuerkanten 19, 19'. Bei der Ab wärtsbewegung des Steuerventilgliedes 5 erfolgt ein Überströmen des Kraftstoffes über die Absteuerbohrung 11, den Überströmkanal 12 in die zum Vorratstank 24 führende Entlastungsleitung 13. Die Dämpfung der Abwärtsbewegung des Steu erventilgliedes S erfolgt durch die abgestuften Durchmesser 17, 22, die in der Dämpfungskammer 29 im unteren Bereich der Hülse 15 eine gleichermaßen dämpfende Wirkung auf die Hubbewegung des Steuerventilgliedes 5 in der dieses umschließenden Hülse 15 haben.

Das erfindungsgemäße 3/2-Wege-Ventil 3 kann direkt im Injektor aufgenommen oder als Montageeinheit ausgestaltet sein, die zwischen Hochdruckspeicher 1 (common rail) und der Einspritzdüse 2 eingebaut werden kann.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist ein in einer eingeschrumpften Hülse 15 be wegbares Steuerventilglied 5 mit den Einspritzverlauf formender zulaufseitiger Stufe 23 wiedergegeben.

Unterhalb der zulaufseitigen Steuerkanten 19, 19' am Steuerventilglied 5 ist eine beispielsweise konisch sich in Richtung auf den unteren Anschlag 8 verjüngende Stufe 23 dargestellt, mit der sich der Verlauf der Einspritzung durch Drosselung als eine Funktion des Hubes des Steuerventilgliedes 5 beeinflussen läßt. Eine weitere Formung und Beeinflussung des Einspritzverlaufes ließe sich durch eine variable Drosselung am 2/2-Wege-Ventil 55 realisieren, beispielsweise durch einen Piezo-Aktor. Durch geeignete Anordnung der zulaufseitigen Steuerkante 19, 19' und der ablaufseitigen Steuerkanten 20, 20' kann der Systemdruck in der er sten Öffnungsphase vermindert werden.

Eine Absicherung gegen das Auftreten einer unerwünschten, nicht kontrollierba ren Eintrittsmenge kann dadurch erfolgen, daß das Steuerventil 5 bei normalem Betrieb nicht bis zum Anschlage 18 hin bewegt wird, sondern daß der Kontakt zwischen dem oberen Bereich des Steuerventilgliedes 5 und der ringförmigen Fläche 18 nur bei Ausfall des Aktors 4 oder des 2/2-Wege-Ventiles 55 erfolgt. Im Falle eines Versagens dieser Bauteile kann die Absteuerbohrung 11 in die mit 11' bezeichnete Position verfahren, wodurch eine Druckentlastung der Einspritz düse 2 durch Abströmen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff über den Überströmkanal 12 und die Druckentlastungsleitung 13 in den Vorratstank 24 erfolgen kann. Dadurch werden bei Ausfall von Steuerkomponenten 4, 55 die verbleibenden Bauteile gegen zu hohe auftretende mechanische Belastungen ge schützt.

Bezugszeichenliste

1

Hochdruckspeicher (common rail)

2

Einspritzdüse

3

3/2-Wege-Ventil

4

Aktor

5

Steuerventilglied

6

Durchmesser

7

Durchmesser

7

' Führungsdurchmesser

8

Anschlag

9

Hochdruckleitung

10

Bohrung

11

Absteuerbohrung

12

Überströmkanal

13

Druckentlastungsleitung

14

Steuereinheit

15

Hülse

16

Ventildrossel

17

Steuerkammer

18

Anschlag

19

,

19

' Steuerkanten (zulaufseitig)

20

,

20

' Steuerkanten (ablaufseitig)

21

Dämpfungsdurchmesser

22

Dämpfungsdurchmesser

23

Steuerstufe

24

Kraftstofftank

25

Kraftstoffniveau

26

Hochdruckpumpe

27

Rückströmleitung

28

Versorgungsleitung

29

Dämpfungskammer

30

Gehäuse

55

2/2-Wege-Ventil

Claims

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem Hoch druckspeicher (1), welcher über ein 3/2-Wege-Ventil (3) mit einer Ein spritzdüse (2) verbindbar ist, wobei dieses ein Steuerventilglied (5) auf weist, das eine Versorgungsleitung (28) mit einer Hochdruckleitung (9) oder einer in einen Vorratstank (24) mündenden Entlastungsleitung (13) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventilglied 5 an seinen Endbereichen, Anschlägen (8, 18) gegenüberliegend, den Hub des Steuer ventilgliedes (5) dämpfende Elemente (7, 21; 61, 22) umfaßt.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die dämpfenden Elemente an den Endbereichen des Steuerventilglie des (5) jeweils als abgesetzte Durchmesser (7, 21; 6, 22) ausgebildet sind.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Endbereiche des Steuerventilgliedes (5) jeweils in Kam mern (17, 29) zur Dämpfung der Hubbewegung eintauchen.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Druck in der oberen Kammer (17) durch eine Ventildros sel (16) entspannbar ist.

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß eine das Steuerventilglied (5) umschließende Hülse (15) in das Ge häuse des 3/2-Wege-Ventils (3) eingeschrumpft ist.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die das Steuerventilglied (5) umschließende auswechselbare Hülse (15) aus hochwertigem Werkstoff besteht.

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß ein 2/2-Wege-Ventil (55) oberhalb der Steuerkammer (17) mittels eines elektrischen Aktors (4) angesteuert wird.

8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß eine vom Hub des Steuerventilgliedes (5) abhängige Drosselung einen hubgesteuerten Piezo-Aktor ermöglicht.

9. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die 3/2-Wege-Ventileinheit (3) modular zwischen einem Hoch druckspeicher (1) und einer Einspritzdüsenanordnung (2) untergebracht ist.

10. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß am Steuerventilglied (5) im Bereich der zulaufseitigen Steuer kante (19, 19') eine den Einspritzverlauf formende Stufe (23) ausgebildet ist.

11. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Mengenverluste bei Einspritzung durch Überdeckung der Steuerkanten (19, 19'; 20, 21) zwischen Steuerventilglied (5) und Hülse (15) minimiert sind.

12. Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Hochdruckspeicher (1) (common rail), welcher über ein 3/2-Wege-Ven til (3) mit Einspritzdüsen (2) verbindbar ist, wobei ein Steuerventil glied (5) vorgesehen ist, das eine Versorgungsleitung (28) mit einer Hoch druckleitung (9) oder mit einer in einen Vorratstank (24) mündenden Ent lastungsleitung (13) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer ventilglied (5) in seinen Endbereichen, den Anschlägen (8, 18) gegenüber liegend, den Hub des Steuerventilglieds (5) dämpfende Elemente (7, 21; 6, 22) umfaßt.