DE10132248C2 - Kraftstoffinjektor mit 2-Wege-Ventilsteuerung - Google Patents
Kraftstoffinjektor mit 2-Wege-VentilsteuerungInfo
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Description
Bei Hochdruckeinspritzsystemen für direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschinen
werden den Brennräumen einer Verbrennungskraftmaschine Kraftstoffinjektoren zugeord
net, die mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt werden. An Kraftstoffinjek
toren können 3/2-Wege-Ventile eingesetzt werden, die zusammen mit einem 2/2-Wege-
Ventil eingebaut werden. Eine Zusammenschaltung eines 3/2-Wege-Ventils mit einem 2/2-
Wege-Ventil ist gängige Praxis, jedoch mit hohem Aufwand hinsichtlich der Abstimmung
der Ventile aufeinander verbunden.
DE 197 01 879 A1 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftma
schinen. Diese umfasst einen von einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff befüllbaren ge
meinsamen Hochdrucksammelraum (Common Rail). Dieser ist über Einspritzleitungen mit
in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen
verbunden. Deren Öffnungs- und Schließbewegungen werden jeweils von einem elektrisch
angesteuerten Steuerventil gesteuert, welches als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet ist. Dieses
verbindet einen an einer Einspritzöffnung des Einspritzventils mündenden Hochdruckkanal
mit der Einspritzleitung oder einer Entlastungsleitung. Dabei ist am Steuerventilglied des
Steuerventils ein mit Kraftstoffhochdruck befüllbarer hydraulischer Arbeitsraum vorgese
hen, der zur Verstellung der Einstellposition des Steuerventilgliedes des Steuerventils in
einen Entlastungskanal aufsteuerbar ist. Der Arbeitsraum des Steuerventilgliedes ist als ein
mit Kraftstoffhochdruck befüllbarer hydraulischer Arbeitsraum ausgebildet, der das Steu
erventilglied entgegen einer an diesem angreifenden hydraulischen Öffnungskraft in
Schließrichtung eines Durchströmquerschnittes zwischen Einspritzleitung und Hochdruck
kanal beaufschlagt und der in einen Entlastungsraum aufsteuerbar ist. Dazu ist das Steuer
ventilglied von einer schräg verlaufenden Drosselbohrung durchzogen und über diesen
ständig mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Die in das Steuerventil
glied integrierte, in einem kleineren Drosselquerschnitt ausgebildete Zulaufdrossel ist hin
sichtlich ihrer Herstellung und Feinbearbeitung aufwändig zu fertigen.
DE 197 44 518 A1 zeigt ein massereduziertes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftma
schinen. Dieses umfasst einen in einem Ventilkörper angeordneten, axial verschiebbaren
Ventilkörper, welcher an seinem dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten
Ende eine konische Ventildichtfläche aufweist, mit der es mit einer konischen Ventilsitz
fläche am Ventilkörper zur Steuerung eines Einspritzquerschnittes zusammenwirkt. Dabei
ist das Ventilglied über eine Innenführung gleitverschiebbar auf einem Zapfen eines ortsfe
sten Einsatzkörpers geführt. Die Öffnungs- und Hubbewegung des Ventilkörpers wird da
bei in vorteilhafter Weise durch mechanische Hubanschlagflächen am Zapfen eines ortsfe
sten Einsatzkörpers begrenzt. Das den Steuerraum in einen Entlastungsraum aufsteuernde
Steuerventil kann dabei als 2/2-Wege-Magnetventil ausgebildet sein, alternativ können
aber auch 2/3-, 3/2- oder 3/3-Steuerventile eingesetzt werden.
JP 2000 130284 A offenbart einen Kraftstoffinjektor für Dieselmotoren. Der Kraftstoffin
jektor umfasst eine Düsennadel, die über einen Steuerraum beaufschlagt ist. Der Steuer
raum ist über eine eine Ablaufdrossel enthaltenden Entlastungskanal druckentlastbar. Die
Druckänderung im Steuerraum erfolgt über ein Schaltventil. Die Druckbeaufschlagung des
Steuerraumes über die Zulaufdrossel und die des Düsenraumes sind über ein weiteres
Schaltventil steuerbar. Das Schaltventil führt einen Hub vor dem weiteren Schaltventil aus.
DE 197 42 320 A1 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil. Zugleich mit der Druc
kentlastung des Steuerraumes erfolgt eine Öffnung eines Ventilgliedes eines Sicherheits
ventiles, so dass beim Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils unter hohem Druck stehender
Kraftstoff über eine Druckleitung von einem Hochdruckspeicher zu den Einspritzöffnun
gen des Kraftstoffeinspritzventiles gelangt. Nach Ende der Einspritzung wird das Ventil
glied des Sicherheitsventiles wieder geschlossen, was zusammen mit dem Schliessen des
Kraftstoffeinspritzventilgliedes, welches als Düsennadel beschaffen sein kann, erfolgt.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist ein hub-/druckgesteuerter Kraftstoffinjektor reali
sierbar, der einfach aufgebaut ist. Durch einen Vorhub, der zwischen den 2/2-Wege-
Ventilen vorgesehen ist, lässt sich eines der 2/2-Wege-Ventile, d. h. das auf der Druckspei
cherseite angeordnete Ventil schalten, ohne dass das Zweite, einen Leckölablauf freigeben
de 2/2-Wege-Ventil betätigt wird. Erst wenn in Durchschalterichtung des Ventilstellers
gesehen, ein Vorhub überwunden ist, wird das zweite 2/2-Wege-Ventil in seine Öffnungs
stellung geschaltet; bis dahin bleibt der Steuerraum des erfindungsgemäß konfigurierten
Kraftstoffinjektors von der Niederdruckseite, d. h. dem Leckölablauf abgeschlossen, die
Düsennadel verbleibt durch das im Steuerraum herrschende hohe Druckniveau in ihrer
Schließstellung.
Wird der Vorhubweg zwischen dem ersten 2/2-Wege-Ventil und dem zweiten 2/2-Wege-
Ventil hingegen überwunden, öffnet das zweite 2/2-Wege-Ventil zum Lecköl und der
Kraftstoffinjektor ist hubgesteuert. Werden hingegen die beiden 2/2-Wege-Ventile direkt
vom Steller in ihre Öffnungsstellung durchgeschaltet, arbeitet der Kraftstoffinjektor druck
gesteuert. Es muss sichergestellt sein, dass durch die Auslegung der fertigungstechnisch
besonders einfach herstellbaren Drosselelemente zur Druckentlastung und Druckbeauf
schlagung des Steuerraums des Kraftstoffinjektors dessen Druckentlastung gewährleistet
ist. Zu diesem Zweck ist die Ablaufdrossel mit größerer Querschnittsfläche ausgelegt und
ermöglicht einen größeren Kraftstoffdurchfluss als die Zulaufdrossel, die in einem mittels
des ersten 2/2-Wege-Ventils aufsteuerbaren, mit einer Hochdruckquelle verbundenen Zu
lauf aufgenommen ist.
Die die Düsennadel im Injektorgehäuse beaufschlagende Dichtfeder, bevorzugt als Spiral
feder ausgebildet, gibt die Öffnung der Einspritzdüse nach Erreichen eines dem Düsenöff
nungsdruck entsprechenden Druckes pD,OE frei. Mit der den Düsenraum durchsetzenden
Druckschulter wirkt der im Düsenraum aufgebaute Druck ab Erreichen des Öffnungs
druckniveaus der Schließkraft der Dichtfeder entgegen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein Schema eines Injektorkörpers, dessen Steuer- und Düsenraum
über zwei mittels eines Aktors betätigbare 2/2-Wege-Ventile betätigbar sind.
Fig. 1 ist die Prinzipskizze eines Kraftstoffinjektors mit einem Düsenraum und einem
Steuerraum entnehmbar, mit zwei 2/2-Wege-Ventilen, die mittels eines Stellers, beispiels
weise eines Piezoaktors betätigbar sind.
In einem Injektorkörper 1 eines Kraftstoffinjektors zum Einspritzen von Kraftstoff in den
Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ist ein Steuerraum 2 vorgesehen. Über die
sen wird eine hier nur schematisch wiedergegebene Düsennadel 3 im Injektorkörper 1 be
tätigt. Der Steuerraum 2 im Inneren des Injektorkörpers 1 ist neben der Stirnfläche 4 durch
eine Steuerraumwandung 5 begrenzt.
Vom Steuerraum 2 erstreckt sich eine Entlastungsleitung 6 mit darin aufgenommenem
Ablaufdrosselelement 7 zu einem Schaltventil 27. Der Steuerraum 2 im Inneren des Injek
torkörpers 1 wird über einen hochdruckseitigen Zulauf 8 mit darin integriertem Zulauf
drosselelement 9 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt. In den hochdruck
seitigen Zulauf 8, der sich vom Steuerraum 2 zu einer hier schematisch dargestellten
Hochdruckquelle 20 erstreckt, ist ein erstes Schaltventil 21 zwischengeschaltet. Vom
hochdruckseitigen Zulauf 8 zweigt ein Düsenraumzulauf 17 ab, über welchen ein die Dü
sennadel 3 umgebender Düsenraum 15 ebenfalls mit unter hohem Druck stehenden Kraft
stoff beaufschlagbar ist.
Die Düsennadel 3 stützt sich über ein Federelement 11 im Injektorkörper 1 des Kraftstoff
injektors ab. Das Federelement 11 stützt sich dazu einerseits an einem Anschlagring 10 am
Injektorkörper 1 ab, während sich das dem Anschlagring 10 gegenüberliegende Ende des
Federelementes 11 an einem Absatz 12 der Düsennadel 3 abstützt. Die Düsennadel 3 ist in
dem Bereich, in welchem sie vom Düsenraum 15 ringförmig umschlossen ist, mit einer
Druckschulter 14 versehen. Am dem Brennraum zugewandten Ende der Düsennadel 3
kann die Düsennadel 3 mit einem kegelförmig auslaufenden Ende 16 versehen sein, über
welches die hier nicht dargestellten, in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
hineinragenden Einspritzöffnungen je nach Hubbewegung der Düsennadel 3 im Injektor
körper 1 freigegeben bzw. verschlossen sind. Dem Düsenraumzulauf 17 sowie der sich zur
Niederdruckseite 19 des Kraftstoffinjektors erstreckenden Entlastungsleitung 6 können
jeweils Drosselelemente zugeordnet sein, die als Zusatzleckage dienen. Mit Position 18.1
kann dem Düsenraumzulauf 17 ein Drosselelement zur Darstellung einer Zusatzleckage
zugeordnet sein; in alternativer Ausführungsform kann dieses in Position 18.2 auch der
Entlastungsleitung. 6 in den Niederdruckbereich 19 des Kraftstoffinjektors zugeordnet wer
den.
Von der hier schematisch angedeuteten Hochdruckquelle 20 erstreckt sich der hochdruck
seitige Zulauf 8 zum Steuerraum 2, wobei der Zulauf 8 vor einem in diesem vorgesehenen
Zulaufdrosselelement 9 in einen Düsenraumzulauf 17 abzweigt, über welchen der die Dü
sennadel 3 im Bereich der Druckschulter 14 umgebende Steuerraum 15 mit unter hohem
Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt wird. Im hochdruckseitigen Zulauf ist ein erstes
Schaltventil 21 vorgesehen, welches bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil beschaffen ist. Das
erste Schaltventil 21 lässt sich in eine Schließstellung 22 sowie in eine Öffnungsstelle 23
schalten. Die dem Steuerraum 2 zuweisende Seite des hochdruckseitigen Zulaufs 8 ist mit
Bezugszeichen 25 gekennzeichnet; Bezugszeichen 24 identifiziert die der Hochdruckquelle
20 zuweisende Seite des ersten, bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgestalteten Schaltventils
21. Das erste Schaltventil lässt sich über einen Steller 26 betätigen, der einerseits als ein
Piezoaktor 26 oder andererseits als ein Magnetventil beschaffen sein kann.
Dem genannten ersten, bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgestalteten Schaltventil 21 liegt
ein weiteres Schaltventil 27 gegenüber, welches ebenfalls bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil
beschaffen sein kann. Dieses nimmt eine mit Bezugszeichen 28 bezeichnete Schließstel
lung sowie eine mit Bezugszeichen 29 gekennzeichnete Öffnungsstellung ein. Die dem
Steuerraum 2 zuweisende Seite des weiteren Schaltventils 27 ist mit Bezugszeichen 31
gekennzeichnet, während die dem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors zuweisende
Seite des weiteren Schaltventils 27 mit Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist. Von dieser
verläuft die Entlastungsleitung 6 in Richtung des Niederdruckbereiches 19 des Kraftstof
finjektors gemäß der schematischen Wiedergabe in Fig. 1.
Zwischen dem ersten, bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildeten Schaltventil 21 und
dem weiteren Schaltventil 27 ist ein Vorhub 33 eingestellt. Der Vorhub 33 bezeichnet den
Abstand zweier Kontaktflächen 34, die an den verstellbaren Ventilkörpern des ersten, be
vorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgestalteten Schaltventils 21 und am weiteren, zweiten
Schaltventil 27 ausgebildet sind. Über den dem ersten Schaltventil zugeordneten Steller 26,
der entweder ein Piezoaktor oder ein Magnetventil sein kann, werden das erste Schaltventil
21 sowie das weitere Schaltventil 27 in Durchschalterichtung 32, den zwischen den Kon
taktflächen 34 eingestellten Vorhub 33 überbrückend, betätigt.
Am ersten, bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildeten Schaltventil 21 liegt an dessen
der Hochdruckquelle 20 zugewandter Seite 24 dauernd Kraftstoffhochdruck an. Am weite
ren Schaltventil 27, welches analog zum ersten Schaltventil 21 bevorzugt als 2/2-Wege-
Ventil ausgestaltet sein kann, liegt dauernd Lecköldruckniveau an. Wird der dem ersten
Schaltventil 21 und dem weiteren Schaltventil 27 zugeordnete Steller 26, beispielsweise
ausgestaltet als ein Piezoaktor, bestromt, öffnet das erste Schaltventil 21 von seiner in
Fig. 1 dargestellten Schließstellung 22 in die mit Bezugszeichen 23 gekennzeichnete Öff
nungsstellung. Der in der Hochdruckquelle 20 anstehende Druck wirkt somit auf den
hochdruckseitigen Zulauf 8 und damit wohl auf den Steuerraum 2 sowie über den Düsen
raumzulauf 17 auf den Düsenraum 15, welcher die Düsennadel 3 umschließt. Solange der
Steller 26 in Durchschalterichtung 32 gesehen so betätigt wird, dass der zwischen Kontakt
flächen 34 eingestellte Vorhub 33 nicht überschritten wir, bleibt das weitere Schaltventil
27 in Schließstellung 28, d. h. es findet keine Druckentlastung des Steuerraums 2 über die
Entlastungsleitung 6 auf die Niederdruckseite 19 des Injektors statt.
Erfolgt hingegen in diesem Zustand eine Öffnung des zweiten Schaltventils 27 von seiner
Schließstellung 28 in seine Öffnungsstellung 29, ist eine Verbindung zwischen der Entla
stungsleitung 6 und der Niederdruckseite 19 des Kraftstoffinjektors gegeben, d. h. der In
jektor wirkt nun hubgesteuert. Dabei ist wichtig, dass die in der Entlastungsleitung 6 auf
genommene Ablaufdrossel 7 sowie im hochdruckseitigen Zulauf 8 aufgenommene Zulauf
drossel 9 so abgestimmt sind, dass über diese Drosselelemente 7, 8 eine Druckentlastung
des Steuerraum/Düsennadelsystems des Injektors gewährleistet ist.
Wird der dem ersten Schaltventil 21 zugeordnete Steller 26, zum Beispiel ein Piezoaktor
oder ein Magnetventil hingegen in Durchschalterichtung 32 so betätigt, dass sowohl das
ersten Schaltventil 21 in seine Öffnungsstellung 23 als auch das weitere Schaltventil 27 in
seine Öffnungsstellung 29 überführt werden, ist der Steuerraum 2 im Injektorkörper 1
kurzgeschlossen und der Kraftstoffinjektor wirkt druckgesteuert. Das Federelement zwi
schen Anschlagring 10 und Absatz 12 an der Düsennadel 3 ist in seiner Schließkraft so
bemessen, dass diese auf den erforderlichen Düsenöffnungsdruck eingestellt ist. Die in
diesem Falle als Düsenhalterfeder fungierende Dichtfeder 11 fungiert bei durchgeschalte
tem ersten Schaltventil 21 sowie durchgeschaltetem weiteren Schaltventil 27 als Düsen
halterfeder und gibt im druckgesteuerten Betriebsmodus des Kraftstoffinjektors gemäß der
Darstellung in Fig. 1 die Einspritzöffnungen im Kegelbereich 16 der Düsennadel 3 nach
Überschreiten des Düsenöffnungsdruckes an der Druckschulter 14 frei.
Die mit der skizzierten Ausführungsvariante erzielbaren Vorteile sind u. a. darin zu sehen,
dass sich ein sehr einfach aufgebauter Kraftstoffinjektor realisieren läßt. Durch die Ver
wendung von zwei 2/2-Wege-Ventilen als erstes Schaltventil 21 und weiteres Schaltventil
27, wobei zwischen diesen beiden Schaltventilen 21 bzw. 27 in Durchschalterichtung 32
gesehen in Vorhub 33 eingestellt ist, lässt sich der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor
sowohl als ein hubgesteuerter als auch als ein druckgesteuerter Injektor betreiben. Die
Realisierung dieser Betriebsmodi ist sonst lediglich durch ein 3/2-Schaltventil in Kombi
nation mit einem 2/2-Wege-Ventil realisierbar, wobei ein erhöhter Aufwand zu betreiben
ist.
Durch das Vorsehen zusätzlicher Leckagedrosseln an den Positionen 18.1 bzw. 18.2 lässt
sich das Auslegungsverhältnis der in der Entlastungsleitung 6 aufgenommenen Ablauf
drossel 7 bzw. des in der im hochdruckseitigen Zulauf 8 aufgenommenen Drosselelementes
9 entsprechend variieren, so dass alle Zeit gewährleistet ist, dass eine Druckentlastung der
Hochdruckseite des Kraftstoffinjektors gewährleistet werden kann.
1
Injektorkörper
2
Steuerraum
3
Düsennadel
4
Stirnfläche
5
Steuerraumwandung
6
Entlastungsleitung
7
Drosselelement
8
hochdruckseitiger Zulauf
9
Zulaufdrosselelement
10
Anschlagring
11
Federelement
12
Absatz
13
Führungsabschnitt
14
Druckschulter
15
Düsenraum
16
Düsenkegel
17
Düsenraumzulauf
18
erste Position Zusatzleckage
18.2
zweite Position Zusatzleckage
19
Leckölablauf (Niederdruckseite)
20
Hochdruckquelle
21
erstes 2/2-Wege-Ventil
22
Schließstellung
23
Öffnungsstellung
24
Speicherseite
25
Injektorseite
26
Steller
27
zweites 2/2-Wege-Ventil
28
Schließstellung
29
Öffnungsstellung
30
Leckölseite
31
Injektorseite
32
Durchschalterichtung
33
Vorhub
34
Kontaktfläche
Claims (7)
1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbren
nungskraftmaschine mit einer Düsennadel (3), die im Injektorkörper (1) zwischen
einer Einspritzöffnungen freigebenden und einer Einspritzöffnungen verschließen
den Stellung durch Druckaufbau bzw.. Druckabbau in einem Steuerraum (2) betä
tigbar ist, der Steuerraum (2) leckölseitig über eine eine Ablaufdrossel (7) enthal
tende Entlastungsleitung (6) und über einen hochdruckseitigen Zulauf (8) beauf
schlagbar ist, der gleichzeitig einem Düsenraum (15) unter hohem Druck stehenden
Kraftstoff zuführt, wobei ein erstes Schaltventil (21) im hochdruckseitigen Zu
lauf (8) vor dessen Verzweigung in Steuerraumzulauf und Düsenraumzulauf (17)
und ein weiteres Schaltventil (27) im Ablauf vom Steuerraum (2) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltventile (21, 27) in Durchschalterich
tung (32) gesehen, über einen gemeinsamen Steller (26) betätigbar sind, wobei bei
Betätigung durch den gemeinsamen Steller (26) zunächst das erste Schaltventil (21)
in seine Öffnungsstellung (23) geschaltet wird und erst nach Überwinden eines Vorhu
bes (33) auch das weitere Schaltventil (27) in seine Öffnungsstellung (29) geschaltet wird.
2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste
Schaltventil (21) und das weitere Schaltventil (27) jeweils als 2/2-Wege-Ventile
ausgeführt sind.
3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel
(3) durch ein Federelement (11) beaufschlagt ist, dessen Schließkraft auf den Dü
senöffnungsdruck pT,OE eingestellt ist.
4. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller (26)
als ein Piezoaktor ausgebildet ist.
5. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller (26)
als ein Magnetventil beschaffen ist.
6. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Öffnungs
stellung (23) des ersten Schaltventils (21) der Steuerraum (2) und der Düsenraum
(15) über den hochdruckseitigen Zulauf (8) mit einer Hochdruckquelle (20) ver
bunden sind, die Düsennadel (3) jedoch noch geschlossen ist.
7. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei weiterer
Betätigung des ersten Schaltventils (21) über den Vorhub (33) hinaus und Stellen
des weiteren Schaltventils (27) in Öffnungsstellung (29) die Düsennadel (3) öffnet.
Priority Applications (5)
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---|---|---|---|
DE10132248A DE10132248C2 (de) | 2001-07-04 | 2001-07-04 | Kraftstoffinjektor mit 2-Wege-Ventilsteuerung |
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