DE102004053271A1

DE102004053271A1 - Elektrohydraulisches Servoventil

Info

Publication number: DE102004053271A1
Application number: DE200410053271
Authority: DE
Inventors: Michael Kurz; Andreas Bertsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-11
Also published as: EP1655477A1; EP1655477B1; DE502005001239D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Servoventil (1) einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem elektrisch ansteuerbaren Schaltventil (3) und einem hydraulisch ansteuerbaren Steuerventil (4). Das Schaltventil (3) weist einen elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktor (5) und einen damit antriebsgekoppelten Aktorkolben (6) auf, der zumindest teilweise in einem Aktorkolbenraum (8) des Schaltventils (3) angeordnet ist und der eine Steuerraumverbindung (7) zwischen einem Steuerraum (9) des Steuerventils (4) und dem Aktorkolbenraum (8) steuert, wobei der Aktorkolbenraum (8) mit einem aktorseitigen Rücklauf (17) verbunden ist. Das Steuerventil (4) weist einen Steuerkolben (18) auf, der den Steuerraum (9) stirnseitig begrenzt und der eine Druckraumverbindung (20) zwischen einem steuerventilseitigen Rücklauf (22) und einem Druckraum (21) des Steuerventils (4) steuert. An den Druckraum (21) ist eine Steuerleitung (24) angeschlossen, die mit einem Druckübersetzer und/oder mit wenigstens einer Düsennadel so verbunden ist, dass eine Druckabsenkung in der Steuerleitung (24) den Druckübersetzer zur Erzeugung eines Einspritzdrucks und/oder die Düsennadel zum Öffnen wenigstens eines Spritzlochs ansteuert. DOLLAR A Um den Aktor (5) vor Druckspitzen zu schützen, ist der aktorseitige Rücklauf (17) an den steuerventilseitigen Rücklauf (22) angeschlossen, wobei der aktorseitige Rücklauf (17) ein zum ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Servoventil einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der DE 103 25 245.9 vom 24.06.2003 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung bekannt, die ein Servoventil der eingangs genannten Art aufweist. Das Servoventil umfasst ein elektrisch ansteuerbares Schaltventil sowie ein hydraulisch ansteuerbares Steuerventil. Das Schaltventil ist mit einem elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigbarem Aktor und mit einem damit antriebsgekoppelten Aktorkolben ausgestattet. Dieser Aktorkolben ist dabei zumindest teilweise in einem Aktorkolbenraum des Schaltventils angeordnet und steuert eine Steuerraumverbindung zwischen einem Steuerraum des Steuerventils und dem besagten Aktorkolbenraum. Desweiteren ist der Aktorkolbenraum mit einem aktorseitigen Rücklauf verbunden. Beim bekannten Servoventil begrenzt der Aktorkolben in seiner Schließstellung den Aktorkolbenraum an einer axialen Stirnseite.

Das Steuerventil ist mit einem Steuerkolben ausgestattet, der den genannten Steuerraum stirnseitig begrenzt und der eine Druckraumverbindung zwischen einem steuerventilseitigen Rücklauf und einem Druckraum des Steuerventils steuert. An diesen Druckraum ist eine Steuerleitung angeschlossen, die mit einem Druckübersetzer der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und/oder mit wenigstens einer Düsennadel der Kraftstoffeinspritzeinrichtung so verbunden ist, dass eine Druckabsenkung in der Steuerleitung den Druckübersetzer zur Erzeugung eines Einspritzdrucks bzw. die Düsennadel zum Öffnen wenigstens eines Spritzlochs ansteuert.

Die beiden Rückläufe arbeiten bei geöffneten Ventilen auf unterschiedlichen Druckniveaus. Der aktorseitige Rücklauf arbeitet auf einem vergleichsweise niedrigen Druckniveau. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass der Druck im aktorseitigen Rücklauf bei geöffnetem Schaltventil einen großen Einfluss auf die Funktion des Schaltventils ausübt. Insbesondere kann ein überhöhter Druck im Aktorkolbenraum die ordnungsgemäße Funktion des Schaltventils stark beeinträchtigen. Im Unterschied dazu herrscht im steuerventilseitigen Rücklauf ein deutlich höherer Druck, wobei es über die Steuerleitung zusätzlich zu vergleichsweise hohen Druckspitzen kommen kann. Um eine Wechselwirkung zwischen den beiden Rückläufen zu vermeiden, sind beim bekannten Servoventil die beiden Rückläufe aus einem das Schaltventil und das Steuerventil enthaltenden Ventilkörper separat herausgeführt und nicht oder nur bei einem vergleichsweise großen Abstand vom Aktorkolbenraum miteinander gekoppelt. Der Aufbau des bekannten Sevoventils bzw. einer damit ausgestatteten Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist dadurch vergleichsweise bauraumintensiv.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Servoventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, dass das Servoventil bzw. eine damit ausgestattete Kraftstoffeinspritzeinrichtung vergleichsweise kompakt aufgebaut werden kann. Erreicht wird dies dadurch, dass zum einen der aktorseitige Rücklauf an den steuerventilseitigen Rücklauf angeschlossen ist und dabei ein zum Aktorkolbenraum hin sperrendes Rückschlagsperrventil enthält und/oder gedrosselt ist. Zum andern kommuniziert der Aktorkolbenraum mit wenigstens einem Ausgleichsraum, in dem zumindest ein elastisch komprimierbarer Ausgleichskörper angeordnet ist. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die unterschiedlichen Druckniveaus in den Rückläufen nur beim Öffnen des Schaltventils und des Steuerventils auftreten. In diesem Fall sind die beiden Rückläufe über das Rückschlagsperrventil bzw. über die Drosselung voneinander, zumindest im Hinblick auf Druckspitzen, entkoppelt. Der komprimierbare Ausgleichskörper ermöglicht bei geöffnetem Schaltventil eine Vergrößerung des im Aktorkolbenraums zur Aufnahme von Kraftstoff aus dem Steuerraum zur Verfügung stehenden Volumens. Auf diese Weise kann der Atkorkolbenraum auch dann vom Steuerraum kommenden Kraftstoff aufnehmen, wenn der aktorseitige Rücklauf durch den im steuerventilseitigen Rücklauf überhöhten Druck gesperrt ist. In diesem Fall wird der Ausgleichskörper komprimiert und gibt dadurch das benötigte zusätzliche Volumen frei. Da es aufgrund der erfindungsgemäßen Bauweise nicht mehr erforderlich ist, die beiden Rückläufe erst bei einem relativ großen Abstand vom Aktorkolbenraum miteinander zu verbinden, kann das erfindungsgemäße Servoventil vergleichsweise kompakt bauen. Gleichzeitig werden über das Rückschlagsperrventil bzw. die Drosselung im aktorseitigen Rücklauf nachteilige Auswirkungen des im steuerventilseitigen Rücklauf überhöhten Druckniveaus auf die Funktionsweise des Schaltventils ausgeschlossen oder zumindest reduziert.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der aktorseitige Rücklauf innerhalb eines Ventilkörpers, der das Steuerventil und das Schaltventil enthält, an den steuerventilseitigen Rücklauf angeschlossen sein. In der Folge ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für das Servoventil.

Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei welcher der wenigstens eine Ausgleichskörper so dimensioniert ist, dass er bei einem sich in einer Schließstellung des Schaltventils im Aktorkolbenraum einstellenden Ausgangsdruck entspannt ist und bei geöffnetem Schaltventil durch den im Aktorkolben ansteigenden Druck komprimiert wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass das zur Aufnahme von Kraftstoff bereitgestellte Volumen im Aktorkolbenraum bei geschlossenem Schaltventil automatisch durch Dekrompression des Ausgleichskörpers verkleinert wird, um Kraftstoff aus dem Aktorkolbenraum auszutreiben. Bei geschlossenem Schaltventil ist zwangsläufig auch das Steuerventil geschlossen, wodurch das Druckniveau im steuerventilseitigen Rücklauf soweit absinkt, dass der Aktorkolbenraum über den aktorseitigen Rücklauf in den steuerventilseitigen Rücklauf entspannt werden kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform können eine Drosselung der Steuerraumverbindung sowie die Dimensionierung des Ausgleichskörpers im Hinblick auf eine vorgegebene Öffnungszeit des Aktorkolbens ausgelegt sein. Während der Öffnungszeit ist der Aktorkolben geöffnet. Sofern mit dem Servoventil variable Öffnungszeiten realisiert werden können, wird für die Auslegung des Ausgleichskörpers bzw. für die Drosselung der Steuerraumverbindung die größte mögliche Öffnungszeit herangezogen. Die Dimensionierung der Drosselung der Steuerraumverbindung sowie des Ausgleichskörpers erfolgt dabei so, dass während dieser Öffnungszeit kein vollständiger Druckausgleich zwischen Aktorkolbenraum und Steuerraum stattfinden kann. Mit anderen Worten, durch die Steuerraumverbindung kann bei geöffnetem Aktorkolben stets soviel Kraftstoff abfliesen, dass am Steuerkolben keine in Schließrichtung wirksame resultierende Kraft entsteht. In der Folge bleibt auch der Steuerkolben geöffnet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Ausgleichskörper ein Hohlkörper sein, der mit einer elastisch verformbaren Hülle ausgestattet ist, die mit einem Gas befüllt ist. Ein derartiger Ausgleichskörper kann bei einem bereits relativ kleinem Druckanstieg eine vergleichsweise große Kompressionswirkung zeigen, da im wesentlichen nur das von der Hülle eingeschlossene Gas komprimiert wird. Der Ausgleichskörper ermöglicht somit eine effektive Volumenvergrößerung, was eine kompakte Bauweise für das Servoventil unterstützt.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäße Servoventils ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Servoventils sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt einen vereinfachten Längsschnitt durch ein Servoventil nach der Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Entsprechend 1 umfasst ein elektrohydraulisches Servoventil 1 einer im Übrigen nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtung einen Ventilkörper 2, in dem ein elektrisch ansteuerbares Schaltventil 3 sowie ein hydraulisch ansteuerbares Steuerventil 4 untergebracht sind. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung dient dabei zur Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Das Schaltventil 3 umfasst einen elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktor 5 sowie einen damit antriebsgekoppelten bzw. damit antreibbaren Aktorkolben 6. Der Aktorkolben 6 dient zum Steuern einer hydraulischen Steuerraumverbindung 7 zwischen einem Aktorkolbenraum 8 des Schaltventils 3 und einem Steuerraum 9 des Steuerventils 4. Im Aktorkolbenraum 8 ist der Aktorkolben 6 zumindest teilweise angeordnet. Bedeutsam ist dabei, dass der Aktorkolbenraum 8 zumindest teilweise durch den Aktor 5 begrenzt ist, insbesondere bei geschlossenem Schaltventil 3, also geschlossenem Aktorkolben 6.
Der Aktorkolben 6 wirkt an seinem vom Aktor 5 abgewandten Ende mit einem ersten Ventilsitz 10 zusammen, wobei der Aktorkolben 6 an diesem Ende im vorliegenden Fall einen Kugelkörper trägt. Auf diese Weise steuert der Aktorkolben 6 eine zum Steuerraum 9 führende Steuerbohrung 11, die zweckmäßig gedrosselt ist oder selbst als Drossel ausgestaltet ist.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der Aktor 5 als Elektromagnet ausgestaltet. Zu diesem Zweck trägt der Aktorkolben 6 an seinem dem Aktor 5 zugewandten Ende einen Anker 12, der vom Aktor 5 angezogen werden kann. Im Übrigen ist der Aktorkolben 6 in einer Aktorkolbenführung 13 hubverstellbar gelagert.
Das Schaltventil 3 umfasst außerdem einen Federraum 14, in dem eine Schließdruckfeder 15 angeordnet ist. Die Schließdruckfeder 15 ist einenends am Ventilkörper 2 und anderenends am Aktorkolben 6 abgestützt und treibt auf diese Weise den Aktorkolben 6 in dessen Schließrichtung an. Der Federraum 14 kommuniziert mit dem Aktorkolben 8 und zwar bei geschlossenem Aktorkolben 6, um den Anker 12 herum und bei geöffnetem Aktorkolben 6 z. B. durch Quernuten 16, die stirnseitig am Anker 12 ausgebildet sind.
Des Weiteren ist der Aktorkolbenraum 8 direkt oder indirekt über interne Pfade an einen aktorseitigen Rücklauf 17 angeschlossen.
Das Steuerventil 4 enthält einen Steuerkolben 18, der in einer Steuerkolbenführung 19 hubverstellbar gelagert ist. Dabei begrenzt der Steuerkolben 18 den Steuerraum 9 axial und dient zur Steuerung einer Druckraumverbindung 20 zwischen einem Druckraum 21 des Steuerventils 4 und einem steuerventilseitigem Rücklauf 22. Hierzu wirkt der Steuerkolben 18 an seinem vom Steuerraum 9 abgewandten Ende mit einem zweiten Sitz 23 zusammen. An den Druckraum 21 ist eine Steuerleitung 24 angeschlossen. Diese Steuerleitung 24 führt zu einem nicht gezeigten Druckübersetzer der Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Zusätzlich oder alternativ führt die Steuerleitung 24 zu wenigstens einer, hier nicht gezeigten Düsennadel der Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Des Weiteren ist die Steuerleitung 24 an einer hier nicht gezeigten Stelle mit einer Hochdruckleitung verbunden, die im Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung unter Hochdruck stehenden Kraftstoff bereitstellt. Bei einem sogenannten „Common-Rail-System" sind mehrere Kraftstoffeinspritzeinrichtungen mit einer gemeinsamen Kraftstoffhochdruckleitung ausgestattet.
Die Verbindung der Steuerleitung 24 mit dem Druckübersetzer bzw. mit der wenigstens einen Düsennadel erfolgt dabei so, dass eine Druckabsenkung in der Steuerleitung 24 eine Ansteuerung des Druckübersetzers zur Erzeugung eines über dem Hochdruck liegenden Einspritzdrucks und/oder eine Ansteuerung der wenigstens einen Düsennadel zum Öffnen wenigstens eines Spritzlochs bewirkt. Die Funktionsweise einer derartigen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist beispielsweise in der eingangs erwähnten DE 103 28 245.9 vom 24.06.2003 näher erläutert, so dass insoweit auf dieses Dokument verwiesen werden kann. Im übrigen wird hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme der Inhalt des genannten Dokuments zum Inhalt der vorliegenden Erfindung hinzugefügt.
Beim erfindungsgemäßen Servoventil 1 ist nun der aktorseitige Rücklauf 17 an den steuerventilseitigen Rücklauf 22 angeschlossen. Dabei ist im aktorseitigen Rücklauf 17 ein Rückschlagsperrventil 25 angeordnet, das zum Aktorkolbenraum 8 hin sperrt und dementsprechend zum steuerventilseitigen Rücklauf 22 hin öffnet. Dabei kann es durchaus vorgesehen sein, dass das Rückschlagsperrventil 25 mittels einer Feder 26 in seine Sperrstellung federbelastet vorgespannt ist. Zusätzlich oder alternativ zum Rückschlagsperrventil 25 kann der aktorseitige Rücklauf 17 gedrosselt sein, was hier durch eine Drossel 27 angedeutet ist. Eine derartige Drossel 27 kann an bzw. innerhalb der aktorseitigen Rücklaufs 17 grundsätzlich an beliebiger Stelle ausgestaltet sein. Ebenso ist die Positionierung des Rückschlagsperrventils 25 am oder im aktorseitigen Rücklauf 17 grundsätzlich beliebig. Insbesondere ist es auch möglich, die Drossel 27 in das Rückschlagsperrventil 25 zu integrieren, insbesondere durch einen entsprechend gedrosselten Durchströmungspfad bei geöffnetem Rückschlagsperrventil 25.
1 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Bauweise realisiert ist. Denn die Anbindung des aktorseitigen Rücklaufs 17 an den steuerventilseitigen Rücklauf 22 erfolgt hier vollständig innerhalb des Ventilkörpers 2. Hierdurch baut das Servoventil 1 besonders kompakt.
Das erfindungsgemäße Servoventil 1 ist außerdem mit wenigstens einem Ausgleichsraum 28 bzw. 28' ausgestattet. Bei der hier gezeigten Ausführungsform sind zwei alternative Beispiele für derartige Ausgleichsräume 28, 28' wiedergegeben, die zweckmäßig alternativ zueinander realisiert werden. Grundsätzlich können die gezeigten Alternativen auch kumuliert zur Anwendung kommen. Jeder Ausgleichsraum 28, 28' kommuniziert mit dem Aktorkolbenraum 8 und enthält jeweils wenigstens einen Ausgleichskörper 29 bzw. 29'. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält jeder Ausgleichsraum 28, 28' jeweils nur einen Ausgleichskörper 29, 29', was jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit anzusehen ist. Jeder Ausgleichskörper 29, 29' ist so gestaltet, dass er elastisch komprimierbar ist. Beispielsweise kann ein solcher Ausgleichskörper 29, 29' – wie hier – als Hohlkörper ausgestalte sein. Der Ausgleichskörper 29, 29' besteht dann aus einer elastisch verformbaren Hülle 30 bzw. 30', die hermetisch dicht ein Gasvolumen 31 bzw. 31' umschließt. Beispielsweise besteht die Hülle 30, 30' aus einem gasdichten Kunststoff oder Gummi.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der eine Ausgleichsraum 28 am axialen Ende des Federraums 14 angeordnet und kommuniziert mit diesem über eine entsprechende Bohrung 32. Bei der zweiten Alternative ist der Ausgleichsraum 28' im Ventilkörper 2 bzw. im Aktor 5 ausgespart. Dabei ist dieser Ausgleichsraum 28' als Ringraum gestaltet, der sich koaxial zur Hubrichtung des Aktorkolbens 6 erstreckt. Dieser ringförmige Ausgleichsraum 28' kommuniziert hier mit dem Federraum 14 durch Bohrungen 33, die in einer Hülse 34, welche die Schließdruckfeder 15 koaxial umhüllt, ausgebildet sind.
Bevorzugt wird der Ausgleichsraum 28 bzw. 28' durch einen Abschnitt des Aktorkolbenraums 8 bzw. durch einen Abschnitt eines anderen Raums, wie z. B. des Federraums 14, der mit dem Aktorkolbenraum 8 kommuniziert, gebildet, wobei dieser Raumabschnitt im Ventilkörper 2 ohnehin vorhanden ist, so dass zur Realisierung des jeweiligen Ausgleichsraums 28, 28' keine bauliche Änderung am jeweiligen Servoventil 1 durchgeführt werden muss. Die Realisierung des Servoventils 1 wird dadurch vereinfacht.
Das erfindungsgemäße Servoventil 1 arbeitet wie folgt:
In einem Ausgangszustand ist das Servoventil 1 geschlossen, das heißt sowohl das Schaltventil 3 als auch das Steuerventil 4 sind geschlossen. In der Folge sind die Steuerraumverbindung 7 und die Druckraumverbindung 20 gesperrt. In der Steuerleitung 24 herrscht der Kraftstoffhochdruck, also der Raildruck. In der Folge herrscht der Kraftstoffhochdruck auch im Druckraum 21 und über einen Pfad 35 auch im Steuerraum 9. Der steuerventilseitige Rücklauf 22 führt zu einem für das Steuerventil 4 und das Schaltventil 3 gemeinsamen Rücklaufsystem 36, in dem ein vergleichsweise niedriger Systemdruck, z. B. Umgebungsdruck, herrscht. In der Folge herrscht der niedrige Systemdruck auch im aktorseitigen Rücklauf 17. In Abhängigkeit der Dimensionierung der Schließfeder 26 stellt sich im Aktorkolbenraum 8 ein entsprechender Ausgangsdruck oder Aktordruck ein, der ebenfalls vergleichsweise niedrig dimensioniert ist und beispielsweise kleiner als 5 bar und vorzugsweise kleiner als 3 bar sein kann. Sofern das Rückschlagsperrventil 25 keine Schließfeder 26 aufweist oder insgesamt durch die Drossel 27 ersetzt ist, stellt sich im Aktorkolben 8 ebenfalls der niedrige Systemdruck ein.
Zum Initiieren einer Kraftstoffeinspritzung muss in der Steuerleitung 24 der Druck abgesenkt werden. Zu diesem Zweck wird zunächst das Schaltventil 3 elektrisch zum Öffnen angesteuert. Beispielsweise wird der Aktor 5 bestromt, um einen Öffnungshub in den Aktorkolben 6 einzuleiten. Sobald der Aktorkolben 6 von seinem Sitz 10 abhebt, ist die Steuerverbindung 7 geöffnet. In der Folge kommt es im Steuerraum 9 zu einem Druckabfall. Gleichzeitig steigt der Druck im Aktorkolbenraum 8 an. Dieser Druckanstieg im Aktorkolbenraum 8 ist zunächst nur gering, da sich dieser über das Rückschlagsperrventil 25 bzw. über die Drossel 27 durch den aktorseitigen Rücklauf 17 wieder entspannen kann. Der Druckabfall im Druckraum 9 führt im Steuerkolben 1S zu einer resultierenden Öffnungskraft, die den Steuerkolben 18 von seinem Sitz 23 abhebt. In der Folge wird die Druckraumverbindung 20 geöffnet. Dadurch kommuniziert die Steuerleitung 24 nunmehr direkt mit dem steuerventilseitigen Rücklauf 22, was zum gewünschten Druckabfall in der Steuerleitung 24 führt. Der Druckabfall in der Steuerleitung 24 geht jedoch mit einem Druckanstieg im steuerventilseitigen Rücklauf 22 einher, was ebenfalls zu einem Druckanstieg in dem damit verbundenen aktorseitigen Rücklauf 17 führt. Dieser Druckanstieg kann sich jedoch nicht bis in den Aktorraum 8 fortpflanzen, da in dieser Richtung das Rückschlagsperrventil 25 sperrt. Entsprechendes gilt auch für pulsartige Druckspitzen, die sich durch den Betrieb des Druckübersetzers bzw. der Düsennadel durch die Steuerleitung 24 bis in die Rückläufe 22 und 17 ausbreiten können, jedoch nicht bis in den Aktorkolbenraum 8.
Eine entsprechende Sperrwirkung kann auch mit Hilfe der Drossel 27 erzielt werden, da die hier geschilderten Vorgänge mit einer hohen Dynamik ablaufen.
Da nun einerseits durch den relativen Überdruck im aktorseitigen Rücklauf 17 ein abströmen von Kraftstoff aus dem Aktorkolbenraum 8 verhindert wird und da andererseits ein Einströmen von Kraftstoff aus dem Steuerraum 9 in den Aktorkolbenraum 8 nicht beendet werden darf, um ein vorzeitiges Schließen des Steuerkolbens 18 zu vermeiden, ist der wenigstens eine Ausgleichskörper 29, 29' so dimensioniert, dass er sich in diesem Betriebszustand von den im Aktorkolbenraum 8 herrschenden Drücken komprimieren lässt. Auf diese Weise wird im Ausgleichsraum ein zusätzliches Volumen geschaffen, was ein Nachströmen von Kraftstoff aus dem Steuerraum 9 in den Aktorkolbenraum 8 ermöglicht. Zweckmäßig ist die Dimensionierung des jeweiligen Ausgleichskörpers 29, 29' so gewählt, dass bei der längsten möglichen Öffnungszeit des Aktorkolbens 6 ein vollständiger Druckausgleich zwischen Aktorkolbenraum 8 und Steuerraum 9 vermieden werden kann. Es ist klar, dass hierzu auch die Drosselung der Steuerbohrung 11 in entsprechender Weise dimensioniert sein muss, so dass zum einen hinreichend Kraftstoff aus dem Steuerraum 9 abfließen, zum andern jedoch nicht zuviel Kraftstoff in den Aktorkolbenraum 8 hinein fließen kann.
Desweiteren werden die Drossel 27 bzw. das Rückschlagsperrventil 25 sowie der wenigstens eine Ausgleichskörper 29, 29' so aufeinander abstimmt, dass im genannten Schaltzustand, also bei geöffnetem Schaltventil 3 im Aktorkolbenraum 8 nur ein vorbestimmter Druckanstieg bis zu einem vorbestimmten Maximaldruck entstehen kann. Dieser Maximaldruck ist dabei kleiner als der Druck im Steuerraum 9 bei geöffnetem Schaltventil 3 und größer als der Druck im aktorseitigen Rücklauf 17 bei geschlossenem Schaltventil 3.
Zum Beenden des Einspritzvorgangs muss der Druck in der Steuerleitung 24 wieder erhöht werden. Hierzu wird das Schaltventil 3 bei erreichen der jeweils gewünschten Öffnungszeit wieder gesperrt, d.h. die Bestromung des Aktors 5 wird beendet. In der Folge treibt die Schließdruckfeder 15 den Aktorkolben 6 in seinen Sitz 10. Hierdurch sperrt der Aktorkolben 6 die Steuerraumverbindung 7. Da danach kein weiterer Kraftstoff aus dem Steuerraum 9 abfließen kann, erhöht sich im Steuerraum 9 der Druck auf. In der Folge stellt sich am Steuerkolben 18 eine in Schließrichtung wirkende resultierende Kraft ein, die den Steuerkolben 18 in dessen Sitz 23 verstellt. Anschließend ist auch die Druckraumverbindung 20 gesperrt, so dass sich nun in der Steuerleitung 24 sowie über den Pfad 35 auch im Steuerraum 9 wieder der Kraftstoffhochdruck einstellt. Desweiteren kann sich nun auch der steuerventilseitige Rücklauf 22 in das Rücklaufsystem 36 entspannen, wodurch sich der niedrige Systemdruck durch den steuerventilseitigen Rücklauf 22 zunächst bis in den aktorseitigen Rücklauf 17 und anschließend durch die Drossel 27 bzw. durch das Rückschlagsperrventil 25 bis in den Aktorkolbenraum 8 ausbreitet. Durch den Druckabfall im Aktorkolbenraum 8 auf den ursprünglichen Ausgangsdruck, kann sich nun der jeweilige Ausgleichskörper 29, 29' wieder entspannen. Hierdurch wird das Volumen des Ausgleichsraums 28, 28' und somit das mit dem Aktorkolbenraum 8 kommunizierende Volumen reduziert. Dies hat zur Folge, dass weiterer Kraftstoff aus dem Aktorkolbenraum 8 durch die Rückläufe 17, 22 ausgetrieben wird. Anschließend herrscht wieder der Ausgangszustand und das Servoventil 1 ist bereit für einen weiteren Einspritzvorgang.
Obwohl die vorliegende Beschreibung auf ein Servoventil 1 gerichtet ist, das Bestandteil einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung sein kann, ist klar, dass die vorliegende Erfindung auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung erfassen soll, die mit einem derartigen Servoventil 1 ausgestattet ist.

1: Servoventil
2: Ventilkörper
3: Schaltventil
4: Steuerventil
5: Aktor
6: Aktorkolben
7: Steuerraumverbindung
6: Aktorkolbenraum
9: Steuerraum
10: erster Sitz
11: Steuerbohrung
12: Anker
13: Aktorkolbenführung
14: Federraum
15: Schließdruckfeder
16: Quernut
17: aktorseitiger Rücklauf
16: Steuerkolben
19: Steuerkolbenführung
20: Druckraumverbindung
21: Druckraum
22: steuerventilseitiger Rücklauf
23: zweiter Sitz
24: Steuerleitung
25: Rückschlagsperrventil
26: Schließfeder
27: Drossel
26: Ausgleichsraum
29: Ausgleichskörper
30: Hülle
31: Gasvolumen
32: Bohrung
33: Bohrung
34: Hülse
35: Pfad
35: Rücklaufsystem

Claims

Elektrohydraulisches Servoventil einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, – mit einem elektrisch ansteuerbaren Schaltventil (3) und einem hydraulisch ansteuerbaren Steuerventil (4), – wobei das Schaltventil (3) einen elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktor (5) und einen damit antriebsgekoppelten Aktorkolben (6) aufweist, der zumindest teilweise in einem Aktorkolbenraum (8) des Schaltventils (3) angeordnet ist und der eine Steuerraumverbindung (7) zwischen einem Steuerraum (9) des Steuerventils (4) und dem Aktorkolbenraum (8) steuert, – wobei der Aktorkolbenraum (8) mit einem aktorseitigen Rücklauf (17) verbunden ist, – wobei das Steuerventil (4) einen Steuerkolben (18) aufweist, der den Steuerraum (9) stirnseitig begrenzt und der eine Druckraumverbindung (20) zwischen einem steuerventilseitigen Rücklauf (22) und einem Druckraum (21) des Steuerventils (4) steuert, – wobei an den Druckraum (21) eine Steuerleitung (24) angeschlossen ist, die mit einem Druckübersetzer und/oder mit wenigstens einer Düsennadel so verbunden ist, dass eine Druckabsenkung in der Steuerleitung (24) den Druckübersetzer zur Erzeugung eines Einspritzdrucks und/oder die Düsennadel zum Öffnen wenigstens eines Spritzlochs ansteuert, dadurch gekennzeichnet, – dass der aktorseitige Rücklauf (17) an den steuerventilseitigen Rücklauf (22) angeschlossen ist, – dass der aktorseitige Rücklauf (17) ein zum Aktorkolbenraum (8) hin sperrendes Rückschlagsperrventil (25) enthält und/oder gedrosselt ist, – dass der Aktorkolbenraum (8) mit wenigstens einem Ausgleichsraum (28, 28') kommuniziert, in dem wenigstens ein elastisch komprimierbarer Ausgleichskörper (29, 29') angeordnet ist.
Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktorseitige Rücklauf (17) innerhalb eines das Steuerventil (4) und das Schaltventil (3) enthaltenden Ventilkörpers (2) an den steuerventilseitigen Rücklauf (22) angeschlossen ist.
Servoventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagsperrventil (25) in seine Sperrstellung federbelastet vorgespannt ist.
Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichskörper (29, 29') so dimensioniert ist, dass er bei einem sich in einer Schließstellung des Schaltventils (3) im Aktorkolbenraum (8) einstellenden Ausgangsdruck entspannt ist und bei geöffnetem Schaltventil (3) durch den im Aktorkolbenraum (8) ansteigenden Druck komprimiert wird.
Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumverbindung (7) so gedrosselt ist und der Ausgleichskörper (29, 29') so dimensioniert ist, dass während einer Öffnungszeit des Aktorkolbens (6), während der der Aktorkolben (6) die Steuerraumverbindung (7) öffnet, kein vollständiger Druckausgleich zwischen Aktorkolbenraum (8) und Steuerraum (9) stattfindet.
Servorventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung des aktorseitigen Rücklaufs (17) und/oder das Rückschlagsperrventil (25) sowie der Ausgleichskörper (29, 29') so dimensioniert sind, dass sich bei geöffnetem Schaltventil (3) im Aktorkolbenraum (8) nur ein Druckanstieg bis zu einem vorbestimmten Maximaldruck einstellt, der kleiner ist als der Druck im Steuerraum (9) bei geöffnetem Schaltventil (3) und der größer ist als der Druck im aktorseitigen Rücklauf (17) bei geschlossenem Schaltventil (3).
Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichskörper (29, 29') ein Hohlkörper mit einer gasbefüllten und elastisch verformbaren Hülle (30) ist.
Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsraum (28, 28') durch einen ohnehin vorhandenen Abschnitt des Aktorkolbenraums (8) oder eines anderen mit dem Aktorkolbenraum (8) kommunizierenden, in einem das Steuerventil (4) und das Schaltventil (3) enthaltenden Ventilkörper (2) ohnehin vorhandenen Raums gebildet ist.
Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass der Ausgleichsraum (28, 28') am axialen Ende eines Federraums (14) angeordnet ist, in dem eine Schließdruckfeder (15) angeordnet ist, die den Aktorkolben (6) in dessen Schließstellung antreibt, und/oder – dass der Ausgleichsraum (28, 28') in einem das Schaltventil (3) und das Steuerventil (4) enthaltenden Ventilkörper (2) und/oder im Aktor (5) ausgespart ist.
Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsraum (28) als Ringraum ausgebildet ist, der koaxial zu einer Hubrichtung des Aktorkolbens (6) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Servorventil (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10.