DE10222411A1 - Brennstoffeinspritzventil mit variablem Hub - Google Patents

Abstract

In einer Brennstoffeinspritzvorrichtung ist ein bewegbarer Stopper (4) zum Beschränken eines Hubs des Düsennadelbauteils (1, 12, 62) zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar, so dass das Düsennadelbauteil durch einen halben Hubbetrag an der ersten Position und durch einen ganzen Hubbetrag an der zweiten Position angehoben werden kann. Ein Gegendruckventilbauteil (3, 16 bis 19) wird durch ein Betätigungsbauteil (2, 21, 22) zum Anlegen eines Gegendrucks auf den bewegbaren Stopper betätigt, wenn eine erste Energie oder keine Energie dem Betätigungsbauteil zugeführt wird, um den bewegbaren Stopper an der ersten Position zu halten, und zum Anlegen eines niedrigen Gegendrucks auf den bewegbaren Stopper betätigt, wenn eine zweite Energie dem Betätitungsbauteil zugeführt wird, um es dem bewegbaren Stopper zusammen mit dem Düsennadelbauteil zu ermöglichen, zu der zweiten Position zu gelangen. Ein Düsennadeldruckbauteil (6, 64) wird ebenfalls durch das Betätigungsbauteil zum Anlegen eines Druckes auf und zum Verursachen eines Hubs des Düsennadelbauteils betätigt, wenn die erste oder die zweite Energie dem Betätigungsbauteil zugeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffeinspritzven­ til, das für ein gemeinsames Verteilleitungseinspritzsys­ tem, im Folgenden Common-Rail-System genannt, für eine Die­ selbrennkraftmaschine anwendbar ist, insbesondere auf ein Brennstoffeinspritzventil, dessen Hub einer Düsennadel va­ riabel gesteuert ist.

Herkömmlicherweise ist ein Common-Rail-System, in dem Hoch­ druckbrennstoff in einem Common-Rail gesammelt wird, um ge­ meinsam für entsprechende Brennkraftmaschinenzylinder ver­ wendet zu werden, als Brennstoffeinspritzsystem für eine Dieselbrennkraftmaschine gut bekannt. Bei einem Brennstoff­ einspritzventil, das in dem Common-Rail-System enthalten ist, betätigt ein Betätigungsmittel eine Düsennadel, um ei­ ne Einspritzbohrung zu öffnen und zu schließen, um die Brennstoffeinspritzung zu steuern. Ein piezoelektrisches Betätigungsmittel, dessen Ansprecheigenschaft hervorragend ist, ist als Betätigungsmittel vielversprechend.

Bei dem Brennstoffeinspritzsystem für eine Dieselbrenn­ kraftmaschine besteht in der jüngsten Vergangenheit eine Forderung in der präzisen Steuerung der Brennstoffeinsprit­ zung zum Zweck der Lärmverringerung und der Verringerung des Abgasausstoßes. Um dieser Forderung nachzukommen, wird der Hubbetrag der Düsennadel variabel gesteuert, wie bei­ spielsweise in der US-Patentschrift Nr. 5,803,370 gezeigt ist, die ein Brennstoffeinspritzventil offenbart, in dem eine Düsennadel durch einen Stift gesteuert wird, der einstückig mit einem piezoelektrischen Betätigungsmittel versehen ist. Ein Wert der Spannung, die an dem piezoelek­ trischen Betätigungsmittel angelegt wird, wird derart ge­ steuert, dass die Düsennadel zu einer beliebigen Position angehoben werden kann.

Obgleich gemäß dem herkömmlichen, zuvor erwähnten Brenn­ stoffeinspritzventil eine Hubposition der Düsennadel durch Verändern der Spannung variiert, die an dem piezoelektri­ schen Betätigungsmittel angelegt wird, um beispielsweise zu einer halben Hubposition zu gelangen, die die Hälfte des Weges zwischen der ganzen Hubposition und der Sitzposition ist, ist es jedoch schwierig, die halbe Hubposition genau zu steuern, da der Hubbetrag des piezoelektrischen Betäti­ gungsmittels nicht immer der gleiche ist, selbst wenn die daran angelegte Spannung die gleiche ist, da die piezo­ elektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Betäti­ gungsmittels temperaturabhängig sind und ebenfalls unter den entsprechenden piezoelektrischen Betätigungsmitteln schwanken. Demgemäß hat das herkömmliche Brennstoffein­ spritzsystem den Nachteil, dass die halbe Hubposition nicht zu einer vorgegebenen Position bei jedem Einspritzkreislauf und bei jedem piezoelektrischen Betätigungsmittel genau fi­ xiert werden kann.

Um den Hubbetrag immer konstant zu halten, besteht eine Idee darin, einen Stopper vorzusehen, der den Hub der Düsen­ nadel beschränkt. Jedoch hat die Position des Stoppers va­ riabel zu sein, um die Düsennadel zu der ersten oder zwei­ ten Position zu bewegen, dass heißt, zu der ganzen Hubposi­ tion und der halben Hubposition zu bewegen, so dass sein Aufbau kompliziert wird. Ferner neigt ein Körper des Brenn­ stoffeinspritzventils dazu, größer zu sein, da es notwendig ist, ein Antriebsbauteil zu schaffen, um die Position des Stoppers variabel zu gestalten.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes Brenn­ stoffeinspritzventil mit einem Stopper zu schaffen, das ei­ ne variable Hubposition der Düsennadel genau steuert, und dessen Aufbau einfacher ist.

Um diese Aufgabe zu lösen, ist bei einem Brennstoffein­ spritzventil, das ein Düsennadelbauteil zum Öffnen und Schließen eines Einspritzloches und ein elektrisch gesteu­ ertes Betätigungsbauteil zum wahlweisen Steuern eines Hubs des Düsennadelbauteils auf einen ersten Hubbetrag oder ei­ nen zweiten Hubbetrag hat, der größer als der erste Hubbe­ trag ist, wenn eine erste oder eine zweite Energie dort zu­ geführt wird, ein bewegbarer Stopper zum Stoppen des Hubs des Düsennadelbauteils zwischen der ersten und der zweiten Position bewegbar, so dass das Düsennadelbauteil zu dem ersten Hubbetrag an der ersten Position und zu dem zweiten Hubbetrag an der zweiten Position angehoben werden kann. Ein Gegendrucksteuerungsbauteil wird durch das Betätigungs­ bauteil angesteuert, um einen hohen Gegendruck auf den be­ wegbaren Stopper wirken zu lassen, wenn die erste Energie oder keine Energie dem Betätigungsbauteil zugeführt wird, um den bewegbaren Stopper an der ersten Position zu halten, und um einen niedrigen Gegendruck auf den bewegbaren Stop­ per wirken zu lassen, wenn die zweite Energie dem Betäti­ gungsbauteil zugeführt wird, um es dem bewegbaren Stopper zusammen mit dem Düsennadelbauteil zu ermöglichen, zu der zweiten Position zu gelangen. Ein Düsennadeldruckbauteil wird durch das Betätigungsbauteil angesteuert, um einen Druck dem Düsennadelbauteil aufzuerlegen, so dass das Dü­ sennadelbauteil angehoben wird, wenn die erste oder die zweite Energie dem Betätigungsbauteil zugeführt wird.

Mit dem zuvor erwähnten Brennstoffeinspritzventil wird die erste oder die zweite Hubhöhe des Düsennadelbauteils genau­ er gesteuert, ohne dass durch Schwankungen der Temperatur­ eigenschaften oder Eigenschaftsunterschiede unter den Betä­ tigungsbauteilen eine Beeinflussung stattfindet, da jeder Hub des Düsennadelbauteils durch den bewegbaren Stopper be­ grenzt ist, der wahlweise an der ersten oder zweiten Posi­ tion steht.

Eine Veränderung von der ersten Position zu der zweiten Po­ sition oder umgekehrt wird durch Erhöhen oder Senken des Gegendruckes leicht durchgeführt, der dem bewegbaren Stop­ per durch das Gegendrucksteuerventil auferlegt wird.

Es ist vorzuziehen, dass das Gegendrucksteuerbauteil ein hydraulisches Steuerventil zum Einführen eines Druckes ei­ ner Hochdruckleitung zu einer rückseitigen Fläche des be­ wegbaren Stoppers in einem geschlossenen Zustand und zum Einführen eines Druckes einer Niedrigdruckleitung zu der rückseitigen Fläche des bewegbaren Stoppers in einem offe­ nen Zustand hat.

In dem Fall, bei dem der hohe Gegendruck dem bewegbaren Stopper auferlegt wird, wird der bewegbare Stopper, wenn er in einem Zylinder enthalten ist, gegen einen Boden des Zy­ linders gedrückt, der die erste Position darstellt, und wenn eine Kraft zum Drücken des bewegbaren Stoppers größer als eine Kraft zum Anheben des Düsennadelbauteils ist, wenn das Düsennadelbauteil mit dem bewegbaren Stopper in Kontakt kommt, verbleibt der bewegbare Stopper an der ersten Posi­ tion. Für dem Fall, dass der niedrige Druck dem bewegbaren Stopper auferlegt wird, bewegt sich der bewegbare Stopper in Richtung auf eine Decke des Zylinders, die die zweite Position ausbildet, wenn die Kraft zum Drücken des bewegba­ ren Stoppers leichter als die Kraft zum Anheben des Düsen­ nadelbauteils ist, wenn das Düsennadelbauteil mit dem be­ wegbaren Stopper in Kontakt kommt.

Vorzugsweise hat das Betätigungsbauteil ein piezoelektri­ sches oder eine andere Art Betätigungsmittel, das ein elektrisch verformbares Element hat, dessen Verschiebung ge­ mäß einer dorthin zugeführten Energie variabel ist. Das piezoelektrische oder die andere Art Betätigungsmittel, das ein elektrisch verformbares Element hat, bringt eine direk­ tere Ansprecheigenschaft und eine bessere Steuereigen­ schaft.

Es ist weiter vorzuziehen, dass die Verschiebung des piezo­ elektrischen oder der anderen Art des Betätigungsmittels zu einem Druck gewandelt wird, der verwendet wird, um nicht nur das hydraulische Steuerungsventil sondern auch das Dü­ sennadeldruckbauteil zu betätigen. Dieser Aufbau lässt das Brennstoffeinspritzventil kompakter ausbilden, so dass die Energieleistung des Brennstoffeinspritzventils hervorragend ist.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie Verfahren zum Betrieb und der Funktion der bezogenen Bestandteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den anhängigen Ansprüchen und den Zeichnungen gewürdigt, die einen Bereich dieser Erfindung darstellen.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffeinspritz­ ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung.

Fig. 2 ist ein Zeit-Diagramm zur Erläuterung eines Betriebs des Brennstoffeinspritzventils aus Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Brenn­ stoffeinspritzventils gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung.

Erstes Ausführungsbeispiel

Ein Brennstoffeinspritzventil gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel wird mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 be­ schrieben. Das Brennstoffeinspritzventil ist beispielsweise auf ein gemeinsames Verteilleitungseinspritzsystem, im Fol­ genden Common-Rail-System genannt, für eine Dieselbrenn­ kraftmaschine anwendbar. Das Brennstoffeinspritzventil hat ein Gehäuse H, eine Düsennadel 1, die in einem unteren Be­ reich des Gehäuses H gleitend enthalten ist, und ein piezo­ elektrisches Betätigungsmittel 2, das in einem oberen Be­ reich des Gehäuses H enthalten ist. Das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 hat sowohl die Funktion zum Betätigen der Düsennadel 1 als auch die Funktion zum Betätigen eines hydraulischen Steuerungsventils 3, das den Gegendruck des bewegbaren Stoppers 4 steuert. Einzelheiten des bewegbaren Stoppers und des hydraulischen Steuerungsventils werden später beschrieben. Das Gehäuse H ist mit einer Hochdruck­ leitung 51 versehen, die zu einer Wand auf ihrer rechten Seite offen ist, um mit einem Common-Rail (nicht gezeigt) verbunden zu sein. Die Hochdruckleitungen 51 erstrecken sich in die obere und untere Richtungen innerhalb des Ge­ häuses H und ist mit einer Brennstoffsammelkammer 52 ver­ bunden, die um ein vorderes Ende der Düsennadel 1 ausgebil­ det ist. Das Gehäuse H ist ferner mit einer Niedrigdruck­ leitung 53 versehen, die zu einer Wand auf ihrer linken Seite offen ist, um mit einem Brennstofftank (nicht ge­ zeigt) in Verbindung zu sein.

Die Düsennadel 1 ist auf einer Seite ihres oberen Endes mit einem Düsenkolben 12 versehen, der einstückig mit ihr aus­ gebildet ist und dessen Durchmesser größer als der der Na­ del ist. Der Düsenkolben 12 ist in einen Düsenkolbenzylin­ der 13, der in dem Gehäuse H vorgesehen ist, gleitend ein­ gepasst. Die Düsennadel 1 wird durch eine Feder 61, die ein oberes Ende des Düsenkolbens 12 berührt, und einen Ventil­ schließkolben 62 nach unten vorgespannt, so dass die kegel­ förmige Fläche 11 an einem unteren Ende der Düsennadel 1 auf einem kegelförmigen Düsensitz 54 sitzt, der in einem vorderen Ende des Gehäuses H ausgebildet ist, um die Ver­ bindung zwischen der Brennstoffsammelkammer 55 und einer Einspritzbohrung 55 zu verschließen. Wenn die Düsennadel 1 angehoben wird, tritt die Einspritzbohrung 55 mit der Brennstoffsammelkammer 52 in Verbindung, so dass Brennstoff aus der Brennstoffbohrung 55 eingespritzt wird. Der Ventil­ schließkolben 62 ist mit dem Düsenkolben 12 koaxial ausge­ richtet. Ein Durchmesser des Ventilschließkolbens 62 ist kleiner als der des Düsenkolbens 12, und eine untere Hälfte des Ventilschließkolbens 62 ist in einer Federkammer 63 vorgesehen, wo die Feder 61 aufgenommen ist. Die Federkam­ mer ist mit der Niedrigdruckkammer 53 verbunden. Der Ven­ tilschließkolben 62, der Ventilkolben 12 und die Ventilna­ del 1 bilden ein Düsennadelbauteil aus.

Das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 hat einen bekann­ ten Aufbau, bei dem eine Vielzahl piezoelektrischer Elemen­ te aufeinandergestapelt sind, und das aufgrund ihrer eige­ nen Expansion und Kontraktion, was auf einem Wert der daran angelegten Spannung beruht, eine axiale Verschiebung zeigt. Das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 ist an einem Au­ ßenumfang einer unteren Seite davon mit einem Piezo-Kolben 21 verbunden, der flüssigkeitsdicht in eine Innenfläche des Gehäuses H gleitend eingepasst ist. Gemäß der Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Betätigungsmittels 2 be­ wegt sich der Piezo-Kolben 21 hin und her, um ein Volumen einer piezohydraulischen Kammer 22 zu verkleinern und zu vergrößern, so dass der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 ansteigt und fällt. Eine Blattfeder 23, die in der pie­ zohydraulischen Kammer 22 angeordnet ist, drückt den Piezo- Kolben 21 in eine Richtung zum Vergrößern des Volumens der piezohydraulischen Kammer 22. Der Piezo-Kolben 21 wird auf­ grund der Expansion des piezoelektrischen Betätigungsmit­ tels 2 gegen eine Vorspannkraft der Blattfeder 23 bewegt, um das Volumen der piezohydraulischen Kammer 22 zu verklei­ nern und um ihren Druck zu erhöhen. Das piezoelektrische Betätigungsmittel 2, der Piezo-Kolben 21 und die piezohyd­ raulische Kammer 22 bilden ein Betätigungsbauteil aus.

Die piezohydraulische Kammer 22 ist durch eine Steuerungs­ hydraulikleitung 64 (ein Teil davon ist in Fig. 1 weggelas­ sen) mit einer Hubsteuerungshydraulikkammer 6 verbunden, die um einen oberen Endumfang der Düsennadel 1 ausgebildet ist. Der hydraulische Druck der Hubsteuerungshydraulikkam­ mer 6 wirkt auf eine Stufenfläche an einem unteren Ende des Düsenkolbens 12, der mit dem oberen Ende der Düse 1 verbun­ den ist, so dass, wenn sich das Piezo-Betätigungsmittel 2 ausdehnt, der hydraulische Druck der Hubsteuerungshydrau­ likkammer 6 zusammen mit dem der piezohydraulischen Kammer 22 ansteigt. Wenn der hydraulische Druck der Hubsteuerungs­ hydraulikkammer 6 einen bestimmten Wert überschreitet, be­ ginnt sich die Düsennadel 1 anzuheben. Die Hubsteuerungs­ hydraulikleitung 64 und die Hubsteuerungshydraulikkammer 6 bilden ein Düsennadeldruckbauteil aus.

Ein Stopperzylinder 14, in dem ein bewegbarer Stopper 4 gleitend enthalten ist, ist koaxial mit dem Düsenkolbenzy­ linder 13 und an seiner oberen Seite ausgebildet. Der Dü­ senkolbenzylinder 13 ist mit dem Stopperzylinder 14 über einen Abschnitt 15 mit kleinem Durchmesser verbunden. Der bewegbare Stopper 4 ist mit einem Ventilschließkolbenzylin­ der 41 versehen, der sich von einem unteren Endmittelpunkt davon nach oben erstreckt. Eine obere Hälfte des Ventil­ schließkolbens 62 ist in dem Ventilschließkolbenzylinder 41 gleitend eingepasst. Ein Hohlraum 42, der durch ein oberes Ende des Ventilschließkolbens 62 und ein oberes Ende des Ventilschließkolbenzylinders 41 umgeben ist, ist durch eine Leitung 43 mit kleinem Durchmesser mit einer Stoppersteue­ rungshydraulikkammer 44 verbunden, die in Kontakt mit einem oberen Ende des bewegbaren Stoppers 4 vorgesehen ist. Die Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 ist über eine Öffnung 45 mit der Hochdruckleitung 51 verbunden.

Ein hoher Druck des Brennstoffs der Hochdruckleitung 51, der über die Öffnung 45 zu der Stoppersteuerungshydraulik­ kammer 44 eingeführt wird, wird dem oberen Ende des beweg­ baren Stoppers 4 auferlegt, so dass der bewegbare Stopper 4 nach unten gedrückt wird, um einen Boden des Stopperzylin­ ders 14 (an einer ersten Position) zu berühren. Wenn der Druck der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 verringert wird, bewegt sich der bewegbare Stopper 44 nach oben, um die Decke des Stopperzylinders 14 (an einer zweiten Positi­ on) zu berühren. Ferner dringt der hohe Druck des Brenn­ stoffs der Hochdruckleitung 51 durch die Leitung 43 mit kleinem Durchmesser in den Hohlraum 42 und wirkt auf das obere Ende des Ventilschließkolbens 62, so dass die Düsen­ nadel 1 nach unten gedrückt wird. In einem Ventilschließzu­ stand der Düsennadel 1 ist ein Spalt A zwischen dem oberen Ende des Ventilschließkolbens 62 und einer Decke des Hohl­ raums 42 vorgesehen. Der Spalt A entspricht einem ersten Hubbetrag der Düsennadel 1. Ferner ist ein Spalt B zwischen dem oberen Ende des bewegbaren Stoppers und einem oberen Ende der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 vorgesehen. Eine Summe der Spalte A und B entspricht einem zweiten Hub­ betrag der Düsennadel 1.

Der Druck der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 steigt oder senkt sich aufgrund der Unterbrechung der Verbindung oder durch die Verbindung zwischen der Stoppersteuerungs­ hydraulikkammer 44 und der Niedrigdruckleitung 53 gemäß ei­ ner Schließ- oder Öffnungssteuerung des hydraulischen Steu­ erungsventils 3. Das hydraulische Steuerungsventil 3 ist ein Zweiwegeventil und besteht aus einer Ventilkammer 33, die an einem Mittelpunkt einer oberen Fläche davon mit ei­ nem kegelförmigen Niedrigdrucksitz 31 versehen ist, aus ei­ nem kugelförmigen Ventilkörper 34, der in der Ventilkammer 33 enthalten ist, einer Überlaufkammer 32, die oberhalb des Niedrigdrucksitzes 31 angeordnet ist und mit der Niedrig­ druckleitung 53 verbunden ist, und aus einer Ventilfeder 35, die in Kontakt mit dem Ventilkörper 34 ist. Eine Lei­ tung 46, die mit der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 verbunden ist, ist zu einem Bodenmittelpunkt der Ventil­ kammer 33 geöffnet. Eine Leitung, die die Öffnung 45 hat, ist mit einem Mittelteil der Leitung 46 verbunden. Der ku­ gelförmige Ventilkörper 34 ist ein nach außen öffnendes Ventil und wird durch einen Kolben 17 betätigt, der koaxial einen Stift 16 hat, der mit ihm in Kontakt ist. Der Druck der Ventilkammer 23 und eine Vorspannkraft der Ventilfeder 35 drücken den Ventilkörper 34 in Richtung auf den Nieder­ drucksitz 31.

Der Kolben 17 ist in einem Ventilbetätigungszylinder 18 eingepasst und wird durch hydraulischen Druck einer Ven­ tilsteuerungshydraulikkammer 9 nach unten gedrückt, die an einem oberen Ende des Ventilbetätigungszylinders 8 ausge­ bildet ist. Die piezohydraulische Kammer 22 ist nicht nur mit der Hubsteuerungshydraulikkammer 6 sondern auch mit der Ventilsteuerungshydraulikkammer 19 verbunden. Wenn sich demgemäß der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 erhöht, bewegt sich der Kolben 17 nach unten, um den Ventilkörper 34 weg von dem Niedrigdrucksitz 31 zu bewegen, so dass sich das hydraulische Steuerungsventil 3 öffnet. Der Stift 16, der Ventilbetätigungszylinder 18, der Kolben 17, die Ven­ tilsteuerungshydraulikkammer 19 und die hydraulische Steue­ rungskammer 3 bilden ein Gegendrucksteuerungsbauteil aus.

Das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 dient zum Erhöhen oder zum Senken des Drucks der piezohydraulischen Kammer 22 und des Drucks der Ventilsteuerungshydraulikkammer 19, um das hydraulische Steuerungsventil 3 zu öffnen oder zu schließen, so dass der bewegbare Stopper 4 nach oben oder unten bewegt wird. Das heißt, wenn das hydraulische Steue­ rungsventil 3 geschlossen wird, und die Stoppersteuerungs­ hydraulikkammer 44 unter hohem Druck ist, ist der bewegbare Stopper 4 an der ersten Position, wo der bewegbare Stopper 4 in Kontakt mit unteren Ende des Stopperzylinders 14 kommt. Im Gegensatz dazu, wenn das hydraulische Steuerungs­ ventil 3 geöffnet wird, und die Stoppersteuerungshydraulik­ kammer 44 unter niedrigem Druck ist, wird der bewegbare Stopper 4 zu der zweiten Position bewegt, wo der bewegbare Stopper 4 in Kontakt mit dem oberen Ende des Stopperzylin­ ders 14 kommt. Wie zuvor erwähnt worden ist, kann der be­ wegbare Stopper 4 die erste oder die zweite Position wahl­ weise erreichen, wenn der Druck der Stoppersteuerungskammer 44 von dem niedrigen Druck zu dem hohen Druck oder von dem hohen Druck zu dem niedrigen Druck geschaltet wird. Der Hubbetrag der Ventilnadel 1 kann an der ersten Position, die den ersten Hubbetrag (Spalt A) zeigt, und an der zwei­ ten Position, die den zweiten Hubbetrag (Spalt A + Spalt B) zeigt, umgeschaltet werden.

Ein Betrieb des zuvor erwähnten Brennstoffeinspritzventils wird mit Bezug auf ein Zeit-Diagramm beschrieben, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

In einem Ausgangszustand, bei dem das piezoelektrische Be­ tätigungsmittel 2 nicht betätigt wird (vor einer Zeit t1 in Fig. 2), ist das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 zu­ sammengezogen, und die Düsennadel 1 wird durch die Feder 61 und den Ventilschließkolben 62 nach unten gedrückt, so dass die kegelförmige Fläche 11 in Kontakt mit dem Düsensitz 54 ist. Der Kolben 17 ist an einer Ausgangsposition und der Ventilkörper 34 des hydraulischen Steuerungsventils wird in Richtung auf den Niedrigdrucksitz 31 durch die Vorspann­ kraft der Ventilfeder 35 und den Druck des Hochdruckbrenn­ stoffs, der in die Ventilkammer 33 einzuführen ist, ge­ drückt. Der bewegbare Stopper 4 ist an der ersten Position, da der bewegbare Stopper 4 durch den Druck der Stoppersteu­ erungshydraulikkammer 44 nach unten gedrückt wird. Das obe­ re Ende des Ventilschließkolbens 62 liegt mit einem dazwi­ schenliegenden Spalt A der Decke des Hohlraums 42 gegen­ über.

In einem Zeitpunkt t2 in Fig. 2, wenn eine Spannung V1 (erste Energie) an dem piezoelektrischen Betätigungsmittel 2 angelegt wird, expandiert das piezoelektrische Betäti­ gungsmittel 2, so dass der Piezo-Kolben 21 nach unten be­ wegt wird. Demgemäß wird der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 und der Druck der Hubsteuerungshydraulikkammer 6, die nach oben auf der Düsennadel wirkt, erhöht. Wenn der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 einen ersten hydrau­ lischen Druck P1 (in einem Zeitpunkt t2) erreicht, hebt sich die Düsennadel 1 gegen die Vorspannkräfte der Feder 61 und des Ventilschließkolbens 62 (erster Hub). Da der Durch­ messer des Kolbens 17, der Durchmesser des Niedrigdrucksit­ zes 61 und die Vorspannkraft der Ventilfeder 35 eingestellt sind, um das Steuerungsventil 3 bei dem ersten hydrauli­ schen Druck P1 nicht zu schließen, bleibt der bewegbare Stopper 4, der den hohen Druck erhält, der in die Stopper­ steuerungskammer 44 von der Hochdruckleitung 51 eingeführt worden ist, bei der ersten Position, wo der Hub der Düsen­ nadel 1 begrenzt ist. Demgemäß ist der Hubbetrag der Düsen­ nadel 1 (erster Hubbetrag) in einem Zeitpunkt t3, wenn das Anheben der Düsennadel 1 stoppt, gleich dem Spalt A zwi­ schen dem oberen Ende des Ventilschließkolbens 62 und der Decke des Hohlraums 42.

In einem Zeitpunkt t4 in Fig. 2, wenn eine Spannung V2 (eine zweite Energie, die größer als die erste Energie ist) auf das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 angelegt wird, expandiert das piezoelektrische Betätigungsmittel 2. Sobald der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 den ersten hyd­ raulischen Druck P1 (in einem Zeitpunkt t5) erreicht, be­ ginnt sich die Düsennadel 1 anzuheben und, wenn die Düsen­ nadel 1 die erste Hubposition erreicht, wird sie zeitweilig gestoppt. Wenn das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 weiterhin expandiert und der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 einen zweiten hydraulischen Druck P2 (in einem Zeitpunkt t6) erreicht, bewegt sich der Kolben 17 nach un­ ten, um den Ventilkörper 34 des Steuerventils 3 zu betäti­ gen, so dass die Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 mit der Niedrigdruckleitung 53 verbunden wird und der Druck der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 sinkt. Währenddessen steigt der hydraulische Druck der piezohydraulischen Kammer 22 weiterhin an und erreicht einen dritten hydraulischen Druck P3 (in einem Zeitpunkt t7), wobei die Düsennadel 1 zusammen mit dem bewegbaren Stopper 4 in einem Zustand, bei dem das obere Ende des Ventilschließkolbens 62 in Kontakt mit der Decke des Hohlraums 42 gehalten wird, einen nächs­ ten stufenweisen Hub (zweiter Hub) beginnt. Das Anheben der Düsennadel 1 schreitet fort, bis der bewegbare Stopper 4 in Kontakt mit der Decke der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 kommt und an dieser Position (in einem Zeitpunkt t8) an­ hält. Zu diesem Zeitpunkt ist der Hubbetrag der Düsennadel (zweiter Hubbetrag) gleich der Summe des Spalts A und des Spalts B.

Wenn die elektrischen Ladungen des piezoelektrischen Betä­ tigungsmittels 2 zum Beenden der Brennstoffeinspritzung nicht mehr zugeführt werden, kehrt der Druck der piezohyd­ raulischen Kammer 22 zu dem niedrigen hydraulischen Aus­ gangsdruck (in einem Zeitpunkt t9) zurück, so dass der Ven­ tilkörper 34 des Steuerungsventils 3 die Verbindung zwi­ schen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und der Nied­ rigdruckleitung 53 schließt. Dann ist der Hochdruckbrenn­ stoff, der von der Hochdruckleitung 51 eingeführt worden ist, in der Lage, den Druck der Stoppersteuerungshydraulik­ kammer 44 zu erhöhen, so dass sich der bewegbare Stopper 4 nach unten bewegt und zu der ersten Position zurückkehrt. Gleichzeitig entfällt eine Kraft zum Anheben der Ventilna­ del 1, und die Ventilnadel 1 wird durch die Vorspannkräfte des Ventilschließkolbens 62 und der Feder 61 nach unten be­ wegt und setzt sich auf den Düsensitz 54, so dass die Brennstoffeinspritzung beendet ist.

Wie zuvor erwähnt worden ist, kann der Hub der Düsennadel 1 durch einen oder jeden des ersten Hubs (halber Hub) und des zweiten Hubs (ganzer Hub) gemäß den Werten der an dem pie­ zoelektrischen Betätigungsmittel 2 angelegten Spannung aus­ gewählt werden. Da ferner der Hubbetrag durch den Spalt A und den Spalt B definiert ist, kann eine genaue Hubsteue­ rung durchgeführt werden, ohne dass aufgrund von Tempera­ tureigenschaften oder Eigenschaftsunterschieden des piezo­ elektrischen Betätigungsmittels 2 Schwankungen verursacht würden. Wenn ferner die Spannung, die an dem piezoelektri­ schen Betätigungsmittel 2 angelegt wird, gesteuert wird, um in zwei Schritten erhöht zu werden, kann der Hub der Düsen­ nadel 1 beliebig gesteuert werden, um zuerst einen halben Hub einzurichten, und um dann während eines Kreislaufs der Brennstoffeinspritzung die ganzen Hub einzurichten.

Wenn demgemäß das zuvor erwähnte Brennstoffeinspritzventil als Brennstoffeinspritzventil für die Dieselbrennkraftma­ schine verwendet wird, kann der Hub der Düsennadel 1 nach Belieben auf jedwedes Hubmuster, wie beispielsweise den halben Hub, den ganzen Hub oder den ganzen Hub kontinuier­ lich zu dem halben Hub gesteuert werden, so dass der Brenn­ stoffeinspritzgehalt in Ansprechen auf das ausgewählte Hub­ muster verfügbar ist. Bei der Dieselbrennkraftmaschine ist der halbe Hub zum Verwirklichen eines Niedrigeinspritzge­ haltes anwendbar, der benötigt wird, um bei geringer Ge­ schwindigkeit und bei niedrigem Lastbetrieb Geräusche und NOX zu verringern, und der ganze Hub zum Verwirklichen ei­ nes hohen Einspritzgehaltes anwendbar, der notwendig ist, um bei hoher Geschwindigkeit und bei hohem Lastbetrieb Rauch zu verringern. Ferner ist der ganze Hub kontinuier­ lich zu dem halben Hub anwendbar, um einen optimalen Ein­ spritzgehalt bei mittlerer Geschwindigkeit und mittlerem Lastbetrieb zu verwirklichen.

Wenn aufgrund der Eigenschaftsunterschiede und der Tempera­ tureigenschaften des piezoelektrischen Betätigungsmittels der Hub bei dem herkömmlichen Brennstoffeinspritzventil schwankt, kann der Einspritzgehalt schwanken, so dass nicht nur kein vorgegebener Einspritzgehalt realisiert werden kann, sonder auch kein vorgegebener Einspritzgehalt genau gesteuert werden kann. Jedoch ist gemäß dem Brennstoffein­ spritzventil der Erfindung die Hubschwankung kleiner, da der variable bewegbare Stopper 4 dazu dient, den Hub zu be­ schränken, so dass ein optimaler Einspritzgehalt und eine optimale Einspritzmenge sicher erreicht werden kann. Da es ferner nicht notwendig ist, eine Vielzahl piezoelektrischer Betätigungsmittel vorzusehen, um den Hubbetrag variabel zu gestalten, kann das Brennstoffeinspritzventil, dessen Auf­ bau kompakt und dessen Steuerung genau ist, realisiert wer­ den.

Zweites Ausführungsbeispiel

Ein hydraulisches Steuerungsventil eines Brennstoffein­ spritzventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben.

Das hydraulische Steuerungsventil 3a zum Steuern der Stop­ persteuerungshydraulikkammer 44 gemäß dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel ist ein Dreiwegeventil. Das hydraulische Steuerungsventil 3a ist mit einem halbkugelförmigen Ventil­ körper 34a versehen, der in der Ventilkammer 33 enthalten ist. Die Ventilkammer 33 ist an einem oberen Mittelpunkt davon mit einer Niedrigdrucköffnung 36 versehen, die unun­ terbrochen zu dem kegelförmigen Niedrigdrucksitz 31 ist, und an einem Bodenmittelpunkt mit einer Hochdrucköffnung 37 versehen. Die Niedrigdrucköffnung 36 ist über die Überlauf­ kammer 32 mit der Niedrigdruckleitung 53 verbunden. Die Hochdruckleitung 37 ist mit der Hochdruckleitung 51 verbun­ den. Wenn ein kugelförmiger Bereich des Ventilkörpers 34a auf dem Niedrigdrucksitz 31 sitzt und die Niedrigdrucköff­ nung 36 verschließt, ist die Verbindung zwischen der Ven­ tilkammer 33 und der Niedrigdruckleitung 53 unterbrochen. Wenn ein flacher Bodenbestandteil des Ventilkörpers 34a die Hochdrucköffnung 37 schließt, ist die Verbindung zwischen der Ventilkammer und der Hochdruckleitung 51 unterbrochen.

Die Ventilkammer 33 ist immer mit der Stoppersteuerungshyd­ raulikkammer 44 über eine Leitung 46a verbunden. Der Hoch­ druckbrennstoff der Hochdruckleitung 51 wird durch die Hochdrucköffnung 37, die Ventilkammer 33 und die Leitung 46a zu der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 eingeführt. Der andere Aufbau des hydraulischen Steuerungsventils 3a ist gleich dem des hydraulischen Steuerungsventils 3 des ersten Ausführungsbeispiels. Der Ventilkörper 34a wird durch den Kolben 17 betätigt, der den Stift 16 koaxial da­ mit in Kontakt hat, so dass die Niedrigdrucköffnung 36 oder die Hochdrucköffnung 36 wahlweise geschlossen ist, um den Druck der Stoppersteuerungskammer 44 ansteigen zu lassen oder zu senken.

Wenn der hydraulische Druck der piezohydraulischen Kammer 22 nicht auf den Kolben 17 wirkt, der den Stift 16 hat (wenn die Energie nicht dem piezoelektrische Betätigungs­ mittel 2 zugeführt wird, oder wenn die erste Energie nicht dorthin zugeführt wird), wird der Ventilkörper 34a auf den Niedrigdrucksitz 31 gesetzt, so dass die Verbindung zwi­ schen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und der Nied­ rigdruckleistung 53 unterbrochen ist, und so dass die Ver­ bindung zwischen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und der Hochdruckleitung 51 möglich ist. Demgemäß wird auf­ grund des hohen Drucks der Hochdruckleitung 51 der bewegba­ re Stopper 4 an einer ersten Position (wo der bewegbare Stopper 4 in Kontakt mit dem unteren Ende des Stopperzylin­ ders 13 kommt) gehalten.

Wenn der hydraulische Druck der piezohydraulischen Kammer 22 auf den Kolben 17 wirkt, der den Stift 16 hat (wenn die zweite Energie dem piezoelektrische Betätigungsmittel 2 zu­ geführt wird), bewegt sich der Ventilkörper 34, um die Ver­ bindung zwischen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und der Hochdruckleitung 51 zu unterbrechen, und um die Verbindung zwischen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und der Niedrigdruckleitung 53 zu ermöglichen. Demgemäß kann der bewegbare Stopper 4 die zweite Position erreichen (wo der bewegbare Stopper 4 in Kontakt mit dem oberen Ende des Stopperzylinders 13 kommt), wenn die Ventilnadel 1 an­ gehoben wird.

Das zweite Ausführungsbeispiel hat die gleiche Funktion wie das erste Ausführungsbeispiel und hat ferner Vorteile, nach denen die Öffnung 45 beseitigt werden kann, oder Hochdruck­ brennstoff der Hochdruckleitung 51 an einem Austreten durch die Ventilkammer 33 zu der Niedrigdruckleitung 53 gehindert wird.

Bei den zuvor erwähnten Ausführungsbeispielen kann ferner das Brennstoffeinspritzventil anstelle des piezoelektri­ schen Betätigungsmittels 2 jede Art elektrisch verformbares Betätigungsmittel haben.

In einer Brennstoffeinspritzvorrichtung ist ein bewegbarer Stopper (4) zum Beschränken eines Hubs des Düsennadelbau­ teils (1, 12, 62) zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar, so dass das Düsennadelbauteil durch ei­ nen halben Hubbetrag an der ersten Position und durch einen ganzen Hubbetrag an der zweiten Position angehoben werden kann. Ein Gegendruckventilbauteil (3, 16 bis 19) wird durch ein Betätigungsbauteil (2, 21, 22) zum Anlegen eines Ge­ gendrucks auf den bewegbaren Stopper betätigt, wenn eine erste Energie oder keine Energie dem Betätigungsbauteil zu­ geführt wird, um den bewegbaren Stopper an der ersten Posi­ tion zu halten, und zum Anlegen eines niedrigen Gegendrucks auf den bewegbaren Stopper betätigt, wenn eine zweite Ener­ gie dem Betätigungsbauteil zugeführt wird, um es dem beweg­ baren Stopper zusammen mit dem Düsennadelbauteil zu ermög­ lichen, zu der zweiten Position zu gelangen. Ein Düsenna­ deldruckbauteil (6, 64) wird ebenfalls durch das Betäti­ gungsbauteil zum Anlegen eines Druckes auf und zum Verursa­ chen eines Hubs des Düsennadelbauteils betätigt, wenn die erste oder die zweite Energie dem Betätigungsbauteil zuge­ führt wird.

Claims (7)

1. Ein Brennstoffeinspritzventil, das ein Düsennadelbau­ teil (1, 12, 62) zum Öffnen oder Schließen eines Einspritz­ loches (55) und ein elektrisch steuerbares Betätigungsbau­ teil (2, 21, 22) zum wahlweisen Steuern eines Hubs des Dü­ sennadelbauteils zu einem ersten Hubbetrag oder einem zwei­ ten Hubbetrag hat, der größer als der erste Hubbetrag ist, wenn eine erste oder zweite Energie dorthin zugeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffeinspritzventil ferner enthält:
einen bewegbaren Stopper (4) zum Stoppen des Hubs des Düsennadelbauteils, wobei der bewegbare Stopper bewegbar ist, um an einer ersten oder zweiten Position zu stehen, so dass das Düsennadelbauteil um den ersten Hubbetrag gehoben werden kann, wenn der bewegbare Stopper an der ersten Posi­ tion ist, und um den zweiten Hubbetrag gehoben werden kann, wenn der bewegbare Stopper an der zweiten Position ist,
ein Gegendrucksteuerungsbauteil (3, 3a, 16 bis 19), das durch das Betätigungsbauteil zum Auferlegen eines Ge­ gendruckes auf den bewegbaren Stopper betätigt wird, wenn die erste Energie oder keine Energie dem Betätigungsbauteil zugeführt wird, um den bewegbaren Stopper an der ersten Po­ sition zu halten und einen niedrigen Gegendruck auf den be­ wegbaren Stopper zu legen, wenn die zweite Energie dem Be­ tätigungsbauteil zugeführt wird, um es dem bewegbaren Stop­ per zusammen mit dem Düsennadelbauteil zu ermöglichen, die zweite Position zu erreichen, und
ein Düsennadeldruckbauteil (6, 64), das durch das Be­ tätigungsbauteil zum Auferlegen eines Drucks auf das Düsen­ nadelbauteil betätigt wird, so dass sich das Düsennadelbau­ teil anhebt, wenn die erste oder zweite Energie dem Betäti­ gungsbauteil zugeführt wird.

2. Brennstoffeinspritzventil gemäß Anspruch 1, wobei das Gegendrucksteuerungsbauteil ein hydraulisches Steuerungs­ ventil (3, 3a) zum Einführen eines Drucks einer Hochdruck­ leitung zu einer rückseitigen Fläche des bewegbaren Stop­ pers im geschlossenen Zustand hat, und zum Einführen eines Drucks einer Niedrigdruckleitung zu der rückseitigen Fläche des bewegbaren Stoppers im offenen Zustand hat.

3. Brennstoffeinspritzventil gemäß Anspruch 2, wobei das Betätigungsbauteil ein piezoelektrisches oder eine andere Art Betätigungsmittel (2) hat, das ein elektrisch verform­ bares Element aufweist, dessen Verschiebung gemäß der daran angelegten Energie variabel ist.

4. Brennstoffeinspritzventil gemäß Anspruch 3, wobei die Verschiebung des piezoelektrischen Betätigungsmittels oder der anderen Art Betätigungsmittel in einen Druck umgewan­ delt wird, der zum Betätigen nicht nur des hydraulischen Steuerungsventils sondern auch des Düsennadeldruckbauteils verwendet wird.

5. Brennstoffeinspritzventil gemäß Anspruch 3, wobei das Betätigungsbauteil ferner einen Kolben (21) und eine hyd­ raulische Kammer (22) hat, so dass die Verschiebung des piezoelektrischen Betätigungsmittels oder der anderen Art Betätigungsmittel über den Kolben zu Druck der hydrauli­ schen Kammer umgewandelt wird, dessen Wert relativ gering ist, der aber nur zum Anheben des Düsennadelbauteils aus­ reicht, wenn die erste Energie dem piezoelektrischen oder der anderen Art Betätigungsmittel zugeführt wird, und aus­ reichend hoch ist, um sowohl das Düsennadelbauteil als auch das hydraulische Ventilbauteil zu betätigen, wenn die zwei­ te En ergie dem piezoelektrischen oder der anderen Art Betä­ tigungsmittel zugeführt wird.

6. Brennstoffeinspritzventil gemäß einem oder jedem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das hydraulische Steuerungsventil ein Zweiwegeventil (3) ist, das betätigt werden kann, um den Druck zu entlasten, der auf der rückseitigen Fläche des bewegbaren Stoppers von der Hochdruckleitung zu der Nied­ rigdruckleitung wirkt.

7. Brennstoffeinspritzventil gemäß einem oder jedem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das hydraulische Steuerungsventil ein Dreiwegeventil (3a) ist, das nicht nur zum Entlasten des Druckes, der auf der Rückseite des bewegbaren Stoppers von der Hochdruckleitung zu der Niedrigdruckleitung wirkt, sondern auch zum Unterbrechen der Verbindung zwischen der rückseitigen Fläche des bewegbaren Stoppers und der Hoch­ druckleitung betätigbar ist.