-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach
der Gattung des Patentanspruchs 1.
-
Eine
solche Vorrichtung ist durch den CR-Injektor (CR = Common Rail)
mit Piezoaktor (= Piezosteller) und Übersetzung mit einem hydraulischen Koppler
bekannt. Die bekannte Vorrichtung verwendet ein A-Ventil als Steuerventil.
Das Befüllen
des Kopplers ist etwas aufwändig.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für Brennkraftmaschinen
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat dem
gegenüber
den Vorteil, dass eine alternative Variante eines CR-Injektors mit
Piezosteller geschaffen wird, die ein I-Ventilverwendet, das weniger
aufwändig
als ein A-Ventil sein kann, denn ein A-Ventil neigt dazu, für Kavitation
anfällig
zu sein und erhält
daher zweckmäßig eine
sorgfältig
gestaltete Form. Daneben wird ein großer Ventilquerschnitt ermöglicht.
Dadurch kann das Öffnen
und Schließen
des Einspritzventils schneller erfolgen. Schließlich ist das Befüllen mit
CR-Druck einfach, weil die zu befüllenden Führungsspalte und Räume in Serie
angeordnet sind.
-
Zeichnung
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigt
-
die
einzige Figur die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit einem Einspritzventil und einem Steuerventil sowie einem hydraulischen
Koppler.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
-
Die
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 wird
von einem Druckspeicher (Common Rail) 3 mit Kraftstoff
unter hohem Druck über eine
Hochdruckleitung 5 versorgt, von der aus Kraftstoff über eine
Einspritzleitung 6 zu einem Einspritzventil 9 gelangt.
Ein Teile der Vorrichtung enthaltendes Gehäuse 2 und eine Düsenspannmutter 4 sind teilweise
gezeigt. Eine Brennkraftmaschine hat normalerweise mehrere Einspritzventile,
und der Einfachheit halber ist lediglich eines dargestellt. Das
Einspritzventil 9 weist eine Ventilnadel (Ventilkolben,
Düsennadel) 11 auf,
die mit einer konischen Ventildichtfläche 12 in ihrer Schließstellung
Einspritzöffnungen 13,
durch die Kraftstoff ins Innere eines Verbrennungsraums des Verbrennungsmotors
eingespritzt werden soll, verschließt. Der Kraftstoff gelangt
in den Bereich der Düsennadel über einen
ringförmigen
Düsenraum 14,
von dem aus er über
eine als Druckschulter ausgebildete Steuerfläche 15 einen Druck
in Öffnungsrichtung
der Düsennadel
auszuüben
gestattet. Wenn der genannte Druck eine Kraft in Öffnungsrichtung
auf die Ventilnadel ausübt,
die diesem Öffnen
entgegen wirkende Kräfte überwindet,
so öffnet sich
das Ventil.
-
Zum
Steuern des Öffnens
und Schließens der
Einspritzöffnungen
dient ein Aktor 31. Dieser erzeugt in Abhängigkeit
von einer Ansteuerung an einem mechanischen Ausgang eine Auslenkung
und eine Kraft zum Betätigen
weiterer Elemente. Im Beispiel handelt es sich um einen elektrisch
betätigten Aktor.
Im Beispiel ist es ein Aktor, der ein piezoelektrisches Element
aufweist, nämlich
ein Piezoaktor. Der Aktor nimmt in Abhängigkeit von einer elektrischen
Ansteuerung in Vertikalrichtung der Zeichnung und somit in seiner
Längsrichtung
eine gelängte
Konfiguration oder eine verkürzte
Konfiguration ein. Im Beispiel ist ein Aktor mit einer derartigen
Konstruktion vorgesehen, der bei Bestromung (Anschluss an eine Gleichstromversorgung)
eine gelängte
Konfiguration einnimmt, ohne Bestromung eine verkürzte Konfiguration
einnimmt. Der Aktor bildet eine kapazitive Last und nimmt bei Dauerbestromung
keine Verlustleistung auf. Es kann vorteilhaft oder erforderlich
sein, den Piezoaktor durch eine Spannvorrichtung, z. B. Feder, so
vorzuspannen, dass im Aktor enthaltene piezoelektrische Elemente
stets auf Druck beansprucht sind. Dies ist den Fachleuten bekannt.
und deshalb wird hierauf im Folgenden nicht hingewiesen. Während das
obere Ende des Piezoaktors in einer in der Zeichnung nicht sichtbaren
Weise in der Einspritzvorrichtung verankert ist, dient das untere Ende
des Piezoaktors dazu, dessen Kraft und Bewegung letztendlich zum Öffnen und
Schließen
der Einspritzöffnung
zu verwenden. Hierzu ist für
seine Ankopplung ein hydraulischer Koppler 35 vorgesehen, der
einen mit dem Piezoaktor gekoppelten Kolben 36 und einen
weiteren Kolben 37 aufweist. Im vorliegenden Anwendungsfall
ist im allgemeinen durch den Koppler eine Vergrößerung des Wegs des weiteren Kolbens 37 im
Vergleich zum Weg des Kolbens 36 (durch passende Wahl der
hydraulisch wirksamen Kolbenflächen)
nötig.
Die Konstruktion und Wirkungsweise des hydraulischen Kopplers wird
weiter unten beschrieben.
-
Wenn
der mit dem Piezoaktor nicht unmittelbar verbundene Kolben 37 des
hydraulischen Kopplers ein Steuerventil 41 (oder Auslassventil) öffnet, sinkt
der Druck in einer mit Kraftstoff gefüllten Steuerkammer 43,
in die der obere Endabschnitt der Düsennadel eingreift. Die Steuerkammer 43 wird
mit Kraftstoff unter Druck über
eine Zulaufdrossel 47 gefüllt, und bei geöffnetem
Steuerventil 41 fließt
Kraftstoff über
eine Ablaufdrossel 49 aus der Steuerkammer 43 aus.
Das Ausfließen
von Kraftstoff wird durch Kräfte
unterstützt,
die die Düsennadel 11 in
ihre offene Stellung zu bewegen bestrebt sind. Ein bewegliches Ventilstück 51 liegt
bei geschlossenem Steuerventil 41 an einem Ventilsitz 53 dichtend
an und ist mit dem weiteren Kolben 37 mechanisch gekoppelt. Die
bei geöffnetem
Ventilstück 51 aus
der Steuerkammer ausströmende
Steuermenge wird durch einen Leckagekanal 55 abgeführt. Bei
geschlossenem Ventilstück 51 wird
dieses von der Steuerkammer her mit Raildruck (= Druck in der Leitung 5)
beaufschlagt, wobei der Druck auf die Fläche mit dem Durchmesser d3
wirkt.
-
Die
Kolben 36 und 37 sind im Beispiel im wesentlichen
linear hintereinander angeordnet, im Beispiel genau hintereinander.
Ein seitlicher Versatz oder ein von 0 Grad verschiedener Winkel
zwischen den Längsachsen
der Kolben würde
funktionell nichts ändern.
Die Art, in der sie miteinander gekoppelt sind, wird unten erläutert. Im
Kolben 36 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung
dieses Kolbens anzeigt, wenn der Aktor eine Bewegung in der Zeichnung
nach unten ausführt.
Im Kolben 37 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung
dieses Kolbens anzeigt, wenn der Kolben 36 die durch seinen Pfeil
bezeichnete Bewegung ausführt.
Durch Vergleich des Pfeil des Kolbens 37 mit der Richtung,
in der das bewegliche Ventilelement des vom hydraulischen Wandler 35 zu
betätigenden
Ventils zum Öffnen
bzw. zum Schließen
bewegt werden muss, ist aus der Zeichnung unmittelbar ersichtlich,
ob die in der Zeichnung eingezeichnete Richtung der genannten Pfeile
einem Öffnungsvorgang
oder einem Schließvorgang
des genannten Ventils entspricht.
-
Das
bewegliche Ventilstück 51 ist
im wesentlichen kegelförmig
mit einem zylindrischen Fortsatz ausgebildet. Insbesondere liegt
es mit dem kegelförmigen
Teil im geschlossenen Zustand an dem Ventilsitz 53 an.
Das Ventilstück 51 ist
durch eine von dem zylindrischen Fortsatz geführte Druckfeder 54 in Richtung
auf seinen Ventilsitz 53 vorgespannt. In seiner Sperrstellung
ist es nach "innen" bewegt worden, nämlich in
Richtung von einem Bereich niedrigeren Drucks (Leckagedruck) zu
einem Bereich mit hohem Druck in der Steuerkammer 43. Das
Auslassventil oder Steuerventil wird in diesem Fall daher als I-Ventil
bezeichnet. Die dem Ventilsitz 53 abgewandte Seite des
Ventilstücks 51 ist
mit einem Betätigungsteil starr
verbunden, das mit dem hydraulischen Koppler verbunden ist. Im Beispiel
muss das bewegliche Ventilteil 51 zum Schließen unter
Aufwendung einer Kraft gegen seinen Ventilsitz gedrückt werden,
damit es das Ausströmen
des unter Druck stehenden Kraftstoffs aus der Steuerkammer 43 verhindert.
-
Ein
Ventil, dessen bewegliches Ventilteil in seiner Sperrstellung nach "außen" bewegt worden ist,
nämlich
in Richtung vom hohen Druck in der Steuerkammer zu einem Bereich
niedrigeren Drucks, wird als A-Ventil bezeichnet.
-
Anstatt
des im Ausführungsbeispiel
gezeigten Kegelventils ist bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
ein Ventil mit im Wesentlichen kugeligem beweglichen Ventilteil
vorgesehen, das ohne Feder ausgebildet sein mag, ebenfalls als I-Ventil.
-
Der
Aktor 31 ist mit dem Kolben 36 durch ein Element 60 verbunden,
das die Form einer Platte oder eines Stangenabschnitts mit einem
Durchmesser d5 beim Übergang
in den Kolben 36 hat. Der Kolben 37 ist mit dem
von ihm zu betätigenden
beweglichen Ventilteil 51 durch eine Stange 63 mit
einem Durchmesser d1 verbunden. Der Kolben 36 hat einen Durchmesser
d4, der Kolben 37 hat einen Durchmesser d2. Der lichte
Durchmesser des Ventilsitzes 53 dort, wo das bewegliche
Ventilteil an ihm anliegt, ist d3.
-
Zwischen
den zylindrischen Außenflächen der
Kolben und einem diese aufnehmenden Gehäuse 2 bestehen Führungsspalte 65 für den Kolben 36 und 67 für den Kolben 37.
Die Führungsspalte
dienen zum Füllen
eines Kopplervolumens, nämlich
eines Wandlerraums 72, und eines auf Leckagedruck liegenden
Funktionsraums 76 mit Kraftstoff.
-
Maßgeblich
für die
Funktion sind die den oben genannten Durchmessern (für kreisförmige Querschnitte)
entsprechenden Flächen
f1 bis f5. Kreisförmige
Querschnitte sind zwar für
die Herstellung zweckmäßig, die
Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
-
Der
dem Aktor 31 zugewandte Endbereich des Kolbens 36 greift
in einen mit der Hochdruckleitung 5 verbundene Füllraum 71 ein,
in dem sich die Platte 60 befindet. Das Abströmen von
Kraftstoff in der Figur nach oben ist verhindert. Mit ihren einander zugewandten
Endbereichen greifen die Kolben 36 und 37 in einen Übersetzerraum 72 ein.
Der dem Aktor 31 abgewandte Endbereich des Kolbens 37 greift in
den Funktionsraum 76 ein. Dieser ist mit dem Abfluss des
Steuerventils 41 und mit der Leckageleitung 55 verbunden.
Der Übersetzerraum 72 wird über den Führungsspalt 65 mit
CR-Druck befüllt.
Dies wird durch den Funktionsraum 76 unterstützt, der über den
Führungsspalt 67 vom Übersetzerraum 72 her befüllt wird.
Der Funktionsraum 76 des Kolbens 37 wird von der
Stange 63 durchdrungen. Die Kolben 36 und 37 bewegen
sich gleichsinnig und wegen der gewünschten Weg-Übersetzung
vom Aktor zum Steuerventil mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
Die Leckageleitung 55 wird durch ein Druckhalteventil auf einem
Druck oberhalb Atmosphärendruck
gehalten.
-
Der
Aktor 31 (Piezosteller) wird im geschlossenen Zustand des
Einspritzventils 9 mit Strom versorgt und ist gelängt. Zum Öffnen des
Steuerventils 41 wird der elektrische Strom zum Aktor 31 eingeschaltet
und der Aktor wird länger.
Dadurch wird der Kolben 36 (erster Übersetzerkolben) in der Figur nach
oben bewegt, wobei dies durch eine auf die Platte 60 von
unten wirkende Druckfeder 80 unterstützt wird. In dem Übersetzerraum 72 ist
im Ruhezustand CR-Druck (= Druck des Druckspeichers bzw. Common
Rail) als Systemdruck. Im Übersetzerraum 72 sinkt
durch das Bewegen des Kolbens 36 der Druck. Daher wird
der Kolben 37 (zweiter Übersetzerkolben)
nach oben bewegt und öffnet
durch gleich gerichtete Bewegung des Ventilteils 51 das
Steuerventil 41, das ein I-Ventil ist. Das Öffnen des
Ventilteils 51 wird durch den innerhalb der Steuerkammer 43 vorhandenen
CR-Druck unterstützt.
Das Ventilteil 51 ist fest mit der Stange 63 und
somit mit dem Kolben 37 verbunden. Der Übersetzerraum 72 ist
mit CR-Druck befüllt,
dadurch ist der Sitzdurchmesser d3 des Ventilteils 51 sehr
groß wählbar, da
der Kolben 37 diese Fläche
mit seiner im Übersetzerraum 72 befindlichen
Seite ausgleicht.
-
Bei
offenem Steuerventil wird der Übersetzerraum 72 über den
Führungsspalt 65 wieder
befüllt, so
dass der Druck in ihm auf CR-Druck ansteigt. Wird nun durch Einschalten
des Aktorstroms das Einspritzen beendet, so schließt wegen
des hohen Drucks in dem Übersetzerraum
das Steuerventil sehr schnell.
-
Somit
schafft die Erfindung einen vorteilhaften I-Ventil-Servo-Injektor
mir CR-Druckunterstützung für sehr schnelles Öffnen und
Schließen
des Einspritzventils.
-
Ein
wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass an der dem Steuerventil
abgewandten Seite des mit dem Steuerventil direkt verbundenen Kolbens 37 Raildruck
anliegt, der die Betätigung
des Steuerventils unterstützt
und dem auf das Ventilteil 51 im Sperrzustand von der Steuerkammer 43 her wirkenden
Druck entgegen wirkt.
-
Der
im Übersetzerraum 72 herrschende
Raildruck wirkt mit dem Querschnitt der Stange 63 als Kolbenfläche auf
das Ventilteil 51. Daher ist d3 weitgehend kraftausgeglichen.
Es steht daher im Vergleich zum Stand der Technik ein größerer Überschuss
an Kraft, die vom Aktor geliefert wird, zur Beschleunigung der Masse
des beweglichen Ventilteils zur Verfügung. Die Erfindung schafft
somit eine Variante mit teilausgeglichenem (= bezüglich der
Kraft teilweise ausgeglichenem) Steuerventil, wobei das Ventil ein
I-Ventil ist. Die vom Aktor zum Schließen des Ventils zu liefernde
Kraft ist daher gegenüber dem
Bekannten kleiner. Stattdessen ist bei einer Ausführungsform
ein Ventil 51 mit einem gegenüber dem Bekannten größeren Durchmesser
d3 vorgesehen, der ein schnelleres Öffnen und Schließen des
Einspritzventils ermöglicht,
weil die Strömungszunahme und
-Abnahme in diesem größer ist
als bei dem bekannten kleineren Ventil.
-
Die
Erfindung erfasst auch Ausführungsformen,
bei denen der unter hohem Druck stehende Kraftstoff nicht von einem
Hochdruckspeicher zugeführt
wird, sondern von einer dem Einspritzventil zugeordneten Pumpe (z.B.
Pumpe-Düse-Einheit, Unit Injector),
die dann auch den Füllraum
speist.