DE19540155C2 - Servoventil für eine Einspritzdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Servoventil für eine Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einem bekannten gattungsgemäßen Servoventil (EP 0 199 632 A1) ist das Betätigungs­ glied für das als Kugel ausgebildete Ventilglied Teil des Ankers eines Elektromagneten. Mit einem solchen Elektromagneten können zwar große Hübe realisiert werden; die Präzision der Steuerbarkeit von Auslenkungen sowohl hinsichtlich der Größe als auch hinsichtlich des zeitlichen Ablaufs ist jedoch eingeschränkt. Insbesondere durch eventuell auftretendes Prellen bei der Ventilbetätigung ist die Präzision der zuzumessenden Kraft­ stoffmengen beschränkt. Aufgrund der relativ hohen Aufschlagsgeschwindigkeiten ergeben sich auch verschleißbedingte Lebensdauerprobleme.

Aus der DE-OS 24 22 775 ist ein Servoventil bekannt, bei dem beide Ventilsitze ge­ schlossen sein können, da ein zweites Ventilglied mittels eines Piezoaktuators betätigbar ist. Das von dem Piezoaktuator betätigte zweite Ventilglied ragt nicht durch die Rücklauf­ öffnung hindurch. Die Rücklauföffnung ist vielmehr zwischen der Stirnseite des zweiten Ventilgliedes und einem Ende des ersten Ventilglieds gebildet, wobei das erste Ventilglied in seiner zugehörigen Bohrung gegenüber Hochdruck abgedichtet geführt sein muß, was den Konstruktionsaufwand erhöht und die Betätigungskräfte vergrößert. Ein Arbeiten mit kleinem Hub ist nicht vorgesehen, da der Hub des Piezoaktuators über einen Hebel übersetzt auf einen Betätigungskolben für das zweite Ventilglied übertragen wird. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen einem gattungsgemäßen Servoventil und dem vorgenannten Servoventil liegt darin, daß der Düsenraum bei dem vorgenannten Servoven­ til nicht an den unter hohem Druck stehenden Druckspeicher angeschlossen ist. Insgesamt bildet das vorgenannte Servoventil eine Pumpvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, da der Kraftstoff durch die Ventilgliedbewegung unmittelbar aus dem Düsenraum her­ ausgepumpt wird.

Ein weiteres Servoventil für eine Einspritzdüse, insbesondere für Common-Rail-Systeme, ist im SAE paper Nr. 910252 "Development of New Electronically Controlled Fuel Injection System ECD-U2 for Diesel Engines" beschrieben. Sein Ventilglied besteht aus einem äußeren Ventilkörper und einem in diesem geführten inneren Ventilkörper. Der äußere Ventilkörper ist normalerweise von einer Feder nach unten in Anlage an den ersten Ventilsitz gedrängt, so daß die Rücklauföffnung geschlossen ist. Das innere Ventilglied wird vom Druck in der Ventilkammer nach oben bewegt und gibt dabei eine im äußeren Ventilglied ausgebildete Hochdrucköffnung frei. Wenn eine elektromagnetische Spule erregt wird, bewegt sich das äußere Ventilglied aufwärts und hebt vom ersten Sitz ab, so daß die Verbindungsöffnung mit der Rücklauföffnung verbunden wird. Die Aufwärts­ bewegung des äußeren Ventilglieds hält an, bis sich der an diesem ausgebildete zweite Sitz in Anlage an das innere Ventilglied bewegt, wodurch die Hochdrucköffnung verschlossen wird. Das vorbenannte Servoventil ist in seinem Aufbau verhältnismäßig aufwendig, da eine in seinem Gehäuse ausgebildete Führung für das äußere Ventilglied und eine an der Innenseite des äußeren Ventilglieds ausgebildete Führung für das innere Ventilglied präzise gefertigt sein müssen. Die Führung zwischen dem inneren Ventilglied und dem äußeren Ventilglied ist bei offenem zweiten Sitz mit unter Hochdruck stehendem Fluid beauf­ schlagt, was zu Leckverlusten führt. Zusätzlich bedingt die elektromagnetische Betätigung des äußeren Ventilgliedes systemimmanent verhältnismäßig große Verzögerungszeiten zwischen dem Beginn der Erregung der Magnetspule und der Bewegung des äußeren Ventilglieds, die verhältnismäßig reibungsbehaftet ist, da sich das äußere Ventilglied an seiner Außenseite gegenüber dem Gehäuse und an seiner Innenseite gegenüber dem inneren Ventilglied bewegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Servoventil dahingehend weiterzubilden, daß eine exakte Steuerbarkeit sowie eine lange Lebensdauer erreicht werden.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Mit Betätigungsvorrichtungen, die ein in Abhängigkeit von der an ihnen liegenden Span­ nung bzw. den durch sie fließenden Strom längenveränderliches Bauteil enthalten, wie magnetostriktive Aktuatoren oder Piezoaktuatoren, lassen sich Hübe in der Größenordnung von 20 bis 30 µm außerordentlich genau steuern. Damit sind eine präzise Voreinspritzung und eine präzise Haupteinspritzung möglich, die an die jeweiligen Anforderungen angepaßt werden können. Durch die in der zur Hochdrucköffnung führenden Hochdruckleitung angeordnete Zulaufdrossel wird die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Servoventils verbessert, da die Zulaufdrossel eine reduzierte Schließgeschwindigkeit bewirkt und somit ein Prellen der Düsennadel am Anschlag verhindert und den Düsensitzverschleiß ver­ mindert.

Vorteilhafterweise ist die Betätigungsvorrichtung ein Piezoaktuator. Solche modernen Piezoaktuatoren arbeiten mit Feldstärken von bis zu 2000 V/mm und erreichen relative Längenänderungen von bis zu 1,5‰. Mit einer Länge des Piezoaktuators von 30 mm läßt sich somit ein Hub von etwa 0,045 mm erzielen, wobei eine typische Schaltzeit bei 50 µs liegt.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 wird die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Servoventils bzw. einer damit ausgerüsteten Brennkraftmaschine verbessert.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 wird erreicht, daß die Kraftstoffzumessung un­ abhängig von thermischen Ausdehnungen des Piezoaktuators ist.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 5 wird die Steuerbarkeit der Düsennadelöffnungs­ bewegung verbessert.

Der Anspruch 6 ist auf die konstruktive Ausführungsform einer Ventilkammer gerichtet, die sich besonders gut für das Arbeiten mit kleinen Hüben eignet.

In einer solchen Ventilkammer wird gemäß dem Anspruch 7 mit Vorteil eine Kugel als Ventilglied verwendet.

Mit dem erfindungsgemäßen Servoventil ist das Arbeiten mit sehr hohen Systemdrucken möglich. Die Hochdruckleitung ist unmittelbar an die Ventilkammer angeschlossen, wodurch keine gegen Hochdruck abzudichtende Kolbenführungen oder ähnliches erforder­ lich sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 ein Gesamtschema eines common-rail-Systems,

Fig. 2 das Hydraulikschema mit einem erfindungsgemäßen Servoventil,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Servoventil mit integrierter Ein­ spritzdüse,

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts der Fig. 3 und

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts der Fig. 4.

Gemäß Fig. 1 ist ein Kraftstofftank 2 über ein Filter und eine Vorförderpumpe 4 mit einer common-rail (CR)-Hochdruckpumpe 6 verbunden. Von der Hochdruckpumpe führt eine Leitung einer Verteilerleitung (common-rail) 8, die über Zuleitungen 10 mit jedem Zylinder einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine zugeordneten Einspritzdüseneinheiten 12 verbunden ist.

Die Einspritzdüseneinheiten 12 sind über Rückleitungen 14 mit einer zum Tank 2 führen­ den Rücklaufleitung 16 verbunden.

Der Systemdruck wird mit Hilfe eines Begrenzungsventils 18 begrenzt und kann bis 2000 bar betragen.

Ein elektronisches Steuergerät 20 ist mit seinen Ausgängen mit der Hochdruckpumpe 6 sowie den Einspritzdüseneinheiten 12 verbunden. Die Eingänge 22 des Steuergerätes sind mit einem Drucksensor 24 in der Verteilerleitung 8 sowie weiteren, nicht dargestellten Sensoren verbunden, beispielsweise für die Stellung eines Fahrpedals, die Fahrgeschwin­ digkeit, Temperaturen, Ladedruck, Luftmasse, Drehzahl usw.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Einspritzdüseneinheit mit dem zugehörigen Hydraulikschema.

Die Einspritzdüseneinheit enthält einen Düsenkörper 26, der in einer Düsennadel endet, die im geschlossenen Zustand der Einspritzdüse an einem Ventilsitz anliegt. Der Düsenkörper 26 durchragt einen Düsenraum 28, der mit der Zuleitung 10 verbunden ist. Der Düsenkörper 26 ist mit einem Aktuatorkolben 30 verbunden bzw. einteilig mit diesem ausgebildet, der in einer Arbeitskammer 32 arbeitet. Die Arbeitskammer 32 ist über eine Verbindungsleitung 34 mit einer Verbindungsdrossel 36 an eine Verbindungsöffnung 38 angeschlossen, die an einer Ventilkammer 40 eines insgesamt mit 42 bezeichneten Servoventils ausgebildet ist.

Die Ventilkammer 40 weist weiter eine Hochdrucköffnung 44 auf, die über eine mit einer Zulaufdrossel 46 versehene Hochdruckleitung 48 mit der Zuleitung 10 verbunden ist.

Eine Rücklauföffnung 50 der Ventilkammer 40 ist an die Rückleitung 14 angeschlossen. Zur Betätigung eines als Kugel 52 ausgebildeten Ventilgliedes ragt durch die Rücklauföffnung 50 hindurch ein von einem Piezoaktuator 54 betätigter Schaft 56. Der Piezoaktuator 54 ist über nicht dargestellte elektrische Anschlüsse mit dem Steuergerät 20 (Fig. 1) verbunden.

Piezoaktuatoren sind an sich bekannt und aufgebaut wie Kondensatoren, deren Dielek­ trikum aus piezoelektrischen Material, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik besteht. Moderne Aktuatoren arbeiten mit Feldstärken von bis zu 2000 V/mm und errei­ chen relative Längenänderungen von bis zu 1,5 Promille. Im dargestellten Beispiel läßt sich mit einer Länge des Piezoaktuators 40 von etwa 30 mm somit ein Hub von etwa 0,03 mm erzielen. Eine typische Schaltzeit liegt bei 50 µs, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Schaftes 56 durch entsprechende Ansteuerung des Piezoaktuators 54 steuerbar ist.

Fig. 3 zeigt eine Gesamtschnittansicht einer Einspritzdüseneinheit 12 mit Gehäuse 58 und Hochdruckanschluß 60 zum Anschließen an die Verteilerleitung 8 (Fig. 1). Nicht dargestellt sind elektrische Anschlüsse, mittels derer der Piezoaktuator 54 mit dem Steuergerät 20 verbunden ist.

Da die gesamte Einspritzdüseneinheit 12 unmittelbar auf dem Zylinderkopf einer Brenn­ kraftmaschine angebracht ist, ist es für die Präzision der Ventilbetätigung vorteilhaft, unterschiedliche Längendehnungen zwischen dem Piezoaktuator 54 und dem Gehäuse 58, das den Piezoaktuator 54 aufnimmt, auszugleichen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß das Gehäuse 58 zumindest im Bereich des Piezoaktuators 54 aus einem Material ähnlich geringer Wärmedehnung wie das des Piezoaktuators 54 besteht, beispielsweise aus Invarstahl. Bei einer anderen Variante, bei der das Gehäuse 58 aus normalem Stahl besteht, kann ein mittels einer Schraube 62 an dem Gehäuse 58 befestigter Einsatzbolzen 64 aus einem Material bestehen, das eine größere Wärmedehnung als die des Gehäusematerials aufweist, beispielsweise aus Aluminium. Durch zweckentsprechende Abstimmung der Länge des Einsatzbolzens 64 bezüglich der Länge des Piezoaktuators 54 und des Materials des Gehäuses 58 sowie dessen Länge kann die geringe Wärmedehnung des Piezoaktuators 54 kompensiert werden.

Fig. 4 stellt den mittleren Bereich der Einspritzdüseneinheit 12 der Fig. 3 in vergrößertem Maßstab dar. Fig. 5 wiederum zeigt den mittleren Bereich der Fig. 4 in vergrößertem Maßstab.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist ein das Einspritzventil mit dem Aktuatorkolben 30 und das Servoventil aufnehmendes Gehäuseteil 65 mit dem Gehäuse 58 verschraubt. Die Ventilkugel 52 des servoventils wird vorteilhafterweise von einer Feder 66 nach oben in Anlage an einen vom Piezoaktuator 54 betätigten Zapfen 68 bzw. einen ersten Sitz 70 (Fig. 5) gedrängt. Der Zapfen 68 arbeitet mit einem in einer Bohrung des Gehäuses 58, in der auch der Piezoaktuator 54 aufgenommen ist, geführten Bauteil 72 zusammen, das sich über eine Halbkugel 74 an dem Piezoaktuator 54 abstützt. Zur Abdichtung zwischen dem Bauteil 72 und der Innenwand der Bohrung 76 ist eine Dichtung 78 vorgesehen. Die Bauteile 58,72 und 74 bilden den in Fig. 2 mit 56 bezeichneten Schaft.

Für die Wegaufnahme des Aktuatorkolbens 30 ist ein Nadelhubgeber 80 vorgesehen, mit dem der Öffnungsgrad des in Fig. 4 nicht dargestellten Einspritzventils genau bestimmbar ist.

Fig. 5 zeigt den zentralen Teil des Servoventils, der zwei Gehäusekörper 82 und 84 aufweist, die zwischen dem Gehäuse 58 und dem mit diesem verschraubten Gehäuseteil 65 gegeneinander gespannt sind.

Der Gehäusekörper 82 und 84 weisen miteinander fluchtende Bohrungen auf, die einen Teil der mit Hochdruck beaufschlagten Zuleitung 10 bilden. Weiter ist der Gehäusekörper 82 mit einer Durchgangsbohrung 86 versehen, mit der eine Sackbohrung 88 des Gehäusekörpers 84 fluchtet. Von der Sackbohrung 88 zur Zuleitung 10 führt eine die Hochdruckleitung 48 darstellende Bohrung.

Die an die Trennflächen zwischen den Gehäusekörpern 82 und 84 mündenden Seiten der Bohrungen 86 und 88 sind derart bearbeitet, daß sie mit Übermaß die das Ventilglied bildende Kugel 52 aufnehmen und gemäß Fig. 5 oben einen ersten Sitz 70 und gemäß Fig. 5 unten einen zweiten Sitz 90 bilden. Zwischen den Sitzen 70 und 90 führt von der die Kugel 52 aufnehmenden Ventilkammer 40 (Fig. 2) die Verbindungsöffnung 38 zur Verbindungsleitung 34, in der die Verbindungsdrossel 36 angeordnet ist. In Fig. 5 fehlt die in Fig. 2 dargestellte Zulaufdrossel 46 in der Hochdruckleitung 48.

Die Durchgangsbohrung 86 endet oben in einer ringförmigen Ausnehmung 90, von der aus die in den Fig. 4 und 5 nicht dargestellte Rückleitung 14 abgeht. Der in Fig. 4 gezeigte Zapfen 68 weist an seiner Außenseite vorteilhafterweise Längsnuten auf, so daß er die Durchgangsbohrung 86 nicht verschließt.

Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist folgende:

Im nicht bestromten Zustand des Piezoaktuators 54 liegt die Kugel 52 am in den Figur oberen, d. h. ersten Sitz 70 (Fig. 5). Somit ist die Rückleitung 14 geschlossen und die Hochdruckleitung 48 mit der Verbindungsleitung 34 verbunden, so daß die Arbeitskammer 32 bei vorhandenem Systemdruck mit Hochdruck beaufschlagt ist. Die Einspritzdüse ist dann geschlossen, da die auf dem Düsenkörper 26 von der Arbeitskammer 32 her wirkenden Kraft größer ist als die vom Düsenraum 28 her wirkende Kraft.

Wird der Piezoaktuator 54 erregt, so wird die Kugel 52 gegen den hohen Systemdruck vom ersten Sitz 70 abgehoben und gelangt in Anlage an den zweiten Sitz 90 (Fig. 5), wodurch die Hochdruckleitung 48 von der Ventilkammer 40 getrennt wird und die Ver­ bindungsleitung 34 mit der Rückleitung 14 verbunden wird. Fluid strömt aus der Arbeitskammer 32 ab. Der Druckabfall bewirkt, daß sich der Düsenkörper 26 unter dem Einfluß des vom Düsenraum 28 her wirkenden, hohen Drucks aufwärts bewegt und sich die Düse öffnet.

Die Dynamik des Systems ist aufgrund des außerordentlich kleinen Ventilhubs und das rasche Ansprechverhalten des Piezoaktuators außerordentlich präzise und kann durch zweckentsprechende Wahl der Drosseln 46 und/oder 36 variiert werden. Der Zeitraum, währenddessen beide Sitze offen sind und die Hochdruckleitung 48 mit der Rückleitung 14 verbunden ist, ist außerordentlich kurz, so daß Verluste auf ein Minimum herabgesetzt sind.

Claims (7)

1. Servoventil für eine Einspritzdüse, insbesondere für common-rail-Systeme, enthal­ tend:
ein Gehäuse (82, 84) mit einer Ventilkammer (40), einer Hochdrucköffnung (44), einer Verbindungsöffnung (38) und einer Rücklauföffnung (50),
und ein in der Ventilkammer bewegliches Ventilglied (52), welches mittels eines durch die Rücklauföffnung (58) hindurchragenden, von einer elektrisch betriebenen Betäti­ gungsvorrichtung (54, 56) bewegten Betätigungsgliedes (68) eine Betätigungsvorrichtung (54, 56) entweder an einem ersten Sitz (70) oder einem zweiten Sitz (90) in Anlage bringbar ist, wobei das Ventilglied bei Anlage an den ersten Sitz die Rücklauföffnung schließt und die Hochdrucköffnng mit der Verbindungsöffnung verbindet und bei Anlage an den zweiten Sitz die Hochdrucköffnung schließt und die Verbindungsöffnung mit der Rücklauföffnung verbindet, und
wobei die Verbindungsöffnung mit einer Arbeitskammer (32) der Einspritzdüse verbunden ist, deren von einem ständig mit unter Hochdruck stehendem Düsenraum (28) ausgehende Düse bei mit Hochdruck beaufschlagter Arbeitskammer geschlossen ist, und bei Druckabfall in der Arbeitskammer öffnet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung ein bei Beaufschlagung mit elektrischer Spannung oder elektrischem Strom längenveränderliches Bauteil (54) enthält, und daß in der zur Hochdrucköffnung (44) führenden Hochdruckleitung (48) eine Zulauf­ drossel (46) angeordnet ist.

2. Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrich­ tung einen Piezoaktuator (54) enthält.

3. Servoventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied bei spannungslosem Piezoaktuator (54) in Anlage am ersten Sitz (70) ist.

4. Servoventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß thermische Ausdehnungen des Piezoaktuators (54) durch zweckentsprechende Auswahl des Materials des den Piezoaktu­ ator aufnehmenden Gehäuses (58) und/oder ein zusätzliches Bauteil (64) ausgeglichen sind.

5. Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Verbindungsöffnung (38) zur Arbeitskammer führenden Verbindungsleitung (34) eine Drossel (36) angeordnet ist.

6. Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (50) zwischen den einander zugewandten Enden zweier miteinander fluchten­ der, in unterschiedlichen Gehäuseteilen (82, 84) ausgebildeten Bohrungen (86, 88) ausgebil­ det ist, deren zueinandergewandte Stirnenden die Ventilsitze (70, 90) bilden und gegenüber dem in der Ventilkammer aufgenommenen Ventilglied (52) mit dessen Hub entsprechendem Übermaß voneinander beabstandet sind.

7. Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied als Kugel (52) ausgebildet ist.