DE19727896A1 - Kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einem solchen, durch die GB-PS 1 320 057 bekannten Kraftstoffeinspritzven­ til ist das Betätigungsteil des Ventilglieds einstückig mit dem selben ausgeführt. Das Ventilglied hat dabei als Betäti­ gungsteil einen Kolben, der auf seiner einen Seite mit seiner Stirnseite den Steuerdruckraum begrenzt und auf seiner anderen Seite über eine Druckschulter in einen im Durchmesser kleineren Teil übergeht, an dessen Ende die Dichtfläche angeordnet ist, welche die Einspritzöffnung steuert. Die Druckschulter ist dem Druck im Druckraum ausge­ setzt, der ständig mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher in Verbindung ist, welcher wiederum über eine Drossel in stän­ diger Verbindung mit dem Steuerdruckraum ist. Dieser hat einen zweiten Auslaß, der von einem Piezoventil gesteuert wird. Bei Öffnung dieses Auslasses sinkt der Druck im Steuerdruckraum auf einen Entlastungsdruck ab, der bewirkt, daß die Kräfte in Öffnungsrichtung, die beispielsweise über die Schulter auf das Ventilglied wirken, das Einspritz­ ventils öffnen.

Bei einem Kraftstoffeinspritzventil dieser Art besteht der Nachteil, daß eine genaue Dosierung der Kraftstoffeinspritz­ menge über Zeit und Hub des Kraftstoffeinspritzventilgliedes nicht möglich ist. Beim Öffnen der Einspritzventilnadel hebt diese mit ihrer Dichtfläche vom Ventilsitz ab und es kann in diesem Augenblick der im Druckraum herrschende hohe Kraft­ stoffdruck auch auf die Dichtfläche in Öffnungsrichtung wirken. Damit erfährt das Ventilglied eine zusätzliche Kraft in Öffnungsrichtung, die sich gravierend auf das dynamische Öffnungsverhalten des Ventilglieds auswirkt. Über den Hub erreicht dabei die Kraft, die in Öffnungsrichtung wirkt einen Grenzwert. Der Kraftverlauf folgt dabei etwa einer Exponentialkurve. Diese Eigenschaft erschwert die Dosierung von kleinen Kraftstoffeinspritzmengen, bei denen ein Wiederschließen des Ventilglieds vor Erreichen seiner Endstellung bzw. vor Erreichen der maximalen, in Öffnungs­ richtung wirkenden Kraft erforderlich ist. Eine genaue Dosierung von Kraftstoffeinspritzmengen ist vorallem im Zwischenhubbereich erschwert.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil gemäß den Merkmalen des Kennzeichens ist es nun möglich, den Öffnungsvorgang des Ventilgliedes besser zu beherrschen, so daß eine genauere Dosierung von kleinen Kraftstoffeinspritz­ mengen möglich wird. Mit Hilfe des Kolbens und des vom Ventilglied einerseits und dem Kolben andererseits ange­ schlossenen hydraulischen Raums erhält man über die Aus­ gleichsdruckfläche am Ventilglied eine stabilisierende Kraft, die den Öffnungsvorgang des Kraftstoffeinspritzven­ tilgliedes vergleichmäßigt. Bereits mit der ersten Öffnungs­ bewegung des Ventilglieds baut sich in dem hydraulischen Raum ein Druck auf, der sehr schnell auf einen Höchstwert ansteigt, dann aber konstant bleibt, da sich die Position des Kolbens ab einem bestimmten Druck verändern kann und damit das Volumen konstant bleibt. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Kolben mit unter­ schiedlich großen Kolbenflächen ausgestattet, so daß der Ausgangsdruck in dem hydraulischen Raum gegenüber dem Referenzdruck untersetzt ist, wobei, wenn als Referenzdruck der Druck der Kraftstoffhochdruckquelle gewählt ist auf die Ausgleichsdruckfläche am Ventilglied ein um das Unter­ setzungsverhältnis kleinerer Druck in Schließrichtung wirkt. Auf diese Art und Weise kann eine Gegenkraft auf das Ventil­ glied ab einem bestimmten Druck im wesentlichen konstant gehalten werden.

Weitere Vorteile sind den restlichen Ansprüchen in Verbin­ dung mit der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungs­ beispiels zu entnehmen.

Beschreibung

In der Figur ist schematisch ein Kraftstoffeinspritzventil dargestellt, das von einem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 mit Kraftstoff versorgt wird. Eine Kraftstoffhochdruckpumpe 3 saugt aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 4 Kraftstoff an und fördert ihn mit hohem Kraftstoffeinspritzdruck in den Kraftstoffhochdruckspeicher. Von dort gelangt der Kraftstoff über eine Druckleitung 6 in einen Druckraum 7 des Kraft­ stoffeinspritzventils 8. Der Druckraum 7 liegt stromaufwärts einer Kraftstoffeinspritzöffnung 9, die zum Innern zum Druckraum 7 hin von einem Ventilsitz 10 begrenzt ist und deren Verbindung zwischen dem Druckraum 7 und dem Brennraum 11 einer zugehörigen Brennkraftmaschine durch eine Dichtflä­ che 12 gesteuert wird, die am Ende eines Ventilglieds 14 vorgesehen ist. Das Ventilglied hat ein Betätigungsteil 15 und ein Nadelteil 16, der in einer Führungsbohrung 17 des Betätigungsteiles den Druckraum 7 freiläßt und am Ende die Dichtfläche 12 trägt. Dies ist im vorliegenden Falle kegel­ förmig ausgebildet entsprechend einem kegelförmigen Ventil­ sitz 10. Zwischen dem Betätigungsteil 15 und dem Nadelteil 16 wird eine Druckschulter 18 gebildet, die dem Druck im Druckraum 7 ausgesetzt ist derart, daß aus ihrer Belastung eine in Öffnungsrichtung des Ventilglieds 14 wirkende resultierende Kraft gebildet wird.

Der Betätigungsteil 15 ragt in einen hydraulischen Raum 20 im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils und weist dort eine Ringschulter 21 auf, die eine Ausgleichsdruckfläche bildet. Dabei führt das Betätigungsteil 15 mit einem Teil 15a mit reduziertem Durchmesser aus dem hydraulischen Druck­ raum wieder hinaus und wird in einer in einen Steuerdruck­ raum 23 mündenden Führungsbohrung 24 geführt. Dort endet das Betätigungsteil 15 in einer Stirnseite 26, die dem Druck im Steuerdruckraum 23 ausgesetzt ist. Der Steuerdruckraum hat über eine Drossel 28 eine ständige Verbindung mit dem Kraft­ stoffhochdruckspeicher. Weiterhin führt vom Steuerdruckraum 23 ein Entlastungskanal 29 ab, in dem ggf. eine zweite Drossel 30 angeordnet ist und der durch ein Ventilglied 31 eines elektrisch gesteuerten Ventils 32 geöffnet oder geschlossen werden kann. Wird das Ventilglied 31 geöffnet, so wird der Druck im Steuerdruckraum auf einen Entlas­ tungsdruck abgesenkt, da über die Entlastungsleitung 29 mehr Kraftstoff abströmt, als über die Drossel 28 zuströmen kann. Mit Absenkung dieses Druckes damit mit den sinkenden, in Schließrichtung aufgrund dieses Druckes auf das Ventilglied wirkenden Kräften überwiegen die über die Druckschulter 18 auf das Ventilglied einwirkenden hydraulischen Kräfte in Öffnungsrichtung. Dies bedeutet, daß das Ventilglied geöffnet wird und die Einspritzung über die Einspritzöffnung beginnt. Zur Beendigung dieses Einspritzvorganges wird das Ventilglied 31 wieder in Schließrichtung gebracht, was zur Folge hat, daß schnell nachströmender Kraftstoff den Steuer­ raumdruck wieder auf den ursprünglichen Wert in Höhe des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffhochdruckspeicher 1 bringt. Dieser hohe Druck bewirkt eine überwiegende Kraft in Schließrichtung des Ventilglieds 15 und leitet den Schließ­ vorgang ein.

Die Flächen der Stirnseite 26 und der Druckschulter 18 müssen so aufeinander abgestimmt sein, daß ein Öffnungsvor­ gang bzw. ein Schließvorgang schnell und sicher durchgeführt werden können. Zusätzlich muß dabei beachtet werden, daß mit dem Abheben der Ventilnadel von ihrem Ventilsitz 10 eine zusätzliche Fläche vom Hochdruck beaufschlagt wird, so daß zunehmend Kräfte bis zu einem Grenzwert auf das Ventilglied in Öffnungsrichtung wirken. Der Verlauf dieser Kräfte über den Hub des Ventilglieds bzw. über die Zeit ist nicht linear. Somit ist es erschwert, einen Öffnungsquerschnitt im Zwischenbereich des Ventilnadelhubes zu bestimmen und zu bewerten. Solche reduzierten Öffnungshübe der Ventilnadel sind insbesondere dann von Wichtigkeit, wenn kleinste Kraft­ stoffeinspritzmengen zur Einspritzung gelangen sollen. Dies ist z. B. dann erforderlich wenn zur Steuerung des Verbren­ nungsablaufes über das Kraftstoffeinspritzventil Vorein­ spritzmengen vor einer Haupteinspritzung in den Brennraum eingebracht werden sollen. Um die Bewegung des Ventilglieds besser zu beherrschen ist erfindungsgemäß der hydraulische Raum 20 vorgesehen mit der Ausgleichsdruckfläche 21 an der Ringschulter zwischen den Betätigungsteilen 15 und 15a. Der hydraulische Raum ist geschlossen, kann aber verschoben werden. Dazu ist ein Kolben 33 vorgesehen, der in einer in den hydraulischen Raum mündenden Bohrung dicht verschiebbar gelagert ist. Dieser Kolben ist als Stufenkolben ausgebildet mit einem im Durchmesser größeren Teil 35, dessen erste Kolbenfläche 36 den hydraulischen Raum 20 begrenzt und mit einem im Durchmesser kleineren Teil 37, dessen zweite Kolbenfläche, seine Stirnseite 38 in einem Referenzdruckraum 39 reicht, der über eine Drossel 40 wiederum mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 verbunden ist. Der Kolben 33 hat einen Anschlag 41, der die Verschiebung des Kolbens zum hydraulischen Raum 20 hin begrenzt.

Wird, wie bereits oben beschrieben, ein Öffnungsvorgang des Ventilglieds 14 eingeleitet, wird also das Ventilglied 31 geöffnet und der Steuerdruckraum 23 auf Entlastungsdruck entlastet, so wird sich das Ventilglied beginnen in Öff­ nungsrichtung zu bewegen. Dabei taucht jedoch der im Durchmesser größere Betätigungsteil 15 weiter in den hydrau­ lischen Raum 20 ein und verdrängt mit seiner Stirnfläche 21 Kraftstoff. Diese Verdrängung bewirkt zunächst einmal ein Druckerhöhung in diesem hydraulischen Raum aufgrund der Steifigkeit des hydraulischen Volumens und der elastischen Eigenschaften des darin enthaltenen hydraulischen Mediums. Dies ist im vorliegenden Fall Kraftstoff wie er auch in dem Referenzdruckraum 39 vorhanden ist. Aufgrund des Kolbens 33 ist in Ausgangslage der hydraulische Raum auf einen Druck vorgespannt, der sich aus dem Verhältnis der druckaus­ gesetzten ersten und zweiten Kolbenfläche 36 und 38 ergibt. Aufgrund der Verschiebbarkeit des Kolbens kann dabei der Druck im hydraulischen Druckraum konstant gehalten werden und zwar auf einem gegenüber dem Druck im Referenzdruckraum bzw. im Kraftstoffhochdruckspeicher 1 reduzierten Druck. Dieser Druck in Verbindung mit der Ausgleichsdruckfläche stellt eine zusätzliche Belastung des Ventilgliedes 14 in Schließrichtung dar, die im wesentlichen konstant bleibt und somit als konstanter Faktor ganz wesentlich die Öffnungscharakteristik des Ventilglieds bestimmt. Mit dem Beginn ds Öffnungshubs des Ventilglieds 14 wird das Volumen im hydraulischen Raum 20 vorgespannt, dann aber aufgrund der Verschiebbarkeit des Kolbens 32 konstant gehalten. Der Anstieg der Vorspannung über den Hub wird neben der Kolben­ fläche 21 im wesentlichen vom Volumen des hydraulischen Raumes 20 bestimmt. Je nach Druckniveau im Kraftstoff­ hochdruckspeicher kann eine korrigierende Kraft entgegen dem Öffnungshub des Kraftstoffeinspritz-Ventilgliedes 14 ein­ gestellt werden. Dabei spielt auch die Drossel 40 eine Rolle, mit der die Steifigkeit der hydraulischen Säule des hydraulischen Raumes 20 und die rückwirkende Kraft auf das Ventilglied 14 zusätzlich eingestellt werden kann. Insbe­ sondere ist mit dieser Drossel ein dynamisches Verhalten korrigierbar, um einen nicht linearen Kraftanstieg der in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied wirkenden Kräfte zu beeinflussen.

Mit einem solchen Kraftstoffeinspritzventil lassen sich genauer kleinste Kraftstoffeinspritzmengen einspritzen.

Claims (8)

1. Kraftstoffeinspritzventil mit einem nach innen, entgegen der Krafstoffaustrittsrichtung öffnenden Ventilglied (14), das eine Einspritzöffnung (9) steuernde Dichtfläche (12) aufweist, an der sich stromaufwärts davon ein Druckraum (7) anschließt, der ständig mit einer Kraftstoffhochdruckquelle (1) verbunden ist und von einer Druckschulter (18) am Ventilglied (14) begrenzt ist, welche durch den Druck im Druckraum (7) entgegen einer Schließkraft in Öffnungsrich­ tung beaufschlagt ist, und mit einem Betätigungsteil (15, 15a) mit einer Druckfläche (26) die zur Betätigung des Ventilgliedes (14) in Schließrichtung entgegen Öffnungskräf­ ten dient, welche Druckfläche von einem zwischen einem Arbeitsdruck und einem Entlastungsdruck veränderbaren Steuerdruck in einem Steuerdruckraum (23) ausgesetzt ist wobei bei einem dort eingestelltem Entlastungsdruck die Öffnungskräfte am Ventilglied (14) überwiegen, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf das Ventilglied (14) wirkende Ausgleichsdruckfläche (21) vorgesehen ist, die einen hydrau­ lischen Raum (20) einerseits begrenzt, der andererseits von einer ersten Kolbenfläche (36) eines Kolbens (33) begrenzt ist, wobei der Kolben (33) eine der ersten Kolbenfläche (36) abgewandt zweite Kolbenfläche (38) hat, die von einem Referenzdruck, vorzugsweise einem konstanten Druck in Schließrichtung des Ventilglieds beaufschlagt ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kolbenfläche (38) kleiner ist als die erste Kolbenfläche (36) und als Referenzdruck der Druck der Kraftstoffhochdruckquelle dient.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsdruckfläche (21) so bemessen ist, daß bei eingestelltem Entlastungsdruck die Summe der in Schließrichtung wirkenden Kräfte kleiner ist als die Summe der in Öffnungsrichtung wirkenden Kräfte.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schließrichtung wirkenden Kräfte die Summe der sich aus der Druckbeaufschlagung im hydrauli­ schen Raum (20) zuzüglich der sich aus Druckfläche (26) und reduziertem Steuerdruck sich ergebenden Kräfte umfaßt und die in Öffnungsrichtung wirkenden Kräfte die Summe der sich aus der Druckbeaufschlagung der Druckschulter (18) und der Dichtfläche (12) resultierenden Kräfte umfaßt.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsteil (15, 15a) eine Stirnfläche (26) aufweist, die eine den Steuerdruck aufnehmenden Steuerdruckraum (23) begrenzt, und der Steuerdruckraum mittels eines elektrisch gesteuerten Steuerventils (32) entlastet oder auf den Druck der Kraft­ stoffhochdruckquelle haltbar ist.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruckraum (23) über eine erste Drossel (28) ständig mit der Kraftstoffhochdruckquelle (1) verbunden ist und das Steuerventil ein 2/2-Ventil ist, durch das der Steuerdruckraum (23) zur Einleitung der Hoch­ druckeinspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil (8) auf den Entlastungsdruck entlastbar ist.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastung des Steuerdruckraumes (23) über eine zweite Drossel (29) erfolgt.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehnenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg des Kolbens (33) zum hydraulischen Raum (20) hin durch einen Anschlag (41) begrenzt ist.