DE19906266A1

DE19906266A1 - Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE19906266A1
Application number: DE19906266A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz; Dieter Kienzler; Klaus-Peter Schmoll; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-02-15
Filing date: 1999-02-15
Publication date: 2000-08-17
Also published as: US6419164B1; WO2000049285A1; EP1071877A1; JP2002537514A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, das ein Ventilglied (1) enthält, mit dem eine Kraftstoffaustrittsöffnung (4) steuerbar ist. Das Ventilglied (1) weist eine erste Öffnungsfläche (8) auf, die einen ersten Öffnungsdruckraum (6) in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes (1) begrenzt, wobei der erste Öffnungsdruckraum (6) mit einer Kraftstoffhochdruckquelle (10) verbunden ist und der Druck im ersten Öffnungsdruckraum (6) an der ersten Öffnungsfläche (8) eine erste Öffnungskraft erzeugt. Das Ventilglied (1) weist außerdem eine erste Schließfläche (11) auf, die einen ersten Schließdruckraum (12) in Schließrichtung des Ventilgliedes (1) begrenzt, wobei der erste Schließdruckraum (12) mit der Kraftstoffhochdruckquelle (10) verbunden ist und der Druck im ersten Schließdruckraum (12) an der ersten Schließfläche (11) eine erste Schließkraft erzeugt. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil soll hinsichtlich seiner Steuerbarkeit verbessert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß Betätigungsmittel (15, 16, 18, 20, 21) vorgesehen sind, mit denen zum Öffnen des Ventilgliedes (1) in das Ventilglied (1) eine zweite Öffnungskraft einleitbar ist, die zusätzlich zur ersten Öffnungskraft am Ventilglied (1) wirkt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 aus.

Aus der DE. . . (Amtl. Aktenzeichen: 197 27 896.5, Anmeldetag 01.07.1997) ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das ein bidirektional verstellbar gelagertes Ventilglied enthält, wobei mit dem Ventilglied eine Kraftstoffaustrittsöffnung steuerbar ist. Beim bekannten Kraftstoffeinspritzventil weist das Ventilglied eine erste Öffnungsfläche auf, die einen ersten Öffnungsdruckraum in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes begrenzt, wobei der erste Öffnungsdruckraum mit einer Kraftstoffhochdruckquelle verbunden ist und wobei der Druck im ersten Öffnungsdruckraum an der ersten Öffnungsfläche eine erste Öffnungskraft erzeugt. Außerdem weist das Ventilglied eine erste Schließfläche auf, die einen ersten Schließdruckraum in Schließrichtung des Ventilgliedes begrenzt, wobei der erste Schließdruckraum mit der Kraftstoffhochdruckquelle verbunden ist und wobei der Druck im ersten Schließdruckraum an der ersten Schließfläche eine erste Schließkraft erzeugt.

Beim bekannten Kraftstoffeinspritzventil erfolgt die Verbindung des ersten Schließdruckraumes mit der Kraftstoffhochdruckquelle über eine Drosselstelle. Außerdem kommuniziert der erste Schließdruckraum mit einem Entlastungsraum, der mit einem relativ drucklosen Reservoir verbunden ist. Die Verbindung des ersten Schließdruckraumes mit dem relativ drucklosen Entlastungsraum ist mit einem Steuerventil zum Öffnen und Schließen schaltbar. Wenn ein Einspritzvorgang durchgeführt werden soll, d. h. wenn das Ventilglied betätigt werden soll, wird das Steuerventil zum Öffnen der Verbindung zwischen dem ersten Schließdruckraum und dem Entlastungsdruckraum betätigt. Da bei geöffnetem Steuerventil aus dem ersten Schließdruckraum mehr Kraftstoff in den Entlastungsdruckraum abfließt als durch die gedrosselte Verbindung mit der Kraftstoffhochdruckquelle in den ersten Schließdruckraum nachfließen kann, stellt sich im ersten Schließdruckraum ein Druckabfall ein, durch den die erste Schließkraft reduziert wird. Dadurch überwiegt die erste Öffnungskraft und das Ventilglied wird axial so verstellt, daß es die Kraftstoffaustrittsöffnung freigibt. Zum Beenden des Einspritzvorganges wird das Steuerventil zum Schließen der Verbindung zwischen Entlastungsdruckraum und erstem Schließdruckraum betätigt. Durch die Verbindung des ersten Schließdruckraumes mit der Kraftstoffhochdruckquelle kann im ersten Schließdruckraum an der ersten Schließfläche rasch wieder die ursprüngliche Schließkraft eingestellt werden, so daß das Ventilglied die Kraftstoffaustrittsöffnung wieder schließt.

Da beim bekannten Kraftstoffeinspritzventil mit relativ kleinen Kräften, die zur Verstellung des Steuerventils aufgebracht werden müssen, relativ große Kräfte am Ventilglied erzeugt werden, um dieses zu verstellen, wird bei Kraftstoffeinspritzventilen, die nach diesem Prinzip arbeiten, von einer indirekten Ventilgliedsteuerung oder -betätigung bzw. von einem "Servo-Prinzip" gesprochen.

Obwohl sich die nach diesem Servo-Prinzip arbeitenden Kraftstoffeinspritzventile in der Praxis bewährt haben, werden ständig Lösungen gesucht, die noch kürzere Steuerzeiten für das Kraftstoffeinspritzventil ermöglichen, um dadurch die Emissionswerte, den Wirkungsgrad und die Geräuschentwicklung der damit betriebenen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselkraftmaschinen, zu verbessern.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 ist es nun möglich, kürzere Steuerzeiten für die Betätigung des Ventilgliedes zu erzielen, so daß kleinere Kraftstoffeinspritzmengen genauer dosiert und präziser zu bestimmten Zeitpunkten eingespritzt werden können. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit Hilfe der ersten Öffnungskraft und der ersten Schließkraft am Ventilglied ein quasi statisches Kräftegleichgewicht auszubilden, das auch während den Verstellbewegungen des Ventilgliedes im wesentlichen erhalten bleibt. Die für die Verstellung des Ventilgliedes erforderlichen Kräfte werden dann in Form einer zusätzlichen, zweiten Öffnungskraft von den Betätigungsmitteln direkt in das Ventilglied eingeleitet, wobei diese zweite Öffnungskraft relativ klein sein kann und im wesentlichen unabhängig von dem im ersten Öffnungsdruckraum und dem im ersten Schließdruckraum herrschenden Druckniveau ist. Im Unterschied zum eingangs genannten bekannten Kraftstoffeinspritzventil erfolgt hier demnach eine direkte Betätigung oder Steuerung des Ventilgliedes. Vorzugsweise ist der erste Schließdruckraum nahezu ungedrosselt mit der Kraftstoffhochdruckquelle verbunden. Insbesondere kann der erste Schließdruckraum unmittelbar mit dem ersten Öffnungsdruckraum kommunizieren.

Durch diese Maßnahmen wird gewährleistet, daß die Drücke im ersten Schließdruckraum und im ersten Öffnungsdruckraum konstant bleiben bzw. sich annähernd gleich verhalten, so daß am Ventilglied stets das statische Kräftegleichgewicht herrscht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils können die Betätigungsmittel einen Druckerzeuger aufweisen, mit dem zum Öffnen des Ventilgliedes in einem zweiten Öffnungsdruckraum ein Arbeitsdruck einstellbar ist. Außerdem kann dann das Ventilglied eine zweite Öffnungsfläche aufweisen, die den zweiten Öffnungsdruckraum in Öffnungsrichtung des Ventilglieds begrenzt, wobei der Arbeitsdruck im zweiten Öffnungsdruckraum an der zweiten Öffnungsfläche die zweite Öffnungskraft erzeugt. Eine derartige hydraulische Kraftübertragung ist besonders einfach realisierbar und ermöglicht eine relativ verschleißfreie Betätigung des Ventilgliedes. Vorzugsweise treibt der vorgenannte Druckerzeuger einen Kolben an, der einen mit dem zweiten Öffnungsdruckraum kommunizierenden Arbeitsdruckraum begrenzt. Auf diese Weise kann beispielsweise einfach eine hydraulische Übersetzung erreicht werden. Wenn z. B. ein Piezo-Aktuator als Druckerzeuger verwendet wird, kann dessen relativ kleiner Hub über diese hydraulische Übersetzung in einen relativ großen Hub am Ventilglied übersetzt werden.

Um mit den Betätigungsmitteln zur Verstellung des Ventilgliedes nur eine Öffnungskraft und keine Schließkraft erzeugen zu müssen, kann die erste Schließkraft vorzugsweise etwas größer als die erste Öffnungskraft gewählt sein, so daß sich das Ventilglied bei fehlender zweiter Öffnungskraft selbsttätig schließt. Ebenso können zusätzliche Federmittel vorgesehen sein, die das Ventilglied in seine Schließstellung antreiben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der erste Schließdruckraum an einem von der Kraftstoffaustrittsöffnung abgewandten axialen Ende des Ventilgliedes ausgebildet sein, wodurch sich ein besonders einfacher Aufbau ergibt.

Zur Steuerung der Kraftstoffaustrittsöffnung ist am Ventilglied eine Dichtzone ausgebildet, die mit einem entsprechenden Dichtsitz zusammenwirkt. Beim Öffnen des Ventilgliedes hebt diese Dichtzone vom Ventilsitz ab, so daß der dort herrschende hohe Kraftstoffdruck auch auf diese Dichtzone bzw. auf das ganze der Kraftstoffaustrittsöffnung zugewandte axiale Ende des Ventilgliedes in Öffnungsrichtung wirken kann. Damit erfährt das Ventilglied eine zusätzliche Kraft in Öffnungsrichtung, die sich auf das dynamische Öffnungsverhalten des Ventilgliedes auswirken kann. Diese Eigenschaft erschwert die Dosierung von kleinen Kraftstoffeinspritzmengen, bei denen ein rasches und sicheres Schließen des Ventilglieds, insbesondere vor Erreichen einer oberen bzw. einer geöffneten Endstellung des Ventilgliedes, erzielt werden soll. Um diese zusätzliche Öffnungskraft beim Öffnen des Ventilgliedes auszugleichen, kann beim erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil das Ventilglied eine zweite Schließfläche aufweisen, die einen zweiten Schließdruckraum in Schließrichtung des Ventilgliedes begrenzt, wobei der Druck im zweiten Schließdruckraum an der zweiten Schließfläche eine zweite Schließkraft erzeugt. Außerdem kann dann ein Ausgleichskolben vorgesehen sein, der einerseits einen mit dem zweiten Schließdruckraum kommunizierenden Ausgleichsdruckraum begrenzt und andererseits einen Referenzdruckraum begrenzt, wobei ein durch eine Öffnungsbewegung des Ventilgliedes im zweiten Schließdruckraum verursachter Druckanstieg durch den Druck im Referenzdruckraum, der vorzugsweise mit der Kraftstoffhochdruckquelle verbunden ist, begrenzt ist und der Druck im zweiten Schließdruckraum bei weitergehender Öffnungsbewegung des Ventilgliedes durch eine entsprechende Verstellung des Ausgleichskolbens im wesentlichen konstant bleibt. Bei dieser Ausführungsform kann sich bereits mit der ersten Öffnungsbewegung des Ventilgliedes im zweiten Schließdruckraum ein Druck aufbauen, der sehr schnell auf einen Höchstwert ansteigt, der dann aber konstant bleibt da sich die Position des Ausgleichskolbens ab einem bestimmten Druck verändern kann und damit das Gesamtvolumen im Ausgleichsdruckraum und im zweiten Schließdruckraum konstant bleibt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform können der Ausgleichsdruckraum und der zweite Schließdruckraum über ein Rückschlagventil mit einer Kraftstoffversorgung verbunden sein, wobei das Rückschlagventil so orientiert ist, daß es bei Unterdruck im Ausgleichsdruckraum und im zweiten Schließdruckraum öffnet und bei Überdruck im Ausgleichsdruckraum und im zweiten Schließdruckraum sperrt. Durch diese zusätzliche Maßnahme können Leckageverluste ausgeglichen werden, die vorzugsweise dann entstehen können, wenn das Ventilglied geöffnet wird und über den zweiten Schließdruckraum und den Ausgleichsdruckraum der Druckausgleich erfolgt.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann ein Kraftstoffnetz vorgesehen sein, das eine Kraftstoffdruckquelle aufweist, deren Druck größer als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Kraftstoffhochdruckquelle ist. Dieses Kraftstoffnetz weist wenigstens einen Druckraum auf, der an einem axial verstellbaren Element des Kraftstoffeinspritzventils axial zwischen einem an diesem Element ausgebildeten Hochdruckbereich und einem an diesem Element ausgebildeten Niederdruckbereich angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird das Druckgefälle zwischen dem jeweiligen Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich durch die Ausbildung einer Abstufung deutlich herabgesetzt. Dabei bildet die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckbereich und dem Druckraum eine erste Stufe und die Druckdifferenz zwischen dem Druckraum und dem Niederdruckbereich eine zweite Stufe. Dies hat zur Folge, daß erheblich geringere Leckagen auftreten. Leckagen können bei den in einem Kraftstoffeinspritzventil herrschenden Drücken und Verstellgeschwindigkeiten Kavitation auslösen, die Beschädigungen am Ventilglied bzw. am Kraftstoffeinspritzventil nach sich ziehen.

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

Zeichnung

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematisierte Prinzipdarstellung eines Aufbaus eines Kraftstoffeinspritzventils nach der Erfindung.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Entsprechend Fig. 1 weist ein Kraftstoffeinspritzventil ein stab- oder nadelförmiges Ventilglied 1 auf, das in seiner Achsrichtung bidirektional verstellbar im Kraftstoffeinspritzventil gelagert ist. Das Ventilglied 1 weist an seinem entsprechend Fig. 1 unteren axialen Ende eine als Spitze ausgebildete Dichtzone 2 auf, die mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkt, in dem Kraftstoffaustrittsöffnungen 4 angeordnet sind. Die Kraftstoffaustrittsöffnungen 4 münden in einem Brennraum 5 einer im übrigen nicht dargestellten Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Dieselmotors. Mit dem Ventilglied 1 bzw. mit dessen Dichtzone 2 werden die Kraftstoffaustrittsöffnung 4 gesteuert, das heißt geöffnet bzw. geschlossen.

Stromauf der Kraftstoffaustrittsöffnungen 4 ist ein erster Öffnungsdruckraum 6 angeordnet, der mit den Kraftstoffaustrittsöffnungen 4 über einen Ringraum 7 kommuniziert und in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes 1, das heißt in einer vom Ventilsitz 3 wegführenden Richtung durch eine erste Öffnungsfläche 8 begrenzt ist. Der erste Öffnungsdruckraum 6 kommuniziert über eine Hochdruckleitung 9 mit einer Kraftstoffhochdruckquelle 10, die beispielsweise die Hochdrucksammelleitung eines Common-Rail-Systems sein kann. Wenn die Brennkraftmaschine in Betrieb ist, herrscht somit im ersten Öffnungsdruckraum 6 der Kraftstoffhochdruck und an der ersten Öffnungsfläche 8 bildet sich eine am Ventilglied 1 angreifende, entsprechend Fig. 1 nach oben gerichtete erste Öffnungskraft aus.

An einem der Dichtzone 2 gegenüberliegenden axialen Ende des Ventilgliedes 1 ist eine erste Schließfläche 11 am Ventilglied 1 ausgebildet, die einen ersten Schließdruckraum 12 in Schließrichtung des Ventilgliedes 1, d. h. in einer zum Ventilsitz 3 hinführenden Richtung, begrenzt. Dieser erste Schließdruckraum 12 kommuniziert über eine entsprechende Druckleitung 13 ebenfalls mit der Kraftstoffhochdruckquelle 10. Dementsprechend bildet sich im ersten Schließdruckraum 12 an der ersten Schließfläche 11 eine am Ventilglied 1 angreifende, entsprechend Fig. 1 von oben nach unten wirkende erste Schließkraft aus. Durch die Wahl der Größen für die erste Öffnungsfläche 8 und für die erste Schließfläche 11 kann am Ventilglied 1 ein im wesentlichen statisches Kräftegleichgewicht ausgebildet werden, dahingehend, daß nur noch relativ kleine Kräfte erforderlich sind, um das Ventilglied 1 zur Steuerung der Kraftstoffaustrittsöffnungen 4 zu verstellen. Vorzugsweise ist die erste Schließkraft etwas größer als die erste Öffnungskraft, so daß das Ventilglied 1 selbsttätig schließt bzw. in seiner Schließstellung verbleibt. Darüber hinaus können am Ventilglied 1 Federmittel 14 angreifen, um das Ventilglied 1 in seine Schließstellung vorzuspannen.

Am Ventilglied 1 ist außerdem eine zweite Öffnungsfläche 15 ausgebildet, die einen zweiten Öffnungsdruckraum 16 in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes 1 begrenzt. Dieser zweite Öffnungsdruckraum 16 ist über eine Verbindungsleitung 17 mit einem Arbeitsdruckraum 18 kommunizierend verbunden. In den Arbeitsdruckraum 18 ragt ein axiales Ende bzw. eine Stirnseite 19 eines Arbeitskolbens 20 hinein, der von einem nicht näher beschriebenen Piezo-Aktuator 21 axial verstellbar angetrieben ist. Federmittel 22 und 23 dienen zur Rückstellung des Kolbens 20. Der im Arbeitsdruckraum 18 und im zweiten Öffnungsdruckraum 16 herrschende Druck erzeugt an der zweiten Öffnungsfläche 15 eine am Ventilglied 1 angreifende, entsprechend Fig. 1 nach oben gerichtete, zusätzliche zweite Öffnungskraft, die sich zur ersten Öffnungskraft an der ersten Öffnungsfläche 8 hinzuaddiert.

Am Ventilglied 1 ist darüber hinaus eine zweite Schließfläche 24 ausgebildet, die einen zweiten Schließdruckraum 25 in Schließrichtung des Ventilgliedes 1 begrenzt. Dieser zweite Schließdruckraum 25 kommuniziert über eine Verbindungsleitung 26 mit einem Ausgleichsdruckraum 27, der von einem Ausgleichskolben 28 an einer Seite begrenzt ist. Dieser Ausgleichskolben 28 begrenzt an der vom Ausgleichsdruckraum 27 abgewandten Seite einen Referenzdruckraum 29, der mit der Hochdruckleitung 13 und somit mit der Kraftstoffhochdruckquelle 10 kommuniziert, so daß der Kraftstoffhochdruck hier den Referenzdruck bildet. Der Ausgleichskolben 28 wird durch eine Kraftdifferenz an seinen axialen Stirnseiten, das heißt durch eine Druckdifferenz zwischen den Drücken im Referenzdruckraum 29 und im Ausgleichsdruckraum 27 angetrieben, wobei die den Drücken ausgesetzten Flächen zu berücksichtigen sind. Der im Ausgleichsdruckraum 27 und somit auch im zweiten Schließdruckraum 25 herrschende Druck erzeugt an der zweiten Schließfläche 24 eine am Ventilglied 1 angreifende, entsprechend Fig. 1 nach unten gerichtete, zweite Schließkraft.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil ist außerdem mit einem Kraftstoffnetz 30 ausgestattet, das über ein Rückschlagventil 31, das als Überdruckventil arbeitet, auf einem vorbestimmten, mittleren Netzdruckniveau gehalten ist. Dieser Netzdruck ist größer als der Umgebungsdruck und kleiner als der Hochdruck der Kraftstoffhochdruckquelle 10. Übersteigt der im Kraftstoffnetz 30 herrschende Druck den vorbestimmten Netzdruck, öffnet das Rückschlagventil 31 und der Kraftstoff kann vorzugsweise in einen nicht dargestellten Kraftstofftank entweichen.

Das Kraftstoffnetz 30 weist einen ersten Druckraum 32 auf, der mit dem Rückschlagventil 31 kommuniziert. Der erste Druckraum 32 ist am Ventilglied 1 axial zwischen dem ersten Öffnungsdruckraum 6 und dem zweiten Öffnungsdruckraum 16 angeordnet. Insbesondere ist dieser erste Druckraum 32 axial zwischen dem zweiten Öffnungsdruckraum 16 und einem am Ventilglied 1 angeordneten Umgebungsdruckraum 33 angeordnet, durch den eine Leckage in den Kraftstofftank zurückgeführt wird. Der erste Druckraum 32 unterteilt somit das Druckgefälle zwischen dem zweiten Öffnungsdruckraum 16 und dem Umgebungsdruckraum 33 in zwei Stufen mit einem ersten kleineren Druckgefälle zwischen dem zweiten Öffnungsdruckraum 16 und dem ersten Druckraum 32 sowie einem zweiten kleineren Druckgefälle zwischen dem ersten Druckraum 32 und dem Umgebungsdruckraum 33. Durch diese Maßnahme kann die Leckagemenge reduziert werden.

Ein zweiter Druckraum 34 des Kraftstoffnetzes 30 ist am Kolben 20 des als Piezo-Aktuator ausgebildeten Druckerzeugers 21 angeordnet. Der zweite Druckraum 34, der ebenfalls mit dem Überdruckventil 31 kommuniziert, ist somit zwischen dem Arbeitsdruckraum 18 und dem eigentlichen Druckerzeuger 21 bzw. dem Umgebungsdruck angeordnet und bildet dort eine Druckstufe.

Ein dritter Druckraum 35 ist ebenfalls am Ventilglied 1, jedoch zwischen dem ersten Schließdruckraum 12 und dem zweiten Schließdruckraum 25 angeordnet. Somit bildet der dritte Druckraum 35 eine Druckstufe zwischen dem Hochdruckniveau des ersten Schließdruckraumes 12 und dem relativ niedrigen Druck im zweiten Schließdruckraum 25.

Am Ausgleichskolben 28 ist ein vierter Druckraum 36 des Kraftstoffnetzes 30 angeordnet, der den Referenzdruckraum 29 mit relativ hohem Druck vom Ausgleichsdruckraum 27 mit relativ niedrigem Druck trennt. Auch der dritte Druckraum 35 und der vierte Druckraum 36 kommunizieren mit dem Rückschlagventil 31.

Das Kraftstoffnetz 30 wird somit ausschließlich durch Leckagen aus den jeweiligen Hochdruckbereichen in die Druckräume 32, 34, 35, 36 des Kraftstoffnetzes 30 mit Kraftstoff befüllt und auf Netzdruck gebracht.

Der Ausgleichsdruckraum 27 kommuniziert über ein Rückschlagventil 37 und eine entsprechende Verbindungsleitung 38 mit dem Kraftstoffnetz 30. Das Rückschlagventil 37 sperrt bei Überdruck im Ausgleichsdruckraum 27 bezüglich des Kraftstoffnetzes 30 und öffnet bei Unterdruck im Ausgleichsdruckraum 27 bezüglich des Kraftstoffnetzes 30.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil arbeitet wie folgt:

Bei unbetätigtem Druckerzeuger 21 bewirken die am Ventilglied 1 angreifenden Öffnungskräfte und Schließkräfte eine in Schließrichtung wirkende resultierende Kraft, so daß die Dichtzone 2 im Ventilsitz 3 sitzt und die Kraftstoffaustrittsöffnungen 4 verschlossen sind. Zum Öffnen der Kraftstoffaustrittsöffnungen 4 bzw. zur Verstellung des Ventilgliedes 1 in Öffnungsrichtung wird der Druckerzeuger 21 vorzugsweise elektrisch betätigt, wodurch dieser den Kolben 20 in den Arbeitsraum 18 axial hineinverstellt. Durch die Verdrängungswirkung des Kolbens 20 stellt sich im Arbeitsraum 18 und somit auch im zweiten Öffnungsdruckraum 16 ein Druckanstieg ein, der an der zweiten Öffnungsfläche 15 eine zweite Öffnungskraft erzeugt, die ausreicht, das Ventilglied 1 vom Ventilsitz 3 abzuheben. Die zur Einleitung dieser Öffnungsbewegung des Ventilgliedes 1 erforderliche zusätzliche Öffnungskraft ist dabei relativ klein; da die durch die hohen Drücke in der Kraftstoffhochdruckversorgung am Ventilglied 1 wirksamen großen statischen Kräfte im wesentlichen im Gleichgewicht sind, d. h. sich gegenseitig aufheben.

Sobald die Dichtzone 2 vom Ventilsitz 3 abhebt, herrscht auch stromab der Dichtzone 2 der Kraftstoffhochdruck, so daß sich am Ventilglied 1 eine zusätzliche dynamische Öffnungskraft ausbildet. Durch den Verstellhub des Ventilgliedes 1 wird jedoch gleichzeitig durch die zweite Schließfläche 24 im zweiten Schließdruckraum 25 ein Druckanstieg und somit eine zusätzliche Schließkraft erzeugt, welche die ungewollte Wirkung der zuvor beschriebenen zusätzlichen dynamischen Öffnungskraft an der Dichtzone 2 weitgehend aufhebt. Bei Erreichen eines vorbestimmten Druckes im zweiten Schließdruckraum 25 und somit im Ausgleichsdruckraum 27 verstellt sich der Ausgleichskolben 28 in den Referenzdruckraum 29 hinein, mit der Folge, daß der Druck im zweiten Schließdruckraum 25 und im Ausgleichsdruckraum 27 und somit die zweite Schließkraft konstant bleiben.

Durch die erfindungsgemäße Kopplung des ersten Druckraumes 12 mit der Kraftstoffhochdruckquelle 10 können sich die am Ventilglied 1 angreifenden statischen Kräfte im wesentlichen aufheben. Durch die vorgeschlagene Ausgleichsanordnung mit zweitem Schließdruckraum 25, Ausgleichsdruckraum 27 und Ausgleichskolben 28 können außerdem die am Ventilglied 1 angreifenden dynamischen Kräfte ausgeglichen werden. Diese Maßnahmen haben zur Folge, daß das Ventilglied 21 direkt mit dem vom Druckerzeuger 21 erzeugbaren Druckkräften betätigt werden kann, so daß ein Servomechanismus oder dergleichen überflüssig ist. Die erfindungsgemäße "direkte" Ansteuerung des Ventilgliedes 1 ermöglicht es somit sehr kurze Betätigungszeiten für das Ventilglied 1 zu erreichen, wodurch die Kraftstoffaustrittsöffnungen 4 zu vorbestimmten Zeitpunkten mit hoher Präzision und für sehr kurze Zeiten geöffnet werden können, um entsprechend kleine Kraftstoffmengen gezielt einzuspritzen.

Im Verlaufe einer Öffnungsbewegung kann es durch Leckage dazu kommen, daß Kraftstoff aus dem Ausgleichsdruckraum 27 in den vierten Druckraum 36 bzw. vom zweiten Schließdruckraum 25 in den zweiten Öffnungsdruckraum 16 oder in den dritten Druckraum 35 entweicht, so daß bei einer darauf folgenden Schließverstellung des Ventilgliedes 1 - sobald der Ausgleichskolben 28 seine entsprechend Fig. 1 obere Endstellung erreicht hat - im Ausgleichsdruckraum 27 und im zweiten Schließdruckraum 25 ein Unterdruck mit Kavitationsgefahr entstehen würde. Um dies zu verhindern, öffnet das Rückschlagventil 37 rechtzeitig, wodurch das fehlende Kraftstoffvolumen ausgeglichen werden kann.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzventil mit folgenden Merkmalen:

1. A das Kraftstoffeinspritzventil enthält ein bidirektional verstellbar gelagertes Ventilglied (1), mit dem eine Kraftstoffaustrittsöffnung (4) steuerbar ist,
2. B das Ventilglied (1) weist eine erste Öffnungsfläche (8) auf, die einen ersten Öffnungsdruckraum (6) in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes (1) begrenzt, wobei der erste Öffnungsdruckraum (6) mit einer Kraftstoffhochdruckquelle (10) verbunden ist und wobei der Druck im ersten Öffnungsdruckraum (6) an der ersten Öffnungsfläche (8) eine erste Öffnungskraft erzeugt,
3. C das Ventilglied (1) weist eine erste Schließfläche (11) auf, die einen ersten Schließdruckraum (12) in Schließrichtung des Ventilgliedes (1) begrenzt, wobei der erste Schließdruckraum (12) mit der Kraftstoffhochdruckquelle (10) verbunden ist und wobei der Druck im ersten Schließdruckraum (12) an der ersten Schließfläche (11) eine erste Schließkraft erzeugt,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
4. D es sind Betätigungsmittel (15, 16, 18, 20, 21) vorgesehen, mit denen zum Öffnen des Ventilgliedes (1) in das Ventilglied (1) eine zweite Öffnungskraft einleitbar ist, die zusätzlich zur ersten Öffnungskraft am Ventilglied (1) wirkt.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schließdruckraum (12) im wesentlichen ungedrosselt mit der Kraftstoffhochdruckquelle (10) verbunden ist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schließdruckraum (12) mit dem ersten Öffnungsdruckraum (6) kommuniziert.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel einen Druckerzeuger (21), z. B. ein Piezo-Aktuator, aufweisen, mit dem zum Öffnen des Ventilgliedes (1) in einem zweiten Öffnungsdruckraum (16) ein Arbeitsdruck einstellbar ist, und daß das Ventilglied (1) eine zweite Öffnungsfläche (15) aufweist, die den zweiten Öffnungsdruckraum (16) in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes (1) begrenzt, wobei der Arbeitsdruck im zweiten Öffnungsdruckraum (16) an der zweiten Öffnungsfläche (15) die zweite Öffnungskraft erzeugt.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeuger (21) einen Kolben (20) antreibt, der mit einer axialen Stirnseite (19) einen mit dem zweiten Öffnungsdruckraum (16) kommunizierenden Arbeitsdruckraum (18) begrenzt.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (1) eine zweite Schließfläche (24) aufweist, die einen zweiten Schließdruckraum (25) in Schließrichtung des Ventilglieds (1) begrenzt, wobei der Druck im zweiten Schließdruckraum (25) an der zweiten Schließfläche (24) eine zweite Schließkraft erzeugt,
daß ein Ausgleichskolben (28) vorgesehen ist, der einerseits einen mit dem zweiten Schließdruckraum (25) kommunizierenden Ausgleichsdruckraum (27) begrenzt und andererseits einen Referenzdruckraum (29) begrenzt,
daß ein durch eine Öffnungsbewegung des Ventilgliedes (1) im zweiten Schließdruckraum (25) verursachter Druckanstieg durch den Druck im Referenzdruckraum (29), der vorzugsweise mit der Kraftstoffhochdruckquelle (10) verbunden ist, begrenzt ist,
daß der Druck im zweiten Schließdruckraum (25) bei weitergehender Öffnungsbewegung des Ventilgliedes (1) durch eine entsprechende Verstellbewegung des Ausgleichskolbens (28) im wesentlichen konstant bleibt,
daß der Ausgleichsdruckraum (27) und der zweite Schließdruckraum (25) über ein Rückschlagventil (37) mit einer Kraftstoffversorgung (38) verbunden sind, wobei das Rückschlagventil (37) so orientiert ist, daß es bei Unterdruck im Ausgleichsdruckraum (27) und im zweiten Schließdruckraum (25) öffnet und bei Überdruck im Ausgleichsdruckraum (27) und im zweiten Schließdruckraum (25) sperrt.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftstoffnetz (30) vorgesehen ist, in dem ein Netzdruck einstellbar ist, der größer als der Umgebungsdruck und kleiner als Druck der Kraftstoffhochdruckquelle (10) ist, daß das Kraftstoffnetz (30) wenigstens einen Druckraum (32, 34, 35, 36) aufweist, der an einem axial verstellbaren Element (1, 20, 28) des Kraftstoffeinspritzventils axial zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich dieses Elementes (1, 20, 28) angeordnet ist, wobei im Druckraum (32, 34, 35, 36) des Kraftstoffnetzes (30) der Netzdruck herrscht.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher Druckraum (32) am Ventilglied (1) zwischen dem ersten Öffnungsdruckraum (6) und dem zweiten Öffnungsdruckraum (16) angeordnet ist.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher Druckraum (35) am Ventilglied (1) zwischen dem ersten Schließdruckraum (12) und dem zweiten Schließdruckraum (25) angeordnet ist.

10. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9 sowie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher Druckraum (34) am Kolben (20) zwischen dem Arbeitsdruckraum (18) und dem Druckerzeuger bzw. der Umgebung angeordnet ist.

11. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis 10 sowie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher Druckraum (36) am Ausgleichskolben (28) zwischen dem Ausgleichsdruckraum (27) und dem Referenzdruckraum (29) angeordnet ist.

12. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis 11 sowie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffversorgung (38) des Ausgleichdruckraumes (27) und des zweiten Schließdruckraumes (25) durch das Kraftstoffnetz (30) gebildet ist.