DE19939446A1

DE19939446A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19939446A1
Application number: DE19939446A
Authority: DE
Inventors: Patrick Mattes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-03-01
Also published as: CZ2002606A3; WO2001014717A1; JP2003507642A; EP1210511A1

Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen weist mehrere Kraftstoffeinspritzventile (10) auf, die von einem Kraftstoffhochdruckspeicher (24) mit Kraftstoff versorgt werden. Jedes Kraftstoffeinspritzventil (10) hat ein nadelförmiges Einspritzventilglied (15), dessen Bewegung über den in einem Steuerraum (35) herrschenden Kraftstoffdruck steuerbar ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Bewegung eines den Steuerraum (35) zu einem Entlastungsraum (39) entlastenden Ventilgliedes (70), das mit einem Stößel (57) gekoppelt ist, mittels zweier Piezoaktoren (45, 65) zu steuern. Die beiden Piezoaktoren (45, 65) sind hintereinander geschaltet, so daß deren Hübe in der gleichen Richtung wirken.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der DE 196 24 001 A1 bekannt ist. Bei der bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung wird der zum Öffnen des einen Steuerraum entlastenden Ventilgliedes erforderliche Öffnungshub mittels eines Piezoaktors erzeugt. Damit der Nutzhub des Ventilgliedes bei allen Temperaturen konstant ist, ist es erforderlich, eine Temperaturkompensation vorzusehen. Dies erfolgt bei der bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung mittels eines hydraulischen Kopplers, der zwischen dem Piezoaktor und dem Ventilglied angeordnet ist. Der hydraulische Koppler hat im Gegensatz zu der ebenfalls im Stand der Technik bekannten Temperaturkompensation mittels speziellen Materialpaarungen den zusätzlichen Vorteil einer Wegübersetzung von Piezoaktor- in Weghub, der zu einer deutlichen Steigerung der Ventilgeschwindigkeit führt. Dadurch kann sehr präzise die Kraftstoffmenge gesteuert werden und die Hub-zu-Hub- Streuungen eines Kraftstoffeinspritzventiles nehmen ab. Problematisch bei der Verwendung eines hydraulischen Kopplers ist, daß systembedingt im hydraulischen Koppler sehr hohe Drücke erzeugt werden müssen, damit das Ventilglied von seinem Ventilsitz abhebt und öffnet. Daher ist es zum einen erforderlich, zur Begrenzung der Leckage aus dem hydraulischen Koppler die Kolbenspaltmaße sehr gering auszubilden, andererseits muß der Piezoaktor deutlich überdimensioniert werden, um die Hubverluste aufgrund der Leckage zu kompensieren.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Piezoeinrichtung insgesamt ein verringertes Volumen beansprucht. Dies erklärt sich daraus, daß aufgrund des geringeren erforderlichen Drucks im hydraulischen Koppler dieser eine geringere Leckage und somit geringere Hubverluste aufweist. Dies wiederum hat einen entsprechend kleiner bauenden, mit dem hydraulischen Koppler zusammenwirkenden Piezoaktor zur Folge. Durch den kleiner bauenden Piezoaktor sind auch geringere Ströme zur Ansteuerung des Piezoaktors sowie ein kleiner und einfacher bauendes Steuergerät für den Piezoaktor erforderlich. Weiterhin ist es aufgrund des im hydraulischen Koppler herrschenden reduzierten Drucks möglich, eine Toleranzaufweitung der Kolbenspaltmaße vorzusehen, so daß die Fertigung vereinfacht wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoff einspritzvorrichtung und

Fig. 2 einen Teil eines Kraftstoffeinspritzventils samt Steuerventil nach Fig. 1 im Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil 10 in vereinfachter Darstellung, das ein Einspritzventilgehäuse 12 mit einer gestuften Bohrung 13 aufweist, in der eine Ventilnadel als Einspritzventilglied 15 geführt ist. Dieses weist an seinem einen Ende eine kegelförmige Dichtfläche 16 auf, die mit einem kegelförmigen Ventilsitz 17 am Ende der gestuften Bohrung 13 zusammenwirkt. Stromabwärts des Ventilsitzes 17 sind Kraftstoffeinspritzöffnungen 18 angeordnet, die beim Aufsetzen der Dichtfläche 16 auf dem Ventilsitz 17 von einem Druckraum 19 getrennt werden. Der Druckraum 19 erstreckt sich über einen um den sich an die Dichtfläche 16 stromaufwärts anschließenden, mit kleinerem Durchmesser versehenen Teil 21 des Einspritzventilglieds 15 herum gebildeten Ringraum 22 bis zum Ventilsitz 17 hin. Der Druckraum 19 ist über eine Druckleitung 23 mit einer Kraftstoffhochdruckquelle in Form eines Kraftstoffhochdruckspeichers 24 verbunden, der zum Beispiel von einer mit variabler Förderrate fördernden Hochdruckpumpe 25 aus einem Vorratsbehälter 27 mit Kraftstoff, der auf Einspritzdruck gebracht ist, versorgt wird. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 24 versorgt dabei mehrere der gezeigten Kraftstoffeinspritzventile 10. Es derartiges Kraftstoffeinspritzsystem wird als "Common-Rail-System" bezeichnet. Im Bereich des Druckraums 19 geht der im Durchmesser kleinere Teil 21 des Einspritzventilglieds 15 mit einer zum Ventilsitz 17 weisenden Druckschulter 28 in einen im Durchmesser größeren Teil 29 des Einspritzventilglieds 15 über. Dieser ist in der gestuften Bohrung 13 dicht geführt und setzt sich auf der der Druckschulter 28 abgewandten Seite in einem Zwischenteil 30 bis hin zu einem kolbenförmigen Ende 31 des Einspritzventilglieds 15 fort. Im Bereich des Zwischenteils 30 hat dieses einen Federteller 32, zwischen dem und dem Einspritzventilgehäuse 12 eine Druckfeder 33 eingespannt ist, die das Einspritzventilglied 15 in Schließstellung beaufschlagt.

Das kolbenförmige Ende 31 des Einspritzventilglieds 15 begrenzt mit einer Stirnseite 34, deren Fläche größer ist als die der Druckschulter 28 im Einspritzventilgehäuse 12 einen Steuerraum 35. Der Steuerraum 35 ist über eine Zulaufdrossel 36 in ständiger Verbindung mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 24. Gleichzeitig ist der Steuerraum 35 über einen Abflußkanal 38 und eine Ablaufdrossel 37 mit einem Entlastungsraum 39 verbunden, der zum Beispiel auch der Vorratsbehälter 27 sein kann. Der Durchgang des Abflußkanals 38 wird durch ein Steuerventil 40, das als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist, gesteuert.

In der Fig. 2 ist der Aufbau des Steuerventils 40 genauer dargestellt. Das zylindrisch ausgebildete Steuerventil 40 ist mittels einer Überwurfmutter 41 mit dem Einspritzventilgehäuse 12 lösbar verbunden. Das Steuerventil 40 weist ein im wesentlichen hülsenförmiges Außengehäuse 42 auf, dessen dem Einspritzventilgehäuse 12 abgewandtes Ende 43 durch einen Bördelvorgang oder ähnliches verschlossen ist. Im Inneren des Außengehäuses 42 ist auf der dem Einspritzventilgehäuse 12 abgewandten Seite ein erster, vereinfacht dargestellter Piezoaktor 45 integriert, welcher axial von zwei Festlagerplatten 46, 47 begrenzt ist. Die untere Festlagerplatte 47 ist mit einem ersten Stößel 48 gekoppelt, der an seinem Umfang mittels eines Dichtelements 49 zum Außengehäuse 42 hin abgedichtet ist. Ein im Durchmesser vergrößerter Abschnitt 51 des ersten Stößels 48 ragt in eine erste Bohrung 52 eines ein zylindrisches Gehäuse 53 aufweisenden hydraulischen Übersetzers 55 bzw. hydraulischen Kopplers ein. Koaxial zur ersten Bohrung 52 ist eine zweite Bohrung 56 geringeren Durchmessers im Gehäuse 53 ausgebildet, in der ein zweiter Stößel 57 von der dem Einspritzventilgehäuse 12 zugewandten Seite eintaucht. Die dem Einspritzventilgehäuse 12 zugewandte Unterseite 58 des Gehäuses 53 liegt plan auf der oberen Stirnfläche 59 des Einspritzventilgehäuses 12 auf.

Das Einspritzventilgehäuse 12 hat eine dreifach abgestufte, in den Steuerraum 35 mündende Durchgangsbohrung 61. Der dem Gehäuse 53 zugewandte Abschnitt 62 der Durchgangsbohrung 61 hat dabei den größten, der in den Steuerraum 35 mündende Abschnitt 63 den geringsten Durchmesser. Vom Abschnitt 63 zweigt auch der Abflußkanal 38 zum Entlastungsraum 39 ab. Im Abschnitt 62 ist ein zweiter, ebenfalls vereinfacht dargestellter Piezoaktor 65 angeordnet.

Der bedeutend kleiner als der erste Piezoaktor 45 bauende zweite Piezoaktor 65 weist ein mittig angeordnetes Durchgangsloch 66 auf, das vom zweiten Stößel 57 mit radialem Spiel durchdrungen ist. Der zweite Piezoaktor 65 ist in Bezug auf seinen axialen Bewegungsweg formschlüssig zwischen der Unterseite 58 des Gehäuses 53 und einem im Durchmesser vergrößerten Bund 67 des zweiten Stößels 57 angeordnet. Der Bund 67 ist im mittleren Abschnitt 64 der Durchgangsbohrung 61 gleitend geführt. Der Grund 68 des mittleren Abschnitts 64 dient dabei als axiale Hubbegrenzung für den zweiten Stößel 57. An den Bund 67 schließt sich ein Stößelabschnitt 69 an, der mit radialem Spiel im Abschnitt 63 geführt ist, und der mit einem als Kugel ausgebildeten Ventilglied 70 zusammenwirkt. Im Übergangsbereich zwischen dem Steuerraum 35 zum Abschnitt 63 der Durchgangsbohrung 61 ist eine Sitzkante 72 ausgebildet, die zusammen mit dem Ventilglied 70 einen Dichtsitz ausbildet, so daß kein Kraftstoff vom Steuerraum 35 über den Abschnitt 63 und den Abflußkanal 38 zum Entlastungsraum 39 hin abströmen kann.

Entsprechend der Fig. 1 erfolgt die Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 10 über das Steuerventil 40 bzw. die beiden Piezoaktoren 45, 65 über ein Steuergerät 73, das in Abhängigkeit von Betriebsparametern die Steuerventile 40 der einzelnen Kraftstoffeinspritzventile 10 ansteuert, ferner mit einem Drucksensor 74 den Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher 24 erfaßt und entsprechend der Abweichung von einem gewünschten Sollwert die variabel fördernde Hochdruckpumpe 25 steuert. Parallel zu dieser kann ein Druckbegrenzungsventil 75 vorgesehen sein, das auch als Drucksteuerventil in Abhängigkeit von Betriebsparametern steuerbar ist, je nach Konzeption der Kraftstoffhochdruckmengenversorgung.

Auch kann die Hochdruckpumpe 25 ständig in gleicher Menge fördern und über das Druckbegrenzungsventil 75, das hier explizit als Drucksteuerventil anzusehen ist, der Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher 24 eingeregelt werden.

Die oben beschriebene Kraftstoffeinspritzvorrichtung; die insbesondere Bestandteil einer Dieselbrennkraftmaschine ist, arbeitet wie folgt:
Bei geschlossenem Steuerventil 40, d. h. nicht betätigten Piezoaktoren 45, 65, liegt das Ventilglied 70 gegen die Sitzkante 72 an und dichtet den Steuerraum 35 zum Entlastungsraum 39 hin ab. Der Dichtsitz wird aufgrund der ständigen Verbindung des Steuerraums 35 mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 24 gebildet, da der im Steuerraum 35 herrschende Druck auf hohem Niveau ist. Weil die Fläche der Stirnseite 34 größer ist als die Fläche der Druckschulter 28 und der auf beide Flächen wirkende Druck in dem Moment gleich groß ist, ergibt sich eine resultierende Kraft, die das Einspritzventilglied 15 in geschlossener Stellung in Bezug auf die Einspritzöffnungen 18 hält. Zur Auslösung einer Einspritzung wird zuerst nur der zweite Piezoaktor 65 vom Steuergerät 73 angesteuert. Der zweite Piezoaktor 65 ist somit allein für das Abheben des Ventilgliedes 70 von der Sitzkante 72 verantwortlich, d. h., daß dieser einen relativ geringen Hub aufweist. Dabei genügt der relativ geringe Hub des zweiten Piezoaktors 65, um einen Öffnungskraftanstieg des Ventilgliedes 70 aufgrund der Sitzwinkeldifferenz zu überwinden. Bei der Ausdehnung des zweiten Piezoaktors 65 stützt sich dieser dabei gegen die Unterseite 58 des Gehäuses 53 ab und drückt über den Bund 67 des zweiten Stößels 57 diesen in Richtung des Entlastungsraums 35. Sobald das Ventilglied 70 von der Sitzkante 72 etwas abgehoben ist, erfolgt das eigentliche Öffnen des Ventilgliedes 70 mittels des ersten Piezoaktors 45, der einen größeren Hub aufweist als der zweite Piezoaktor 65. Dabei genügt, nachdem die Sitzkräfte überwunden sind, eine relativ geringe Hubkraft des ersten Piezoaktors 45, um den zweiten Stößel 57 weiterzubewegen. Aufgrund des hydraulischen Übersetzers 55 und der gewählten Durchmesserverhältnisse der Stößel 48 und 57 bzw. der Bohrungen 52 und 56 im Gehäuse 53 wird dabei der Hub des ersten Piezoaktors 45 durch den hydraulischen Übersetzer 55 vergrößert. Der Maximalhub des zweiten Stößels 57 wird durch den als Hubanschlag wirkenden Grund 68 der Durchgangsbohrung 61 begrenzt. Das Abheben des Ventilgliedes 70 bzw. der Öffnungshub durch den ersten Piezoaktor 45 bewirkt, daß Kraftstoff vom Steuerraum 35 zum Entlastungsraum 39 hin abströmen kann, so daß, abgekoppelt vom Kraftstoffhochdruckspeicher 24 durch die Zulaufdrossel 36, sich im Steuerraum 35 ein Druck niedrigeren Niveaus einstellt. In diesem Fall überwiegen die auf die Druckschulter 28 in Öffnungsrichtung wirkenden Druckkräfte und das Kraftstoffeinspritzventil 10 wird zur Einspritzung geöffnet.

Durch Wiederschließen des Steuerventils 40 bzw. Nichtbestromen der Piezoaktoren 45, 65 stellt sich, nachdem das Ventilglied 70 wieder in Wirkverbindung mit der Sitzkante 72 ist, im Steuerraum 35 sehr schnell der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck wieder ein, da der Kraftstoff über die Zulaufdrossel 36 weiterhin zufließen kann. Dadurch gelangt das Einspritzventilglied 15 wieder in seine Ausgangsstellung bzw. Schließstellung zur Beendigung der Hochdruckeinspritzung zurück.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffhochdruckquelle (24), aus der ein Kraftstoffeinspritzventil (10) mit Kraftstoff versorgt wird, das ein Einspritzventilglied (15) zur Steuerung von wenigstens einer Einspritzöffnung (18) und einen Steuerraum (35) aufweist, der von einer beweglichen Wand (34), die mit . dem Einspritzventilglied (15) wenigstens mittelbar verbunden ist, begrenzt wird, und der einen mittels einer Zulaufdrossel (36) dimensionierten, von einer Hochdruckquelle (25), vorzugsweise von der Kraftstoffhochdruckquelle kommenden Zuflußkanal (23) aufweist, wobei der Steuerraum (35) mittels eines eine Piezoeinrichtung und einem damit zumindest mittelbar verbundenen Ventilglied (70) aufweisenden Steuerventils (40) entlastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoeinrichtung wenigstens zwei, in gleicher Richtung wirkende, hintereinandergeschaltete Piezoaktoren (45, 65) aufweist.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoaktoren (45, 65) unterschiedlich große Hubewege aufweisen.

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einen kleineren Hub aufweisende eine Piezoaktor (65) zwischen dem Ventilglied (70) und dem einen größeren Hub aufweisenden anderen Piezoaktor (45) angeordnet ist.

4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Piezoaktor (65) ein Durchgangsloch (66) für einen mit dem Ventilglied (70) zusammenwirkenden Stößel (57) aufweist und daß der Stößel (57) eine Stützfläche (67) für den anderen Piezoaktor (65) aufweist, zwischen der und einem ortsfesten ersten Anschlag (58) der andere Piezoaktor (65) angeordnet ist.

5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem ersten Anschlag (58) gegenüberliegenden Seite des ersten Anschlags (58) ein als Hubbegrenzung für den Stößel (57) und das Ventilglied (70) wirkender zweiter Anschlag (68) angeordnet ist.

6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Piezoaktoren (45, 65) ein hydraulischer Übersetzer (55) angeordnet ist.

7. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Piezoaktoren (45, 65) innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses (42) angeordnet sind.

8. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (42) zumindest in dem Bereich der beiden Piezoaktoren (45, 65) hülsenförmig ausgebildet ist.