DE19939450A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Kraftstoffeinspritzvorrichtung für BrennkraftmaschinenInfo
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Abstract
Es wird eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, bei dem ein Kraftstoffeinspritzventil (9) einen von einem Einspritzventilglied (14) betätigten Stößel (21) aufweist, der einen Steuerraum (25) begrenzt, welcher ständig von Kraftstoffhochdruck versorgt wird, und der über ein Steuerventil (43) und einen Abflußkanal (29) zu einem Abflußraum (32) hin entlastet werden kann. Das Steuerventil (43) weist ein Ventilglied (42) auf, das von einem Piezo (45) betätigt wird, wobei das Ventilglied (42) zusammen mit einer Sitzkante (40) einen ersten Dichtsitz (41) mit einem Flachsitz ausbildet.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1, wie sie aus der DE 196 24 001 A1 bekannt ist. Die
bekannte Vorrichtung weist ein von einem Piezo betätigbares
Ventilglied auf, das in einem Kraftstoffeinspritzventil den
Steuerraum zu einem Abflußkanal hin abdichtet oder öffnet.
Die Abdichtung erfolgt entsprechend der Ausführungsbeispiele
entweder über einen am Ventilglied ausgebildeten Kegel- oder
über einen Kugelsitz. Aufgrund dieser Bauart entsteht beim
Abheben des Ventilgliedes von seinem Ventilsitz am
Ventilgehäuse der Effekt, daß der hydraulisch wirksame
Sitzdurchmesser des Ventilgliedes größer ist als dessen
geometrischer Sitzdurchmesser. Dadurch resultiert, daß zum
Abheben des Ventilgliedes von seinem Ventilsitz eine erhöhte
Öffnungskraft von dem Piezo aufzubringen ist. Diese erhöhte
Öffnungskraft verringert den Hub des Piezos bzw. begrenzt
den Einsatzbereich eines vorgeschalteten hydraulischen
Kraft-Weg-Übersetzers. Der Effekt des im Verhältnis zum
geometrischen Sitzdurchmesser erhöhten hydraulisch wirksamen
Sitzdurchmesser des Ventilgliedes bei den angesprochenen
Kegel- oder Kugelsitzen läßt sich aus Strömungs- bzw.
Drosseleffekten erklären, die entstehen, wenn sich beim
Abheben des Ventilgliedes von seinem Ventilsitz zwischen dem
Ventilglied und dem Ventilsitz ein Strömungskanal mit einer
gewissen Länge ausgebildet, durch den der Kraftstoff vom
Steuerraum zum Abflußkanal hindurchströmt. Sobald das
Ventilglied jedoch einen bestimmten Mindesthub ausgeführt
hat, treten die beschriebenen Effekte nicht mehr auf.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung für
Brennkraftmaschinen mit dem kennzeichnenden Merkmal des
Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch den
verwendeten Flachsitz beim Abheben des Ventilgliedes von
seinem Ventilsitz dessen hydraulisch wirksamer
Sitzdurchmesser in der Praxis nur geringfügig größer als der
geometrische Sitzdurchmesser des Ventilgliedes ist. Dabei
entspricht der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser desto
eher dem geometrischen Sitzdurchmesser des Ventilgliedes,
desto geringer der Durchmesserunterschied zwischen der von
dem Ventilglied verschlossenen Öffnung und dem Durchmesser
des Ventilgliedes am Ventilsitz ist, da dann beim Abheben
des Ventilgliedes sehr kurze Strömungswege für das
Druckmittel am Ventilsitz geschaffen werden, wodurch sich
die die unterschiedlich wirksamen Sitzdurchmesser
verursachenden Stömungs- bzw. Drosseleffekte verringern.
Weiterhin läßt sich ein Flachsitz besonders einfach
fertigungstechnisch realisieren, da die
Toleranzanforderungen bezüglich der Führung des
Ventilgliedes in Bezug auf den Ventilsitz relativ gering
sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen sind
in den Unteransprüchen angegeben.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn
das Ventilglied mit einer umlaufenden, erhöhten Sitzkante am
Ventilsitz zusammenwirkt. Diese umlaufende Sitzkante läßt
sich fertigungstechnisch relativ einfach mittels einer
Schräge realisieren. In der besonders vorteilhaften
Ausgestaltung ist der hydraulisch wirksame Sitzdurchmesser
des Ventilgliedes nahezu gleich dem geometrischen
Sitzdurchmesser, und zwar unabhängig von der Größe bzw. dem
Durchmesser des Ventilgliedes in Höhe des Flachsitzes.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit Versorgung aus einem Hochdruckspeicher und
einem von einem Steuerventil gesteuertem
Kraftstoffeinspritzventil und
Fig. 2 ein Kraftstoffeinspritzventil entsprechend dem
Ausschnitt A der Fig. 1 im Längsschnitt.
Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, mit der mit hohen
Einspritzdrücken und geringem Aufwand eine große Variation
der Kraftstoffeinspritzung, insbesondere mit sehr exakt
steuerbaren Einspritzzeitpunkten und Einspritzmengen möglich
ist, wird durch ein sogenanntes Common-Rail-System
verwirklicht. Dieses stellt eine andere Art von
Kraftstoffhochdruckquelle zur Verfügung, als es durch die
übliche Kraftstoffhochdruckeinspritzpumpe gegeben ist. Dabei
ist jedoch die Erfindung sowohl bei diesem sogenannten
Common-Rail-System, als auch bei einer
Kraftstoffeinspritzpumpe verwendbar. Dem Common-Rail-System
ist dabei jedoch der Vorzug zu geben.
In der Fig. 1 ist bezüglich eines Common-Rail-Systems als
Kraftstoffhochdruckquelle ein Kraftstoffhochdruckspeicher 1
vorgesehen, der von einer Kraftstoffhochdruckförderpumpe 2
aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 4 mit Kraftstoff
versorgt wird. Der Druck in dem Kraftstoffhochdruckspeicher
1 wird durch ein Drucksteuerventil 5 in Verbindung mit einem
Drucksensor 6 über eine elektrische Steuereinrichtung 8
gesteuert. Diese steuert auch ein Kraftstoffeinspritzventil
9.
Das Kraftstoffeinspritzventil 9 weist ein Ventilgehäuse 11
auf, das an seinem einen Ende, das zum Einbau an der
Brennkraftmaschine bestimmt ist, Einspritzöffnungen 12
besitzt, deren Austritt aus dem Inneren des
Kraftstoffeinspritzventils 9 durch ein Einspritzventilglied
14 gesteuert wird. Dieses ist im ausgeführten Beispiel als
langgestreckte Ventilnadel ausgeführt, die an ihrem einen
Ende eine Dichtfläche 15 besitzt, die mit einem
innenliegenden Ventilsitz zusammenwirkt. Die Ventilnadel
befindet sich innerhalb eines durch eine Druckleitung 17 mit
dem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 verbundenen Druckraumes 16
innerhalb des Ventilgehäuses 11. In einem im Durchmesser
vergrößerten Teils des Druckraumes 16 ist eine Druckfeder 19
angeordnet, die zwischen einem Ventilteller 20 und dem
Ventilgehäuse 11 axial eingespannt ist und das
Einspritzventilglied 14 in Schließrichtung beaufschlagt.
Koaxial zur Druckfeder 19 ist ein Stößel 21 vorgesehen, der
einerseits am Ventilteller 20 anliegt und andererseits in
eine Führungsbohrung 22 eintaucht und dort mit seiner
Stirnseite 23, die eine bewegliche Wand bildet, einen
Steuerraum 25 mit dem geschlossenen Ende der Führungsbohrung
22 einschließt. In diesen Steuerraum 25 mündet ein
Zuflußkanal 26, in dem eine Zulaufdrossel 27 angeordnet ist,
und der vom Druckraum 16 ausgehend immer Kraftstoff unter
Hochdruck über die Zulaufdrossel 27 in den Steuerraum 25
liefert.
Vom Steuerraum 25 führt koaxial zum Stößel 21 von der diesem
gegenüberliegenden Stirnseite ein Abflußkanal 29 mit einer
darin angeordneten Abflußdrossel 28 ab, der in einen
Entlastungsraum 30 innerhalb des Ventilgehäuses 11 mündet.
Der Entlastungsraum 30 führt über eine weiterführende .
Entlastungsleitung 31 zu einem aufnahmefähigen Abflußraum
32, der zum Beispiel auch der Kraftstoffvorratsbehälter 4
sein kann.
Wie am besten aus der Fig. 2 ersichtlich ist, weist der
Entlastungsraum 30 einen oberen Bereich 33 und einen dem
Steuerraum 25 zugewandten unteren Bereich 34 auf. Von dem im
Verhältnis zum unteren Bereich 34 im Durchmesser kleineren
oberen Bereich 33 zweigt seitlich, auf der dem Zulaufkanal
26 gegenüberliegenden Seite, die Entlastungsleitung 31 ab.
In den unteren Bereich 34 ragt eine umlaufende Erhebung bzw.
ein Steg 35 hinein, dessen Innenwand 36 als Verlängerung der
Bohrungswand 37 des oberen Bereichs 33 ausgebildet ist. Auf
der der Innenwand 36 abgewandten Seite weist der Steg 35
eine Schräge 39 auf, so daß der Steg 35 in dem in der Fig.
2 dargestellten Längsschnitt dreiecksförmig ausgebildet ist.
Die dem Abflußkanal 29 zugewandte Stirnseite des Steges 35
bildet eine umlaufende Sitzkante 40 aus, die, wenn sie mit
einem Ventilglied 42 zusammenwirkt, einen ersten Dichtsitz
41 bildet. Das Ventilglied 42 ist Bestandteil eines
Steuerventils 43, wobei das Ventilglied 42 durch einen Piezo
45 in Schließstellung bzw. Öffnungsstellung gebracht werden
kann.
Das Ventilglied 42 hat einen Ventilschaft 46 und ein sich an
das eine Ende des Ventilschaftes 46 anschließendes, mit der
Sitzkante 40 zusammenwirkendes Schließelement 47. Der
Ventilschaft 46 ist im oberen Bereich 33 des
Entlastungsraums 30 mit radialem Spiel angeordnet. Das
Schließelement 47 ist halbkugel- bzw. kugelabschnittsförmig
ausgebildet, mit einer der Sitzkante 40 zugewandten ebenen
Sitzfläche 48, an die sich auch der Ventilschaft 46
anschließt. Der erste Dichtsitz 41 ist somit von der
Sitzfläche 48 und der Sitzkante 40 als Flachsitz
ausgebildet, wobei die Sitzfläche 48 des Schließelements 47
die Sitzkante 40 im Durchmesser überragt.
Die gewölbte, der Sitzfläche 48 abgewandte Fläche 49 des
Schließelements 47 bildet zusammen mit einer der Fläche 49
zumindest teilweise formschlüssig angepaßten Sitzfläche 51
im Mündungsbereich des Abflußkanals 29 in dem unteren
Bereich 34 des Entlastungsraums 30 einen Kugelsitz als
zweiten Dichtsitz 52 aus.
Die oben beschriebene Kraftstoffeinspritzvorrichtung
arbeitet wie folgt: Durch die vorzugsweise synchron zur
Brennkraftmaschine angetriebene
Kraftstoffhochdruckförderpumpe 2 wird Kraftstoff aus dem
Kraftstoffvorratsbehälter 4 in den
Kraftstoffhochdruckspeicher 1 gefördert, dessen Druck über
das Drucksteuerventil 5 in Verbindung mit dem Drucksensor 6
auf einen vorzugsweise konstanten Wert eingestellt wird.
Dieser Wert kann bei Bedarf auch geändert werden. Der aus
dem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 zur Verfügung stehende
Kraftstoff versorgt mehrere Kraftstoffeinspritzventile 9 der
beschriebenen Bauart.
So lange das Ventilglied 42 des Steuerventils 43 in der
gezeigten Schließstellung ist, wird aufgrund des über die
Druckleitung 17 zugeführten Kraftstoffs auch im Steuerraum
25 ein relativ hoher Druck eingehalten, der über die
bewegliche Wand 23 das Einspritzventilglied 14 zusätzlich
zur Druckfeder 19 mit einer Schließkraft beaufschlagt, so
daß das Einspritzventilglied 14 in Schließstellung gebracht
wird und in dieser Stellung bleibt. Wird das Steuerventil 43
jedoch geöffnet, kann der Steuerraum 25 über den Abflußkanal
29, den Entlastungsraum 30 und die Entlastungsleitung 31 zum
Abflußraum 32 hin entlastet werden.
Wesentlich dabei ist, daß aufgrund der Ausbildung des ersten
Dichtsitzes 41 als Flachsitz beim Abheben des
Schließelements 47 von der Sitzkante 40 nur ein sehr kurzer
Strömungsweg für den Kraftstoff von dem unteren Bereich 34
in den oberen Bereich 33 des Entlastungsraums 30 entsteht.
Somit treten nur sehr geringe, die Öffnungskraft des Piezos
45 erhöhende Strömungseffekte auf. Durch die besondere
Ausbildung der Sitzkante 40 an dem erhöhten Steg 35 wird
zusätzlich der Effekt der Durchmesserunterschiede zwischen
dem Schließelement 47 im Bereich der Sitzfläche 48 und dem
oberen Bereich 33 reduziert, was auf die erforderliche
Öffnungskraft des Piezos 45 einen zusätzlichen positiven
Effekt bewirkt.
Aufgrund des im Steuerraum 25 sinkenden Druckes reicht die
Schließkraft der Druckfeder 19 beim Abheben des
Schließelements 47 von der Sitzkante 40 nicht mehr aus, das
Einspritzventilglied 14 gegen den an einer Druckfläche 53
des Ventilgliedes 42 angreifenden Kraftstoffhochdruck in
Schließstellung zu halten, so daß das Einspritzventilglied
14 in Offenstellung geht. Dies bewirkt im beschriebenen
Ausführungsbeispiel, bei dem das Ventilglied 42 einen
zweiten Dichtsitz 52 ausbildet, einen ersten
Einspritzvorgang, Voreinspritzung genannt. Wenn das
Ventilglied 42 seinen vollen Hubweg durchlaufen hat, bildet
die Fläche 49 des Schließelements 47 mit der Sitzfläche 51
den zweiten Dichtsitz 52 aus, womit die Voreinspritzung
dadurch beendet wird, daß im Steuerraum 25 wieder der
ursprüngliche, hohe Kraftstoffdruck herrscht, da kein
Kraftstoff zum Ablaufraum 32 hin abströmen kann.
Wird das Ventilglied 42 nunmehr wieder in Richtung des
ersten Dichtsitzes 41 bewegt, wird ein zweiter
Einspritzvorgang, Haupteinspritzung genannt, ausgelöst.
Diese Auslösung erfolgt in Analogie zum ersten
Einspritzvorgang durch Druckabsenkung im Steuerraum 25
infolge Abströmens von Kraftstoff in den Abflußraum 32. Die
Haupteinspritzung wird beendet, sobald das Ventilglied 42
mit seiner Sitzfläche 48 unter Bildung des ersten
Dichtsitzes 41 wieder auf der Sitzkante 40 aufliegt. In
diesem Moment sperrt des Schließelement 47 den oberen
Bereich 33 zum unteren Bereich 34 im Entlastungsraum 30 hin
ab, so daß im Steuerraum 25 sofort wieder der hohe
Kraftstoffdruck entsteht, der dann das Einspritzventilglied
14 wieder in Schließstellung bringt.
Claims (6)
1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen
mit einer Kraftstoffhochdruckquelle (1), aus der ein
Kraftstoffeinspritzventil (9) mit Kraftstoff versorgt wird,
das ein Einspritzventilglied (14) zur Steuerung von
wenigstens einer Einspritzöffnung (12) und einen Steuerraum
(25) aufweist, der von einer beweglichen Wand (23), die mit
dem Einspritzventilglied (14) wenigstens mittelbar verbunden
ist, begrenzt wird, und der einen mittels einer ersten
Drossel (27) dimensionierten, von einer Hochdruckquelle,
vorzugsweise von der Kraftstoffhochdruckquelle (1) kommenden
Zuflußkanal (26) und einen Abflußkanal (29) mit definiertem
maximalem Abflußquerschnitt zu einem Entlastungsraum (30)
aufweist, wobei der Abfluß von Kraftstoff aus dem Steuerraum
(25) in einen Abflußbehälter (32) mittels eines einen ersten
Ventilsitz (41) aufweisenden Ventilgliedes (42), das
Bestandteil eines von einem Piezo (45) betätigbaren
Steuerventils (43) ist, sperrbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (41) als Flachsitz
ausgebildet ist.
2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Flachsitz gebildet ist von einer
ebenen Fläche (48) des Ventilgliedes (42) und einer Wand im
Übergangsbereich zwischen einem dem Steuerraum (25)
zugewandten ersten Bereich (34) des Entlastungsraums (30)
und einem dem Steuerraum (25) abgewandten zweiten Bereich
(33) des Entlastungsraums (30).
3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wand als eine in den ersten Bereich
(34) des Entlastungsraums (30) hineinragende, umlaufende
Sitzkante (40) ausgebildet ist.
4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sitzkante (40) an einem Steg (35)
ausgebildet ist.
5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Steg (35) eine Schräge (39)
aufweist.
6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (42) ein
halbkugel- oder kugelabschnittsförmiges Schließglied (47)
aufweist, dessen dem ersten Ventilsitz (41) abgewandte
Fläche (49) im Übergangsbereich zwischen dem Abflußkanal
(29) und dem Entlastungsraum (30) einen zweiten Ventilsitz
(52) ausbildet.
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