DE19939453A1 - Ventileinrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einer Ventileinrichtung (10) zur Steuerung des Druckverlaufs in einem Aggregat zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors. Diese umfaßt einen vom Aktor betätigbaren Sitzkörper (18), einen vom Sitzkörper (18) gesteuerten ersten Ventilsitz (14) und eine erste Steuerkammer (40), in die ein druckgesteuertes Schließglied (42) hineinragt. Zur Darstellung einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung mit einer einzigen Ansteuerung des Aktors, wobei die Voreinspritzung eine äußerst geringe Menge an Kraftstoff zumißt, wird vorgeschlagen, die Ventileinrichtung (10) mit einem im Wechsel mit dem ersten Ventilsitz (14) vom Steuerkörper (18) gesteuerten zweiten Ventilsitz (16) auszustatten und zwischen beiden Ventilsitzen (14, 16) eine zweite Steuerkammer (48) vorzusehen, die im nicht betätigten Zustand des Sitzkörpers (18) mit der ersten Steuerkammer (40) über eine Drosseleinrichtung (38) hydraulisch verbunden ist.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Ventileinrichtung zur
Steuerung des Druckverlaufs in einem Aggregat zur
Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines
Verbrennungsmotors entsprechend der Gattung des Anspruchs 1.
Eine derartige Ventileinrichtung ist beispielsweise aus der
DE 196 24 001 A1 bereits bekannt. Diese Ventileinrichtung
steuert einen Ventilsitz mit Hilfe eines in einer
Ventilbohrung verschiebbar geführten und mit einem extern
ansteuerbaren Aktor zusammenwirkenden Sitzkörpers. Vor und
hinter dem Ventilsitz mündet ein Zulauf in die Ventilbohrung
ein bzw. zweigt ein Ablauf ab. Als Aktor ist ein
piezoelektrischer Aktor vorgesehen, der sich durch große
Schaltkräfte und hohe Schaltgeschwindigkeiten bei geringen
Abmessungen und kleiner elektrischer Leistungsaufnahme
auszeichnet. Mit der Ventileinrichtung ist eine Steuerkammer
hydraulisch verbunden, in der eine Düsennadel des Aggregats
zur Einspritzung von Kraftstoff Einspritzquerschnitte
druckabhängig steuert.
Nachteiligerweise verhalten sich die oben genannte Aktoren
empfindlich gegenüber hohen Ansteuerfrequenzen. Dies
schränkt die Darstellung zeitlich kurz aufeinanderfolgender
Vor- und Haupteinspritzungen ein und wirkt sich dadurch
letztendlich nachteilig auf das Geräusch- und
Emissionsverhalten eines Verbrennungsmotors aus.
Die während einer Voreinspritzung einzuspritzenden
Kraftstoffmengen sollen zudem möglichst gering sein, um
einen abrupten Druckanstieg im Brennraum, der mit einer
entsprechenden Geräuschentwicklung einher geht zu vermeiden.
Der Geschwindigkeit der Düsennadelbewegung sind jedoch
mechanisch bedingte Grenzen gesetzt, ebenso wie einer
Minimierung der von der Düsennadel gesteuerten
Einspritzquerschnitte.
Demgegenüber weist eine Ventileinrichtung zur Steuerung des
Druckaufbaus in einem Aggregat zur Einspritzung von
Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf,
daß mit einer Ansteuerung des Aktors eine Vor- und eine
Haupteinspritzung getrennt voneinander steuerbar sind. Zudem
konnte die eingespritzte Kraftstoffmenge während der
Voreinspritzung weiter reduziert werden, ohne eine die
Haltbarkeit beeinflussende Vergrößerung der Geschwindigkeit
der Düsennadel oder eine fertigungstechnisch und
wirtschaftlich aufwendige Verkleinerung der
Einspritzquerschnitte zu erfordern. Im Umkehrschluß dazu
lassen sich bei unveränderten Voreinspritzmengen geringere
Schaltzeiten und damit eine erhöhte Lebensdauer der Aktoren
realisieren. Die notwendigen konstruktiven Änderungen
erfordern lediglich einen geringen Aufwand, zusätzliche
Bauteile sind beispielsweise nicht erforderlich. Eine
erfindungsgemäße Ventileinrichtung ist damit kostengünstig
darstellbar.
Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der
Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung in einer schematischen Darstellung im
Querschnitt; das Detail X nach Fig. 1 ist in
Fig. 2 in einer zweiten Ausführungsvariante, ebenfalls
im Querschnitt, dargestellt.
Fig. 3 zeigt Funktionsdiagramme zur Veranschaulichung
der Funktionsweise der beiden
Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Ventileinrichtung 10, bestehend aus einer Ventilbohrung 12
mit einem ersten und einem zweiten Ventilsitz 14, 16. Diese
sind an voneinander beabstandeten Durchmesseränderungen der
Ventilbohrung 12 ausgebildet und werden von einem
verschiebbar geführten Sitzkörper 18 wechselweise gesteuert.
Der Sitzkörper 18 weist dazu einen zylindrischen, auf den
Durchmesser der Ventilbohrung 12 abgestimmten Führungsschaft
20, eine sich daran anschließende Einschnürung 22 kleineren
Außendurchmessers und einen im Bereich der beiden
Durchmesseränderungen der Ventilbohrung 12 angeordneten
Steuerkopf 24 auf. Letzterer ist gegenüber dem
Führungsschaft 20 verdickt, gliedert sich in einen
zylindrischen Mittenabschnitt 26 und zwei an dessen Enden
angeordnete kegelförmige Abschnitten 28, 30 mit umlaufenden,
entgegengesetzt zueinander geneigten Sitzflächen 29 und 31.
Der Sitzkörper 18 ist von einem in der Fig. 1 nicht
dargestellten Aktor beaufschlagt. Dieser ist
vorteilhafterweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet
und wirkt in seinem elektrisch angesteuerten Zustand mit
einer Stellkraft F auf den Sitzkörper 16 ein. In der
Grundstellung nach Fig. 1 ist der Aktor elektrisch nicht
angesteuert, so daß der Sitzkörper 18 vom Mediumdruck gegen
den Ventilsitz 14 gedrückt ist. Dabei dichtet er eine
Druckmittelverbindung von der Ventilbohrung 12 zu einem im
Bereich der Einschnürung 22 des Sitzkörpers 18 in die
Ventilbohrung 12 einmündenden Rücklaufkanal 32 ab. In der
Ventilbohrung 12 herrscht somit das vom Druck eines Zulaufs
34 bestimmte Druckniveau. Dieser Zulauf 34 mündet unter
Vorschaltung einer Zulaufdrossel 36 in eine erste
Steuerkammer 40 ein. Diese ist an dem vom Sitzkörper 18
abgewandten Ende der Ventilbohrung 12 ausgebildet.
Darüber hinaus ist die erste Steuerkammer 40 u. a. von einem
Ende einer Düsennadel 42 begrenzt. Diese Düsennadel 42 ist
Bestandteil einer nicht näher dargestellten Vorrichtung, die
Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors
einspritzt.
Eine als Ablaufdrossel 38 bezeichnete Drosseleinrichtung ist
zwischen dem Schließkörper 18 und der Düsennadel 42 in der
Ventilbohrung 12 angeordnet und teilt diese dadurch in zwei
Druckzonen 44, 46 ein. In der dem Zulauf 34 zugewandten
ersten Druckzone 44 befindet sich die erste Steuerkammer 40,
während in der zweiten Druckzone 46 erfindungsgemäß eine
zweite Steuerkammer 48 ausgebildet ist. Diese befindet sich
zwischen den beiden Ventilsitzen 14 und 16 und dehnt sich
koaxial zur Ventilbohrung 12 aus. Ihr Volumen ist variabel
an die jeweiligen Einsatzbedingungen der Ventileinheit 12
anpaßbar, ist jedoch stets kleiner als das der ersten
Steuerkammer 40 dimensioniert. Je kleiner das Volumen der
zweiten Steuerkammer 48 ausgeführt ist, desto kleiner ist
die voreinspritzbare Kraftstoffmenge bzw. desto höher ist
die Geschwindigkeit, mit der sich die Düsennadel 42 während
der Haupteinspritzung bewegt.
Eine derart ausgebildete Ventileinheit 10 funktioniert wie
folgt:
In der in Fig. 1 dargestellten Grundstellung sind die beiden Steuerkammern 40 und 48 miteinander verbunden und nehmen ein großes Gesamtvolumen ein. Beide Steuerkammern 40 und 48 sind mit Kraftstoff unter Hochdruck befüllt, so daß sowohl der Sitzkörper 18 als auch die Düsennadel 42 hydraulisch beaufschlagt sind. Der Sitzkörper 18 verschließt dadurch den ersten Ventilsitz 14, während die Düsennadel 42 die in Fig. 1 nicht erkennbaren Einspritzquerschnitte geschlossen hält.
In der in Fig. 1 dargestellten Grundstellung sind die beiden Steuerkammern 40 und 48 miteinander verbunden und nehmen ein großes Gesamtvolumen ein. Beide Steuerkammern 40 und 48 sind mit Kraftstoff unter Hochdruck befüllt, so daß sowohl der Sitzkörper 18 als auch die Düsennadel 42 hydraulisch beaufschlagt sind. Der Sitzkörper 18 verschließt dadurch den ersten Ventilsitz 14, während die Düsennadel 42 die in Fig. 1 nicht erkennbaren Einspritzquerschnitte geschlossen hält.
Zur Darstellung eines in eine Vor- und eine
Haupteinspritzung gegliederten Einspritzvorgangs reicht
einen einzige Ansteuerung des Aktors aus. Die dabei auf den
Sitzkörper 18 einwirkende Stellkraft F öffnet den Ventilsitz
14 und fährt den Schließkörper in den zweiten Ventilsitz 16.
Kurzzeitig sind dabei beide Ventilsitze 14 und 16
gleichzeitig geöffnet, so daß sich der Druck in der
Ventilbohrung 12 und insbesondere in den Steuerkammern 40
und 48 über den Rücklauf 32 abbaut. In der Steuerkammer 40
fällt das Druckniveau aufgrund der zwischengeschalteten
Ablaufdrossel 38 allerdings nur geringfügig ab. Dieser
Druckabfall reicht jedoch aus, um den mechanisch,
beispielsweise mittels einer Feder oder hydraulisch, mittels
entsprechend dimensionierten Druckstufen festgelegten
Öffnungsdruck der Düsennadel 42 zu unterschreiten. Mit dem
Druckabfall geht ein Rückgang der auf die Düsennadel 42
einwirkenden hydraulischen Kraft einher, so daß sich diese
Düsennadel 42 in ihre Offenstellung bewegt.
Die Voreinspritzung ist mit dem Schließen des zweiten
Ventilsitzes 16 durch den Sitzkörper 18 abgeschlossen. Damit
befindet sich die Ventileinheit 10 in einem Zustand, in dem
der zweite Steuerraum 48 druckentlastet ist, während im
ersten Steuerraum 40 wieder der vom Zulauf 34 und der
Zulaufdrossel 36 bestimmte Hochdruck herrscht.
Für die nachfolgende Haupteinspritzung wird die Ansteuerung
des Aktors derart zurückgenommen, daß der Sitzkörper 18 sich
erneut in die Zwischenstellung bewegt, in der beide
Ventilsitze 14 und 16 gleichzeitig geöffnet sind. Da nunmehr
lediglich der gegenüber dem Gesamtvolumen kleinere
Steuerraum 40 druckentlastet werden muß, geschieht dies
relativ schnell. Entsprechend schnell verläuft die
Öffnungsbewegung der Düsennadel 42, da der Verlauf des
Druckabbaus direkt vom Volumen des Steuerraums 40 abhängt.
Die Haupteinspritzung ist beendet, wenn der Sitzkörper 18
sich wieder in der dargestellten Ausgangsstellung befindet,
d. h. der erste Ventilsitz 14 wieder geschlossen ist.
Zur Voreinspritzung wird der Öffnungsdruck der Düsennadel 42
aufgrund der unterschiedlichen Volumina der Steuerräume 40
und 48 sowie der zwischen ihnen angeordneten Ablaufdrossel
38 nur wenig und nur für einen kurzen Zeitraum
unterschritten. Ohne Änderung der Geschwindigkeit der
Düsennadel 42 wird dadurch eine sehr kleine Menge an
Kraftstoff zugemessen. Bei der Haupteinspritzung dagegen
wird der Öffnungsdruck infolge des gegenüber dem
Gesamtvolumen kleineren Volumens der ersten Steuerkammer 40
sehr stark und sehr schnell unterschritten, was eine
entsprechend hohe Geschwindigkeit der Düsennadel 42 erzeugt.
Die Vor- und die Haupteinspritzung können somit zeitlich
besonders schnell aufeinander folgen, da nur das geringe
Volumen des Steuerraums 48 zu entlasten ist und weil
zeitlich davor nur ein kleiner Druckunterschied im
Steuerraum 40 auszugleichen ist. Beide Effekte verbessern
die Dosierbarkeit und die Schaltgeschwindigkeit einer mit
der erfindungsgemäßen Ventileinheit 10 ausgestatteten
Einrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff. Im Umkehrschluß
dazu kann bei unveränderter Voreinspritzmenge die Schaltzeit
des Aktors verlängert und damit dessen Lebensdauer erhöht
werden.
In Fig. 2 ist ein zweites Auführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 10 dargestellt. Dieses
unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nach Fig.
1 im wesentlichen durch die inverse Ausbildung der
Ventilsitze 14, 16 und der Sitzflächen 29, 31 des
Steuerkopfes 24 am Sitzkörper 18. Während im
Ausführungsbeispiel 1 die Ventilsitze 14, 16 an den
Übergängen einer radialen Erweiterung der Ventilbohrung 12
ausgebildet sind, weist Ausführungsbeispiel 2 zwei an den
Übergängen einer Einschnürung der Ventilbohrung 12
ausgebildete Ventilsitze 14 und 16 auf. Des weiteren ist im
ersten Ausführungsbeispiel der Steuerkopf 24 des Sitzkörpers
18 gegenüber seinem Führungsabschnitt 20 verdickt, wogegen
er beim zweiten Ausführungsbeispiel eingeschnürt ist. Dies
bedeutet, daß die Sitzflächen 29 und 31 am Steuerkopf 24 in
Fig. 1 Außenfasen bilden, während sie in Fig. 2 als
Innenfasen realisiert sind. In beiden Ausführungsbeispielen
erfolgt die Anordnung und Ausbildung der zweiten
Steuerkammer 48 unverändert zwischen den beiden Ventilsitzen
14 und 16.
Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Erfindung sind in
Fig. 3 drei verschiedene Funktionsdiagramme 50, 52, 54
dargestellt, die den Hub der Düsennadel 42, den Hub des
Sitzkkörpers 18 und den Druckverlauf im ersten und zweiten
Steuerraum 40, 48 aufgetragen über die Zeit zeigen. Die
Funktionsdiagramme 50, 52, 54 sind zeitsynchron zueinander
aufgenommen.
Zum Zeitpunkt T1 herrscht in der Ventilbohrung 12 maximaler
Druck 56 und der Sitzkörper 18 befindet sich in der
Grundstellung 58 nach Fig. 1. Mit der Ansteuerung des
Aktors bewegt sich der Sitzkörper 18 in eine
Zwischenstellung 60 und öffnet dabei beide Ventilsitze 14
und 16. Dadurch baut sich der Druck in den Steuerkammern 40
und 48 ab, aufgrund des hohen Gesamtvolumens jedoch
verhältnismäßig langsam. Eine Voreinspritzung 64 erfolgt.
Zum Zeitpunkt T2, an dem die Hubbewegung des Sitzkörpers 18
ihren Maximalwert 62 erreicht hat und der Ventilsitz 16
verschlossen ist, steigt der Druck in der Steuerkammer 40
wieder auf maximalen Druck 56 an, während der Steuerraum 48
unverändert druckentlastet ist. Damit ist die Düsennadel 42
wieder hydraulisch beaufschlagt und die Voreinspritzung 64
abgeschlossen (Diagramm 50).
Zum Zeitpunkt T3 wird die Ansteuerung des Aktors
zurückgenommen und der Sitzkörper 18 bewegt sich in die
Zwischenstellung 60 zurück. Dabei wird der Steuerraum 40 mit
dem Rücklauf 32 verbunden, so daß der dort herrschende
maximale Druck 56 abfällt und die Düsennadel 42 zur
Haupteinspritzung 66 öffnet. Die Steigung dieses
Druckabfalls ist aufgrund des gegenüber dem Gesamtvolumen
kleineren Volumens der Steuerkammer 40 steiler als zum
Zeitpunkt T1 - der Druckabbau erfolgt schneller. Mit dem
Verschließen des Ventilsitzes 14 zum Zeitpunkt T4 befindet
sich die Ventileinrichtung 10 wieder in der Grundstellung 58
und der Druck in den beiden Steuerräumen 40 und 48 baut sich
wieder bis zum maximalen Druck 56 auf.
Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen am
beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne vom
Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Claims (5)
1. Ventileinrichtung (10), zur Steuerung des Druckaufbaus in
einem Aggregat zur Einspritzung von Kraftstoff in den
Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einer Ventilbohrung
(12), in der ein extern betätigbarer Stützkörper (18)
verschiebbar geführt ist, einem von der Wandung der
Ventilbohrung (12) ausgebildeten und vom Sitzkörper (18)
gesteuerten ersten Ventilsitz (14), wenigstens jeweils einem
vor und nach dem Ventilsitz (14) in die Ventilbohrung (12)
ein- oder ausmündenden Zulauf (34) und einem Ablauf (32) und
mit einer mit der Ventilbohrung (12) gekoppelten ersten
Steuerkammer (40), in die ein druckbeaufschlagtes
Schließglied (42) des von der Ventileinrichtung (10)
gesteuerten Aggregats hineinragt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ventileinrichtung (10) einen vom Sitzkörper (18) im
Wechsel mit dem ersten Ventilsitz (14) gesteuerten zweiten
Ventilsitz (16) aufweist und daß zwischen den beiden
Ventilsitzen (14, 16) eine zweite Steuerkammer (48)
vorgesehen ist, die im nicht betätigten Zustand des
Sitzkörpers (18) über eine Drosseleinrichtung (38) mit der
ersten Steuerkammer (40) verbunden ist.
2. Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Steuerkammer (48)
konzentrisch zur Ventilbohrung (12) ausgebildet ist und daß
das Volumen der zweiten Steuerkammer (48) kleiner als das
der ersten Steuerkammer (40) ist.
3. Ventileinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sitzkörper (18) von einem
piezoelektrischen oder einem elektromagnetischen Aktor
beaufschlagt ist.
4. Ventileinrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (10), der Aktor und
das Aggregat zur Einspritzung von Kraftstoff in einem
gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und über den Zulauf (34)
mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher verbunden sind, der
mehrere Aggregate zur Einspritzung von Kraftstoff versorgt.
5. Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sitzkörper (18) einen Kopf
(24) mit zwei einander gegenüberliegenden und
entgegengesetzt zueinander geneigten Sitzflächen (29, 31),
einem dazwischen liegenden zylindrischen Abschnitt (26),
einer Einschnürung (22) und einer Führung (20) aufweist und
daß der Kopf (24), die Einschnürung (22) und die Führung
(20) in Längsrichtung des Sitzkörpers (18)
hintereinanderliegend angeordnet sind.
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PCT/DE2000/002668 WO2001014729A1 (de) | 1999-08-20 | 2000-08-10 | Ventileinrichtung |
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