DE19939454A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, die ihre Anwendung insbesondere in Dieselbrennkraftmaschinen findet. Die Vorrichtung weist von einem Kraftstoffhochdruckspeicher (24) mit Kraftstoff gespeiste Kraftstoffeinspritzventile (10) auf. Jedes Kraftstoffeinspritzventil (10) hat ein nadelförmiges Einspritzventilglied (15), das mit einem vom Kraftstoffhochdruck über eine Zulaufdrossel (36) verbundenen Steuerraum (35) gekoppelt ist. Der Steuerraum (35) ist über ein von einem Piezo (57) betätigbaren Ventilglied (44) zu eine Abflußbehälter (39) hin entlastbar. Es wird vorgeschlagen, die Charakteristik der Öffnungsgeschwindigkeit des Einspritzventilglieds (15) ausschließlich über einen von dem Ventilglied (44) ausbildbaren, ringförmigen Drosselspalt (61) zu steuern.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern von
Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es
aus der DE 198 26 339 A1 bekannt ist. Die dazu verwendete
Vorrichtung weist ein von einem Piezo betätigtes Ventilglied
auf, das einen Steuerraum zu einem Abflußbehälter hin
verschließt oder öffnet. Charakteristisch für eine derartige
Vorrichtung sind stets eine dem Ventilglied vorgeschaltete
Zulaufdrossel sowie eine in der Verbindung zwischen dem
Ventilglied und einem Abflußbehälter angeordnete
Ablaufdrossel. Über die geometrische Ausbildung der Zulauf-
und Ablaufdrossel und deren Verhältnis zueinander lässt sich
beim Entlasten des Steuerraums die Öffnungsgeschwindigkeit
und die Geschwindigkeitscharakteristik der den Kraftstoff
dosierenden, über den Steuerraum mit dem Ventilglied
mittelbar verbundenen Ventilnadel beeinflussen. Das
Ventilglied dient somit im wesentlichen als Sperrglied zum
Abflußbehälter hin, wobei das Ventilglied lediglich zwei
Stellungen einnehmen muß, eine Öffnungs- und eine
Schließstellung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern von Flüssigkeiten
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat
demgegenüber den Vorteil, daß beim Entlasten des Steuerraums
zum Einleiten eines Einspritzvorgangs in den Brennraum einer
Brennkraftmaschine das Verhältnis von über die Zulaufdrossel
in den Steuerraum zufließenden Kraftstoff zum über das
Ventilglied in den Abflußbehälter abströmenden Kraftstoff
variabel beeinflußbar ist. Dadurch läßt sich die
Öffnungsgeschwindigkeit der Ventilnadel im Motorenkennfeld
drehzahl- bzw. lastabhängig verändern, so daß stets optimale
oder zumindest günstige Einspritzverlaufsformen möglich
sind. Dies ist sowohl für die sogenannte Voreinspritzung als
auch getrennt davon für die sogenannte Haupteinspritzung
möglich.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeichnet sich neben der reduzierten Teileanzahl
durch den Wegfall der Ablaufdrossel insbesondere durch
Verwendung eines einfacheren Piezos aus. Dies ergibt sich
daraus, daß es bei den bisherigen Systemen mit Zulauf- und
Ablaufdrossel auf einen bestimmten Mindesthub des Piezos
ankommt, damit bei geöffnetem Ventilglied der Durchfluß des
Kraftstoffs über das Ventilglied nur durch das Verhältnis
von Zulauf- zur Ablaufdrossel beeinflußt wird. Der nunmehr
verwendete Piezo kann jedoch aufgrund des geringeren
erforderlichen Hubs kürzer bauen. Der kürzere erforderliche
Hub des Piezos hat darüber hinaus zur Folge, daß sich die
erforderliche Leistungsaufnahme des Piezos verringert,
wodurch zusätzlich nur ein relativ kostengünstiges und
kleines Steuergerät für den Piezo erforderlich wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens und deren Vorrichtung zum Steuern von
Flüssigkeiten sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoff
einspritzvorrichtung,
Fig. 2 einen Teil eines Einspritzventils im Längs
schnitt und
Fig. 3 ein Detail des Einspritzventils nach Fig. 2
entsprechend Ausschnitt A der Fig. 2.
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 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 das Kraftstoffeinspritzventil 10 näher
dargestellt. Das Steuerventil 40 ist dabei wenigstens
teilweise in das Einspritzventilgehäuse 12 integriert. Das
Steuerventil 40 weist einen Ventilstößel 42 auf, der in
einer zur Bohrung 3 fluchtenden Bohrung 43 gleitend geführt
ist. Von der Bohrung 43 zweigt auch der Abflußkanal 38 ab.
Das dem Steuerraum 35 zugewandte Ende des Ventilstößels 42
weist ein Ventilglied 44 mit einer kegelförmigen Dichtfläche
45 auf. Das Ventilglied 44 ist in einem Federraum 46
angeordnet, der über einen Verbindungskanal 47 mit dem
Steuerraum 35 verbunden ist. Zwischen dem Federraum 46 und
der Bohrung 43 ist eine Sitzkante 48 (es ist auch eine
kegelförmige Sitzfläche denkbar) ausgebildet (Fig. 3), die
mit der Dichtfläche 45 einen Dichtsitz bildet. Zwischen der
dem Steuerraum 35 zugewandten Stirnseite des Ventilglieds 44
und dem dem Verbindungskanal 47 zugewandten Boden 49 des
Federraums 46 ist eine Druckfeder 50 angeordnet, die das
Ventilglied 44 in Richtung der Sitzkante 48 beaufschlagt.
Die dem Ventilglied 44 gegenüberliegende Stirnfläche 52 des
Ventilstößels 42 mündet in einen als hydraulischen
Übersetzer 53 wirkenden Druckmittelraum 54. In diesem
Bereich ist der Ventilstößel 42 dichtend in der Bohrung 43
geführt, während zwischen der Sitzkante 48 und dem
Abflußkanal 38 zum Beispiel ein Spalt oder ein Ringraum 51
zwischen dem Ventilstößel 42 und der Bohrung 43 ausgebildet
ist, um das Abfließen von Kraftstoff zu ermöglichen. Der
Druckmittelraum 54 weist einen Durchmesser auf, der größer
ist als der Durchmesser der Bohrung 43. In die der Bohrung
43 gegenüberliegende offene Stirnseite des Druckmittelraums
54 taucht ein Stößel 56 ein, der mit einem Piezo 57
gekoppelt ist. Somit wird das Steuerventil 40 hauptsächlich
gebildet aus dem Ventilglied 44, dem hydraulischen
Übersetzer 53 und dem Piezo 57.
Die Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 10 über das
Steuerventil 40 bzw. den Piezo 57 erfolgt über ein
Steuergerät 58, das in Abhängigkeit von Betriebsparametern
die Steuerventile 40 der einzelnen
Kraftstoffeinspritzventile 10 ansteuert, ferner mit einem
Drucksensor 59 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 60
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 60, 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 betätigtem Piezo 57 drückt die Druckfeder 50 das Ventilglied 44 mit seiner Dichtfläche 45 gegen die Sitzkante 48. Aufgrund der ständigen Verbindung des Steuerraums 35 mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 24 ist der im Steuerraum 35 herrschende Druck auf hohem Niveau. Weil die Fläche der Stirnseite 34 größer ist als die Fläche der Druckschulter 28, und der auf beiden Flächen wirkende Druck in dem Moment gleich groß ist, ergibt sich eine resultierende, durch die Druckfeder 33 unterstützte Kraft, die das Einspritzventilglied 15 in geschlossener Stellung in bezug auf die Kraftstoffeinspritzöffnungen 18 hält. Zur Auslösung einer Einspritzung wird der Piezo 57 vom Steuergerät 58 angesteuert, so daß der Stößel 56 stärker in den hydraulischen Übersetzer 53 bzw. den Druckmittelraum 54 eintaucht. Infolge dessen beginnt auch das Ventilglied 44 sich in Richtung des Steuerraums 35 zu bewegen. Beim Abheben der Dichtfläche 45 des Ventilglieds 44 von der Sitzkante 48 wird dabei ein Ringspalt 61 gebildet. Die Größe des Ringspalts 61 und somit die durch den Ringspalt 61 zum Abflußkanal 38 abströmende Kraftstoffmenge ist dabei proportional zum Hub des Ventilglieds 44. Durch den über den Federraum 46 abströmenden Kraftstoff kann der Steuerraum 35 zum Entlastungsraum 39 entlastet werden, 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, womit der Einspritzzeitpunkt und der Einspritzbeginn festgelegt sind.
Bei geschlossenem Steuerventil 40, d. h. nicht betätigtem Piezo 57 drückt die Druckfeder 50 das Ventilglied 44 mit seiner Dichtfläche 45 gegen die Sitzkante 48. Aufgrund der ständigen Verbindung des Steuerraums 35 mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 24 ist der im Steuerraum 35 herrschende Druck auf hohem Niveau. Weil die Fläche der Stirnseite 34 größer ist als die Fläche der Druckschulter 28, und der auf beiden Flächen wirkende Druck in dem Moment gleich groß ist, ergibt sich eine resultierende, durch die Druckfeder 33 unterstützte Kraft, die das Einspritzventilglied 15 in geschlossener Stellung in bezug auf die Kraftstoffeinspritzöffnungen 18 hält. Zur Auslösung einer Einspritzung wird der Piezo 57 vom Steuergerät 58 angesteuert, so daß der Stößel 56 stärker in den hydraulischen Übersetzer 53 bzw. den Druckmittelraum 54 eintaucht. Infolge dessen beginnt auch das Ventilglied 44 sich in Richtung des Steuerraums 35 zu bewegen. Beim Abheben der Dichtfläche 45 des Ventilglieds 44 von der Sitzkante 48 wird dabei ein Ringspalt 61 gebildet. Die Größe des Ringspalts 61 und somit die durch den Ringspalt 61 zum Abflußkanal 38 abströmende Kraftstoffmenge ist dabei proportional zum Hub des Ventilglieds 44. Durch den über den Federraum 46 abströmenden Kraftstoff kann der Steuerraum 35 zum Entlastungsraum 39 entlastet werden, 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, womit der Einspritzzeitpunkt und der Einspritzbeginn festgelegt sind.
Wesentlich dabei ist, daß über die
Hubgeschwindigkeitscharakteristik des Ventilglieds 44 bzw.
die Charakteristik des sich verändernden Ringspalts 61 die
Abströmcharakteristik des Kraftstoffs in den Entlastungsraum
39 und somit mittelbar die Charakteristik der Bewegung des
Einspritzventilglieds 15, insbesondere dessen
Öffnungsgeschwindigkeit, beeinflußt und geregelt wird.
Durch Wiederschließen des Steuerventils 40 bzw. des Piezos
57 stellt sich 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 (6)
1. Verfahren zum Steuern von Flüssigkeiten, bei dem in einem
Druckraum (19) unter Hochdruck stehender Kraftstoff mittels
eines von einem Ventilsitz (17) abhebbaren Ventilkörpers
(15) durch Spritzöffnungen (18) einer Brennkraftmaschine
zugeführt wird, wobei die Bewegung des Ventilkörpers (15)
über einen ebenfalls unter dem Hochdruck des Kraftstoffs
stehenden Steuerraum (35) gesteuert wird, der über ein
Ventilglied (44) mit einer dem Ventilglied (44)
vorgeschalteten Zulaufdrossel (36) zu einem Abflußbehälter
(39) verbindbar ist und wobei das Ventilglied (44) zumindest
mittelbar von einem Piezo (57) betätigt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Druckänderungen im Steuerraum (35)
und somit die Bewegungscharakteristik des Ventilkörpers (15)
über einen von dem Ventilglied (44) veränderbaren
Drosselspalt (61) gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bewegung vom Piezo (57) zum Ventilkörper (15) mittels
eines hydraulischen Übersetzers (53) übertragen wird.
3. Vorrichtung zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit einem mit einem
Hochdruckspeicher (24) verbundenen, in einem
Einspritzventilgehäuse (12) eines Einspritzventilglieds (15)
ausgebildeten Druckraum (19), in dem ein Ventilkörper (15)
beweglich geführt ist, dessen Einspritzöffnungen (18)
abgewandte Seite in einem vom Druckraum (19) abgetrennten
Steuerraum (35) mündet, der ebenfalls mit dem
Hochdruckspeicher (24) verbunden ist, mit einem mit dem
Steuerraum (35) in Wirkverbindung angeordneten Ventilglied
(44), mit einer dem Ventilglied (44) vorgeschalteten
Zulaufdrossel (36), wobei das Ventilglied (44) zumindest
mittelbar mit einem Piezo (57) gekoppelt ist und mit einem
mit dem Ventilglied (44) verbundenen, auf der dem
Ventilglied (44) abgewandten Seite des Steuerraums (35)
angeordneten Abflußbehälter (39), dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindung zwischen dem Ventilglied (44) und dem
Abflußbehälter (39) abflußdrosselfrei gestaltet ist und daß
das Verhältnis zwischen dem über die Zulaufdrossel (36)
zuströmenden Kraftstoff und dem über das Ventilglied (44) in
den Abflußbehälter (39) abströmenden Kraftstoff vom
Ventilglied (44) über einen zwischen dem Ventilglied (44)
und dem Einspritzventilgehäuse (12) ventilhubabhängigen
Drosselspalt (61) steuerbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Drosselspalt (61) von einem an dem Ventilglied (44)
ausgebildeten Kegelsitz (45) gebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Piezo (57) und dem
Ventilglied (44) ein hydraulischer Übersetzer (53)
angeordnet ist und daß das Ventilglied (44) mittels einer
das Ventilglied (44) in Schließstellung beaufschlagenden
Feder (50) kraftausgeglichen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Feder (50) in einem von dem Steuerraum (35) abgetrennten
und mit diesem über einen Zuflußkanal (47) verbundenen
Federraum (46) angeordnet ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1999139454 DE19939454A1 (de) | 1999-08-20 | 1999-08-20 | Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Flüssigkeiten |
PCT/DE2000/002676 WO2001014716A1 (de) | 1999-08-20 | 2000-08-10 | Verfahren und vorrichtung zum steuern von flüssigkeiten |
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DE1999139454 DE19939454A1 (de) | 1999-08-20 | 1999-08-20 | Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Flüssigkeiten |
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DE19939454A1 true DE19939454A1 (de) | 2001-03-01 |
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ID=7918980
Family Applications (1)
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DE1999139454 Ceased DE19939454A1 (de) | 1999-08-20 | 1999-08-20 | Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Flüssigkeiten |
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- 2000-08-10 WO PCT/DE2000/002676 patent/WO2001014716A1/de active Application Filing
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8131 | Rejection |