DE19956510A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Kraftstoffeinspritzventil für BrennkraftmaschinenInfo
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Abstract
Ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilkörper (1, 80), in dem in einer Bohrung (2, 90) ein kolbenförmiges, entgegen einer Schließkraft axial bewegliches Ventilglied (5, 100) angeordnet ist, das an seinem brennraumseitigen Ende durch eine Öffnungshubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung (13a, 13b, 92) steuert. Bei der Öffnungshubbewegung kommt das Ventilglied (5, 100) an einer als Hubanschlagfläche (42) ausgebildeten Stirnfläche eines das Ventilglied (5, 100) umgebenden Steuerkolbens (30) zur Anlage, welcher mit seiner gestuft ausgebildeten Stirnfläche (35) einen mit Kraftstoff befüllbaren Steuerraum (33) begrenzt. Bei einem bestimmten Kraftstoffdruck im Steuerraum (33) bewegt sich der Steuerkolben (30) auf den Federraum (20, 105) zu von einer ersten in eine zweite Hubposition und begrenzt dadurch die Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes (5, 100) auf einen Teilhub. Ein Teil des Steuerkolbens (30) ist als Piezo-Aktor (26) ausgebildet, der durch Bestromen seine axiale Ausdehnung ändert, wodurch sich der Teilhub des Ventilgliedes (5, 100) in der ersten Hubposition des Steuerkolbens (30) innerhalb des Hubs des Piezo-Aktors (26) stufenlos einstellen läßt (Figur 1).
Description
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für
Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1
aus. Ein derartiges aus DE 196 23 211 A1 bekanntes Kraft
stoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf, in dem in
einer Bohrung ein kolbenförmiges, entgegen der Kraft einer
Schließfeder axial bewegliches Ventilglied angeordnet ist.
Am brennraumseitigen Ende geht das Ventilglied in einen.
Schließkopf über, der in der Bohrung geführt ist. Der
Schließkopf taucht bei der nach außen gerichteten Öffnungs
hubbewegung des Ventilgliedes aus der Bohrung aus und eine
am Schließkopf ausgebildete Steuerkante gibt wenigstens eine
Einspritzöffnung frei. Es kann vorgesehen sein, daß mehrere
Einspritzöffnungen vorgesehen sind, die durch die Steuerkan
te nacheinander aufgesteuert werden. Dadurch ergibt sich die
Möglichkeit, durch eine Begrenzung des Öffnungshubs des Ven
tilgliedes auf einen Teilhub nur einen Teil der Ein
spritzöffnungen oder nur einen Teilquerschnitt einer Ein
spritzöffnung aufzusteuern und damit den gesamten wirksamen
Einspritzquerschnitt abhängig vom Öffnungshub des Ventil
gliedes zu steuern. Die Öffnungshubbewegung wird durch einen
im Ventilkörper angeordneten Steuerkolben auf einen Teilhub
beschränkt, dessen Stirnfläche einen hydraulischen Steuer
raum begrenzt. Der Steuerraum ist mit Kraftstoff unter hohem
Druck befüllbar und kann dadurch den Steuerkolben in axialer
Richtung von einer ersten in eine zweite Hubposition ver
schieben, wodurch das Ventilglied entweder den Maximalhub
oder nur einen Teilhub ausführt. Ein solcher hydraulisch
verstellbarer Hubanschlag hat eine schwarz-weiß-Funktion,
das heißt, er läßt keine Abstufungen zwischen den beiden
Öffnungshüben zu. Dies schränkt die Steuermöglichkeit des
Kraftstoffeinspritzvorgangs ein, so daß eine weitere Opti
mierung des Einspritzvorgangs erschwert wird.
Auch bei einem Kraftstoffeinspritzventil der nach innen öff
nenden Bauart, wie es aus DE 197 29 843 A1 bekannt ist, kann
es wünschenswert sein, zur genauen Dosierung einer Vorein
spritzmenge einen Teilhub zur Verfügung zu haben, der sich
nicht in einer schwarz-weiß-Funktion erschöpft, so daß ein
optimaler Einspritzverlauf erreicht werden kann.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil für Brenn
kraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent
anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß zwischen der
Schließfeder und dem geführten Abschnitt des Ventilgliedes
ein kombiniert hydraulisch und Piezo-gesteuerter Hubanschlag
ausgebildet ist, mit dem die Öffnungshubbewegung des Ventil
gliedes auf jeden Wert zwischen dem maximalen Öffnungshub
und dem Teilhub eingestellt werden kann. Durch die Kombina
tion des hydraulisch verstellbaren Kolbens mit einem Piezo-
Aktor ist es möglich, den hydraulischen Kolben nicht nur
zwischen dem Maximalhub und dem Teilhub schalten zu lassen,
sondern über bestromen des Piezo-Aktors zwischen dem Teilhub
und jedem beliebigen Wert zwischen Teilhub und maximalem
Öffnungshub des Ventilgliedes. Dadurch läßt sich in einem
weiten Kennfeldbereich des Motors ein optimal angepaßter
Öffnungshub des Ventilgliedes realisieren. Soll nur zwischen
Teilhub und maximalem Öffnungshub geschaltet werden, so muß
der Piezo-Aktor nicht bestromt werden, was energetisch vor
teilhaft ist.
Neben der Verwendung des kombinierten hydraulischen und Pie
zo-gesteuerten Hubanschlags in einer nach außen öffnenden
Vario-Düse ist es auch möglich, den Gegenstand der Erfindung
bei einem nach innen öffnenden Kraftstoffeinspritzventil in
derselben vorteilhaften Weise einzusetzen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Hubanschlags ist
der Steuerkolben als Hohlzylinder ausgebildet, an dessen
brennraumabgewandtem Ende der Piezo-Aktor angeordnet ist.
Dadurch ist eine einfache Montagemöglichkeit des Steuerkol
bens gegeben, da der Piezo-Aktor und der nicht Piezo-aktive
Teil des Steuerkolbens separat eingebaut werden können. Bei
einem derartig aufgebauten Steuerkolben kommt in einer wei
teren vorteilhaften Ausgestaltung das Ventilglied bei der
Öffnungshubbewegung nicht direkt am Piezo-Aktor zur Anlage,
sondern unter Zwischenlage einer Zwischenscheibe. Dadurch
ergibt sich ein geringerer Verschleiß am Piezo-Aktor und da
mit eine längere Lebensdauer des hydraulischen Hubanschlags.
Darüber hinaus bietet die Zwischenscheibe die Möglichkeit,
durch ein Austauschen dieser einfach und damit kostengünstig
herzustellenden Zwischenscheibe den maximalen Öffnungshub
über deren Dicke genau einzustellen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Steu
erdruck zum Steuern des hydraulischen Hubanschlags einer
Steuerleitung entnommen, die mit einem Hochdruckspeicherraum
über ein Steuerventil verbunden ist. Die Steuerleitung ist
darüber hinaus über ein weiteres Steuerventil mit dem weit
gehend drucklosen Kraftstoffvorratstank verbunden, so daß
über eine geeignete Ansteuerung der beiden Ventile eine Be-
und Entlastung der Steuerleitung möglich ist, ohne daß eine
weitere Kraftstoffhochdruckquelle benötigt wird.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegen
standes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung
und den Ansprüchen entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffein
spritzventils für Brennkraftmaschinen ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigt die
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoffeinspritzven
til,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 mit II
bezeichneten Ausschnitts im Bereich des Schließkopfs,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 mit III
bezeichneten Ausschnitts im Bereich des Hubanschlags,
Fig. 4 den schematischen Aufbau des Kraftstoffzufuhrsystems
für die Kraftstoffeinspritzung und zur Bereitstellung von
Kraftstoffsteuerdruck für den hydraulisch verstellbaren Hu
banschlag und
Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil der
nach innen öffnenden Bauart im Längsschnitt.
Die Fig. 1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil für Brenn
kraftmaschinen der nach außen öffnenden Bauart. In einem
Ventilkörper 1, der mehrteilig aufgebaut sein kann, ist eine
Bohrung 2 ausgebildet, in der ein kolbenförmiges, entgegen
der Kraft einer Schließfeder 21 axial bewegliches Ventil
glied 5 angeordnet ist. Das Ventilglied 5 ist in einem in
Fig. 1 oben gezeigten, brennraumabgewandten Abschnitt der
Bohrung 2 geführt, während der brennraumzugewandte Abschnitt
des Ventilgliedes 5, in Fig. 1 unten, von einem Druckraum
11 umgeben ist, der über einen im Ventilkörper 1 ausgebilde
ten Zulaufkanal 3 mit einer Kraftstoffhochdruckquelle ver
bindbar ist. Das Ventilglied 5 geht brennraumseitig in einen
im Durchmesser vergrößerten Schließkopf 10 über, der in ei
nem im Durchmesser größeren Abschnitt der Bohrung 2 geführt
ist.
In Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung des Schließkopfs
10 und des umgebenden Ventilkörpers 1 gezeigt. An der Außen
wand des Schließkopfs 10 sind zwei Reihen von Einspritzöff
nungen 13a und 13b angeordnet, wobei eine Reihe sämtliche
Spritzlöcher umfaßt, die auf derselben Höhe des Schließkopfs
angeordnet sind. Die Einspritzöffnungen 13a und 13b sind
über Einspritzkanäle 12, die im Schließkopf 10 ausgebildet
sind, mit dem Druckraum 11 verbunden. Im geschlossenen Zu
stand des Kraftstoffeinspritzventils kommt eine am Schließ
kopf 10 ausgebildete Ventildichtfläche 15 an der als Ventil
sitzfläche 17 ausgebildeten Stirnseite des Ventilkörpers 1
zur Anlage und die Einspritzöffnungen 13a, 13b werden vom
Ventilkörper 1 überdeckt. Durch den im Vergleich zum Ventil
glied 5 größeren Durchmesser des Schließkopfs 10 ist am
brennraumabgewandten Ende des Schließkopfs ZO eine Druck
schulter 18 ausgebildet, die dem Kraftstoffdruck im Druck
raum 11 ausgesetzt ist. Alternativ zu der in Fig. 2 gezeig
ten Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, daß mehr als
zwei Reihen von axial zueinander versetzt angeordneten Ein
spritzöffnungen 13a, 13b an der Außenmantelfläche des
Schließkopfs 10 angeordnet sind. In einer weiteren Ausge
staltung kann es auch vorgesehen sein, daß an der Außenman
telfläche des Schließkopfs 10 nur eine Reihe von Ein
spritzöffnungen 13a, 13b vorgesehen ist, deren Querschnitt
bei der Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 5 ganz oder
nur teilweise aufgesteuert wird.
Das Ventilglied 5 geht an seinem brennraumabgewandten Ende
in einen Federstößel 24 über, der bis in einen im brennraum
abgewandten Bereich des Ventilkörpers 1 ausgebildeten Feder
raum 20 ragt. Am brennraumabgewandten Ende des Federstößels
24 ist ein Federteller 23 ausgebildet, an dem sich die
Schließfeder 21 mit ihrem brennraumabgewandten Ende ab
stützt. Der Federraum 20 ist über einen im Ventilkörper 1
ausgebildeten und in der Zeichnung nicht dargestellten Ab
laufkanal mit einer Ablaufleitung verbunden, um das in den
Federraum 20 eindringende Lecköl abzuführen.
Die Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des verstell
baren Hubanschlags von Fig. 1. Zwischen dem geführten Ab
schnitt des Ventilgliedes 5 und dem Federraum 20 ist eine im
Durchmesser größere Führungsbohrung 6 ausgebildet. In der
Führungsbohrung 6 ist ein mit dem Ventilkörper 1 verbundener
Steueranschlag 31 angeordnet und ein axial in der Führungs
bohrung 6 beweglicher Steuerkolben 30. Der Steueranschlag 31
ist an dem dem Federraum 20 fernen Ende der Führungsbohrung
6 angeordnet und als Hohlzylinder ausgebildet, dessen Innen
durchmesser gestuft ausgebildet ist, wobei der Abschnitt mit
dem größeren Innendurchmesser dem Federraum 20 zugewandt
ist. Der Steuerkolben 30 ist ebenfalls als Hohlzylinder aus
gebildet, wobei dieser im Außendurchmesser gestuft ausgebil
det ist und der im Außendurchmesser kleinere Abschnitt dem
Federraum 20 abgewandt ist. Der im Außendurchmesser kleinere
Abschnitt des Steuerkolbens 30 taucht dabei in den im Innen
durchmesser größeren Abschnitt des Steueranschlags 31 ein,
wobei zwischen Steuerkolben 30 und Steueranschlag 31 ein
Drosselspalt 45 ausgebildet ist. Die am Steuerkolben 30
brennraumseitig durch den gestuften Außendurchmesser ausge
bildete äußere Ringstirnfläche 35 einerseits und der Steuer
anschlag 31 andererseits begrenzen einen Steuerraum 33, zu
dem ein im Ventilkörper 1 ausgebildeter Steuerkanal 34
führt. Über den Drosselspalt 45 kann dabei nur wenig Kraft
stoff vom Steuerraum 33 am Ventilglied 5 vorbei in den Fe
derraum 20 abfließen. Der Steuerkolben 30 ist zweiteilig
aufgebaut, wobei der dem Federraum 20 zugewandte, hohlzylin
derförmige Abschnitt als Piezo-Aktor 26 ausgebildet ist und
der andere Teil einen gestuft ausgebildeten Hydraulikkolben
27 bildet. Zur Bestromung des Piezo-Aktors 26 sind an diesem
geeignete elektrische Kontakte angeordnet, die über eine in
der Zeichnung nicht dargestellte elektrische Leitung mit ei
ner geeigneten Spannungsquelle verbunden sind. Dabei kann
die elektrische Leitung beispielsweise in einem separaten,
im Ventilkörper 1 ausgebildeten Kanal geführt sein, oder
durch den Federraum 20 und den in der Zeichnung nicht darge
stellten Ablaufkanal des Federraums 20 nach außen geführt
sein.
Dem Federraum 20 zugewandt ist am Piezo-Aktor 26 eine Stütz
scheibe 25 angeordnet, deren dem Federraum 20 zugewandte
Stirnseite als Hubanschlagfläche 42 ausgebildet ist, die bei
der auf den Federraum 20 zu gerichteten Hubbewegung des
Steuerkolbens 30 an einer durch die Querschnittsverringerung
von der Führungsbohrung 6 zum Federraum 20 gebildeten Steu
erkolbenanschlag 43 zur Anlage kommt. Im Federraum 20 ist
ein Federabstützring 22 angeordnet, an dem sich die Schließ
feder 21 mit ihrem brennraumseitigen Ende abstützt. Der Fe
derabstützring 22 ist dabei im Federraum 20 geführt und wird
durch die Kraft der Schließfeder 21 gegen die Stützscheibe
25 gepreßt. Am Übergang des Ventilgliedes 5 zum Federstößel
24 ist am Ventilglied 5 ein umlaufender Ringbund 40 ausge
bildet, dessen dem Brennraum zugewandte Ringstirnfläche als
Anschlagfläche 41 ausgebildet ist. Bei der zum Brennraum ge
richteten Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 5 kommt die
se Anschlagfläche 41 an der an der Zwischenscheibe 25 ausge
bildeten Hubanschlagfläche 42 zur Anlage, wodurch der Öff
nungshub begrenzt wird.
In Fig. 4 ist der Aufbau der Kraftstoff-Hochdruckversorgung
schematisch dargestellt. Aus einem Kraftstoffvorratstank 50
wird Kraftstoff über eine Niederdruckleitung 51 einer Kraft
stoffhochdruckpumpe 52 zugeführt. Die Kraftstoffhochdruck
pumpe 52 fördert Kraftstoff unter hohem Druck durch eine
Hochdruckleitung 53 in einen Hochdruckspeicherraum 55. Für
jedes Kraftstoffeinspritzventil 101 der Brennkraftmaschine
geht eine Kraftstoffzulaufleitung 60 vom Hochdruckspeicher
raum 55 ab, die am Kraftstoffeinspritzventil 101 mit dem Zu
laufkanal 3 verbunden ist. Hierbei ist zwischen Zulaufkanal
3 und Kraftstoffzulaufleitung 60 ein Zumeßventil 67 angeord
net, mit dem die Verbindung vom Hochdruckspeicherraum 55 zum
Zulaufkanal 3 geöffnet oder verschlossen werden kann. Der
Hochdruckspeicherraum 55 ist über ein Steuerventil 57 mit
einer Steuerleitung 58 verbindbar. Da im Hochdruckspeicher
raum 55 stets ein bestimmter Kraftstoffhochdruck gehalten
wird, kann durch Öffnen des Steuerventils 57 Kraftstoff un
ter hohem Druck in die Steuerleitung 58 geleitet werden, wo
durch sich der Druck in der Steuerleitung 58 dem im Hoch
druckspeicherraum 55 angleicht. Jedes Kraftstoffeinspritz
ventil 101 ist über eine Steuerzulaufleitung 59, die mit dem
Steuerkanal 34 im Ventilkörper 1 verbunden ist, mit der
Steuerleitung 58 verbunden. Die Steuerleitung 58 ist über
eine Ablaufleitung 63, in der ein Steuerventil 61 angeordnet
ist, mit dem als Entlastungsraum dienenden Kraftstoffvorrat
stank 50 verbindbar. Durch Öffnen des Steuerventils 61 läßt
sich der Druck in der Steuerleitung 58 jederzeit auf das
Druckniveau des Kraftstoffvorratstanks 50 entlasten, das nä
herungsweise dem Atmosphärendruck entspricht. Das gesamte
Kraftstoffeinspritzsystem wird von einem Steuergerät 65 ge
steuert, das einen Rechner enthält, der durch die Meßwerte
verschiedener, in der Zeichnung nicht dargestellter Sensoren
die Kraftstoffhochdruckpumpe 52, die Steuerventile 61 und
57, die Zumeßventile 67 und die Bestromung des Piezo-Aktors
26 steuert.
Die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Kraftstoff
einspritzventils ist wie folgt:
Zu Beginn des Einspritzvorgangs öffnet das Zumeßventil 67 die Verbindung von der Kraftstoffzulaufleitung 60 zum Zu laufkanal 3. Dadurch strömt Kraftstoff aus dem Hochdruck speicherraum 55 durch die Kraftstoffzulaufleitung 60 und den Zulaufkanal 3 in den Druckraum 11. Der Kraftstoffdruck im Druckraum 11 steigt an, bis die resultierende Kraft in axia ler Richtung auf die Druckschulter 18 größer ist als die Kraft der Schließfeder 21. Das Ventilglied 5 bewegt sich nach außen auf den Brennraum zu, wodurch die beiden Ein spritzöffnungen 13a und 13b nacheinander aus der Bohrung 2 austauchen, wodurch der Druckraum 11 mit dem Brennraum ver bunden wird und Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Durch die nach außen gerichtete Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 5 bewegt sich auch der Ringbund 40 in Richtung Brennraum und damit die Anschlagfläche 41 auf die Hubanschlagfläche 42 zu. Ob das Ventilglied 5 den maximalen Hub h durchfährt oder nur einen Teilhub, hängt vom Zustand des Steuerkolbens 30 ab.
Zu Beginn des Einspritzvorgangs öffnet das Zumeßventil 67 die Verbindung von der Kraftstoffzulaufleitung 60 zum Zu laufkanal 3. Dadurch strömt Kraftstoff aus dem Hochdruck speicherraum 55 durch die Kraftstoffzulaufleitung 60 und den Zulaufkanal 3 in den Druckraum 11. Der Kraftstoffdruck im Druckraum 11 steigt an, bis die resultierende Kraft in axia ler Richtung auf die Druckschulter 18 größer ist als die Kraft der Schließfeder 21. Das Ventilglied 5 bewegt sich nach außen auf den Brennraum zu, wodurch die beiden Ein spritzöffnungen 13a und 13b nacheinander aus der Bohrung 2 austauchen, wodurch der Druckraum 11 mit dem Brennraum ver bunden wird und Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Durch die nach außen gerichtete Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 5 bewegt sich auch der Ringbund 40 in Richtung Brennraum und damit die Anschlagfläche 41 auf die Hubanschlagfläche 42 zu. Ob das Ventilglied 5 den maximalen Hub h durchfährt oder nur einen Teilhub, hängt vom Zustand des Steuerkolbens 30 ab.
Die Funktionsweise des verstellbaren Hubanschlags ist wie
folgt:
Im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils, das heißt, wenn die Ventildichtfläche 15 an der Ventilsitzfläche 17 anliegt und wenn der Steuerraum 33 des hydraulischen Hu banschlags drucklos und der Piezo-Aktor 26 nicht bestromt ist, hat die Hubanschlagfläche 42 von der Anschlagfläche 41 des Ringbunds 40 einen axialen Abstand, der dem maximalen Öffnungshub h des Ventilgliedes 5 entspricht. Dieser Zustand ist in der Fig. 3 in der linken Hälfte dargestellt. Ist der Steuerraum 33 ohne Kraftstoffdruck, so liegt die innere Ringstirnfläche 36 des Steuerkolbens 30 an der Sitzfläche 37 des Steueranschlags 31 an. Wird nun bei geöffnetem Steuer ventil 57 und geschlossenem Steuerventil 61 Kraftstoff über den Steuerkanal 34 in den Steuerraum 33 eingeführt, so er höht sich der Kraftstoffdruck im Steuerraum 33, bis die re sultierende Kraft auf die äußere Ringstirnfläche 35 größer als die Kraft der Schließfeder 21 ist. Der Steuerkolben 30 bewegt sich auf den Federraum 20 zu, bis er nach Durchfahren des Steuerhubs s mit der Hubanschlagfläche 42 an dem Steuer kolbenanschlag 43 zur Anlage kommt. Dieser Zustand ist in der Fig. 3 in der rechten Hälfte dargestellt. Der Steuerhub s ist dabei kleiner als der maximale Öffnungshub h. Bei der Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 5 kommt die Anschlag fläche 41 nach durchfahren des Hubes h-s an der Hubanschlag fläche 42 zur Anlage. Der Steuerhub s beträgt etwa 30 bis 70% des maximalen Öffnungshubes h, so daß durch Druckbeauf schlagung des Steuerraums 33 und die dadurch bewirkte Hubbe wegung des Steuerkolbens 30 die Öffnungshubbewegung des Ven tilgliedes 5 auf 70 bis 30% des maximalen Öffnungshubes h beschränkt wird. Soll das Ventilglied 5 wieder den maximalen Öffnungshub h durchfahren, wird der Druck im Steuerraum 33 reduziert, indem die Steuerleitung 58 bei geschlossenem Steuerventil 57 über das Steuerventil 61 und die Ablauflei tung 63 in den Kraftstoffvorratstank 50 entlastet wird. Übersteigt die Kraft der Schließfeder 21 die Kraft des Kraftstoffdrucks auf die innere Ringstirnfläche 36 des Steu erraums 33, so wird der Steuerkolben 30 von der Schließfeder 21 zum Brennraum hin gepreßt, bis die innere Ringstirnfläche 36 an der Sitzfläche 37 anliegt. Soll die Hubanschlagfläche 42 nur einen Teil des Steuerhubs s durchfahren, wird der Piezo-Aktor 26 bestromt. Durch die Längenänderung des Piezo- Aktors 26 aufgrund der angelegten Spannung kann die Huban schlagfläche 42 stufenlos auf jeden beliebigen Teil des Steuerhubs s angehoben werden. Die maximal mögliche Längen änderung des Piezo-Aktors 26 entspricht dabei beispielsweise in etwa dem Steuerhub s.
Im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils, das heißt, wenn die Ventildichtfläche 15 an der Ventilsitzfläche 17 anliegt und wenn der Steuerraum 33 des hydraulischen Hu banschlags drucklos und der Piezo-Aktor 26 nicht bestromt ist, hat die Hubanschlagfläche 42 von der Anschlagfläche 41 des Ringbunds 40 einen axialen Abstand, der dem maximalen Öffnungshub h des Ventilgliedes 5 entspricht. Dieser Zustand ist in der Fig. 3 in der linken Hälfte dargestellt. Ist der Steuerraum 33 ohne Kraftstoffdruck, so liegt die innere Ringstirnfläche 36 des Steuerkolbens 30 an der Sitzfläche 37 des Steueranschlags 31 an. Wird nun bei geöffnetem Steuer ventil 57 und geschlossenem Steuerventil 61 Kraftstoff über den Steuerkanal 34 in den Steuerraum 33 eingeführt, so er höht sich der Kraftstoffdruck im Steuerraum 33, bis die re sultierende Kraft auf die äußere Ringstirnfläche 35 größer als die Kraft der Schließfeder 21 ist. Der Steuerkolben 30 bewegt sich auf den Federraum 20 zu, bis er nach Durchfahren des Steuerhubs s mit der Hubanschlagfläche 42 an dem Steuer kolbenanschlag 43 zur Anlage kommt. Dieser Zustand ist in der Fig. 3 in der rechten Hälfte dargestellt. Der Steuerhub s ist dabei kleiner als der maximale Öffnungshub h. Bei der Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 5 kommt die Anschlag fläche 41 nach durchfahren des Hubes h-s an der Hubanschlag fläche 42 zur Anlage. Der Steuerhub s beträgt etwa 30 bis 70% des maximalen Öffnungshubes h, so daß durch Druckbeauf schlagung des Steuerraums 33 und die dadurch bewirkte Hubbe wegung des Steuerkolbens 30 die Öffnungshubbewegung des Ven tilgliedes 5 auf 70 bis 30% des maximalen Öffnungshubes h beschränkt wird. Soll das Ventilglied 5 wieder den maximalen Öffnungshub h durchfahren, wird der Druck im Steuerraum 33 reduziert, indem die Steuerleitung 58 bei geschlossenem Steuerventil 57 über das Steuerventil 61 und die Ablauflei tung 63 in den Kraftstoffvorratstank 50 entlastet wird. Übersteigt die Kraft der Schließfeder 21 die Kraft des Kraftstoffdrucks auf die innere Ringstirnfläche 36 des Steu erraums 33, so wird der Steuerkolben 30 von der Schließfeder 21 zum Brennraum hin gepreßt, bis die innere Ringstirnfläche 36 an der Sitzfläche 37 anliegt. Soll die Hubanschlagfläche 42 nur einen Teil des Steuerhubs s durchfahren, wird der Piezo-Aktor 26 bestromt. Durch die Längenänderung des Piezo- Aktors 26 aufgrund der angelegten Spannung kann die Huban schlagfläche 42 stufenlos auf jeden beliebigen Teil des Steuerhubs s angehoben werden. Die maximal mögliche Längen änderung des Piezo-Aktors 26 entspricht dabei beispielsweise in etwa dem Steuerhub s.
In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritz
ventil der nach innen öffnenden Bauart im Längsschnitt dar
gestellt. In einem Ventilkörper 80 ist eine als Sackbohrung
ausgeführte Bohrung 90 angeordnet, deren Bodenfläche dem
Brennraum zugewandt ist. An der Bodenfläche ist ein koni
scher Ventilsitz 83 ausgebildet und wenigstens eine Ein
spritzöffnung 92, die die Bohrung 90 mit dem Brennraum ver
bindet. Der Ventilkörper 80 ist mittels einer Spannmutter 98
unter Zwischenlage einer Zwischenscheibe 94 gegen einen Ven
tilhaltekörper 96 verspannt, der mehrteilig aufgebaut sein
kann.
In der Bohrung 90 ist ein kolbenförmiges, entgegen der Kraft
einer Schließfeder 21 längsverschiebbares Ventilglied 100
angeordnet, das in einem brennraumabgewandten Abschnitt der
Bohrung 90 dichtend geführt ist und zum Brennraum hin unter
Bildung einer Druckschulter 88 in einen im Durchmesser klei
neren Abschnitt übergeht. Am brennraumseitigen Ende ist am
Ventilglied 100 eine Ventildichtfläche 81 ausgebildet, die
mit dem Ventilsitz 83 zusammenwirkt und so die Einspritzöff
nungen 92 durch die Längsbewegung des Ventilgliedes 100 öff
net und schließt. Die Druckschulter 88 ist in einem im Ven
tilkörper 80 ausgebildeten Druckraum 11 angeordnet, der sich
dem Ventilsitz 83 zu in einen das Ventilglied 100 umgebenden
Ringspalt fortsetzt und über einen im Ventilkörper 80 ausge
bildeten Zulaufkanal 3 mit Kraftstoff befüllbar ist. Durch
die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 88 kann das
Ventilglied 100 entgegen der Kraft der Schließfeder 21 in
der Bohrung 90 bewegt werden, so daß die Einspritzöffnungen
92 aufgesteuert werden.
Am brennraumabgewandten Ende geht das Ventilglied 90 in ei
nen Federteller 103 und daran anschließend in einen Feder
stößel 107 über, die beide in einem im Ventilhaltekörper 96
ausgebildeten Federraum 105 angeordnet sind. Der Federraum
105 ist im Durchmesser gestuft ausgebildet und vergrößert
sich zum brennraumabgewandten Ende unter Bildung einer als
Ringabsatzes ausgebildeten Steuerkolben-Anschlagfläche 43.
Am brennraumabgewandten Ende des Federraums 105 ist ein kom
binierter, hydraulisch- und Piezo-gesteuerter Hubanschlag
angeordnet, wie er bereits weiter oben bei der Beschreibung
des nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventils der
Fig. 1 und Fig. 3 beschrieben ist, so daß an dieser Stelle
nur auf einige Details eingegangen wird. Der Steuerkolben 30
ist brennraumzugewandt zum Steueranschlag 31 angeordnet, und
zwischen seiner dem Brennraum zugewandten Stirnseite und dem
Federteller 103 ist die den Federstößel 107 umgebende
Schließfeder 21 angeordnet, die das Ventilglied 100 mit der
Ventildichtfläche 81 gegen den Ventilsitz 83 preßt. Das Ven
tilglied 100 weist an seinem brennraumabgewandten Ende eine
Anschlagfläche 109 auf, die durch die Öffnungshubbewegung
des Ventilgliedes 100 vom Brennraum weg am Steuerkolben 30
zur Anlage kommt. Bei Aktivierung des hydraulischen An
schlags oder des Piezo-Aktors bewegt sich der Steuerkolben
30 entgegen der Kraft der Schließfeder 21, wobei die Steuer
kolben-Anschlagfläche 43 den maximalen Weg des Steuerkolbens
30 begrenzt. Dadurch verschiebt sich auch die am Steuerkol
ben 30 ausgebildete Hubanschlagfläche 42 und verringert so
den maximal möglichen Öffnungshub des Ventilgliedes 100.
Alternativ zu dem in Fig. 3 oder Fig. 5 dargestellten hy
draulischen Hubanschlag kann es auch vorgesehen sein, daß
der gesamte Steuerkolben 30 als Piezo-Aktor ausgebildet ist.
Dadurch entfällt die Verbindung des vorzugsweise aus Metall
hergestellten Hydraulikkolbens 27 und des Piezo-Aktors 26.
Weiter kann es auch vorgesehen sein, daß die Stützscheibe 25
entfällt und die Hubanschlagfläche 42 am Piezo-Aktor 26 aus
gebildet ist.
In Fig. 1, 3 und 5 ist zu beachten, daß der Piezo-Aktor 26
der Übersichtlichkeit halber nur schematisch dargestellt
wurde. Die Größe, insbesondere die axiale Ausdehnung des
Piezo-Aktors 26, muß entsprechend des jeweiligen Anwendungs
falls gewählt werden unter Berücksichtigung der geringen re
lativen Längenänderung des Piezo-Aktors.
Claims (15)
1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit ei
nem Ventilkörper (1, 80), in dem in einer Bohrung (2, 90)
ein entgegen einer Schließkraft axial bewegliches, kol
benförmiges Ventilglied (5, 100) angeordnet ist, das auf
einem dem Brennraum abgewandten Abschnitt seiner Länge in
der Bohrung (2) geführt ist und auf einem, vom geführten
Abschnitt dem Brennraum zu angeordneten Abschnitt von ei
nem im Ventilkörper (1, 80) ausgebildeten Druckraum (11)
umgeben ist, der mit einer Kraftstoffhochdruckquelle (55)
verbindbar ist und in dem eine in Öffnungsrichtung wir
kende Druckschulter (18) des Ventilgliedes (5, 100) ange
ordnet ist, welches Ventilglied (5, 100) mit seinem dem
Brennraum zugewandten Endbereich wenigstens eine Ein
spritzöffnung (13a, 13b, 92) steuert, die durch eine Öff
nungshubbewegung des Ventilgliedes (5, 100) entgegen der
Schießkraft ganz oder teilweise aufsteuerbar und damit
mit dem Druckraum (11) verbindbar ist, und mit einem den
maximalen Öffnungshub des Ventilgliedes (5, 100) begren
zenden, axial beweglichen Steuerkolben (30), dessen eine
Stirnfläche als Hubanschlagfläche (42) zur Begrenzung der
Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes (5, 100) dient und
dessen andere Ringstirnfläche (35) einen mit einer Kraft
stoffhochdruckquelle verbindbaren Steuerraum (33) be
grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (30)
zumindest zu einem Teil als Piezo-Aktor (26) ausgebildet
ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß am Ventilglied (5, 100) eine Anschlag
fläche (41, 109) ausgebildet ist, die bei der Öffnungshub
bewegung an der Hubanschlagfläche (42) zur Anlage kommt.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Steuerkolben (30) als Hohlzylinder
ausgebildet ist, der koaxial zum Ventilglied (5, 100) an
geordnet ist und in einer Führungsbohrung (6) geführt
ist.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Steuerkolben (30) als Stufenkolben
ausgebildet ist, dessen der Anschlagfläche (41, 109) zuge
wandte Stirnfläche als Hubanschlagfläche (42) ausgebildet
ist und dessen durch den Querschnittübergang ausgebilde
te, der Hubanschlagfläche (42) abgewandte Ringstirnfläche
(35) den Steuerraum (33) begrenzt.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Piezo-Aktor (26) hohlzylinderförmig
ausgebildet ist und koaxial zum Ventilglied (5, 100) ange
ordnet ist.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Steuerkolben (30) zum Teil als Pie
zo-Aktor (26) ausgebildet ist und der Piezo-Aktor (26)
der Anschlagfläche (41, 109) des Ventilgliedes (5, 100) zu
gewandt angeordnet ist.
7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß an der der Anschlagfläche (41, 109) des
Ventilgliedes (5, 100) zugewandten Stirnseite des Steuer
kolbens (30) eine Stützscheibe (25) angeordnet ist, an
der die Hubanschlagfläche (42) ausgebildet ist.
8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schließkraft durch wenigstens eine
in einem Federraum (20, 105) angeordnete Schließfeder (21)
aufgebracht wird.
9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß am Übergang der Führungsbohrung (6) zum
Federraum (20, 105) eine als Ringstirnfläche ausgebildete
Steuerkolben-Anschlagfläche (43) angeordnet ist, die die
axiale Bewegung des Steuerkolbens (30) in Richtung auf
die am Ventilglied (5, 100) ausgebildete Anschlagfläche
(41, 109) begrenzt.
10. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (5)
zur Aufsteuerung der Einspritzöffnungen (13a, 13b) eine
nach außen, auf den Brennraum zu gerichtete Öffnungshub
bewegung ausführt.
11. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß am Ventilglied (5) ein Ringbund (40)
ausgebildet ist, dessen brennraumzugewandte Ringstirnflä
che als Anschlagfläche (41) ausgebildet ist, die mit der
Hubanschlagfläche (42) des Steuerkolbens (30) zusammen
wirkt.
12. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schließfeder (21) zumindest mittel
bar an der brennraumabgewandten Stirnfläche des Steuer
kolbens (30) anliegt, so daß die Schließfeder (21) dem
Hub des Steuerkolbens (30) entgegenwirkt.
13. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorstehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (33)
über ein Steuerventil (57) mit der Kraftstoffhochdruck
quelle (55) verbindbar ist.
14. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Steuerraum (33) über ein Steuerven
til (61) mit einem Entlastungsraum (50) verbindbar ist.
15. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kraftstoffhochdruckquelle als Hoch
druckspeicherraum (55) ausgebildet ist.
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