DE602005000278T2

DE602005000278T2 - Common-Rail Injektor

Info

Publication number: DE602005000278T2
Application number: DE602005000278T
Authority: DE
Inventors: Shuichi Kariya-city Aichi-pref. Matsumoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: US20060016906A1; DE602005000278D1; EP1614893A1; JP4325589B2; JP2006046323A; US7458525B2; EP1614893B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Common-Rail-Injektor für eine Dieselkraftmaschine und insbesondere auf einen Injektor, in dem ein Steuerkammerdruck zum Auf- und Abbewegen einer Düsennadel mittels eines Dreiwegeventils gesteuert wird.
In einer Dieselkraftmaschine ist ein Kraftstoffeinspritzsystem der Common-Rail-Bauweise bekannt, bei dem eine Common-Rail gemeinsam für alle Zylinder zum Speichern von Hochdruckkraftstoff vorgesehen ist. Der Hochdruckkraftstoff wird von einer Kraftstoffzuführpumpe zu der Common-Rail druckgefördert und wird auf einen vorbestimmten Druck gesteuert. Injektoren der jeweiligen Zylinder werden dann bei einer vorbestimmten Zeitgebung angetrieben, um den Kraftstoff einzuspritzen. Ein Common-Rail-Injektor hat typischerweise eine Steuerkammer zum Aufbringen eines Drucks in einer Ventilschließrichtung auf eine Düsennadel sowie ein Steuerventil zum Steuern des Drucks der Steuerkammer. Der Injektor ist so konfiguriert, dass ein Stellglied das Steuerventil antreibt, um den Druck der Steuerkammer zu erhöhen und zu senken.
Als das Steuerventil wird in geeigneter Weise eine Dreiwegeventilstruktur zum wahlweise in Verbindung bringen der Steuerkammer mit einem Hochdruckkanal oder einem Niederdruckkanal verwendet. Das Ventilelement des Dreiwegeventils ist in einer Ventilkammer angeordnet, die mit einem niederdruckseitigen Sitz versehen ist, der zu dem Niederdruckkanal führt, und die mit einem hochdruckseitigen Sitz versehen ist, der zu dem Hochdruckkanal führt. Das Ventilelement bewegt sich zwischen diesen beiden Sitzen, um die Sitzstellung umzuschalten. Bei der Dreiwegeventilstruktur sitzt das Ventilelement während der Kraftstoffeinspritzung auf dem hochdruckseitigen Sitz, um die Verbindung mit dem Hochdruckkanal zu unterbrechen, wodurch der Hochdruckkraftstoff daran gehindert wird, durch die Ventilkammer herauszuströmen. Beispielsweise wird als das Stellglied ein Piezo-Stellglied verwendet. Wenn das Piezo-Stellglied elektrisch erregt ist, dehnt es sich aus, um das Ventilelement von dem niederdruckseitigen Sitz freizugeben und dann sitzt es auf dem hochdruckseitigen Sitz auf. Da das Piezo-Stellglied ein hervorragendes Ansprechverhalten hat, kann eine hochentwickelte Kraftstoffeinspritzsteuerung erwartet werden.
Steuerventile, die eine Dreiwegeventilstruktur haben, sind beispielsweise in der (1) Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-130614; (2) Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-227747; (3) Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-41125; (4) Japanischen nationalen PCT-Veröffentlichung Nr. 2001-500218 und (5) Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-140726 beschrieben. Die vorstehend aufgelisteten ersten vier Patentschriften beinhalten eine an der stromabwärtigen Seite des niederdruckseitigen Sitzes angeordnete Drossel. Diese Konfiguration unterdrückt vorteilhafter Weise die Düsenöffnungsgeschwindigkeit, um die Steuerbarkeit der Einspritzmenge zu verbessern.
Zudem ist es zum Zwecke, das Kraftstoffeinspritzsystem der Common-Rail Bauweise effizient zu betreiben, wünschenswert, die Kraftstoffleckage soweit wie möglich zu reduzieren. Nichts desto trotz beschäftigen sich die vorstehend aufgelisteten ersten beiden Patentschriften mit einem Druckausgleichsventil, das eine konstante Leckage durch seinen Gleitabschnitt verursacht. In diesem Fall ist ein zusätzlicher Aufwand der Pumpe erforderlich und diese Leckage erhöht die Kraftstofftemperatur und verschlechtert den Kraftstoff. Das Steuerventil der vorstehend aufgeführten dritten Patentschrift hat ein kugelförmiges Ventilelement, und zum Aufnehmen dieses Ventilelements sind dessen hochdruckseitiges Sitzbauteil und niederdruckseitiges Sitzbauteil als separate Bauteile ausgebildet. In diesem Fall kann in Folge von Positionsverschiebungen der beiden Bauteile eine Leckage auftreten. Dies ist in den vorstehend aufgeführten zweiten und fünften Patentschriften beschrieben. Daher sind diese schwierig zu verwenden, wenn der Hubbetrag klein ist.
Die vorstehend aufgeführte fünfte Patentschrift schlägt vor, eine Vielzahl von Ventilelementen, die zu einer Relativbewegung fähig sind, so anzuordnen, dass ein geeigneter Betrieb selbst bei Positionsverschiebungen ermöglicht ist. Jedoch wird diese Konfiguration sehr kompliziert. Außerdem ist es zur Verbesserung der Steuerbarkeit der Einspritzmenge wünschenswert, die Düsenschließgeschwindigkeit zu erhöhen. Im Allgemeinen kann die Öffnungsfläche des hochdruckseitigen Sitzes vergrößert werden, um die Düsenschließgeschwindigkeit zu erhöhen. Da das Piezo-Stellglied die Eigenschaft hat, dass der Hub und die erzeugte Kraft zueinander umgekehrt proportional sind, macht die erhöhte Öffnungsfläche des hochdruckseitigen Sitzes die Schließantriebskraft trotzdem größer, wodurch das Problem einer reduzierten Energieeffizienz verursacht wird.
Eine sechste Druckschrift (WO 03/004861 A1) offenbart einen Kraftstoffinjektor, der ein kraftausgeglichenes Steuerventil aufweist. Hier hat das Steuerventil einen Ventilkörper, der durch ein Stellglied nach oben gezogen wird, um von einem Niederdrucksitz auf einen Hochdrucksitz umzustellen. Der Ventilkörper hat eine Einengung an einer Stelle, an der ein Hochdruckkraftstoff zugeführt wird.
Eine siebte Druckschrift (WO 2004/051071 A1) offenbart einen Injektor mit einem Steuerventil, der einen Hochdruckkanal zum Ablassen eines Hochdruckkraftstoffs von einer Steuerkammer zum Steuern des Hubs einer Nadel öffnen und schließen kann.
Eine achte Druckschrift (WO 01/81754 A1) offenbart ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, insbesondere zum Öffnen und Schließen eines Kanals, der die Ventilkammer mit einer Steuerkammer verbindet, um den Hub einer Nadel eines Injektors zu steuern.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verringert eine Antriebskraft, die zum Schließen eines hochdruckseitigen Sitzes eines Injektors zum Gebrauch in einem Kraftstoffeinspritzsystem der Common-Rail Bauweise einer Dieselkraftmaschine oder dergleichen nötig ist, und unterdrückt eine Kraftstoffleckage von dem Steuerventil, um mittels einer einfachen Konfiguration eine Düsenöffnungsgeschwindigkeit zu verringern oder eine Düsenschließgeschwindigkeit zu erhöhen, wodurch die Energieeffizienz verbessert wird und eine äußerst präzise Steuerung der Einspritzmenge ermöglicht wird.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat ein Injektor ein Steuerventil einer Dreiwegeventilstruktur zum Erhöhen und Verringern eines Drucks einer Steuerkammer, die einen Düsenrückdruck erzeugt. Eine Antriebseinheit davon besteht aus einem Stellglied und einem Gleitzapfenbauteil. Das Gleitzapfenbauteil hat eine zapfenförmige Extremität, die mit einem Ventilelement eines in einer Ventilkammer aufgenommenen Steuerventils in Kontakt ist. Das Gleitzapfenbauteil gleitet innerhalb eines Gleitlochs in Übereinstimmung mit einem Hub bzw. einer Verschiebung des Stellglieds, wodurch es wahlweise auf einen niederdruckseitigen Sitz oder einen hochdruckseitigen Sitz aufgesetzt wird. Ein um die zapfenförmige Extremität herum ausgebildeter Raum zwischen einem Gleitabschnitt des Gleitzapfenbauteils und dem niederdruckseitigen Sitz ist über einen Drosselabschnitt an einen Niederdruckkanal angeschlossen. Wenn der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes ist, dann wird der Druck der Steuerkammer, die mit der Ventilkammer in Verbindung ist, als eine Unterstützungskraft aufgebracht, sodass eine Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes niedriger als oder gleich wie die Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes wird.
Gemäß der vorgenannten Konfiguration kann der auf den Raum, der um die Extremität des Gleitzapfenbauteils ausgebildet ist, eingestellte Drosselabschnitt die Drosselöffnungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Öffnens des niederdruckseitigen Sitzes verringern. Außerdem kann der Druck der Steuerkammer in der Schließrichtung des hochdruckseitigen Sitzes ausgeübt werden, wodurch die Antriebskraft zum Schließen des hochdruckseitigen Sitzes verringert wird. Folglich ist es möglich, den Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes für eine höhere Düsenschließgeschwindigkeit zu erhöhen und die Einspritzsteuerfähigkeit und die Energieeffizienz mit einer einfachen Konfiguration zu verbessern.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung haben ein Gleitdurchmesser des Gleitlochs und die Sitzdurchmesser des niederdruckseitigen Sitzes und des hochdruckseitigen Sitzes die folgende Beziehung: Der Gleitdurchmesser ist kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes und der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes ist kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes. Der Gleitdurchmesser kann verringert werden, um die zum Öffnen und Schließen oder insbesondere Schließen des hochdruckseitigen Sitzes erforderlicher Antriebskraft zu reduzieren.
Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein um die zapfenförmige Extremität zwischen einem Gleitabschnitt des Gleitzapfenbauteils und dem niederdruckseitigen Sitz ausgebildeter Raum durch einen Drosselabschnitt mit dem Niederdruckkanal verbunden. Zusätzlich haben ein Gleitdurchmesser des Gleitabschnitts und ein Sitzdurchmesser des hochdruckseitigen Sitzes die folgende Beziehung: Der Gleitdurchmesser ist kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes. Dies macht es möglich, den Druck der mit der Ventilkammer in Verbindung stehenden Steuerkammer als eine Unterstützungskraft aufzubringen.
Gemäß der vorgehenden Konfiguration kann der auf den um die Extremität des Gleitzapfenbauteils ausgebildeten Raum eingestellte Drosselabschnitt die Düsenöffnungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Öffnens des niederdruckseitigen Sitzes verringern. Außerdem kann der Druck der Steuerkammer in der Schließrichtung des hochdruckseitigen Sitzes ausgeübt werden, wodurch die Antriebskraft zum Schließen des hochdruckseitigen Sitzes reduziert wird. Ferner kann der Gleitdurchmesser verringert werden, um die zum Schließen des hochdruckseitigen Sitzes erforderliche Antriebskraft zu verringern. Folglich ist es möglich, den Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes für eine höhere Düsenschließgeschwindigkeit zu erhöhen und die Einspritzsteuerfähigkeit und die Energieeffizienz mit einer einfachen Konfiguration zu verbessern.
Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird der Druck der mit der Ventilkammer in Verbindung stehenden Steuerkammer als eine Unterstützungskraft ausgeübt, sodass eine Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes niedriger als oder gleich wie eine Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes wird.
Der Steuerkammerdruck kann geeigneter Weise so eingestellt werden, dass die Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes mit einer weiteren Verbesserung der Energieeffizienz niedriger als oder gleich wie die Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes wird.
Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das Stellglied ein Piezo-Stellglied. Da ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Piezo-Stellglied aufweist, das die Beziehung hat, gemäß der die erzeugte Kraft mit einer zunehmenden Verschiebung abnimmt, ist es möglich, die Charakteristik wirksam zu nutzen.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist der Druck der Steuerkammer, der zum Öffnen der Düsennadel möglich ist, auf 50% oder darüber eines Zuführkraftstoffdrucks unter maximaler Last oder maximalem Druck eingestellt. Dies macht die Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes kleiner als die Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes, wodurch eine effiziente Steuerung der Kraftstoffeinspritzung ermöglicht wird.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind das Gleitzapfenbauteil und das Ventilelement getrennt voneinander ausgebildet. Dies vereinfacht die maschinelle Bearbeitung der Sitzabschnitte.
Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind beide Enden des Gleitzapfenbauteils wie ein Zapfen ausgebildet, der einen Durchmesser hat, der kleiner als der Gleitdurchmesser ist. Dies kann eine Fehlfunktion in Folge von Zusammenbaufehlern ausschließen.
Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann das Gleitzapfenbauteil als ein kreiszylinderförmiger Zapfen ausgebildet sein, der einen konstanten Durchmesser über dessen gesamter Länge hat. In diesem Fall ist das Ende des zu dem niederdruckseitigen Sitz führenden Gleitlochs mit einem aufgeweiteten Abschnitt versehen, der einen größeren Durchmesser hat, wobei sich die Extremität des Gleitzapfenbauteils darin befindet, und der Drosselabschnitt ist so ausgebildet, dass er sich zu diesem aufgeweiteten Abschnitt öffnet. Dies vereinfacht die Konfiguration des Gleitzapfenbauteils für eine einfache maschinelle Bearbeitung.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat das Ventilelement eine im Wesentlichen halbkugelförmige Gestalt. Die Kontaktfläche gegen das Gleitzapfenbauteil bringt den Effekt mit sich, einen unebenen Kontakt zu vermeiden und Hertz'sche Pressungen abzuschwächen, wenn sie in eine sphärische Fläche mit einer Krümmung maschinell bearbeitet wird, die größer als die einer Kugelschale ist.
Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist zumindest eine Gleitfläche des Gleitzapfenbauteils aus einem superharten Material oder einer Keramik gefertigt. Dies kann die Gleitfähigkeit verbessern und eine Abnutzung vermindern oder verhindern.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das Gleitzapfenbauteil aus einem superharten Material mit einem Elastizitätsmodul (Young's Modul) gefertigt, der höher als der von Metall ist. Dies bringt den Effekt mit sich, einen Verformungsverlust zu reduzieren oder zu verhindern.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist an der stromaufwärtigen Seite des hochdruckseitigen Sitzes eine Ventilfeder zum Vorspannen des Ventilelements in Richtung des niederdruckseitigen Sitzes angeordnet. Es ist daher möglich, das Volumen der Ventilkammer für ein besseres Ansprechverhalten zu reduzieren.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind die einzelnen Komponenten so konfiguriert, dass sie den nachstehenden Ausdruck erfüllen:
wobei kpo ein Steuerkammerdruckgrad zum Zeitpunkt der Düsenöffnung ist, Ds ein Durchmesser eines Düsensitzes ist, auf den sich die Düsennadel aufsetzt, Dc ein Steuerkammergleitdurchmesser ist, Fk eine Düseneinstelllast ist und Pc ein Kraftstoffzuführdruck von der Common-Rail ist, wenn Pc = Pcmax ist, welches ein maximaler Zuführdruck ist.
Folglich wird die vorgenannte Wirkung der Reduktion der Öffnungslast des hochdruckseitigen Sitzes und der Reduktion der Antriebskraft zum Schließen des hochdruckseitigen Sitzes einfach erhalten.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ebenso wie Betriebsverfahren und Funktionen der zugehörigen Teile aus einem Studium der nachstehenden ausführlichen Beschreibung, den beiliegenden Ansprüchen und Zeichnungen ersichtlich, die alle einen Teil dieser Anmeldung bilden. In den Zeichnungen ist:
1 eine Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2A eine detaillierte Schnittansicht eines niederdruckseitigen Sitzes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem offenen Zustand;
2B eine detaillierte Schnittansicht eines hochdruckseitigen Sitzes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in einem geschlossenen Zustand;
3 eine detaillierte Schnittansicht eines alternativen Beispiels eines Gleitzapfenbauteils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Steuerkammerdruckgrad zum Zeitpunkt des Öffnens einer Düse mit der Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes und der Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
5A ein Graph ist, der einen Fall gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem eine Ventilöffnungsgeschwindigkeit größer als eine Ventilschließgeschwindigkeit ist;
5B ein Graph ist, der einen Fall gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem eine Ventilöffnungsgeschwindigkeit niedriger als eine Ventilschließgeschwindigkeit ist;
6 eine Teilschnittansicht eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Teilschnittansicht eines Injektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; und
8 eine detaillierte Schnittansicht eines Ventilelements des Injektors von 7 ist.
Im Weiteren wird die vorliegende Erfindung unter Bezugname auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht eines Injektors 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das als ein Beispiel beschrieben wird, bei dem das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf ein Kraftstoffeinspritzsystem der Common-Rail-Bauweise einer Dieselkraftmaschine angewendet wird. Der Injektor 1 ist entsprechend eines jeden Zylinders der Kraftmaschine (hier ist lediglich einer davon gezeigt) angeordnet und empfängt eine Kraftstoffzufuhr von einer Common-Rail. Der Kraftstoff, der durch eine Hochdruckzuführpumpe druckgefördert wird, wird in der Common-Rail bei einem vorbestimmten hohen Druck angesammelt, der einem Einspritzdruck entspricht.
In 1 ist die obere Hälfte des Injektors 1 eine Antriebseinheit 101, die ein Piezo-Stellglied 6 hat. Eine Steuerventileinheit 102 mit einem Dreiwegeventilaufbau wird dazu verwendet, eine Düseneinheit 103 mit einer Düsennadel 5 zur Kraftstoffeinspritzung anzutreiben. Der Injektor 1 ist an einer nicht gezeigten Brennkammerwand (nicht gezeigt) angebracht. Kanäle, etwa ein mit der Common-Rail (nicht gezeigt) über einen Kraftstoffeinlass 11 in Verbindung stehender Hochdruckkanal 12 und ein über einen Kraftstoffauslass 14 mit einem Kraftstofftank (nicht gezeigt) in Verbindung stehender Niederdruckkanal 13 sind in Gehäusebauteilen H1 bis H4 ausgebildet, die die Komponenten der vorgenannten einzelnen Einheiten 101 bis 103 aufnehmen. Die Gehäusebauteile H1 bis H4 sind durch einen Halter H5 öldicht festgemacht und fixiert.
In der Düseneinheit 103 ist die Düsennadel 5, die an ihrem Umfang einen Flansch 51 hat, in einem an dem oberen Ende des Gehäusebauteils H1 angeordneten rohrförmigen Teil 42 verschieblich gehalten. Der Raum in dem Gehäusebauteil H4 bildet eine Ölspeicherkammer 52, die durch den Hochdruckkanal 12, der sich in der oberen Wand desselben öffnet, mit einem Hochdruckkraftstoff von der Common-Rail versorgt wird. An dem Boden des Gehäusebauteils H4 ist ein Sackteil 53 ausgebildet. Durch die das Sackteil 53 bildende Wand ist ein Einspritzloch 54 ausgebildet.
Wenn sich die Düsennadel 5 an ihrer untersten Position befindet, sitzt ihre konusförmige Extremität an einem an der Schnittstelle zwischen der Ölspeicherkammer 52 und dem Sackteil 53 ausgebildeten Düsensitz 55 auf, wodurch der Sackteil 53 geschlossen wird, um die Kraftstoffzufuhr von der Ölspeicherkammer 52 zu dem Einspritzloch 54 zu unterbrechen. Wenn die Düsennadel 5 angehoben wird und von dem Düsensitz 55 freigegeben wird, um den Sackteil 53 zu öffnen, dann wird Kraftstoff eingespritzt.
Ein durch ein oberes Ende der Düsennadel 5, die innere Wandfläche des rohrförmigen Teils 42 und ein unteres Ende des Gehäusebauteils H3 definierter Raum bildet eine Steuerkammer 4 zum Steuern eines Düsenrückdrucks. Kraftstoff bzw. ein Steueröl wird von einem Hochdruckkanal 12 über eine Ventilkammer 21 und einen Kanal 25 der Steuerventileinheit 102 in die Steuerkammer 4 eingebracht, wodurch der Rückdruck der Düsennadel 5 erzeugt wird. Dieser Rückdruck wirkt an der Düsennadel 5 abwärts und spannt die Düsennadel 5 zusammen mit einer zwischen dem Flansch 51 und dem unteren Ende des rohrförmigen Teils 42 gehaltenen Feder 56 in der Schließrichtung vor. Unterdessen wirkt der Hochdruckkraftstoff in der Ölspeicherkammer 52 an der konischen Fläche der Extremität der Düsennadel 5 nach oben und spannt die Düsennadel 5 in der Öffnungsrichtung vor.
Die Steuerventileinheit 102 der Dreiwegeventilstruktur hat die Ventilkammer 21, die mit der Steuerkammer 4 der Düseneinheit 103 ständig über einen Verbindungskanal 41 in Verbindung ist und hat ein Ventilelement 2 einer im Wesentlichen kugelförmigen Gestalt, das in der Ventilkammer 21 aufgenommen ist. Die in der oberen Seite der Ventilkammer 21 ausgebildete Öffnung ist mit einem niederdruckseitigen Sitz 22 versehen und die Öffnung in der unteren Seite ist mit einem hochdruckseitigen Sitz 23 versehen, sodass das Ventilelement 2 auf einem dieser beiden Sitze 22 und 23 selektiv aufsitzt. Ein Drosselabschnitt 32 zum Einstellen der Düsenöffnungsgeschwindigkeit ist an der stromabwärtigen Seite des niederdruckseitigen Sitzes 22 ausgebildet und ist mit dem Niederdruckkanal 13 durch Kanäle 33 und 34 in Verbindung gebracht. Der an der stromaufwärtigen Seite des hochdruckseitigen Sitzes 23 ausgebildete Kanal 25 ist mit dem Hochdruckkanal 12 in Verbindung. Das Ventilelement 2 wird angetrieben, um sich durch den Druck von der Antriebseinheit 101 auf und ab zu bewegen, wodurch die Sitzposition des Ventilelements 2 umgeschaltet wird. Es folgt daraus, dass die Ventilkammer 21 mit dem Hochdruckkanal 12 oder dem Niederdruckkanal 13 in Verbindung ist, wodurch der Druck der mit der Ventilkammer 21 in Verbindung stehenden Steuerkammer 4 erhöht oder verringert wird, welcher der an der Düsennadel 5 wirkende Rückdruck ist.
Das Ventilelement 2 ist aus einem einzelnen Element gefertigt und die Ventilkammer 21 ist durch eine Stoßverbindung der beiden Gehäusebauteile H2 und H3 ausgebildet. Der Drosselabschnitt 32 und der Kanal 33 sind in dem Gehäusebauteil H2 ausgebildet und der Verbindungskanal 41 und der Kanal 25 sind in dem Gehäusebauteil H3 ausgebildet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwischen der Steuerkammer 4 und der Ventilkammer 21 keine Drossel ausgebildet, die enger als die Öffnungsfläche des niederdruckseitigen Sitzes 22 ist. Der Grund dafür liegt darin, dass die Düsenschließgeschwindigkeit durch Vorsehen einer Drossel an dieser Stelle reduziert werden könnte. Eine Drossel zum Einstellen der Düsenschließgeschwindigkeit kann an der stromaufwärtigen Seite des hochdruckseitigen Sitzes 23 ausgebildet sein oder nicht, wobei sie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht ausgebildet ist. Die Konfiguration des Ventilelements 2 des niederdruckseitigen Sitzes 22 und des hochdruckseitigen Sitzes 23 wird später beschrieben.
Die Ventilfeder 24 ist in dem Ende des Kanals 25 an der Seite der Ventilkammer 21 angeordnet und spannt das Ventilelement 2 in der Figur nach oben vor. Wenn die Hochdruckzuführpumpe die Druckbeaufschlagung zum Zeitpunkt des Anlassens des Motors startet, muss das Ventilelement 2 zum Zwecke der schnellen Druckbeaufschlagung in Richtung des niederdruckseitigen Sitzes 22 vorgespannt sein. Wenn die Ventilfeder 24 für diesen Zweck innerhalb der Ventilkammer 21 angeordnet ist, nimmt allerdings das Volumen der Ventilkammer 21 und das Volumen der Steuerkammer 24 mit einem Abfall im Ansprechverhalten zu. Somit ist die Ventilfeder 24 an der stromaufwärtigen Seite des hochdruckseitigen Sitzes 22 wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel angeordnet, aber es sollte so verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt ist.
Die Antriebseinheit 101 überträgt die Antriebskraft des Piezo-Stellglieds 6, das als das Stellglied dient, auf das Ventilelement 2 der Steuerventileinheit 102 unter Verwendung eines hydraulischen Übertragungssystems 61 und eines Gleitzapfenbauteils 3. Das Piezo-Stellglied 6 ist in dem oberen Ende eines in dem Gehäusebauteil H1 ausgebildeten länglichen Lochs aufgenommen und das hydraulische Übertragungssystem 61 ist in dem unteren Ende des länglichen Lochs aufgenommen. Das Piezo-Stellglied 6 hat einen Piezo-Stapel, in dem Piezo-Keramikschichten, etwa PZT, und Elektrodenschichten alternierend laminiert sind, und das so konfiguriert ist, dass es durch eine nicht gezeigte Antriebsschaltung mit der Laminierrichtung (der vertikalen Richtung) als der Richtung der Ausdehnung und Kontraktion geladen und entladen wird. Der Raum in dem länglichen Loch definiert den Niederdruckkanal 13. Der seitlich unten ausgebildete Kanal 34 ist mit dem Kanal 33 in dem Gehäusebauteil H2 verbunden.
Das hydraulische Übertragungssystem 61 weist einen ersten Kolben 62 und einen zweiten Kolben 64, die den gleichen Durchmesser haben und die in dem rohrförmigen zylindrischen Element 15 verschieblich angeordnet sind, sowie eine öldichte Kammer 63 auf, die zwischen den beiden Kolben ausgebildet und mit einem Hydrauliköl gefüllt ist. Der erste Kolbe 62 hat ein oberes Ende mit einem großen Durchmesser, das über das Zylinderelement 15 in Kontakt mit dem unteren Ende des Piezo-Stellglieds 6 vorsteht. Eine zwischen dem großdurchmessrigen oberen Ende und der oberen Seite des zylindrischen Elements 15 angeordnete Piezo-Feder 65 bringt auf das Piezo- Stellglied 6 durch den ersten Kolben 62 eine bestimmte Anfangslast auf. Folglich bleibt der erste Kolben 62 mit dem Piezo-Stellglied 6 in Kontakt, während er sich integral mit der Ausdehnung und Kontraktion desselben auf- und ab bewegt.
In der öldichten Kammer 63 ist eine Ventilfeder 66 angeordnet, die den zweiten Kolben 64 abwärts vorspannt. Das untere Ende des zweiten Kolbens 64 ist mit dem Gleitzapfenbauteil 3 in Kontakt. Das Gleitzapfenbauteil 3 ist so angeordnet, dass es in einem in dem Gehäusebauteil H2 ausgebildeten Gleitloch 31 gleitend bzw. verschieblich ist. Dessen unteres Ende ist mit dem Ventilelement 2 und der Ventilkammer 21 in Kontakt. Das Gleitloch 31 ist so ausgebildet, dass es das längliche Loch in dem Gehäusebauteil H1 und die Ventilkammer 21 miteinander in Verbindung bringt. Folglich wird, wenn sich das Piezo-Stellglied 6 zum Abwärtsdrücken des Kolbens 62 ausdehnt, die Drückkraft in der öldichten Kammer 63 hydraulisch umgewandelt und auf den zweiten Kolben 64 übertragen. Der zweite Kolben 64 treibt das Ventilelement 2 durch das Gleitzapfenbauteil 3 an. Das Gleitzapfenbauteil 3 ist wie ein Zapfen gestaltet, so dass dessen beiden Enden einen Durchmesser haben, der kleiner als ein Gleitdurchmesser in dessen mittlerem Bereich ist. Eines der Enden ist mit dem unteren Ende des zweiten Kolbens 64 in Kontakt und das andere ist mit dem oberen Ende des Ventilelements 2 in Kontakt.
Wie in 2A gezeigt ist, ist in dem Gleitloch 31 um die zapfenförmige Extremität 3a an der Seite des Ventilelements 2 ein ringförmiger Raum zwischen dem Gleitabschnitt des Gleitzapfenbauteils 3 und dem niederdruckseitigen Sitz 22 ausgebildet. Der Drosselabschnitt 32 öffnet sich in der Seitenwand des Gleitlochs 31 so, dass es diesem ringförmigen Raum zugewandt ist. In einem Ausführungsbeispiel hat das Gleitzapfenbauteil 3 lediglich den Abschnitt mit kleinerem Durchmesser an der Extremität 3a. Dies machte es möglich, den Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes zu verringern (unter Vorraussetzung eines konstanten Gleitdurchmessers) und die Antriebskraft zum Öffnen des niederdruckseitigen Sitzes zu verringern. Das Ventilelement 2 ist im Wesentlichen halbkugelförmig mit einer ebenen Fläche und einer kugelförmigen Fläche und ist in der Ventilkammer 21 angeordnet, wobei die kugelförmige Fläche in der Figur nach oben angeordnet ist. Eine Kontaktfläche des Ventilelements 2, die mit dem Gleitzapfenbauteil 3 in Kontakt ist, ist in die kugelschalenförmige Fläche maschinell bearbeitet, die eine Krümmung hat, die größer als die ursprüngliche Krümmung des Ventilelements 2 ist. Dies soll einen unebenen Kontakt des Gleitzapfenbauteils 3 verhindern und Hertz'sche Pressungen mindern. In der Ventilkammer 21 ist die obere Seite, in der sich das Gleitloch 31 nach oben öffnet, mit dem niederdruckseitigen Sitz 22, der die Gestalt einer konischen Fläche hat, vorgesehen, um mit der kugelförmigen Fläche des Ventilelements 2 in Kontakt zu kommen. Der Boden, in dem sich der Kanal 25 öffnet, ist mit dem hochdruckseitigen Sitz 23 versehen, der die Gestalt einer horizontalen Fläche hat, damit die ebene Fläche des Ventilelements 2 damit in Kontakt kommt.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird es dann, wenn einer der Sitzabschnitte als ein ebener Sitz ausgebildet ist, für das Ventilelement 2 und den niederdruckseitigen oder hochdruckseitigen Sitz 22 oder 23 weniger wahrscheinlich, dazwischen einen Sitzfehler zu verursachen, selbst wenn die die Ventilkammer 2 bildenden Gehäusebauteile H2 und H3 positionsmäßig verschoben sind. Es ist daher möglich, eine Leckage zu verringern oder zu verhindern und die maschinelle Bearbeitung zu vereinfachen. Außerdem ist, was das Hängenbleiben (Festfressen) von Fremdstoffen an den Sitzabschnitten betrifft, der Sitz mit glatter sphärischer, konischer Fläche anfälliger für das Hängenbleiben als ein ebener Sitz mit Kanten. Wenn der hochdruckseitige Sitzabschnitt Fremdstoffe anzieht und einen Sitzfehler verursacht, neigt die Einspritzmenge dazu, abzunehmen. Wenn der niederdruckseitige Sitzabschnitt Fremdstoffe mit einer Verzögerung beim Schließen des Ventils anzieht, kann andererseits die verzögerte Düsenschließzeitgebung eine Zunahme der Einspritzmenge verursachen. Um dies zu vermeiden ist der niederdruckseitige Sitzabschnitt Wünschenswerterweise als eine glatte sphärisch-konische Fläche gestaltet.
Zu dem Zweck, ein Abnutzen zu verhindern und eine Verschiebbarkeit sicher zu stellen, ist das Gleitzapfenbauteil 3 bevorzugter Weise so konfiguriert, dass zumindest die Gleitfläche aus einem superharten Material oder aus einer Keramik gefertigt ist. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass alternative Materialien ebenso verwendet werden können. Außerdem ist es zu dem Zweck, einen Verformungsverlust zu vermeiden, zu bevorzugen, Elemente mit einem hohen Elastizitätsmodul, etwa ein superhartes Material, zu verwenden. Jedoch sollte erkannt werden, dass alternative Materialien ebenso verwendet werden können. Ferner können auch dann, wenn das Gleitzapfenbauteil 3 und das Ventilelement 2 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als separate Elemente ausgebildet sind, in einem alternativen Ausführungsbeispiel diese in einem einzigen Element vereint sein. Das Ausbilden getrennter bzw. separater Elemente vereinfacht die spannabhebende Bearbeitung des niederdruckseitigen Sitzabschnitts des Ventilelements 2. Wie vorstehend beschrieben ist, muss das Gleitzapfenbauteil 3 zum Ausbilden des ringförmigen Raums in dem Gleitloch 31 lediglich in der Nähe des Ventilelements 2 in der Zapfengestalt eines kleineren Durchmessers ausgebildet werden. Nichtsdestotrotz werden wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in bevorzugter Weise beiden Enden die gleiche Zapfengestalt gegeben. Dies kann die Unterscheidung zwischen der Oberseite und der Unterseite beseitigen, wodurch der Zusammenbau vereinfacht wird.
Andererseits kann, wie in 3 gezeigt ist, das Gleitzapfenbauteil 3 ein kreiszylinderförmiger Zapfen mit dem gleichen Durchmesser über dessen gesamten Länge sein. In diesem Fall kann das Ende des Gleitlochs 31, wo die Extremität mit dem Ventilelement 2 einen Kontakt eingeht, zwischen dem Gleitabschnitt und dem niederdruckseitigen Sitz 20 als ein aufgeweiteter Abschnitt 31a ausgebildet sein, der größer als der Gleitdurchmesser ist, sodass der Drosselabschnitt 32 in diesem aufgeweiteten Abschnitt 31a ausgebildet ist. Dies vereinfacht die Gestalt des Gleitzapfenbauteils 3 und vereinfacht dessen maschinelle Bearbeitung. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Gleitzapfenbauteil 3 aus einem schwer maschinell zu bearbeitenden Material, etwa einem superharten Material gefertigt ist.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Beziehung zwischen den Sitzdurchmessern des niederdruckseitigen Sitzes 22 und des hochdruckseitigen Sitzes 23 so, dass der niederdruckseitige Sitz 22 einen Durchmesser hat, der kleiner als oder gleich wie ein Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes 22 ist und in bevorzugter Weise der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes kleiner als der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes ist.
Wenn die Öffnungsfläche des hochdruckseitigen Sitzes größer als die Öffnungsfläche des niederdruckseitigen Sitzes gemacht ist, ist es möglich, den Druck der Steuerkammer 4 zum Zeitpunkt des Schließens der Düse schnell zu erhöhen, wodurch die Düsenschließgeschwindigkeit erhöht wird. Wenn das Ventilelement 2 aus einem kugelförmigen Bauteil maschinell bearbeitet ist, ist folglich die an dem Ventilelement 2 auszubildende Sitzebene in der Nähe der Mitte der Kugelfläche ausgebildet. Wenn die Sitzebene von der Kugelflächenmitte versetzt ist und ein Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes kleiner als der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes gewünscht ist, dann nähert der Winkel der Spitze der konischen Fläche des Gehäusebauteils H2, das als der niederdruckseitig Sitz 22 dient, mit einer Verschlechterung der Sitzstabilität 180°C an. Die Beziehung des Gleitdurchmessers des Gleitzapfenbauteils 3 mit den Sitzdurchmessern des niederdruckseitigen Sitzes 22 und des hochdruckseitigen Sitzes 23 ist so, dass der Gleitdurchmesser kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes ist, welcher kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes ist. Der Gleitdurchmesser kann reduziert werden, um die zum Öffnen und Schließen oder insbesondere zum Schließen des hochdrucksseitigen Sitzes erforderliche Antriebskraft zu verringern.
Der niederdruckseitige Sitz 22 hat in bevorzugter Weise einen kleineren Sitzdurchmesser, sodass die Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes reduziert werden kann. Wenn der niederdruckseitige Sitz 22 geschlossen ist, wie in 2A gezeigt ist, liegt im Inneren der Ventilkammer 21 ein hoher Druck vor, (Common-Rail-Zuführdruck Pc) und dieser Zuführdruck PC wirkt an der Öffnungsfläche des niederdruckseitigen Sitzes nach oben. Folglich kann der Sitzdurchmesser des niederdruckseitigen Sitzes 22 reduziert werden, um die Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes zu verringern, wodurch die zum Öffnen erforderliche Antriebskraft verringert wird.
Ferner wird, um die Kraft zum Schließen des hochdruckseitigen Sitzes 23 sicherzustellen, der den größeren Sitzdurchmesser hat, der Kraftstoffdruck in der Ventilkammer 21 zum Zeitpunkt des Schließens des hochdruckseitigen Sitzes 23 als ein Unterstützungsdruck verwendet. Dies kann die hochdruckseitige Schließantriebskraft kleiner als einen Wert machen, der durch Multiplizieren der Öffnungsfläche des hochdruckseitigen Sitzes mit dem Zuführdruck erhalten wird. Wie in 2B gezeigt ist, wird bei der Konfiguration, bei der die Drosselöffnung 23 an der stromabwärtigen Seite des niederdruckseitigen Sitzes 22 liegt, der Druck der Ventilkammer 21 zum Zeitpunkt des Öffnens des niederdruckseitigen Sitzes, d.h., der Druck der Steuerkammer 4 höher als der des Niederdruckkanals 13. Dann wird dieser Druck so hoch wie möglich beibehalten, während die Düsennadel 5 geöffnet werden kann, sodass die Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes soweit wie möglich verringert wird. Formuliert als ein Steuerkammerdruckgrad kpo zum Zeitpunkt des Öffnens der Düse (der Grad des Drucks der Steuerkammer 4, der der Düsennadel 5 bei dem Zuführdruck ermöglicht, geöffnet zu werden), wird der Druck der Ventilkammer 21 als kpo·Pc ausgedrückt. Dann wirkt der Druck Pc·(1 – kpo), der durch Abziehen dieses Drucks kpo·Pc von dem Zuführdruck Pc erhalten wird, an der Öffnungsfläche des hochdruckseitigen Sitzes und an der Öffnungsfläche des niederdruckseitigen Sitzes in einer Aufwärtsrichtung in der Figur.
Insbesondere wird während dem herkömmlichen Gebrauch die Düsennadel 5 nicht vollständig in Kontakt mit dem Anschlag, der das obere Ende der Steuerkammer ist, angehoben. Verschiedene Einstellungen werden so bestimmt, dass der Druck der Steuerkammer 4 zumindest in dem Arbeitsbereich nicht auf oder unter die Hälfte des Zuführdrucks Pc fällt, in dem der Zuführdruck Pc größer als oder gleich wie die Hälfte des maximale Zufuhrdrucks Pcmax ist. Der Steuerkammerdruckgrad kpo ist in geeigneter Weise so eingestellt, dass die Öffnungslast des hochdruckseitigen Sitzes kleiner als oder gleich wie die Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes ist. Als ein typisches Beispiel zeigt 4 die Beziehung des Steuerkammerdruckgrads kpo zum Zeitpunkt des Öffnens der Düse mit der Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes und der Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes für Situationen, bei denen der Gleitdurchmesser des Gleitzapfenbauteils 3 = ϕ 0,8, der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes = ϕ 1,2, der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes = ϕ 1,5 und der maximale Zuführdruck 200 MPa ist. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass je höher der durch den nachstehenden Ausdruck ausgedrückte Steuerkammerdruckgrad kpo ist, die Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes umso kleiner wird, und dass Steuerkammerdruckgrade kpo von ca. 0,5 und darüber die Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes kleiner als die Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes machen können. [Ausdruck 3]

Kpo:: Der Steuerkammerdruckverhältnis zum Zeitpunkt des Öffnens der Düse
Ds:: Düsensitzdurchmesser
Dc:: Steuerkammergleitdurchmesser
Fk:: Düseneinstelllast
PC:: Zuführdruck

Im Allgemeinen ist eine Ausgabecharakteristik des Piezo-Stellglieds 6 so, dass die erzeugte Kraft mit einer Zunahme der Piezo-Verschiebung abnimmt. Da die erzeugte Kraft in der Nähe des hochdruckseitigen Sitzes 23 abnimmt, wo die Verschiebung groß ist, kann ein Sicherstellen der Kraft zum Schließen des hochdruckseitigen Sitzes 23 mit großen Sitzdurchmessern die Antriebsenergie erhöhen. Wenn das Piezo-Stellglied 6 verwendet wird, das mit einer zunehmenden Verschiebung eine kleinere Kraft erzeugt, kann die Konfiguration der vorliegenden Erfindung so angepasst werden, dass der Kraftstoffdruck in der Ventilkammer 21 als die Unterstützungskraft verwendet wird, sodass die Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes reduziert wird. Insbesondere werden der Düsensitzdurchmesser, der Düsengleitdurchmesser und die Düsensitzlast so bestimmt, dass sie den vorhergehenden Ausdruck erfüllen.
Als nächstes wird eine Beschreibung des Injektors 1 gegeben, der die vorgehende Konfiguration aufweist. 2A zeigt den Zustand, in dem das Piezo-Stellglied 6 von 1 zur Kontraktion entladet ist. Das Ventilelement 2 liegt an seiner oberster Stellung zum Schließen des niederdruckseitigen Sitzes 22, sodass die Verbindung des Drosselabschnitts 32 und des Kanals 33, der zu dem Niederdruckkanal 13 führt, mit der Ventilkammer 2 unterbrochen ist. Die Ventilkammer 2 steht in Folge des von dem Hochdruckkanal 12 durch den Kanal 25 und den Hochdruckseitigen Sitz 23 einströmenden Kraftstoffs unter hohem Druck. Hier wird der Druck der Steuerkammer 4, die durch den Verbindungskanal 41 mit der Ventilkammer in Verbindung ist, auch hoch. Der Druck dieser Steuerkammer 4 und die Vorspannkraft der Feder 56 setzten die Düsennadel 5 auf den Düsensitz 55 auf, sodass kein Kraftstoff eingespritzt wird.
Wenn das Piezo-Stellglied 6 von diesem Zustand erregt wird, dehnt sich das Piezo-Stellglied 6 aus. Der erste Kolben 62 bewegt sich dementsprechend abwärts und komprimiert das Hydrauliköl (hier Leichtöl) in der öldichten Kammer 63. Wenn der Druck von diesem Hydrauliköl den zweiten Kolben 64 abwärts bewegt und das Gleitzapfenbauteil 3 das Ventilelement 2 abwärts drückt, dann verlässt das Ventilelement 2 den niederdruckseitigen Sitz 22 und bewegt sich weiter abwärts, sodass es auf dem hochdruckseitigen Sitz 23 zu sitzen kommt. Folglich ist die Steuerkammer 4 durch die Ventilkammer 21, den niederdruckseitigen Sitz 22, den Drosselabschnitt 32 und den Kanal 33 mit dem Niederdruckkanal 13 in Verbindung. Wenn der Druck der Steuerkammer 4 abfällt und die abwärts vorspannende Kraft der Düsennadel 5 auf Unterhalb der nach oben vorspannenden Kraft abfällt, verlässt die Düsennadel 5 den Sitz, um die Kraftstoffeinspritzung zu starten. Da hier die Steuerkammer 4 den Drosselabschnitt 32 an der stromabwärtigen Seite des niederdruckseitigen Sitzes 22 hat, verursacht dies einen sanften Druckabfall und die Düsenöffnungsgeschwindigkeit nimmt ab.
Außerdem wirkt der Druck kpo·Pc der Ventilkammer 21 als eine Unterstützungskraft in der Richtung zum Schließen des hochdruckseitigen Sitzes 23. Dies lässt die Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes kleiner als oder gleich wie die Öffnungslast des niederdruckseitigen Sitzes werden, wodurch eine Verringerung der Antriebskraft zum Schließen der Hochdruckseite ermöglicht wird. Folglich ist es möglich, die Ausgabecharakteristik des Piezo-Stellglieds 6 effizient zu nutzen.
Wenn das Piezo-Stellglied 6 zur Kontraktion wieder entladen wird, bewegt sich der erste Kolben 62 aufwärts. Der Druck der öldichten Kammer 63 nimmt ab, um die Kraft zum Abwärtsdrücken des Ventilelements 2 zu lösen. Folglich sitzt das Ventilelement 2 auf dem niederdruckseitigen Sitz 22 auf, um die Steuerkammer 4 und den Niederdruckkanal 13 voneinander zu trennen. Der Druck der Steuerkammer 4 nimmt in Folge des durch den Kanal 25 einströmenden Hochdruckkraftstoffs wieder zu und die Nadel 5 sitzt auf dem Sitz auf, um die Einspritzung zu beenden. Da hier der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes ist, steigt der Druck der Steuerkammer 4 für eine höhere Düsenschließgeschwindigkeit schnell an.
5 ist ein Graph, der die Beziehung der Düsenöffnungsgeschwindigkeit und der Düsenschließgeschwindigkeit bezüglich des Steuerbarkeit der Einspritzmenge zeigt. 5A zeigt den Fall, in dem die Düsenöffnungsgeschwindigkeit größer als die Düsenschließgeschwindigkeit ist und 5B zeigt den Fall, in dem die Düsenöffnungsgeschwindigkeit kleiner als die Düsenschließgeschwindigkeit ist. Zum Zwecke eines identischen rechteckigen Einspritzniveaus sollen die Summe der Düsenöffnungsgeschwindigkeit und der Düsenschließgeschwindigkeit eine Konstante sein. Wenn in 5A und 5B die Einspritzendanweisungszeitgebung in Folge von Variationen der Antriebsimpulsendzeitgebung einschließlich von Geräuschwirkungen, Variationen in der Piezo-Kontraktion und dergleichen zwischen B1 und B2 variiert, dann variiert die Einspritzendzeitgebung zwischen C1 und C2. Es kann hier erkannt werden, dass dann, wenn die Düsenöffnungsgeschwindigkeit niedriger ist und die Düsenschließgeschwindigkeit höher ist, wie dies in 5B gezeigt ist, Variationen in der Einspritzendzeitgebung und Variationen in der Einspritzmenge mit einer Verbesserung der Steuerbarkeit der Einspritzmenge abnehmen.
6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einschließlich eines weiteren Beispiels einer Konfiguration des hydraulischen Übertragungssystems in der Piezo-Antriebseinheit 101. Die allgemeine Konfiguration und der Grundbetrieb des Injektors 1 sind die gleichen wie die des vorgehenden ersten Ausführungsbeispiels. Eine Beschreibung davon wird somit ausgelassen. Wie in 6 gezeigt ist, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein erster Kolben 62, der die Gestalt eines Rohrs mit einem geschlossenen oberen Ende hat, verschieblich in einem rohrförmigen Zylinder angeordnet. Ein zweiter Kolbe 64 mit einem kleineren Durchmesser ist verschieblich in dem ersten Kolben 62 angeordnet. Eine mit einem Hydrauliköl gefüllte öldichte Kammer 63 ist in dem zwischen dem ersten Kolben 62 und dem zweiten Kolben 64 definierten Raum ausgebildet. Der erste Kolben 62 wird durch eine unterhalb des ersten Kolbens 62 angeordnete Piezo-Feder 66 nach oben vorgespannt und ein Gleitzapfenbauteil 3 ist mit dem unteren Ende des zweiten Kolbens 64, das vom Inneren des Rohrs des ersten Kolbens 62 nach unten vorsteht, in Kontakt gebracht. Ein Rückschlagventil 67 ist in der oberen Wand des ersten Kolbens 62 ausgebildet, um eine Verbindung zwischen der öldichten Kammer 63 und einem Niederdruckteil aufzustellen. Wenn der Druck der öldichten Kammer 63 in Folge einer Leckage abfällt, dann drückt der Kraftstoff das Kugelventil nach unten und strömt von dem Niederdruckteil ein. Die öldichte Kammer 63 kann somit mit dem Kraftstoff nachgefüllt werden.
Die vorliegende Erfindung kann die gleichen Wirkungen wie die in jedem der vorgehenden Ausführungsbeispiele bereitstellen. Außerdem ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der zweite Kolben 64 in dem ersten Kolben 62 aufgenommen. Diese Konfiguration verringert die axiale Länge des hydraulischen Übertragungssystems 61. Der gesamte Injektor wird somit kompakt.
7 und 8 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung oder ein weiteres Beispiel der Konfiguration der Steuerventileinheit 102. Die allgemeine Konfiguration und der Grundbetrieb des Injektors 1 sind die gleichen wie in dem vorgehenden ersten Ausführungsbeispiel. Die Beschreibung davon wird somit ausgelassen. Wie in 7 und 8 gezeigt ist, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Ventilelement 2 wie ein Pilz geformt, der aus einer oberen Hälfte einer im Wesentlichen halbkugelförmigen Gestalt und aus einer unteren Hälfte einer Säulengestalt mit einem kleiner Außendurchmesser besteht. Das Gleitzapfenbauteil 3 ist ein kreiszylinderförmiger Zapfen, der einen gleichen Durchmesser über seine gesamte Länge hat. Das Ende des Gleitlochs 31, wo die Extremität des Zapfens liegt, ist als ein aufgeweiteter Abschnitt 3a mit einem Durchmesser ausgebildet, der größer als der Gleitdurchmesser ist, und ein Drosselabschnitt 32 ist dort geöffnet. Eine Ventilfeder 24 ist in der Ventilkammer 21 angeordnet und ist zwischen dem Boden derselben und der Unterseite der oberen Hälfte des Ventilelements 2, die sich wie ein Flansch ausspreizt, gestützt.
In der Konfiguration des ersten Ausführungsbeispiels kann der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes kleiner gemacht sein, da die Ventilfeder 24 nicht in dem stromaufwärtigen Kanal des hochdruckseitigen Sitzes 23 angeordnet ist. Dies macht es möglich, die zum Schließen des hochdruckseitigen Sitzes 23 erforderliche Antriebskraft zu verringern. Abgesehen davon, ist wie in den vorgehenden Ausführungsbeispielen, der Gleitdurchmesser kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes, sodass die Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes 23 weiter verringert werden kann, um die Energieeffizienz zu verbessern. Außerdem ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes gemacht. In den vorgehenden Ausführungsbeispielen ist der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes zu dem Zweck vergrößert, um die Düsenschließgeschwindigkeit zu erhöhen, wobei dies nicht beschränkend ist. Wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes gefertigt sein, wodurch ein effektiver Gebrauch der Ausgabecharakteristik des Piezo-Stellglieds 6 ermöglicht wird, was eine höhere Kraft in der Nähe des niederdruckseitigen Sitzes 22 erzeugt.
Außerdem ist, wie in 7 gezeigt ist, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, der Verbindungskanal 41 zwischen der Steuerkammer 4 und der Ventilkammer 21 als eine Drossel ausgebildet, die eine Öffnungsfläche hat, die kleiner als die des niederdruckseitigen Sitzes 22 ist. Dies kann Druckschwankungen der Steuerkammer 4 unterdrücken, wodurch Vibrationen zum Zeitpunkt des Öffnens der Düsennadel 5 unterdrückt werden.
Wenn das Piezo-Stellglied 6 wie in den vorgehenden Ausführungsbeispielen als das Stellglied verwendet wird, sind die Hübe bzw. Verschiebungen extrem klein. Somit kann auch ein hydraulisches Übertragungssystem 61 verwendet werden, das den ersten Kolben 62 eines großen Durchmessers und den zweiten Kolben 64 eines kleinen Durchmessers in Kombination aufweist. In diesem Fall können die Hübe für die Übertragung vergrößert werden, was eine noch effizientere Kraftübertragung ermöglicht.
Das Stellglied kann jede Vorrichtung verwenden, solange sie eine Verschiebung bzw. einen Hub hervorbringt, wenn sie elektrisch erregt ist. Abgesehen von der in jedem der vorgehenden Ausführungsbeispiele verwendeten Piezo-Vorrichtung kann auch ein Magnetostrictor verwendet werden.
Ein Common-Rail-Injektor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff durch einen Hochdruckkanal (12) hat eine Steuerkammer (4), ein Steuerventil (102) und eine Antriebseinheit (101). Die Steuerkammer (4) bringt einen Druck auf eine Düsennadel (5) auf. Das Steuerventil (102) schaltet eine Verbindung der Steuerkammer (4) zwischen dem Hochdruckkanal (12) und einem Niederdruckkanal (13) um. Die Antriebseinheit (101) setzt ein Ventilelement (2) des Steuerventils (102) selektiv auf einen niederdruckseitigen Sitz (22) oder einen hochdruckseitigen Sitz (23). Die Antriebseinheit (101) hat ein Stellglied (6) und ein Gleitzapfenbauteil (3). Das Gleitzapfenbauteil (3) gleitet in einem Gleitloch (31) um eine Kraft zu dem Ventilelement (2) zu übertragen. Ein Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes (22) ist kleiner als oder gleich wie ein Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes (23). Der Druck in der Steuerkammer (4) wird als eine Unterstützungskraft ausgeübt, sodass eine Schließlast des hochdruckseitigen Sitzes kleiner als oder gleich wie eine Öffnungslast eines niederdruckseitigen Sitzes wird.

Claims

Common-Rail-Injektor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff, der durch einen Hochdruckkanal (12) von einer Common-Rail zugeführt wird, mit: einer Steuerkammer (4) zum Aufbringen eines Drucks in einer Ventilschließrichtung auf eine Düsennadel (5); einem Steuerventil (102) mit einer Dreiwegeventilstruktur zum Schalten zwischen einer Verbindung und einer Unterbrechung der Steuerkammer (4) mit dem Hochdruckkanal (12) und einem Niederdruckkanal (13), wodurch der Druck der Steuerkammer (4) erhöht und gesenkt wird; und einer Antriebseinheit (101) zum Antreiben eines Ventilelements (2) des Steuerventils (102), um das Ventilelement (2) selektiv auf einen mit dem Niederdruckkanal (13) in Verbindung stehenden niederdruckseitigen Sitz (22) oder einen mit dem Hochdruckkanal (12) in Verbindung stehenden hochdruckseitigen Sitz (23) zu setzen, wobei die Antriebseinheit (101) ein Stellglied (6) zum Hervorrufen einer Verschiebung hat, wenn es elektrisch erregt ist, und ein Gleitzapfenbauteil (3) zum Gleiten innerhalb eines Gleitlochs (31) hat, um eine Antriebskraft in Übereinstimmung mit der Verschiebung des Stellglieds (6) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitzapfenbauteil (3) eine zapfenförmige Extremität (3a) hat, die mit dem Ventilelement (2) des in der Ventilkammer (21) aufgenommenen Steuerventils (102) in Kontakt ist, ein Raum, der um die zwischen einem Gleitabschnitt des Gleitzapfenbauteils (3) und einem niederdruckseitigem Sitz (22) angeordnete zapfenförmige Extremität (3a) ausgebildet ist, durch einen Drosselabschnitt (32) mit dem Niederdruckkanal (13) verbunden ist, ein Gleitdurchmesser des Gleitabschnitts des Gleitzapfenbauteils (3) kleiner als oder gleich wie ein Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes (23) ist, und der Druck in der Steuerkammer (4), die mit der Ventilkammer (21) in Verbindung ist, als eine Unterstützungskraft eingesetzt wird.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß Anspruch 1, wobei ein Gleitdurchmesser des Gleitlochs (31) kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes (22) ist und der Durchmesser des niederdruckseitigen Sitzes (22) kleiner als oder gleich wie der Durchmesser des hochdruckseitigen Sitzes (23) ist.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Druck in der Steuerkammer (4), die mit der Ventilkammer (21) in Verbindung ist, als eine Unterstützungskraft eingesetzt wird, sodass eine hochdruckseitige Schließlast äquivalent zu einer oder kleiner als eine niederdruckseitige Öffnungslast wird.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Stellglied (6) ein Piezo-Stellglied ist.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Druck in der Steuerkammer (4), bei dem es möglich ist, dass die Düsennadel (5) geöffnet wird, zumindest 50% eines Zuführkraftstoffdrucks beträgt, wenn er sich unter einer maximalen Last des Ventilantriebs und einem maximalen Kraftstoffdruck von einer Common Rail befindet.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gleitzapfenbauteil (3) und das Ventilelement (2) getrennt voneinander ausgebildet sind.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei beide Enden des Gleitzapfenbauteils (3) wie ein Zapfen gestaltet sind, der einen Durchmesser hat, der kleiner als der Gleitdurchmesser ist.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gleitzapfenbauteil (3) als ein Kreiszylinderzapfen mit einem konstanten Durchmesser ausgebildet ist, ein Ende des zu dem niederdruckseitigen Sitz (22) führenden Gleitlochs mit einem aufgeweiteten Abschnitt (31a) versehen ist, der einen größeren Durchmesser hat, wobei sich eine Extremität (3a) des Gleitzapfenbauteils (3) darin befindet, und wobei der Drosselabschnitt (32) so ausgebildet ist, dass er diesen aufgeweiteten Abschnitt (31a) bildet.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Ventilelement (2) eine im Wesentlichen halbkugelförmige Gestalt hat und eine Kontaktfläche mit dem Gleitzapfenbauteil (3) maschinell in eine sphärische Oberfläche bearbeitet ist, die eine größere Krümmung als die einer Kugelfläche hat.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest eine Gleitfläche des Gleitzapfenbauteils (3) aus einem superharten Material oder aus einer Keramik gefertigt ist.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gleitzapfenbauteil (3) aus einem superharten Material gefertigt ist, das einen Elastizitätsmodul (Young's modulus) hat, der größer als der von Metall ist.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei an der stromaufwärtigen Seite des hochdruckseitigen Sitzes (23) eine Ventilfeder (24) zum Vorspannen des Ventilelements (2) in Richtung des niederdruckseitigen Sitzes (22) angeordnet ist.
Common-Rail-Injektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei
wenn Pc ein maximaler Zuführdruck ist, kpo ein Steuerkammerdruckverhältnis zur Zeit der Düsenöffnung ist, Ds ein Durchmesser eines Düsensitzes ist, auf dem die Düsennadel aufzusetzen ist, Dc ein Steuerkammergleitdurchmesser ist, Fk eine Düseneinstelllast ist und Pc ein Kraftstoffzuführdruck von der Common-Rail ist.