EP1379779A2 - Sitz/schieber-ventil mit druckausgleichsstift - Google Patents

Sitz/schieber-ventil mit druckausgleichsstift

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EP1379779A2
EP1379779A2 EP02727211A EP02727211A EP1379779A2 EP 1379779 A2 EP1379779 A2 EP 1379779A2 EP 02727211 A EP02727211 A EP 02727211A EP 02727211 A EP02727211 A EP 02727211A EP 1379779 A2 EP1379779 A2 EP 1379779A2
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EP
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control piston
pressure
way valve
fuel
piston
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Withdrawn
Application number
EP02727211A
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English (en)
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Nestor Rodriguez-Amaya
Achim Brenk
Wolfgang Klenk
Uwe Gordon
Manfred Mack
Hubert Greif
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • Y10T137/86574—Supply and exhaust
    • Y10T137/8667—Reciprocating valve
    • Y10T137/86686—Plural disk or plug

Definitions

  • the size of the metering or discharge cross section can be of any size.
  • a special embodiment of the invention is characterized in that the control piston has two guides has a larger guide diameter and a smaller guide diameter, and that the control piston has a valve seat edge, the diameter of which corresponds to the larger guide diameter.
  • the control piston can be actuated, for example, by an energized magnet. When the solenoid is energized, only the spring preload force of the closing spring has to be overcome to lift the control piston.
  • a special embodiment of the invention is characterized in that the end face of a control piston is acted upon by the prestressing force of a compression spring.
  • the pretensioning force of the compression spring ensures that the associated control piston is held in a switch position of the 3/2-way valve with its valve seat edge in contact with the associated valve seat surface.
  • a connection between a fuel inlet 40 and a connection 41 for the injector 7 (not shown) is interrupted.
  • a connection between the connection 41 and a fuel return 42 is opened.
  • the control piston 44 is pressed against its valve seat 46 by means of a compression spring 45.
  • the pressure at the injector can be reduced via flats 48 in the opened slide seal, which are formed on the circumference of the control piston 44.
  • a central blind hole 50 is recessed in the end of the control piston 44 facing the compression spring 45.
  • the blind hole 50 is connected via a bore 51 to a longitudinal bore 49, in which the control piston 44 is received so as to be able to move back and forth.
  • a piston 52 is received in the blind hole 50 so that it can be moved back and forth.
  • the piston 52 is supported on the valve housing.
  • a desired throttling effect can be set via the diameter of the bore 51, which leads to a time delay in the pressure equalization.
  • control piston 44 Since the control piston 44 has two guides, it is no longer pressure-balanced after opening. Additional hydraulic forces act in the opening direction, which act on the resulting annular surface between the lower and upper guide of the control piston. These forces must be balanced, since they act against the compression spring 45 and prevent the control piston 44 from closing.
  • the pressure equalization is made possible through the blind hole 50.
  • the bore 51 ensures that the hydraulic pressure acts in the blind hole 50 and generates forces in the closing direction of the control piston 44. These forces depend on the diameter of the blind hole 50, the surface of the connecting bore 51 having to be subtracted. If the pressure area in the blind hole 50 is as large as the circular area between the upper and lower guide, then the control piston 44 is completely pressure-balanced.
  • the diameter of the blind hole 50 can, however, also be larger than the pressure area on the control piston 44. As a result, additional forces can be generated which enable accelerated closing. However, the additional closing forces should remain so low that the balance of forces is not shifted too much.
  • fuel pressure is only present at the injector (not shown) when the injection is to be carried out.
  • a metering valve 8 is shown in FIG. 3, in which a control piston 56 is activated with the aid of a piezoceramic.
  • connection between the connection 55 and the fuel return 58 is interrupted at the same time.
  • fuel subjected to high pressure passes from the fuel inlet 54 via the connection 55 to the injector, from which the injection takes place.
  • a hydraulic medium contained in a coupling space 59 for example Fuel displaced by a booster piston 60.
  • the translation piston 60 is actuated by a piezo actuator 69.
  • a central blind hole 62 is recessed, in which a pressure compensation piston 61 is accommodated so that it can move back and forth.
  • the pressure compensation piston 61 is supported on the housing by a screw plug.
  • the blind hole 62 is connected to the interior of the valve body 53 via a bore 63.
  • the pressure equalization required to compensate for the additional forces is made possible by the blind hole 62.
  • the pressurization of the blind hole 62 generates forces in the closing direction of the control piston 56.
  • the magnitude of the forces is determined by the cross-sectional area of the blind hole 62. If the pressure area of the blind hole 62 is as large as the circular area between the upper and lower control piston guide, then the control piston 56 is completely pressure-balanced and can by the forces of the Closing spring 64 can be easily closed.
  • the diameter of the blind hole 62 can also be larger than the pressure area on the control piston 56. As a result, additional forces for accelerated closing of the control piston 56 can be generated.
  • the pressure compensation piston 61 guided in the blind hole 62 prevents fuel from permanently flowing out of the pressure compensation space of the blind hole 62 into the fuel return.
  • the piezoceramic enables faster switching times than with conventional valves.
  • the number of components used is also reduced.
  • Another advantage is that the actuator unit can be made compact and short.
  • the stroke curve of the piezo actuator can be regulated. By dispensing with a complex servo circuit, the manufacturing and testing effort is significantly reduced.
  • FIGS. 4 and 5 show a special form of pressure relief. This pressure relief can be used in all embodiments of the invention and is described below by way of example using a one-piece control piston.
  • a diameter widening 71 is formed on the control piston 70.
  • the Diameter expansion 71 merges into a cylindrical / section 72 with a larger outer diameter.
  • a circumferential groove 73 is formed in the cylindrical section 72 of the control piston 70 in the area of the fuel return 68.
  • the relief stroke of the control piston 70 is designated 74.
  • control space provided above the control piston 70 is relieved.
  • the control piston 70 makes a stroke movement in this way and the connection between the fuel accumulator and the injection nozzle is established.
  • the connection to the fuel return, which is still open until then, is interrupted by the further stroke movement, since the control edge on the control piston 70 dips into the valve housing 65.
  • the end of the injection is initiated by the energization of the solenoid valve, as a result of which the solenoid valve closes the flow restrictor.
  • pressure builds up again in the control chamber through the inlet throttle in the control piston. This pressure pushes the control piston back into its seat. This opens the relief cross-section.
  • the injection nozzle and pressure line are thus connected to the fuel return. The injection pressure drops quickly and the control piston closes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein 3/2-Wegeventil zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff in einem Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einer ersten Schaltstellung, in der ein Einspritzdüse mit einem Kraftstoffrücklauf in Verbindung steht, und mit einer zweiten Schaltstellung, in der die Einspritzdüse mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher in Verbindung steht. Um die Funktion und die Qualität der Einspritzung zu verbessern, umfasst das 3/2-Wegeventil einen kraftausgeglichenen Steuerkolben (44), wobei die Steuerkante des Steuerkolbens (44) durch ein Sackloch (50) druckausgeglichen ist.

Description

Sitz/Schieber-Ventil m t Druckausgleichsstift
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein 3/2 -Wegeventil zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff m einem Common-Rail- Emspritzsystem einer Brennkraf maschine, mit einem in einem Ventilkόrper geführten Steuerkolben, wobei der Steuerkolben in einer ersten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen Injektor und einem Kraftstoffrucklauf freigibt und wobei der Steuerkolben in einer zweiten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen Injektor und einem Kraftstoffhochdruckspeicher freigibt .
Ein derartiges 3/2-Wegeventιl ist bspw. aus der DE 197 24 637 AI bekannt. In Common-Rail-Emspritzsystemen fordert eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff in den zentralen Hochdruckspeicher, der als Common-Rail bezeichnet wird Von dem Rail führen Hochdruckleitungen zu den einzelnen Injektoren, die den Motorzylindern zugeordnet sind. Die Injektoren werden einzeln von der Motorelektronik angesteuert. Wenn das Steuerventil öffnet, gelangt mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff an der gegen die Vorspannkraft einer Dusenfeder abgehobenen Dusennadel vorbei in den Verbrennungsraum. Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktion und die Qualität der Einspritzung zu verbessern. Darüber hinaus soll das erfindungsgemäße Steuerventil einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein.
Die Aufgabe ist bei einem 3/2-Wegeventil zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff in einem Common-Rail- Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem in einem Ventilkörper geführten Steuerkolben, wobei der Steuerkolben in einer ersten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen Injektor und einem Kraftstoffrücklauf freigibt, wobei der Steuerkolben in einer zweiten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen Injektor und einem Kraf stoffhochdruckspeicher freigibt erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Steuerkolben kraftausgeglichen ist.
Vorteile der Erfindung
Durch den vollständigen oder teilweisen Druckausgleich des Steuerkolbens genügen kleinste Kräfte für eine Steuerbewegung des entsprechenden Steuerkolbens, so dass der Steuerkolben direkt ansteuerbar ist. Sämtliche Ventilflächen, die in direkter Verbindung mit der Einspritzdüse stehen, sind so ausgelegt, dass sie keine unerwünschten Druckstöße auf den Steuerkolben ausüben können. Die im Betrieb auf die Steuerkolben wirkenden Kräfte stammen entweder von Federn oder von Druckflächen, die während der Bewegungsphase der Steuerkolben keinerlei Kraftsprünge oder unkontrollierten Druckänderungen erfahren. Die Größe des Zumess- bzw. Absteuerquerschnitts kann beliebig groß ausgeführt sein.
Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Steuerkolben zwei Führungen mit einem größeren Führungsdurchmesser und einem kleineren Führungsdurchmesser aufweist, dass der Steuerkolben eine mit dem kleineren Führungsdurchmesser zusammenwirkende Steuerkante aufweist, dass in dem der Steuerkante abgewandten Ende des Steuerkolbens ein Sackloch ausgebildet ist, dass das Sackloch über eine Bohrung mit Druck beaufschlagbar ist, und dass in der Bohrung eine Drossel vorgesehen ist. Der in dem Sackloch herrschende Druck erzeugt eine Kraft, die in Schließrichtung des Steuerkolbens wirkt . Diese Kraft sorgt nach dem Öffnen für einen Druckausgleich an dem Steuerkolben. Die Größe der Kraft hängt vom Durchmesser des Sacklochs ab. Wenn die wirksame Querschnittsfläche des Sacklochs der vom größeren Führungsdurchmesser und dem kleineren Führungsdurchmesservon begrenzten Ringfläche entspricht, ist der Steuerkolben auf einfache Weise vollständig druckausgeglichen.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist in dem Sackloch ein zusätzlicher Kolben geführt, so dass der Leckagestrom verringert und der Druckausgleich beschleunigt wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist an dem Steuerkolben eine Umfangsnut ausgebildet ist, die in zusammengebautem Zustand des 3/2-Wegeventils im Bereich von mindestens einer KraftstoffrücklaufÖffnung angeordnet ist, so dass die Unterseite des Steuerkolbens drucklos bleibt und es Druckspitzen auf den Steuerkolben beim Absteuern vermieden werden, was sich insbesondere in der Öffnungsund Schließphase günstig auf die Bewegung des Steuerkolbens auswirken kann. Die Umfangsnut kann auch mit einem beliebigen Druck einer externen Druckquelle beaufschlagt werden, um die Bewegung des Steuerkolbens im Betrieb gezielt zu beeinflussen. Außerdem reduziert die Umfangsnut Drosselungen, so dass die Druckentlastung beschleunigt wird.
Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben zwei Führungen mit einem größeren Führungsdurchmesser und einem kleineren Führungsdurchmesser aufweist, und dass der Steuerkolben eine Ventilsitzkante aufweist, deren Durchmesser dem größeren Führungsdurchmesser entspricht. Das hat zur Folge, dass der Steuerkolben beim Öffnen vollständig druckausgeglichen ist. Die Betätigung des Steuerkolbens kann z.B. über einen bestromten Magneten erfolgen. Bei einer Bestromung des Magneten muss zum Anheben des Steuerkolbens nur die Federvorspannkraft der Schließfeder überwunden werden .
Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite des einen Steuerkolbens mit der Vorspannkraft einer Druckfeder beaufschlagt ist . Die Vorspannkraft der Druckfeder sorgt dafür, dass der zugehörige Steuerkolben in einer Schaltstellung des 3/2- Wegeventils mit seiner Ventilsitzkante in Anlage an der zugehörigen Ventilsitzfläche gehalten wird.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben über einen Piezoaktor betätigt wird. Die Verwendung des Piezoaktors ermöglicht schnellere Schaltzeiten als bei herkömmlichen Ventilen .
3/2 -Wegeventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Verwendung mit einer Einspritzdüse oder einer Düsenhalter-Kombination vorgesehen ist, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen 3/2- Wegeventils nicht nur Common-Rail-Einspritzsystemem zugute kommen .
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Grundsätzlich können die erfindungsgemäßen 3/2-Wegeventile einteilig oder zweiteilig ausgeführt werden. Die Steuerung kann über ein Magnetventil oder einen Piezo-Aktor direkt oder über einen Servokreislauf erfolgen. Von den möglichen Kombinationen dieser Merkmale sind in den Fig. 2 bis 5 exemplarisch Ausführungsbeispiele dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Die anderen möglichen Kombinationen sind, obwohl aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, auch Teil der Erfindung, die unter Schutz gestellt werden soll.
Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 die schematische Darstellung eines Common-Rail - Einspritzsystems ,■
Figur 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 3/2-Wegeventils mit einteiligem Steuerkolben, das direkt über ein Magnetventil gesteuert wird, im Längsschnitt;
Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 3/2 -Wegeventils mit einteiligem Steuerkolben, das direkt über einen Piezo-Aktor gesteuert wird, im Längsschnitt;
Figur 4 eine besonders vorteilhafte Druckentlastung eines erfindungsgemäßen 3/2 -Wegeventils im Längsschnitt und Figur 5 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts VII in Figur 4.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Common-Rail -Einspritzsystem schematisch dargestellt . Aus einem Kraftstofftank 1 wird Kraf stoff mit Hilfe einer Pumpeinheit 2 in einen
Kraftstoffhochdruckspeicher 3 gefördert und mit Hochdruck beaufschlagt. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird dann bedarfsabhängig den einzelnen Zylindern der zu versorgenden Brennkraftmaschine zugeteilt. Die Einspritzung des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffs erfolgt durch Injektoren 4, 5, 6 und 7. ■
In Figur 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur der Injektor 7 dargestellt. Die Versorgung des Injektors 7 mit Kraftstoff erfolgt über ein Zumessventil 8. Das Zumessventil 8 kann, unabhängig von der gewählten Ausführungsform, als eigenständige Baugruppe ausgelegt sein. Dadurch ist es möglich, das Ventil beliebig zwischen dem Kraftstoffhochdruckspeicher 3 und einem Injektor 7 od. dgl . anzubauen, wodurch eine freie Wahl der Leitungslängen zwischen Kraftstoffhochdruckspeicher 3 und Zumessventil 8 und zwischen Zumessventil 8 und Injektor 7 besteht.
Bei dem Zumessventil 8 handelt es sich um ein 3/2- Wegeventil, das elektromagnetisch betätigt wird. In der in Figur 1 dargestellten Schaltstellung ist die Verbindung zwischen dem Kraftstoffhochdruckspeicher 3 und einem Hochdruckanschluss 10 des Injektors 7 unterbrochen. Der Hochdruckanschluss 10 des Injektors 7 ist in der in Figur 1 dargestellten Schaltstellung des Zumessventils 8 mit einem Kraftstoffrücklauf 9 verbunden.
Bei einer Betätigung des Zumessventils 8 wird in die zweite, in Figur 1 nicht dargestellte, Schaltstellung umgeschaltet. In der zweiten Schaltstellung ist der Hochdruckanschluss 10 des Injektors 7 direkt mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 3 verbunden. In dieser Schaltstellung gelangt mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher 3 über den Hochdruckanschluss 10 in einen Druckraum 11, der in dem Injektor 7 ausgebildet ist. Wenn der Druck in dem Druckraum 11 einen bestimmten Wert überschreitet, hebt eine gegen eine Düsenfeder 13 vorgespannte Düsennadel 12 von ihrem Sitz ab und mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff wird in den Brennraum 14 der zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt .
Das Zumessventil 8 kann als sogenanntes Sitz-Schieber- Ventil ausgebildet sein. Bei einem Sitz-Schieber-Ventil ist eine Dichtfläche als Liniendichtung und die andere Dichtfläche als Schieberdichtung ausgeführt. Das Zumessventil 8 kann aber auch Sitz-Sitz -Ventil mit zwei Ventilsitzen ausgeführt sein.
Bei bekannten Sitz-Sitz-Ventilen hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgestellt, dass die Belastung der Steuerkolben mit sehr hohen Druckkräften ungünstig ist. Bereits geringfügige Veränderungen in der Größe der Druckflächen zeigen starke Einflüsse auf die Geschwindigkeit der Steuerkolben und damit auch deutliche Einflüsse auf die Funktion des 3/2-Wegeventils .
In Figur 2 ist als ein Sitz/Schieber-Ventil ausgebildetes Zumessventil 8 mit nur einem Steuerkolben 44 dargestellt. Die Bewegung des Steuerkolbens 44 wird direkt durch einen Elektromagneten gesteuert . Die direkte Steuerung der Bewegung des Steuerkolbens ist jedoch nur dann möglich, wenn die erforderlichen Magnetkräfte in bestimmten Grenzen gehalten werden können. Zu diesem Zweck uss der Steuerkolben 44 in der Offnungs- und Schließphase möglichst vollständig druckausgeglichen sein.
Bei der in Figur 2 dargestellten Schaltstellung des Zumessventils 8 ist eine Verbindung zwischen einem KraftstoffZulauf 40 und einem Anschluss 41 für den Injektor 7 (nicht dargestellt) unterbrochen. Gleichzeitig ist eine Verbindung zwischen dem Anschluss 41 und einem Kraftstoffrücklauf 42 geöffnet. In der in Figur 2 dargestellten Schaltstellung wird der Steuerkolben 44 mit Hilfe einer Druckfeder 45 gegen seinen Ventilsitz 46 gedrückt. In dieser Schaltstellung kann der Druck an dem Injektor über Abflachungen 48 in die geöffnete Schieberdichtung abgebaut werden, die an dem Umfang des Steuerkolbens 44 ausgebildet sind. In dem zu der Druckfeder 45 gewandten Ende des Steuerkolbens 44 ist ein zentrales Sackloch 50 ausgespart. Das Sackloch 50 steht über eine Bohrung 51 mit einer Längsbohrung 49 in Verbindung, in welcher der Steuerkolben 44 hin- und herbewegbar aufgenommen ist. In dem Sackloch 50 ist ein Kolben 52 hin- und herbewegbar aufgenommen. Der Kolben 52 ist am Ventilgehäuse abgestützt. Über den Durchmesser der Bohrung 51 kann eine gewünschte Drosselwirkung eingestellt werden, die zu einer zeitlichen Verzögerung des Druckausgleichs führt .
Der Steuerkolben 44 besitzt zwei Führungen. Da der Durchmesser des Ventilsitzes 46 dem oberen Durchmesser des Steuerkolbens 44 entspricht, ist der Steuerkolben 44 beim Öffnen vollständig druckausgeglichen. Bei einer Bestromung des Magnetventils zum Anheben des Steuerkolbens 44 müssen nur die Kräfte der Druckfeder 45 überwunden werden. Nach dem Anheben des Steuerkolbens 44 und damit dem Öffnen des Ventilsitzes 46 füllt sich das Ventil über den KraftstoffZulauf 40 mit dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff. Eine Druckwelle läuft mit Schallgeschwindigkeit durch den Anschluß 41 zum Injektor und die Einspritzung beginnt .
Da der Steuerkolben 44 zwei Führungen besitzt, ist er nach dem Öffnen nicht mehr druckausgeglichen. In Öffnungsrichtung wirken zusätzliche hydraulische Kräfte, die an der resultierenden Kreisringfläche zwischen unterer und oberer Führung des Steuerkolbens angreifen. Diese Kräfte müssen ausgeglichen werden, da sie gegen die Druckfeder 45 wirken und ein Schließen des Steuerkolbens 44 verhindern. Der Druckausgleich wird durch das Sackloch 50 ermöglicht. Über die Bohrung 51 ist gewährleistet, dass der Hydraulikdruck in dem Sackloch 50 angreift und Kräfte in Schließrichtung des Steuerkolbens- 44 erzeugt. Diese Kräfte hängen vom Durchmesser des Sacklochs 50 ab, wobei die Fläche der Verbindungsbohrung 51 abgezogen werden muss . Wenn die Druckfläche in dem Sackloch 50 so groß wie die Kreisringfläche zwischen oberer und unterer Führung ist, dann ist der Steuerkolben 44 vollständig druckausgeglichen. Der Durchmesser des Sacklochs 50 kann aber auch größer als die Druckfläche an dem Steuerkolben 44 sein. Dadurch können zusätzliche Kräfte erzeugt werden, die ein beschleunigtes Schließen ermöglichen. Die zusätzlichen Schließkräfte sollten jedoch so gering bleiben, dass das Kräftegleichgewicht nicht zu stark verschoben wird.
Der in dem Sackloch 50 geführte Kolben 52 verhindert, dass mit Druck beaufschlagter Kraftstoff permanent aus dem Kompensationsraum in den Leckölrücklauf strömt. Als Kompensationsraum wird der von dem Kolben 52 freigelassene Raum des Sacklochs 50 bezeichnet. Das Volumen des Kompensationsraums ist entscheidend dafür, in welcher Zeit nach dem Öffnen des Ventilsitzes 46 der Druckausgleich stattfindet. Bei einem großen Volumen ist die Zeit zum Einströmen und zum Druckaufbau länger. Da in der Regel kleine Voreinspritzmengen realisiert werden sollen und nach der Voreinspritzung das Ventil wieder schließen soll, ist das Volumen möglichst gering zu halten.
Bei dem in Figur 1 dargestellten druckgesteuerten Common- Rail-System liegt nur dann Kraftstoffdruck an dem Injektor (nicht dargestellt) an, wenn eingespritzt werden soll.
In Figur 3 ist ein Zumessventil 8 dargestellt, bei dem ein Steuerkolben 56 mit Hilfe einer Piezokeramik aktiviert wird .
Das in Figur 3 dargestellte Zumessventil umfasst einen Ventilkörper 53, in dem ein durch eine Feder 64 vorgespannter Steuerkolben 56 hin- und herbewegbar aufgenommen ist. Der Steuerkolben 56 ist zwischen zwei Stellungen über einen hydraulischen Übersetzerkolben 60 hin- und herbewegbar, der über einen Piezoaktor betätigbar ist. In der in Figur 3 dargestellten Stellung des Steuerkolbens 56 ist ein Dichtsitz 57 geschlossen. Bei geschlossenem Dichtsitz 57 ist die Verbindung zwischen einem Kraftstoffzulauf 54 und einem Anschluss 55 für eine Verbindung zum Injektor (nicht dargestellt) unterbrochen. Gleichzeitig ist eine Verbindung zwischen dem Anschluss 55 und einem Kraftstoffrücklauf 58 geöffnet. Auf diese Art und Weise kann der (nicht dargestellte) Injektor druckentlastet werden, solange keine Einspritzung erfolgt. Wenn der Steuerkolben 56 von seinem Dichtsitz 57 abhebt, wird gleichzeitig die Verbindung zwischen dem Anschluss 55 und dem Kraftstoffrücklauf 58 unterbrochen. In dieser zweiten, in Figur 3 nicht dargestellten, Stellung des Steuerkolbens 56 gelangt mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff von dem Kraftstoffzulauf 54 über den Anschluss 55 zum Injektor, aus dem die Einspritzung erfolgt.
Bei der Öffnungsbewegung des Steuerkolbens 56 wird ein in einem Koppelraum 59 enthaltenes Hydraulikmedium, z.B. Kraftstoff, von einem Übersetzerkolben 60 verdrängt. Der Übersetzerkolben 60 wird durch einen Piezoaktor 69 betätigt .
In dem von dem Koppelraum 59 abgewandten Ende des Steuerkolbens 56 ist ein zentrales Sackloch 62 ausgespart, in dem ein Druckausgleichskolben 61 hin- und herbewegbar aufgenommen ist. Der Druckausgleichskolben 61 ist zum Gehäuse hin an einer Verschlussschraube abgestützt. Das Sackloch 62 steht über eine Bohrung 63 mit dem Inneren des Ventilkörpers 53 in Verbindung.
Der Steuerkolben 56 besitzt zwei Führungen. Da der Durchmesser des Hochdruckdichtsitzes 57 dem oberen Führungsdurchmesser des Steuerkolbens 56 entspricht, ist der Steuerkolben 56 beim Öffnen druckausgeglichen und lässt sich demzufolge mit geringen Kräften öffnen. Wenn der Steuerkolben 56 von seinem Dichtsitz 57 abgehoben ist, wirken zusätzliche Kräfte in Öffnungsrichtung, da die untere Führung des Steuerkolbens 56 einen kleineren Durchmesser als der Dichtsitz 57 aufweist. Diese zusätzlichen Kräfte wirken entgegen der Schließfeder 64 des Steuerkolbens 56 und müssen kompensiert werden.
Der zur Kompensation der zusätzlichen Kräfte erforderliche Druckausgleich wird durch das Sackloch 62 ermöglicht. Wenn der Steuerkolben 56 von seinem Hochdruckdichtsitz 57 abgehoben ist, besteht eine Verbindung von dem Sackloch 62 über die Bohrung 63 zum Hochdruck. Die Druckbeaufschlagung des Sacklochs 62 erzeugt Kräfte in Schließrichtung des Steuerkolbens 56. Die Größe der Kräfte wird durch die Querschnittsfläche des Sackloches 62 bestimmt. Wenn die Druckfläche des Sacklochs 62 so groß ist wie die Kreisringfläche zwischen oberer und unterer Steuerkolbenführung, dann ist der Steuerkolben 56 vollständig druckausgeglichen und kann durch die Kräfte der Schließfeder 64 einfach geschlossen werden. Der Durchmesser des Sacklochs 62 kann auch größer als die Druckfläche an dem Steuerkolben 56 sein. Dadurch lassen sich zusätzliche Kräfte für ein beschleunigtes Schließen des Steuerkolbens 56 erzeugen. Der in dem Sackloch 62 geführte Druckausgleichskolben 61 verhindert, dass permanent Kraftstoff aus dem Druckausgleichsraum des Sacklochs 62 in den Kraftstoffrücklauf strömt .
Durch die Piezokeramik werden schnellere Schaltzeiten ermöglicht als bei herkömmlichen Ventilen. Außerdem wird die Anzahl der verwendeten Bauteile reduziert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Aktoreinheit kompakt und kurz ausgebildet werden kann. Des Weiteren ist die Hubkurve des Piezoaktors regelbar. Durch den Verzicht auf einen aufwendigen Servokreislauf verringert sich der Fertigungsund Prüfaufwand erheblich.
In den Figuren 4 und 5 ist eine besondere Form der Druckentlastung dargestellt. Diese Druckentlastung ist bei allen Ausführungsformen der Erfindung einsetzbar und wird nachfolgend exemplarisch anhand eines einteiligen Steuerkolbens beschrieben.
Bei den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ist ein Ventilgehäuse 65 mit einem Kraftstoffzulauf 66 ausgestattet. Außerdem ist in dem Ventilgehäuse 65 eine Verbindung 67 zu einem (nicht dargestellten) Injektor vorgesehen. Darüber hinaus weist das Ventilgehäuse 65 einen Kraftstoffrücklauf 68 auf. In dem Ventilgehäuse 65 ist ein Steuerkolben 70 hin- und herbewegbar aufgenommen.
Wie man am Besten in der ausschnittsweisen Vergrößerung von Figur 5 erkennt, ist an dem Steuerkolben 70 eine Durchmessererweiterung 71 ausgebildet. Die Durchmessererweiterung 71 geht über in einen zylindrischen /Abschnitt 72 mit einem größeren Außendurchmesser. In dem zylindrischen Abschnitt 72 des Steuerkolbens 70 ist im Bereich des Kraftstoffrücklaufs 68 eine Umfangsnut 73 ausgebildet. Der Entlastungshub des Steuerkolbens 70 ist mit 74 bezeichnet.
Durch die Umfangsnut 73 wird eine Druckbeaufschlagung der Unterseite des Steuerkolbens 70 vermieden. Eine solche Druckbeaufschlagung würde der Schließkraft des Steuerkolbens 70 entgegenwirken und ist daher unerwünscht. Dabei könnten sich insbesondere in der Offnungs- und Schließphase etwaige Druckstöße ungünstig auf die Bewegung des Steuerkolbens auswirken. Außerdem werden durch die Umfangsnut 73 Drosselungen vermieden, so dass eine schnellere Druckentlastung erreicht wird. Durch die umlaufende Nut 73 kann die Absteuermenge direkt am Entlastungshub gesammelt und dem Kraftstoffrücklauf 68 zugeführt werden. Dadurch wird der Druck auf der Rückseite des Steuerkolbens 70 vom Druck hinter dem Enlastungshub 74 abgekoppelt. Dadurch werden Druckspitzen auf den Steuerkolben 70 beim Absteuern vermieden.
Durch Bestromung eines Magnetventils (nicht dargestellt) wird der oberhalb des Steuerkolbens 70 vorgesehene Steuerraum entlastet. Der Steuerkolben 70 macht auf diese Weise eine Hubbewegung und die Verbindung zwischen KraftstoffSpeicher und Einspritzdüse wird hergestellt. Die Verbindung zum Kraftstoffrücklauf , die bis dahin noch geöffnet ist wird durch die weitere Hubbewegung unterbrochen, da die Absteuerkante an dem Steuerkolben 70 in das Ventilgehäuse 65 eintaucht.
Das Ende der Einspritzung wird durch Beendigung der Bestromung des Magnetventils eingeleitet, in dessen Folge das Magnetventil die Ablaufdrossel verschließt. Dadurch baut sich im Steuerraum durch die Zulaufdrossel in dem Steuerkolben wieder ein Druck auf . Durch diesen Druck wird der Steuerkolben wieder in seinen Sitz zurückgeschoben. Dadurch öffnet der Entlastungsquerschnitt. Einspritzdüse und Druckleitung sind so mit dem Kraftstoffrücklauf verbunden. Der Einspritzdruck fällt zügig ab und der Steuerkolben schließt.

Claims

Ansprüche
1. 3/2-Wegeventil zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff in einem Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem in einem Gehäuse (53) geführten Steuerkolben (44) , wobei der Steuerkolben (44) in einer ersten Schaltstellung eine hydraulische ' Verbindung zwischen einem Injektor (7) und einem Kraftstoffrücklauf (42) freigibt, wobei der Steuerkolben (44) in einer zweiten Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen Injektor (7) und einem Kraftstoffhochdruckspeicher (3) freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (44, 70) kraftausgeglichen ist.
2. 3/2-Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (44, 70) zwei Führungen mit einem größeren Führungsdurchmesser und einem kleineren Führungsdurchmesser aufweist, dass der Steuerkolben (44, 70) eine mit dem kleineren Führungsdurchmesser zusammenwirkende Steuerkante aufweist, dass in dem der Steuerkante abgewandten Ende des Steuerkolbens (44, 70) ein Sackloch (50, 62) ausgebildet ist, dass das Sackloch (50, 62) über eine Bohrung (51) mit Druck beaufschlagbar ist, und dass in der Bohrung (51) eine Drossel vorgesehen ist .
3. 3/2 -Wegeventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sackloch (50, 62) ein zusätzlicher Kolben (52) geführt ist.
4. 3/2-Wegeventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Steuerkolben
(70) eine Umfangsnut (73) ausgebildet ist, die im zusammengebauten Zustand des 3/2 -Wegeventils im Bereich von mindestens einer Kraftstoffrücklauföffnung (68) angeordnet ist.
5. 3/2-Wegeventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben
(44, 70) zwei Führungen mit einem größeren
Führungsdurchmesser und einem kleineren Führungsdurchmesser aufweist, dass der Steuerkolben (44, 70) einen Ventilsitz
(46) aufweist, dessen Durchmesser dem größeren Führungsdurchmesser entspricht .
6. 3/2-Wegeventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben
(44, 70) durch eine Schließfeder (45) vorgespannt ist.
7. 3/2-Wegeventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben
(44, 70) über einen Piezoaktor betätigt wird.
8. 3/2-Wegeventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Verwendung mit einer Einspritzdüse oder einer Düsenhalter-Kombination vorgesehen ist.
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