EP1413742B1 - Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1413742B1
EP1413742B1 EP03011894A EP03011894A EP1413742B1 EP 1413742 B1 EP1413742 B1 EP 1413742B1 EP 03011894 A EP03011894 A EP 03011894A EP 03011894 A EP03011894 A EP 03011894A EP 1413742 B1 EP1413742 B1 EP 1413742B1
Authority
EP
European Patent Office
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valve element
fuel injection
control
inner valve
injection apparatus
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03011894A
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English (en)
French (fr)
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EP1413742A1 (de
Inventor
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of EP1413742B1 publication Critical patent/EP1413742B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
    • F02M45/08—Injectors peculiar thereto
    • F02M45/086—Having more than one injection-valve controlling discharge orifices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/46—Valves, e.g. injectors, with concentric valve bodies

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection device for an internal combustion engine, having a housing with an injection region, with a recess provided in the housing, with at least two in the recess coaxially arranged valve elements which cooperate with a valve seat at the injection area, wherein the inner valve element shorter than the outer valve element, wherein an urging device is present, which acts on the inner valve element at least temporarily in the opening direction, wherein a control piston is present, which cooperates with the inner valve element, and wherein the control piston has a pressure surface whose force results in the closing direction and which limits a control room.
  • Such a fuel injection device is known from DE 41 15 477 A1 known.
  • This shows an injection nozzle with two coaxially arranged valve needles.
  • the valve pins are "pressure controlled". This means that they are acted upon by a constant force by a helical compression spring against the valve seat.
  • the two valve needles In the area of the injection end, the two valve needles each have over pressure surfaces whose force results in the direction of opening and at which the injection pressure acts. By increasing the injection pressure, the valve needles can be lifted against the force of the compression springs from the corresponding valve seats.
  • the inner valve needle is connected to a control piston, which in turn has a pressure surface acting in the closing direction. If a high fluid pressure prevails in the control space bounded by the pressure area, a corresponding force acts in the closing direction, which prevents the inner valve needle from being able to lift off the valve seat.
  • the present invention therefore has the object, a force injection device of the type mentioned in such a way that it has better fuel consumption and emissions and at the same time builds compact.
  • EP 0 967 383 A shows an injector in which the inner valve element operates stroke-controlled, but without the aid of a control piston.
  • the inner valve element works "stroke-controlled". This means that the fuel pressure acting on the injection region can have the optimum value for the respective injection, without this affecting the opening behavior of the inner valve element.
  • the inner valve element is opened only when the fluid pressure in the control chamber is lowered for a short time. With such a fuel injection device, a pressure curve is achieved during the injection of the fuel, with which in many applications better emissions and low fuel consumption of the internal combustion engine can be achieved. Due to the short construction of the valve elements, the device is very compact.
  • the inner valve element has a circumferential shoulder on which a first pretensioning device acting in the closing direction is supported.
  • a first pretensioning device acting in the closing direction is supported.
  • Such a paragraph can be easily made by machine on the valve element, and such acting in the closing direction biasing device is also during the startup phase of the internal combustion engine, if in the control room is still no high fuel pressure, ensure that the inner valve member rests against its valve seat and no fuel accidentally the fuel injection device is discharged.
  • the reliability is improved by this training so in a cost effective manner.
  • the first pretensioning device be supported on an sealing sleeve, which comprises a sealing edge, which is acted upon by a second biasing means against the outer valve element.
  • the first and second biasing means are thus connected in series.
  • the corresponding fuel injection device therefore builds comparatively narrow.
  • a further advantageous embodiment of the fuel injection device according to the invention is that the inner valve element is guided in the outer valve element fluid-tight, and that between the control piston and the outer valve element at least partially an annular space is present, which is connected to a low pressure port. Since the inner valve member builds relatively short, the fluid-tight guide must extend only over a relatively short distance. Possibly passing through the guide fuel can reach the low pressure port and be discharged from there as a leakage fluid. Even with a short sealing distance thus the operability of the fuel injection device according to the invention is ensured.
  • control piston comprises a control section on which the pressure surface is present, and a transmission section arranged between valve element and control section, which part constitutes a separate part from the control section.
  • control section on which the pressure surface is present
  • transmission section arranged between valve element and control section, which part constitutes a separate part from the control section.
  • the contact surface of the control section is spherically curved with the transmission section and the corresponding contact surface on the transmission section is designed to be complementary thereto.
  • centering errors that may be present due to manufacturing tolerances can be compensated very easily.
  • this lowers the production costs of the fuel injection device according to the invention and, on the other hand, makes possible a very good and easy mobility of the valve elements.
  • the contact surface of the valve element with the control piston spherically curved and the corresponding contact surface on the control piston is designed to be complementary.
  • the contact surfaces on the transmission section to the control section and the inner valve element are each part of a common spherical surface whose center lies on the central axis of the transmission section.
  • the transfer section can be very easily installed and centered by itself between the control section on the one hand and the inner valve element on the other.
  • a fuel system of an internal combustion engine carries the overall reference numeral 10. It comprises a fuel tank 12, from which an electric fuel pump 14 delivers fuel into a low-pressure fuel line 16.
  • the high pressure fuel pump 18 is driven by a camshaft, not shown, of the internal combustion engine.
  • the high pressure fuel pump 18 delivers the fuel into a fuel rail 20 ("rail").
  • injectors 22 are connected, which are hereinafter referred to as "injectors" for simplicity.
  • injectors 22 inject the fuel directly into a respective associated combustion chamber 24.
  • the connection of the injectors 22 to the fuel rail 20 is accomplished by a high pressure port 26. Via a low-pressure connection 28, the injectors 22 are each connected to a return line 30.
  • the operation of the internal combustion engine, the fuel system 10 and in particular the injectors 22 is controlled or regulated by a control and regulating device 32.
  • the fuel system 10 described above belongs to a direct-injection engine. It can be used both for a gasoline internal combustion engine as well as for a diesel internal combustion engine.
  • the injector 22 comprises a housing 34 with a nozzle body 36, a middle part 38 and an upper part 40 (now and hereinafter the statements "top” and “bottom” refer to the illustration in Figure 2), but in principle it applies that the injector 22 in any location in the room can be installed).
  • the nozzle body 36 has at its end via an injection region 42, which faces the combustion chamber 24 in the installed position.
  • a recess 44 is present, in which two coaxially arranged valve elements 46 and 48 are present.
  • the outer valve element is tubular and has at its lower end a sealing edge 50, which cooperates with a valve seat 52 at the lower end of the recess 44.
  • the inner valve element 48 is guided fluid-tight in the outer valve element 46. Its longitudinal extent corresponds approximately to its diameter.
  • the lower end of the inner valve member 48 tapers conically. In this case, two regions with different conicity are present, between which a sealing edge 54 is formed, which in turn cooperates with a valve seat 56 in the lower region of the recess 44.
  • valve seat 52 Radially inwardly from the valve seat 52 are distributed over the circumference of the nozzle body 36 a plurality of fuel outlet channels 58 present. Still further radially inwardly, radially inwardly of the valve seat 56, there is another row of fuel discharge channels 60 distributed over the circumference of the nozzle body 36.
  • the outer valve element 46 is guided in a fluid-tight manner in the recess 44 in the nozzle body 36 with a guide section 62. Below the guide section 62, the outer valve element 46 has a slightly smaller diameter. The resulting circumferential step forms a pressure surface 64 whose force-resultant is directed in the opening direction of the outer valve element 46.
  • annular space is present between the outer valve element 46 and the wall of the recess 44, which forms a pressure chamber 66. It is connected via a high pressure passage 68 to the high pressure port 26.
  • the outer valve element 46 extends in its longitudinal direction approximately to the upper edge of the nozzle body 36. Its annular upper end wall forms a control surface 70 which defines an annular control chamber 72. After radially inward, the control chamber 72 is bounded by a sealing sleeve 74, which rests with a relatively sharp sealing edge (without reference numeral) on the control surface 70 of the outer valve element 46.
  • the sealing sleeve 74 is acted upon by a tube spring 76 against the control surface 70.
  • the tubular spring 76 is in turn supported on a support ring 78, which rests against a shoulder (without reference numeral) of the recess 44.
  • the inner valve member 48 is considerably shorter than the outer valve member 46. Its upper boundary surface 80 is concave spherical curved. On it lies flat on a complementary thereto contact surface 82 of a transmission rod 84 at. This extends in the recess 44 beyond the nozzle body 36 also into the middle part 38 of the housing 34. An upper end surface 86 of the transmission rod 84 is convexly curved in a spherical shape. At her flat is a complementary thereto contact surface 88 of a cylindrical control part 90 at. This in turn is fluid-tight and slidably guided in the recess 44 in the middle part 38 of the housing 34.
  • the lower contact surface 82 and the upper contact surface 86 of the transmission rod 84 lie on a common spherical surface whose center lies on the central axis of the transmission rod 84. If necessary, a particularly low-friction layer may be present between contacting surfaces.
  • the transmission rod 84 and the control part 90 form a total of a control piston 92.
  • a circumferential shoulder 94 is present, on which a tube spring 96 is supported.
  • the other end of the tube spring 96 is supported on a radially inwardly facing annular web (without reference numeral) of the sealing sleeve 74 from.
  • the diameter of the transmission rod 84th However, the same applies to the ratio between the diameter of the transmission rod 84 and the inner diameter of the sealing sleeve 74.
  • the annular space 98 created in this way is connected to the low pressure port 28 of FIG Injector 22 connected.
  • control part 90 forms a pressure surface 102, which delimits a control chamber 104.
  • the control chamber 104 is connected via a milled into the upper end face of the central part 38 fluid passage 106 with an inlet throttle 108 to the high-pressure passage 68.
  • control chamber 72 is connected via a milled into the lower end face of the central part 38 fluid passage 110 with a flow restrictor 112 to the high pressure passage 68.
  • a 3/3-way valve 114 is present in the upper part 40. Its valve element 116 cooperates with an upper valve seat 118 and a lower valve seat 120. It is moved by an actuator 122, which in turn is controlled by the control and regulating device 32.
  • the valve element 116 is arranged in a switching chamber 124, which is connected in the region of the lower valve seat 120 via a fluid channel with an outlet throttle 126 to the control chamber 104.
  • the switching chamber 124 is connected to the low-pressure connection 28. Laterally from the switching chamber branches off a flow channel 128, which leads via a throttle point 130 to the control chamber 72.
  • the injector 22 works as follows:
  • valve element 116 of the 3/3-way valve 114 is located at the top Valve seat 118 on. In this switching position, the valve element is acted upon by a compression spring (no reference numeral), and in this switching position there is no fluid connection between the two control chambers 72 and 104 and the low pressure port 28. On the other hand, the control chambers 72 and 104 via the high pressure passage 68 and the fluid channels 106 and 110 further connected to the high-pressure port 26.
  • control chambers 72 and 104 thus prevails approximately at the high pressure port 26 applied high fluid pressure, which causes a corresponding in the closing direction of the valve elements 46 and 48 acting hydraulic force on the control surfaces 70 and 102.
  • This hydraulic force acting in the closing direction is greater than the hydraulic force acting on the pressure surface 64 of the outer valve element 46 in the opening direction.
  • the outer valve member 46 is pressed with its sealing edge 50 against the valve seat 52.
  • Fuel can not escape through the fuel exit passages 58.
  • there is only a slight pressure on the pressure surface 57 so that the inner valve element 48 is also pressed against the valve seat 56 via the transmission rod 84 and the control part 90 with its sealing edge 54.
  • valve element 116 of the 3/3-way valve 114 is brought into an intermediate switching position. In this, both control chambers 72 and 104 are connected to the low pressure port 28. Thus, the force acting on the control surface 102 of the control member 90 hydraulic force decreases, so that now acting on the pressure surface 57 hydraulic force can lift the inner valve member 48 with the sealing edge 54 from the valve seat 56, whereby the flow path to the fuel discharge channels 60 from the high pressure port 26 ago is free.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse mit einem Einspritzbereich, mit einer in dem Gehäuse vorhandenen Ausnehmung, mit mindestens zwei in der Ausnehmung koaxial zueinander angeordneten Ventilelementen, welche jeweils mit einem Ventilsitz am Einspritzbereich zusammenarbeiten, wobei das innere Ventilelement kürzer ist als das äußere Ventilelement, wobei eine Beaufschlagungseinrichtung vorhanden ist, welche das innere Ventilelement wenigstens zeitweise in Öffnungsrichtung beaufschlagt, wobei ein Steuerkolben vorhanden ist, welcher mit dem inneren Ventilelement zusammenwirkt, und wobei der Steuerkolben eine Druckfläche aufweist, deren Kraftresultierende in Schließrichtung zeigt und welche einen Steuerraum begrenzt.
  • Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist aus der DE 41 15 477 A1 bekannt. Diese zeigt eine Einspritzdüse mit zwei koaxial zueinander angeordneten Ventilnadeln. Die Ventilnadeln sind "druckgesteuert". Dies bedeutet, dass sie mit einer konstanten Kraft durch eine Schraubendruckfeder gegen den Ventilsitz beaufschlagt werden. Im Bereich des Einspritzendes verfügen die beiden Ventilnadeln jeweils über Druckflächen, deren Kraftresultierende in Öffnungsrichtung zeigt und an denen der Einspritzdruck angreift. Durch eine Erhöhung des Einspritzdrucks können die Ventilnadeln gegen die Kraft der Druckfedern von den entsprechenden Ventilsitzen abgehoben werden.
  • Bei der in der DE 41 15 477 A1 gezeigten Vorrichtung ist die innere Ventilnadel mit einem Steuerkolben verbunden, der wiederum eine in Schließrichtung wirkende Druckfläche aufweist. Wenn in dem durch die Druckfläche begrenzten Steuerraum ein hoher Fluiddruck herrscht, wirkt eine entsprechende Kraft in Schließrichtung, welche verhindert, dass die innere Ventilnadel von dem Ventilsitz abheben kann.
  • Bei der eingangs genannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung werden im Betrieb jedoch in einigen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine keine optimalen Emissions- und Kraftstoff-Verbrauchswerte erzielt. Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Kraft-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie bessere Verbrauchs- und Emissionswerte aufweist und gleichzeitig kompakt baut.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Beaufschlagungseinrichtung auf das innere Ventilelement eine in etwa konstante Öffnungskraft ausübt und dass in dem Steuerraum ein Fluiddruck herrscht, welcher kurzzeitig abgesenkt werden kann.
  • EP 0 967 383 A zeigt einen Injektor, bei dem das innere Ventilelement hubgesteuert arbeitet, jedoch ohne Mithilfe eines Steuerkolbens.
    • Vorteile der Erfindung
  • Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung arbeitet das innere Ventilelement "hubgesteuert". Dies bedeutet, dass der am Einspritzbereich wirkende Kraftstoffdruck den für die jeweilige Einspritzung optimalen Wert haben kann, ohne dass hierdurch das Öffnungsverhalten des inneren Ventilelements beeinflusst wird. Geöffnet wird das innere Ventilelement nur dann, wenn der Fluiddruck in dem Steuerraum kurzzeitig abgesenkt wird. Mit einer solchen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung wird während der Einspritzung des Kraftstoffs ein Druckverlauf erreicht, mit dem in vielen Anwendungsfällen bessere Emissionen und ein geringer Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erzielt werden können. Durch die kurzen Bauweisen der Ventilelemente baut die Vorrichtung dabei sehr kompakt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
  • In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das innere Ventilelement einen umlaufenden Absatz aufweist, an dem sich eine erste, in Schließrichtung wirkende Vorspanneinrichtung abstützt. Ein solcher Absatz kann maschinell am Ventilelement einfach hergestellt werden, und eine derartige in Schließrichtung wirkende Vorspanneinrichtung stellt auch während der Startphase der Brennkraftmaschine, wenn im Steuerraum noch kein hoher Kraftstoffdruck anliegt, sicher, dass das innere Ventilelement an seinem Ventilsitz anliegt und kein Kraftstoff ungewollt von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung abgegeben wird. Die Betriebssicherheit wird durch diese Weiterbildung also in kostengünstiger Art und Weise verbessert.
  • In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass sich die erste Vorspanneinrichtung an einer Dichthülse abstützt, welche eine Dichtkante umfasst, die von einer zweiten Vorspanneinrichtung gegen das äußere Ventilelement beaufschlagt wird. Bei dieser Weiterbildung sind die erste und die zweite Vorspanneinrichtung also in Serie geschaltet. Die entsprechende Kraftstoff-Einspritzvorrichtung baut daher vergleichsweise schmal.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung besteht darin, dass das innere Ventilelement in dem äußeren Ventilelement fluiddicht geführt ist, und dass zwischen dem Steuerkolben und dem äußeren Ventilelement wenigstens bereichsweise ein Ringraum vorhanden ist, welcher mit einem Niederdruckanschluss verbunden ist. Da das innere Ventilelement relativ kurz baut, muss sich auch die fluiddichte Führung nur über eine vergleichsweise kurze Strecke erstrecken. Eventuell durch die Führung hindurchtretender Kraftstoff kann zum Niederdruckanschluss gelangen und von dort als Leckagefluid abgeführt werden. Auch bei einer kurzen Dichtstrecke wird somit die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sichergestellt.
  • Vorgeschlagen wird auch, dass der Steuerkolben einen Steuerabschnitt, an dem die Druckfläche vorhanden ist, und einen zwischen Ventilelement und Steuerabschnitt angeordneten Übertragungsabschnitt umfasst, welcher ein vom Steuerabschnitt separates Teil darstellt. Dies erleichtert die Herstellung der einzelnen Teile, so dass die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung insgesamt preiswert baut. Darüber hinaus können für die einzelnen Abschnitte die für die jeweilige Funktion optimalen Materialien gewählt werden, so beispielsweise für den Steuerabschnitt ein Material, welches in Zusammenwirkung mit dem Gehäuse der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine gute Dichtwirkung entfaltet.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Kontaktfläche des Steuerabschnitts mit dem Übertragungsabschnitt sphärisch gekrümmt und die entsprechende Kontaktfläche am Übertragungsabschnitt hierzu komplementär ausgebildet ist. Hierdurch können Zentrierungsfehler, die aufgrund von Fertigungstoleranzen vorhanden sein können, sehr leicht ausgeglichen werden. Dies senkt zum einen die Herstellkosten der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung und ermöglicht zum anderen eine sehr gute und leichte Beweglichkeit der Ventilelemente. Gleiches gilt auch für jene Weiterbildung, bei welcher die Kontaktfläche des Ventilelements mit dem Steuerkolben sphärisch gekrümmt und die entsprechende Kontaktfläche am Steuerkolben hierzu komplementär ausgebildet ist.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Kontaktflächen am Übertragungsabschnitt zum Steuerabschnitt und zum inneren Ventilelement jeweils Teil einer gemeinsamen Kugelfläche sind, deren Mittelpunkt auf der Mittelachse des Übertragungsabschnitts liegt. In diesem Fall kann der Übertragungsabschnitt sehr einfach eingebaut werden und zentriert sich von selbst zwischen dem Steuerabschnitt einerseits und dem inneren Ventilelement andererseits.
    • Zeichnung
  • Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1:
    eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen; und
    Figur 2:
    einen teilweisen Schnitt durch eine der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen von Figur 1.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In Figur 1 trägt ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 14 Kraftstoff in eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 16 fördert.
  • Diese führt zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 wird von einer nicht dargestellten Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 fördert den Kraftstoff in eine Kraftstoff-Sammelleitung 20 ("Rail"). An diese sind mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 22 angeschlossen, welche nachfolgend der Einfachheit halber als "Injektoren" bezeichnet werden. Die Injektoren 22 spritzen den Kraftstoff direkt in einen ihnen jeweils zugeordneten Brennraum 24 ein.
  • Der Anschluss der Injektoren 22 an die Kraftstoff-Sammelleitung 20 wird durch einen Hochdruckanschluss 26 bewerkstelligt. Über einen Niederdruckanschluss 28 sind die Injektoren 22 jeweils mit einer Rücklaufleitung 30 verbunden. Der Betrieb der Brennkraftmaschine, des Kraftstoffsystems 10 und insbesondere der Injektoren 22 wird von einem Steuer- und Regelgerät 32 gesteuert beziehungsweise geregelt.
  • Man erkennt ohne weiteres, dass das oben beschriebene Kraftstoffsystem 10 zu einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung gehört. Es kann dabei sowohl für eine Benzin-Brennkraftmaschine als auch für eine Diesel-Brennkraftmaschine verwendet werden.
  • Der Aufbau eines der Injektoren 22 wird nun im Detail anhand von Figur 2 erläutert:
  • Der Injektor 22 umfasst ein Gehäuse 34 mit einem Düsenkörper 36, einem Mittelteil 38 und einem Oberteil 40 (jetzt und nachfolgend beziehen sich die Angaben "oben" und "unten" auf die Darstellung in Figur 2; grundsätzlich gilt jedoch, dass der Injektor 22 in einer beliebigen Lage im Raum installiert werden kann). Der Düsenkörper 36 verfügt an seinem Ende über einen Einspritzbereich 42, welcher in Einbaulage dem Brennraum 24 zugewandt ist.
  • Im Gehäuse 34 ist eine Ausnehmung 44 vorhanden, in welcher zwei koaxial zueinander angeordnete Ventilelemente 46 und 48 vorhanden sind. Das äußere Ventilelement ist rohrförmig und verfügt an seinem unteren Ende über eine Dichtkante 50, welche mit einem Ventilsitz 52 am unteren Ende der Ausnehmung 44 zusammenarbeitet. Das innere Ventilelement 48 ist im äußeren Ventilelement 46 fluiddicht geführt. Seine Längserstreckung entspricht insgesamt in etwa seinem Durchmesser. Das untere Ende des inneren Ventilelements 48 läuft konisch spitz zu. Dabei sind zwei Bereiche mit unterschiedlicher Konizität vorhanden, zwischen denen eine Dichtkante 54 gebildet ist, die wiederum mit einem Ventilsitz 56 im unteren Bereich der Ausnehmung 44 zusammenarbeitet. Der konische Bereich am unteren Ende des inneren Ventilelements 48, welcher radial außen von der Dichtkante 54 liegt, bildet eine allgemein auch als Beaufschlagungseinrichtung bezeichnete Druckfläche 57, deren Kraftresultierende in Öffnungsrichtung des inneren Ventilelements 48 gerichtet ist.
  • Radial einwärts vom Ventilsitz 52 sind über den Umfang des Düsenkörpers 36 verteilt mehrere Kraftstoff-Austrittskanäle 58 vorhanden. Noch weiter radial einwärts, radial innerhalb des Ventilsitzes 56, ist eine weitere Reihe von über den Umfang des Düsenkörpers 36 verteilt angeordneten Kraftstoff-Austrittskanälen 60 vorhanden. Das äußere Ventilelement 46 ist mit einem Führungsabschnitt 62 fluiddicht in der Ausnehmung 44 im Düsenkörper 36 geführt. Unterhalb des Führungsabschnitts 62 weist das äußere Ventilelement 46 einen etwas geringeren Durchmesser auf. Die sich hieraus ergebende umlaufende Stufe bildet eine Druckfläche 64, deren Kraftresultierende in Öffnungsrichtung des äußeren Ventilelements 46 gerichtet ist. In etwa von der Druckfläche 64 bis zum unteren Ende des äußeren Ventilelements 46 ist zwischen dem äußeren Ventilelement 46 un der Wand der Ausnehmung 44 ein Ringraum vorhanden, welcher einen Druckraum 66 bildet. Er ist über einen Hochdruckkanal 68 mit dem Hochdruckanschluss 26 verbunden.
  • Das äußere Ventilelement 46 erstreckt sich in seiner Längsrichtung ungefähr bis zum oberen Rand des Düsenkörpers 36. Seine ringförmige obere Stirnwand bildet eine Steuerfläche 70, welche einen ringförmigen Steuerraum 72 begrenzt. Nach radial innen wird der Steuerraum 72 von einer Dichthülse 74 begrenzt, die mit einer relativ scharfen Dichtkante (ohne Bezugszeichen) an der Steuerfläche 70 des äußeren Ventilelements 46 anliegt. Die Dichthülse 74 wird von einer Rohrfeder 76 gegen die Steuerfläche 70 beaufschlagt. Die Rohrfeder 76 stützt sich wiederum an einem Stützring 78 ab, der an einem Absatz (ohne Bezugszeichen) der Ausnehmung 44 anliegt. Durch die Rohrfeder 76 wird also zum einen die Dichthülse 74 mit der Dichtkante gegen die Steuerfläche 70 beaufschlagt, und weiter wird das äußere Ventilelement 46 mit seiner Dichtkante 50 gegen den Ventilsitz 52 gedrückt.
  • Wie ohne weiteres aus Figur 2 hervorgeht, ist das innere Ventilelement 48 erheblich kürzer als das äußere Ventilelement 46. Seine obere Begrenzungsfläche 80 ist konkav sphärisch gekrümmt ausgebildet. An ihr liegt flächig ein eine hierzu komplementäre Kontaktfläche 82 einer Übertragungsstange 84 an. Diese erstreckt sich in der Ausnehmung 44 über den Düsenkörper 36 hinaus in das Mittelteil 38 des Gehäuses 34 hinein. Eine obere Stirnfläche 86 der Übertragungsstange 84 ist konvex sphärisch gekrümmt. An ihr liegt flächig eine hierzu komplementäre Kontaktfläche 88 eines zylindrischen Steuerteils 90 an. Dieses ist wiederum fluiddicht und gleitend in der Ausnehmung 44 im Mittelteil 38 des Gehäuses 34 geführt. Die untere Kontaktfläche 82 und die obere Kontaktfläche 86 der Übertragungsstange 84 liegen auf einer gemeinsamen Kugelfläche, deren Mittelpunkt auf der Mittelachse der Übertragungsstange 84 liegt. Zwischen einander berührenden Kontaktflächen kann gegebenenfalls eine besonders reibungsarme Schicht vorhanden sein.
  • Die Übertragungsstange 84 und das Steuerteil 90 bilden insgesamt einen Steuerkolben 92. Im Bereich des unteren Endes der Übertragungsstange 84 ist ein umlaufender Absatz 94 vorhanden, an dem sich eine Rohrfeder 96 abstützt. Das andere Ende der Rohrfeder 96 stützt sich an einem nach radial innen weisenden Ringsteg (ohne Bezugszeichen) der Dichthülse 74 ab. Auf diese Weise wird die Übertragungsstange 84 und somit auch das innere Ventilelement 48 mit der Dichtkante 54 gegen den Ventilsitz 56 beaufschlagt. Der Durchmesser der Übertragungsstange 84 ist jedoch kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Ventilelements 46. Gleiches gilt auch für das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Übertragungsstange 84 und dem Innendurchmesser der Dichthülse 74. Der auf diese Weise geschaffene Ringraum 98 ist über eine nur gestrichelt dargestellte Leckageleitung 100 mit dem Niederdruckanschluss 28 des Injektors 22 verbunden.
  • Die obere Stirnfläche des Steuerteils 90 bildet eine Druckfläche 102, welche einen Steuerraum 104 begrenzt. Der Steuerraum 104 ist über einen in die obere Stirnfläche des Mittelteils 38 eingefrästen Fluidkanal 106 mit einer Zulaufdrossel 108 mit dem Hochdruckkanal 68 verbunden. Ebenso ist der Steuerraum 72 über einen in die untere Stirnfläche des Mittelteils 38 eingefrästen Fluidkanal 110 mit einer Strömungsdrossel 112 mit dem Hochdruckkanal 68 verbunden.
  • Im Oberteil 40 ist ein 3/3-Wegeventil 114 vorhanden. Dessen Ventilelement 116 arbeitet mit einem oberen Ventilsitz 118 und einem unteren Ventilsitz 120 zusammen. Es wird von einem Aktor 122 bewegt, welcher wiederum vom Steuer- und Regelgerät 32 angesteuert wird. Das Ventilelement 116 ist in einer Schaltkammer 124 angeordnet, die im Bereich des unteren Ventilsitzes 120 über einen Fluidkanal mit einer Ablaufdrossel 126 mit dem Steuerraum 104 verbunden ist. Im Bereich des oberen Ventilsitzes 118 ist die Schaltkammer 124 mit dem Niederdruckanschluss 28 verbunden. Seitlich von der Schaltkammer zweigt ein Strömungskanal 128 ab, der über eine Drosselstelle 130 zum Steuerraum 72 führt.
  • Der Injektor 22 arbeitet folgendermaßen:
  • Wenn keine Einspritzung erfolgen soll, liegt das Ventilelement 116 des 3/3-Wegeventils 114 am oberen Ventilsitz 118 an. In diese Schaltstellung wird das Ventilelement von einer Druckfeder (ohne Bezugszeichen) beaufschlagt, und in dieser Schaltstellung besteht keine Fluidverbindung zwischen den beiden Steuerräumen 72 und 104 und dem Niederdruckanschluss 28. Andererseits sind die Steuerräume 72 und 104 über den Hochdruckkanal 68 und die Fluidkanäle 106 und 110 weiterhin mit dem Hochdruckanschluss 26 verbunden.
  • In den Steuerräumen 72 und 104 herrscht somit in etwa der am Hochdruckanschluss 26 anliegende hohe Fluiddruck, der eine entsprechende in Schließrichtung der Ventilelemente 46 und 48 wirkende hydraulische Kraft an den Steuerflächen 70 und 102 bewirkt. Diese in Schließrichtung wirkende hydraulische Kraft ist größer als die an der Druckfläche 64 des äußeren Ventilelements 46 in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft. Somit wird das äußere Ventilelement 46 mit seiner Dichtkante 50 gegen den Ventilsitz 52 gedrückt. Kraftstoff kann durch die Kraftstoffaustrittskanäle 58 nicht austreten. Ferner liegt an der Druckfläche 57 nur ein geringer Druck an, so dass auch das innere Ventilelement 48 über die Übertragungsstange 84 und das Steuerteil 90 mit seiner Dichtkante 54 gegen den Ventilsitz 56 gedrückt wird.
  • Wenn das Ventilelement 116 des 3/3-Wegeventils 114 am unteren Ventilsitz 120 anliegt, ist der Steuerraum 104 weiterhin vom Niederdruckanschluss 28 getrennt; es besteht nun jedoch eine Fluidverbindung vom Niederdruckanschluss 28 über die Schaltkammer 124 und den Strömungskanal 128 zu dem ringförmigen Steuerraum 72. Somit sinken der Druck im Steuerraum 72 und die entsprechende an der Steuerfläche 70 des äußeren Ventilelements 46 angreifende hydraulische Kraft. Das äußere Ventilelement 46 kommt nun aufgrund der an der Druckfläche 44 angreifenden hydraulischen Kraft mit der Dichtkante 50 vom Ventilsitz 52 frei. Kraftstoff kann daher aus den Kraftstoff-Austrittskanälen 58 austreten. Da gleichzeitig im Steuerraum 104 weiterhin ein hoher Fluiddruck herrscht, reicht die an der Druckfläche 57 angreifende hydraulische Kraft jedoch nicht aus, um auch das innere Ventilelement 48 zu bewegen.
  • Wenn auch aus den Kraftstoff-Austrittskanälen 60 Kraftstoff austreten soll, wird das Ventilelement 116 des 3/3-Wegeventils 114 in eine mittlere Schaltstellung gebracht. In dieser sind beide Steuerräume 72 und 104 mit dem Niederdruckanschluss 28 verbunden. Somit sinkt die an der Steuerfläche 102 des Steuerteils 90 wirkende hydraulische Kraft, so dass nun die an der Druckfläche 57 angreifende hydraulische Kraft das innere Ventilelement 48 mit der Dichtkante 54 vom Ventilsitz 56 abheben kann, wodurch der Strömungsweg zu den Kraftstoff-Austrittskanälen 60 vom Hochdruckanschluss 26 her frei wird.

Claims (8)

  1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (22) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse (34) mit einem Einspritzbereich (42), mit einer in dem Gehäuse (34) vorhandenen Ausnehmung (44), mit mindestens zwei in der Ausnehmung (44) koaxial zueinander angeordneten Ventilelementen (46, 48), welche jeweils mit einem Ventilsitz (52, 56) am Einspritzbereich (42) zusammenarbeiten, wobei das innere Ventilelement (48) kürzer ist als das äußere Ventilelement (46), wobei eine Beaufschlagungseinrichtung (57) vorhanden ist, welche das innere Ventilelement (48) wenigstens zeitweise in Öffnungsrichtung beaufschlagt, wobei ein Steuerkolben vorhanden (92) ist, welcher mit dem inneren Ventilelement (48) zusammenwirkt, und wobei der Steuerkolben (92) eine Druckfläche (102) aufweist, deren Kraftresultierende in Schließrichtung zeigt und welche einen Steuerraum (104) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Ventilelement (48) hubgesteuert arbeitet, dass die Beaufschlagungseinrichtung (57) auf das innere Ventilelement (48) eine in etwa konstante Öffnungskraft ausübt, und dass in dem Steuerraum (104) ein Fluiddruck herrscht, welcher kurzzeitig abgesenkt werden kann.
  2. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (92) einen umlaufenden Absatz (94) aufweist, an dem sich eine erste, in Schließrichtung wirkende Vorspanneinrichtung (96) abstützt.
  3. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (22) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Vorspanneinrichtung (96) an einer Dichthülse (74) abstützt, welche eine Dichtkante umfasst, die von einer zweiten Vorspanneinrichtung (76) gegen das äußere Ventilelement (46) beaufschlagt wird.
  4. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Ventilelement (48) in dem äußeren Ventilelement (46) fluiddicht geführt ist, und dass zwischen dem Steuerkolben (92) und dem äußeren Ventilelement (46) wenigstens bereichsweise ein Ringraum (98) vorhanden ist, welcher mit einem Niederdruckanschluss (28) verbunden ist.
  5. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (92) einen Steuerabschnitt (90), an dem die Druckfläche (102) vorhanden ist, und einen zwischen innerem Ventilelement (48) und Steuerabschnitt (90) angeordneten Übertragungsabschnitt (84) umfasst, welcher ein vom Steuerabschnitt (90) separates Teil darstellt.
  6. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (22) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (88) des Steuerabschnitts (90) mit dem Übertragungsabschnitt (84) sphärisch gekrümmt und die entsprechende Kontaktfläche (86) am Übertragungsabschnitt (84) hierzu komplementär ausgebildet ist.
  7. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (80) des inneren Ventilelements (48) mit dem Steuerkolben (92) sphärisch gekrümmt und die entsprechende Kontaktfläche (82) am Steuerkolben (92) hierzu komplementär ausgebildet ist.
  8. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (22) nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (82, 86) am Übertragungsabschnitt (84) zum Steuerabschnitt (90) und zum inneren Ventilelement (48) jeweils Teil einer gemeinsamen Kugelfläche sind, deren Mittelpunkt auf der Mittelachse des Übertragungsabschnitts (84) liegt.
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