EP1719907A1 - Ventilanordnung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP1719907A1
EP1719907A1 EP06111156A EP06111156A EP1719907A1 EP 1719907 A1 EP1719907 A1 EP 1719907A1 EP 06111156 A EP06111156 A EP 06111156A EP 06111156 A EP06111156 A EP 06111156A EP 1719907 A1 EP1719907 A1 EP 1719907A1
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piston
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control surface
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Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M2200/704—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions

Definitions

  • the invention relates to a valve arrangement of a fuel injection device for internal combustion engines.
  • valve assembly according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the direction of action of the actuator is reversed by means of the hydraulic coupling space and thus the valve piston is also coupled in the opposite direction with the actuator. Thereby a normal energization, i. only during injection, possible.
  • the actuator is surrounded by the common rail pressure and the resulting closing force of the valve piston is greater than the seat force acting on the high pressure fuel inlet in the opening direction, whereby the actuator must actively lift the valve piston from the valve seat.
  • the in Fign. Valve assembly 1 shown 1 and 2 is part of a fuel injector (CR injector) for internal combustion engines and has a control chamber 2, which via a 3/2-way control valve 3 with either a High-pressure fuel inlet 4 or with a drain (leak oil) 5 is connected. As described below, the fuel injection is controlled over the pressure prevailing in the control chamber 2.
  • the high-pressure fuel inlet 4 is connected to a fuel high-pressure accumulator (common rail), not shown.
  • the control valve 3 is designed as a double-seat valve with an axially displaceably guided valve piston 6 , the valve head 7 is displaceable in a valve chamber 8 of the valve housing 9 between two valve positions.
  • the valve head 7 with a conical valve sealing surface 10 closes the valve seat opening (opening diameter d 2 ) of a valve seat 11 (FIG. 2), into which the fuel inlet 4 opens.
  • the valve head 7 closes with a conical valve sealing surface 12, the valve seat opening of a valve seat 13 (Fig. 1), from which the outlet 5 goes off.
  • the control chamber 2 is connected to the valve chamber 8 and thus connected in the closed valve position with the outlet 5 and in the open valve position with the high-pressure fuel inlet 4.
  • the valve piston 6 is displaceably guided in a housing bore by means of a shaft 14 (shaft diameter d 1 ), which is provided between the valve head 7 and its other end formed as a piston plate 15.
  • the piston plate 15 is displaceably guided in a control element 16 of a piezoelectric actuator 17 designed as a booster piston, which is flooded with high pressure via the fuel inlet 4.
  • the adjusting element 16 and the valve piston 6 are coupled in a motion-coupled manner in the opposite direction via a hydraulic coupling space 18 .
  • the coupling space 18 is limited in the opening direction of the valve piston 6, ie to the left, by a control surface 19 of the valve piston 6 and a control surface 20 of the actuating element 16 and radially outwardly by a sealing sleeve 21 which is arranged externally on the actuating element 16.
  • the piston plate 15 defines with its end face or control surface 23 in the closing direction of the valve piston 6, that is to the right, a piston rear space 24, which via wall openings 25 in the adjusting element 16 to the High-pressure fuel inlet 4 is connected.
  • a closing spring 26 is still arranged, which is supported on the adjusting element 16 and acts in the closing direction on the valve piston 6.
  • the control surface 23 of the valve piston 6 acting in the piston rear chamber 24 in the closing direction is larger than its control surface 19 acting in the hydraulic coupling chamber 18 in the opening direction, the difference between the two control surfaces 19, 23 being greater than the valve seat opening of the valve seat 11 connected to the high-pressure fuel inlet 4 is.
  • the control chamber 2 is bounded by a nozzle needle (or an actuating element actuating the nozzle needle) 27 , which is displaceably guided in a bore 28 of the valve housing 9 and cooperates with injection ports, not shown, the lower end.
  • the nozzle needle 27 either releases the injection holes or closes them.
  • valve arrangement 1 The operation of the valve arrangement 1 according to the invention will be described below.
  • the actuator 16 When the piezoelectric actuator 17 is energized, the actuator 16 is pushed to the right, ie in the closing direction of the valve piston 6. This reduces the volume in the coupling chamber 18, and the pressure prevailing in it rises above the rail pressure, so that the valve piston 6 due to Pressure difference between the coupling chamber 18 and piston rear chamber 24 against the action of the closing spring 26 to the left, ie in the opening direction, in its open valve position is pressed.
  • the valve piston 6 lifts from the valve seat 11, and the control chamber 2 is subjected to high pressure, so that the nozzle needle 27, as shown in Fig. 2, shifts down and releases the injection ports for fuel injection.
  • the energization of the piezoelectric actuator 17 is stopped.
  • the return spring 22 pushes the actuator 16 to the left, so back to its starting position shown in FIG.
  • the volume in the coupling chamber 18 increases, and the pressure prevailing therein falls below the rail pressure, so that the valve piston 6 is pressed back to its closed valve position due to the pressure difference between the coupling chamber 18 and piston rear chamber 24 and by the closing spring 26.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung (1) einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen umfasst einen Steuerraum (2), über dessen Druck die Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird, ein 3/2-Wege-Steuerventil (3) mit einem verschiebbaren Ventilkolben (6), der in seiner einen, geschlossenen Ventilstellung einen Hochdruck-Kraftstoffzulauf (4) verschließt und die Verbindung des Steuerraums (2) zu einem Ablauf (5) freigibt und der in seiner anderen, geöffneten Ventilstellung den Ablauf (5) verschließt und die Verbindung des Steuerraums (2) zum Hochdruck-Kraftstoffzulauf (4) freigibt, einen insbesondere piezoelektrischen Stellantrieb (17) mit einem verschiebbaren Stellelement (16), einen hydraulischen Kopplungsraum (18), der in Öffnungsrichtung des Ventilkolbens (6) durch eine Steuerfläche (19) des Ventilkolbens (6) und eine Steuerfläche (20) des Stellelements (16) begrenzt ist, und einen an den Hochdruck-Kraftstoffzulauf (4) angeschlossenen Kolbenrückraum (24), der durch eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (23) des Ventilkolbens (6) begrenzt ist, wobei in der geschlossenen Ventilstellung die auf den Ventilkolben (6) wirkende Schließkraft größer als die wirkende Öffnungskraft ist.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen.
  • Bekannt sind direkt gesteuerte Kraftstoffeinspritzdüsen mit invers betriebenen piezoelektrischen Aktoren, die während den Einspritzungen nicht bestromt und in den Pausen dazwischen bestromt werden. Nachteil einer solchen direkt gesteuerten Kraftstoffeinspritzdüse ist die Dauerbestromung des piezoelektrischen Aktors in den relativ zu den kurzen Einspritzphasen langen Pausen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Ventilanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass der Wirksinn des Stellantriebs mittels des hydraulischen Kopplungsraums umgedreht ist und damit auch der Ventilkolben in entgegengesetzter Richtung mit dem Stellantrieb bewegungsgekoppelt ist. Dadurch ist eine normale Bestromung, d.h. nur während der Einspritzung, möglich. Das Stellelement ist vom CommonRail-Druck umgeben, und die daraus resultierende Schließkraft des Ventilkolbens ist größer als die in Öffnungsrichtung wirkende Sitzkraft am Hochdruck-Kraftstoffzulauf, wodurch der Stellantrieb den Ventilkolben aktiv vom Ventilsitz abheben muss.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
    • Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilanordnung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    die erfindungsgemäße Ventilanordnung in geschlossenem Zustand, in welchem der Steuerraum mit dem Ablauf verbunden ist; und
    Fig. 2
    die erfindungsgemäße Ventilanordnung in geöffnetem Zustand, in welchem der Steuerraum mit dem Hochdruck-Zulauf verbunden ist.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die in Fign. 1 und 2 gezeigte Ventilanordnung 1 ist Teil einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (CR-Injektor) für Brennkraftmaschinen und weist einen Steuerraum 2 auf, der über ein 3/2-Wege-Steuerventil 3 entweder mit einem Hochdruck-Kraftstoffzulauf 4 oder mit einem Ablauf (Lecköl) 5 verbunden ist. Wie unten beschrieben, wird die Kraftstoffeinspritzung über den im Steuerraum 2 herrschenden Druck gesteuert. Der Hochdruck-Kraftstoffzulauf 4 ist an einen nicht gezeigten Kraftstoff-Hochdruckspeicher (Common Rail) angeschlossen.
  • Das Steuerventil 3 ist als Doppelsitzventil mit einem axial verschiebbar geführten Ventilkolben 6 ausgebildet, dessen Ventilkopf 7 in einer Ventilkammer 8 des Ventilgehäuses 9 zwischen zwei Ventilstellungen verschiebbar ist. In der einen, in Fig. 1 gezeigten, geschlossenen Ventilstellung verschließt der Ventilkopf 7 mit einer konischen Ventildichtfläche 10 die Ventilsitzöffnung (Öffnungsdurchmesser d 2) eines Ventilsitzes 11 (Fig. 2), in die der Kraftstoffzulauf 4 mündet. In der anderen, in Fig. 2 gezeigten, geöffneten Ventilstellung verschließt der Ventilkopf 7 mit einer konischen Ventildichtfläche 12 die Ventilsitzöffnung eines Ventilsitzes 13 (Fig. 1), von dem der Ablauf 5 abgeht. Der Steuerraum 2 ist an die Ventilkammer 8 angeschlossen und folglich in der geschlossenen Ventilstellung mit dem Ablauf 5 und in der geöffneten Ventilstellung mit dem Hochdruck-Kraftstoffzulauf 4 verbunden.
  • Der Ventilkolben 6 ist mittels eines Schaftes 14 (Schaftdurchmesser d 1 ), der zwischen dem Ventilkopf 7 und seinem anderen, als Kolbenplatte 15 ausgebildeten Ende vorgesehen ist, in einer Gehäusebohrung verschiebbar geführt. Die Kolbenplatte 15 ist in einem als Übersetzerkolben ausgebildeten Stellelement 16 eines piezoelektrischen Stellantriebs 17 verschiebbar geführt, der über den Kraftstoffzulauf 4 mit Hochdruck geflutet ist. Das Stellelement 16 und der Ventilkolben 6 sind über einen hydraulischen Kopplungsraum 18 miteinander in entgegengesetzter Richtung bewegungsgekoppelt. Der Kopplungsraum 18 ist in Öffnungsrichtung des Ventilkolbens 6, also nach links, durch eine Steuerfläche 19 des Ventilkolbens 6 und eine Steuerfläche 20 des Stellelements 16 sowie radial nach außen durch eine Dichthülse 21 begrenzt, die außen auf dem Stellelement 16 angeordnet ist. Über eine Rückstellfeder 22, die sich am Stellelement 16 abstützt, ist die Dichthülse 21 in Anlage an das Ventilgehäuse 9 gedrückt, wodurch der Kopplungsraum 18 gedrosselt an den Hochdruck-Kraftstoffzulauf 4 angeschlossen ist. Innerhalb des Stellelements 16 begrenzt die Kolbenplatte 15 mit ihrer Stirnseite bzw. Steuerfläche 23 in Schließrichtung des Ventilkolbens 6, also nach rechts, einen Kolbenrückraum 24, der über Wandöffnungen 25 im Stellelement 16 an den Hochdruck-Kraftstoffzulauf 4 angeschlossen ist. Im Kolbenrückraum 24 ist noch eine Schließfeder 26 angeordnet, die am Stellelement 16 abgestützt ist und in Schließrichtung auf den Ventilkolben 6 wirkt. Die im Kolbenrückraum 24 in Schließrichtung wirkende Steuerfläche 23 des Ventilkolbens 6 ist größer als seine im hydraulischen Kopplungsraum 18 in Offnungsrichtungsrichtung wirkende Steuerfläche 19, wobei die Differenz zwischen den beiden Steuerflächen 19, 23 größer als die an den Hochdruck-Kraftstoffzulauf 4 angeschlossene Ventilsitzöffnung des Ventilsitzes 11 ist.
  • Der Steuerraum 2 ist durch eine Düsennadel (oder ein die Düsennadel betätigendes Stellelement) 27 begrenzt, die in einer Bohrung 28 des Ventilgehäuses 9 verschiebbar geführt ist und mit ihrem nicht gezeigten, unteren Ende mit Spritzlöchern zusammenwirkt. Abhängig von dem im Steuerraum 2 herrschenden Druck gibt die Düsennadel 27 die Spritzlöcher entweder frei oder verschließt sie.
  • In dem in Fig. 1 gezeigten geschlossenen Zustand der Ventilanordnung 1 ist der piezoelektrische Stellantrieb 17 nicht bestromt, und das Stellelement 16 durch die Rückstellfeder 22 nach links gedrückt. Die in Öffnungsrichtung auf den Ventilkolben 6 wirkende hydraulische Öffnungskraft ist durch den Öffnungsdurchmesser d2 des Ventilsitzes 11 bestimmt, während die in Schließrichtung auf den Ventilkolben 6 wirkende hydraulische Schließkraft durch den Schaftdurchmesser d1 bestimmt ist. Da d1 > d2 ist, reicht die hydraulische Öffnungskraft bei nichtbestromtem piezoelektrischem Stellantrieb 17 nicht aus, den Ventilkolben 6 gegen die Wirkung der Rückstellfeder 26 aufzusteuern.
  • Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 1 beschrieben.
  • Wenn der piezoelektrische Stellantrieb 17 bestromt wird, wird das Stellelement 16 nach rechts gedrückt, also in Schließrichtung des Ventilkolbens 6. Dadurch verringert sich das Volumen im Kopplungsraum 18, und der darin herrschende Druck steigt über den Raildruck an, so dass der Ventilkolben 6 aufgrund der Druckdifferenz zwischen Kopplungsraum 18 und Kolbenrückraum 24 gegen die Wirkung der Schließfeder 26 nach links, also in Öffnungsrichtung, in seine geöffnete Ventilstellung gedrückt wird. Der Ventilkolben 6 hebt vom Ventilsitz 11 ab, und der Steuerraum 2 wird mit Hochdruck beaufschlagt, so dass sich die Düsennadel 27, wie in Fig. 2 gezeigt, nach unten verschiebt und die Spritzlöcher für eine Kraftstoffeinspritzung freigibt.
  • Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des piezoelektrischen Stellantriebs 17 beendet. Die Rückstellfeder 22 drückt das Stellelement 16 nach links, also zurück in seine in Fig. 1 gezeigte Ausgangslage. Dadurch erhöht sich das Volumen im Kopplungsraum 18, und der darin herrschende Druck sinkt unter den Raildruck ab, so dass der Ventilkolben 6 aufgrund der Druckdifferenz zwischen Kopplungsraum 18 und Kolbenrückraum 24 und durch die Schließfeder 26 nach rechts zurück in seine geschlossene Ventilstellung gedrückt wird.

Claims (8)

  1. Ventilanordnung (1) einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen, umfassend
    - einen Steuerraum (2), über dessen Druck die Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird,
    - ein 3/2-Wege-Steuerventil (3) mit einem verschiebbaren Ventilkolben (6), der in seiner einen, geschlossenen Ventilstellung einen Hochdruck-Kraftstoffzulauf (4) verschließt und die Verbindung des Steuerraums (2) zu einem Ablauf (5) freigibt und der in seiner anderen, geöffneten Ventilstellung den Ablauf (5) verschließt und die Verbindung des Steuerraums (2) zum Hochdruck-Kraftstoffzulauf (4) freigibt,
    - einen insbesondere piezoelektrischen Stellantrieb (17) mit einem verschiebbaren Stellelement (16),
    - einen hydraulischen Kopplungsraum (18), der in Öffnungsrichtung des Ventilkolbens (6) durch eine Steuerfläche (19) des Ventilkolbens (6) und eine Steuerfläche (20) des Stellelements (16) begrenzt ist, und
    - einen an den Hochdruck-Kraftstoffzulauf (4) angeschlossenen Kolbenrückraum (24), der durch eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (23) des Ventilkolbens (6) begrenzt ist,
    wobei in der geschlossenen Ventilstellung die auf den Ventilkolben (6) wirkende Schließkraft größer als die wirkende Öffnungskraft ist.
  2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (16) als Übersetzerkolben ausgebildet ist, in dem der Ventilkolben (6) unter Ausbildung des Kolbenrückraums (24) verschiebbar geführt ist.
  3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/2-Wege-Steuerventil (3) als Doppelsitzventil ausgebildet ist.
  4. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Kopplungsraum (18) radial nach außen durch eine Dichthülse (21) begrenzt ist, die außen auf dem Stellelement (16) angeordnet ist.
  5. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (16) gegen die Wirkung einer Rückstellfeder (22) verschiebbar ist.
  6. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenrückraum (24) eine Schließfeder (26) angeordnet ist, die am Stellelement (16) abgestützt ist und in Schließrichtung auf den Ventilkolben (6) wirkt.
  7. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der geschlossenen Ventilstellung die auf den Ventilkolben (6) wirkende hydraulische Schließkraft größer als die wirkende hydraulische Öffnungskraft ist.
  8. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kolbenrückraum (24) in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (23) des Ventilkolbens (6) größer als seine im hydraulischen Kopplungsraum (18) in Offnungsrichtungsrichtung wirkende Steuerfläche (19) ist und dass die Differenz zwischen den beiden Steuerflächen (19, 23) größer als eine an den Hochdruck-Kraftstoffzulauf (4) angeschlossene Ventilsitzöffnung ist, die der Ventilkolben (6) in seiner geschlossenen Ventilstellung verschließt.
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