EP2057372A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit druckverstärker - Google Patents

Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit druckverstärker

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EP2057372A1
EP2057372A1 EP07786246A EP07786246A EP2057372A1 EP 2057372 A1 EP2057372 A1 EP 2057372A1 EP 07786246 A EP07786246 A EP 07786246A EP 07786246 A EP07786246 A EP 07786246A EP 2057372 A1 EP2057372 A1 EP 2057372A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
pressure
chamber
booster
valve needle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP07786246A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2057372B1 (de
Inventor
Christian Klüting
Christoph Kohnen
Rene Böhm
Udo Kreissig
Peter Voigt
Danny Weigel
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.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP2057372A1 publication Critical patent/EP2057372A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2057372B1 publication Critical patent/EP2057372B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/02—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps
    • F02M57/022—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps characterised by the pump drive
    • F02M57/025—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps characterised by the pump drive hydraulic, e.g. with pressure amplification
    • 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
    • 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
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0031—Valves characterized by the type of valves, e.g. special valve member details, valve seat details, valve housing details
    • F02M63/0047—Four-way valves or valves with more than four ways

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection device for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, with an accumulator chamber (common rail), a leakage line, an injector, in which an axially displaceable injection piston separates a control chamber from a pressure chamber, and with a pressure booster, in which an axially displaceable Pressure booster piston an booster chamber, a spring chamber and a high-pressure chamber separated from each other, wherein a 3/2 way valve is provided, which connects the control chamber of the injector with either the pressure storage space or the leakage line and wherein the pressure chamber of the injector permanently with the pressure storage space and the high-pressure chamber of the booster is connected, according to the preamble of claim 1.
  • a stroke-controlled fuel injection device in which an injection nozzle has a control chamber for controlling a nozzle needle and a nozzle chamber which can be connected to a pressure amplifier.
  • the connection of a differential space of the pressure booster with a leakage line and the connection of the control chamber of the injection nozzle with the leakage line can be controlled by means of a common 3/2-way valve.
  • a fuel injection device which comprises a common pressure storage space (common rail), an injector, a pressure booster and valves for controlling the injection curtain and the pressure intensification.
  • the injector and the pressure intensifier are each controlled by their own 2/2 way valve.
  • a four-way switching valve which has two movable valve elements, each forming a three-way switching valve and each having its own actuator, so that both valve elements can be operated independently.
  • the two valve elements are arranged side by side in a valve housing in respective valve chambers, in each of which two opposite sealing seats are formed, on which the valve elements abut alternately.
  • a control amount in the leakage line or a return is derived or controlled when opening the nozzle needle of the injector. From an energetic point of view, this amount is to be regarded as a leakage quantity and has a negative effect on the efficiency of the system.
  • the invention has for its object to provide a fuel injection device with improved efficiency available.
  • an additional 4/2-way valve is provided, which in a first switching position the booster chamber of the booster and the spring chamber of the booster separated from the pressure accumulator space interconnected and in a second switching position the spring chamber of the booster with the leakage line and the booster chamber of the Pressure booster connects to the pressure storage chamber.
  • booster chamber of the booster and the spring chamber of the booster are permanently connected to each other via a check valve which blocks in the direction of the booster chamber, takes place in combination with the first switching position of the 4/2-way valve after the end of an injection recharging the booster from the volume of the preceding amplifier clock while the booster chamber is filled from the low pressure side of the booster, resulting in a reduced leakage volume and an improved energy balance by low losses of efficiency in strengthening and unreinforced.
  • the permanent connection between the booster chamber of the booster and the spring chamber of the booster as a central bore in the Pressure booster piston formed. This achieves an uncontrollable switchability of the flow between the booster chamber and the high-pressure chamber in dependence on the direction of movement of the pressure intensifier piston and the pressure conditions. In addition, there is a cooling of the pressure booster piston and a resulting, reduced risk of jamming.
  • a second check valve is arranged in the permanent connection between the accumulator chamber and the pressure chamber of the injector upstream of the connection with the high-pressure chamber of the booster, which blocks in the direction of the accumulator chamber.
  • a third check valve is arranged in the permanent connection between the pressure chamber of the injector and the high-pressure chamber of the pressure intensifier upstream of the connection of the accumulator chamber with the pressure chamber of the injector, which in the direction of High pressure chamber of the pressure intensifier locks.
  • the 4-way valve with four ports and a control for selectively opening, closing and / or interconnecting at least two of the four ports formed together
  • the control member in a housing axially between a first position and a second position is displaceable
  • the control member comprises a first valve needle and a second valve needle which are axially aligned with each other in the housing
  • the housing is formed in two parts with a first sleeve and a second sleeve
  • a first valve spring between the two valve pins and a second valve spring between the second valve needle and the housing is arranged such that the second valve spring pushes the valve needles in the axial direction in the first position
  • the first sleeve a first seat, the second sleeve a second and a third seat
  • the first valve needle a first shoulder to Anschla at the first seat of the first sleeve and a second shoulder for abutment with the second seat of the second sleeve and the
  • the four terminals are arranged and formed such that in the first position, a first and a second terminal are closed and a third and a fourth terminal connected to each other and in the second position, the third terminal to the first terminal and the fourth terminal to the second port is connected.
  • the 4/2-way valve is formed with a valve housing, at least two ports and a control for selectively opening, closing and / or interconnecting at least two of the terminals with each other, wherein the control element comprises a first and at least one second valve needle and in the valve housing, a first valve chamber having a first sealing seat in which the first valve needle between a first position, in which the first valve needle is lifted from the first sealing seat, and a second position, in which the first valve needle abuts against the first sealing seat, axially displaceable and is acted upon in the direction of the first position by means of a first valve spring with force, and a number of the second valve needle corresponding number of second valve chambers each having a second sealing seat, in each of which a second valve needle between a first position in which second Ve ntilnadel abuts on the second sealing seat, and a second position in which the second valve needle is lifted from the second sealing seat, axially displaceable and arranged in the direction of the first position
  • ports and two second valve pins are provided, wherein the ports are arranged and connected to the valve chambers, that in the first position, a first port and a second port closed and a third port and a fourth port are connected to each other and in the second position, the third terminal is connected to the first terminal and the fourth terminal is connected to the second terminal.
  • the first valve needle is connected to an actuator, which selectively moves the first valve needle against the force of the first valve spring in the second position.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of a pressure intensifier piston in a schematic sectional view
  • Fig. 4 is a schematic sectional view of an exemplary embodiment of a 4/2-way valve
  • Fig. 5 is a schematic sectional view of a preferred embodiment of a multi-way valve according to the invention.
  • a preferred embodiment of a fuel injection device according to the invention for an otherwise not shown internal combustion engine comprises a high pressure fuel source 10, an accumulator chamber 12, a leakage line or a return 14, an injector 16, a pressure booster 18, a third / 2-way valve 20 and a 4/2 way valve 22.
  • an injection piston or a nozzle needle 24 is arranged axially displaceable, which separates a control chamber 26 from a pressure chamber 28 and injection ports in the closed state (not shown) closes.
  • the pressure booster 18 has an axially displaceable pressure booster piston 30 which separates an booster chamber 32, a spring chamber 34 and a high pressure chamber 36 from each other. In the spring chamber 34, a return spring 38 is arranged.
  • the 4/2-way valve 22 is connected to the accumulator chamber 12, the leakage line 14, the booster chamber 32 of the pressure booster 18 and the spring chamber 34 of the booster 18.
  • the 4/2-way valve 22 is designed such that in a first position, as shown in FIGS. 1 and 2, in which the pressure booster 18 is inactive, the booster chamber 32 of the pressure booster 18 is connected to the spring chamber 34 of the booster 18 and the connections to the accumulator chamber 12 and the leakage line 14 are closed and in a second position in which the pressure booster 18 is active, the booster chamber 32 of the booster 18 to the accumulator chamber 12 and the spring chamber 34 of the booster 18 is connected to the leakage line 14.
  • a first connecting line 40 is provided with a first check valve 42, which establishes a permanent connection between the high pressure chamber 36 of the pressure booster 18 and the booster chamber 32 of the pressure booster 18, wherein the first check valve 42 is arranged and designed such that it in the direction booster chamber 32nd locks.
  • the 3/2-way valve 20 is connected via a second connecting line 44 to the pressure storage chamber 12, with the leakage line 14 and with the control chamber 26 of the injector 16.
  • a second check valve 46 is arranged, which blocks in the direction of the pressure accumulator space 12.
  • the 3/2-way valve 20 is designed such that in a first position, as shown in Fig. 1, in the no injection of fuel takes place (injector closed), the control chamber 26 of the injector 16 via the second connecting line 44 with the pressure storage space 12 connected and the connection to the leakage line 14 is closed. In a second position of the 3/2-way valve 20, in which an injection of fuel takes place (injector 16 open), the control chamber 26 of the injector 16 is connected to the leakage line 14 and the connection to the second connecting line 44 is closed.
  • a third connecting line 48 of the high-pressure chamber 36 of the pressure booster 18 to the second connecting line 44 and thus both with the pressure accumulator chamber 12 and via the 3/2-way valve 20 in its first position with the control chamber 26 of the injector 16 as well as a fourth Connecting line 52 connected to the pressure chamber 28 of the injector 16.
  • a third check valve 50 is arranged, which blocks in the direction of the high-pressure chamber 36 of the pressure booster 18. In the first position of the 3/2-way valve 20, the same pressure prevails on both sides of the injection piston 24, so that the injection piston 24 closes the injector 16 in a known manner because of the surface difference on both sides of the injection piston 24.
  • the pressure in the control chamber 26 of the injector 16 is diverted into the leakage line 14 and the rail pressure in the pressure chamber 28 of the injector 16 lifts the injection piston 24 from its sealing seat and thereby opens the injector 16, so that an injection of fuel takes place.
  • the pressure intensifier 18 can be activated via the 4/2-way valve 22. If this is already activated before the opening of the injector 16 and also during the closing of the injector 16, particularly steep trailing edges result in the injection rate of the fuel during the injection.
  • the booster chamber 32 is filled with fuel from the low pressure side of the booster 18.
  • the two independent valves 20 and 22 is a free choice of Zuschaltzeitrelatess the pressure gain available. It can also be an injection of fuel completely without pressure boost.
  • the 3/2-way valve 20 is used to meter the injection quantity over a predefinable opening period.
  • Each of the switching valves 20 and 22 has its own actuator, so that both switching valves can be operated independently. The increase in efficiency is achieved by using fuel to refill the high-pressure chamber 36 of the pressure booster 18, which has already been used for pressure amplification.
  • the installation space is very limited.
  • the first connecting line 40 with first check valve 42 for filling the high-pressure chamber 36 of the pressure booster 18 from the spring chamber 34 and the booster chamber 32 of the booster 18 as a bore with check valve integrated into the pressure booster piston 30 form , This eliminates dead space and a volume to be guided around the outside of the pressure booster piston 30. This opens up the possibility of uncontrollable switchability of the flow between the booster chamber 32 and the high-pressure chamber 36 as a function of the direction of movement of the pressure booster piston 30 and the pressure conditions. In addition, there is a cooling of the pressure booster piston 30 and a resulting, reduced risk of clamping.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of such a pressure booster piston 30 with integrated first connecting line 40 in the form of a central bore with the first check valve 42.
  • This central bore 40 is used to reload the high-pressure chamber 36 without additional Injektorbohrung with energetically charged fuel from the booster chamber 32.
  • the booster chamber 32 is acted upon by rail pressure and the pressure booster piston 30 moves to "down", ie in Direction of the high-pressure chamber 36.
  • the first check valve 42 is closed during the pressure amplification. After the pressure boost, the pressure conditions are balanced and the pressure booster piston 30 is moved by spring force to "up”, ie in the direction of the booster chamber 32. The first check valve 42 is opened and ensures a fluid flow through the pressure booster piston 30 therethrough.
  • a spring ensures that the first check valve 42 is pressed securely into its sealing seat after completion of the filling phase. This ensures that the pressure booster piston 30 has a reproducible start of delivery, i. as soon as the pressure booster piston 30 is actuated via the 4/2-way valve 22, the fuel begins to compress.
  • exemplary embodiment of a 4/2-way valve to improve the leakage and function of the 4/2-way valve includes four ports 110, 112, 114, 116, a first valve needle 118 and a second valve needle 120 for selective opening Closing and / or interconnecting at least two of the four ports 110, 112, 114, 116 with each other, wherein the valve needles 118, 120 are axially displaceable in a housing between a first position and a second position, wherein the first position is shown ,
  • valve needles 118, 120 are arranged in the housing axially aligned with each other, wherein the housing is formed in two parts with a first sleeve 122 and a second sleeve 124, which abut against each other at a parting plane 125.
  • a first valve spring 126 is disposed between the two valve needles 118, 120 and a second valve spring 128 is disposed between the second valve needle 120 and the second sleeve 124 of the housing such that the second valve spring 128 axially directs the valve needles 118, 120 to the first position suppressed.
  • the first sleeve 122 has a first seat 130 and the second sleeve 124 has a second seat 132 and a third seat 134.
  • the first valve needle 118 has a first shoulder 136 for abutment with the first seat 130 of the first sleeve 122 and a second shoulder 138 for abutment with the second seat 132 of the second sleeve 124 and the second valve needle 120 has a third shoulder 140 for abutment with the second third seat 134 of the second sleeve 124 on.
  • the seats 130, 132, 134 of the sleeves 122, 124 and the shoulders 136, 138, 140 of the valve needles 118, 120 are arranged and configured such that in the first position, the first shoulder 136 of the first valve needle 118 on the first seat 130 of FIG first sleeve 122 and the third shoulder 140 of the second valve needle 120 abuts the third seat 134 of the second sleeve 124 and the second shoulder 138 of the first valve needle 118 from second seat 132 of the second sleeve 124 is spaced.
  • the first shoulder 136 of the first valve needle 118 is spaced from the first seat 130 of the first sleeve 122 and the third shoulder 140 of the second valve needle 120 is spaced from the third seat 134 of the second sleeve 124 and strikes the second shoulder 138 of the first valve needle 118 on the second seat 132 of the second sleeve 124 at.
  • the four terminals 110, 112, 114, 116 are arranged and configured such that in the first position a first terminal 110 and a second terminal 112 are closed and a third terminal 114 and a fourth terminal 116 are connected to one another. In the second position, the third port 114 is connected to the first port 110 and the fourth port 116 is connected to the second port 112.
  • the first valve needle 118 is connected to an actuator 142 which selectively moves the first and second valve pins 118, 120 against the force of the second valve spring 128 to the second position.
  • the first valve spring 126 serves as a coupling spring for the two valve needles 118, 120 and compensates for length tolerances and ensures the static accuracy of the sealing seat. In the present case, this is a series connection of the individual sealing seats 130/136, 132/138 and 134/140.
  • the 4/2-Wegeve ⁇ til is in the first position (rest position) when the actuator 142 is not energized and by the second valve spring 128, the two valve needle 118, 120 abut in their respective seat 130, 134.
  • the spring force of the second valve spring 128 is overcome and the two valve needles 118, 120 lifted from the seats 130, 134 and finally the first valve needle 118 is pressed into the second seat 132.
  • the first valve spring 126 is provided. This must be able to transmit the sealing force for the first seat 130 to the first valve needle 118. The system is thus statically determined.
  • the first port 110 is connected to the pressure accumulator chamber 12, the second port 1 12 is connected to the leakage line 14, the third port 114 is connected to the booster chamber 32 of the pressure booster 18 and the fourth port 1 16 is connected to the spring chamber 34 of the booster 18.
  • the illustrated in Fig. 5, preferred embodiment of a multi-way valve according to the invention is intended to improve the function of a multi-way valve and is designed as a 4/2-way valve and includes a valve housing 210, a first valve needle 212, which is arranged in a first valve chamber 214, and two second Valve needles 216, which are each arranged in a second valve chamber 218.
  • a first sealing seat 220 is formed and the first valve needle 212 is in the first valve chamber 214 axially between a first position in which the first valve needle 212 is lifted from the first sealing seat 220, and a second position in which the first Valve needle 212 rests against the first sealing seat 220, displaceable.
  • a first valve spring 222 acts on the first valve needle 212 in the direction of the first position with force.
  • the first valve needle 212 is connected to an actuator 223 which selectively moves the first valve needle 212 against the force of the first valve spring 222 to the second position.
  • a second valve spring 226 acts on the second valve needle 216 in the direction of the first position with force.
  • Each second valve chamber 218 has an opening to the first valve chamber 214, wherein the respective second valve needle 216 engages through this opening in the first valve chamber 214 and abuts against the first valve needle 212.
  • the second valve pins 216 abut on a side of the first valve needle 212 facing away from the actuator 223. In this way, movement of the first valve needle 212 is transmitted to the second valve needles 216, i. when the actuator 223 moves the first valve needle 212 from the first position to the second position, thereby closing the first sealing seat 220, the second valve pins 216 are also moved to the second position and the second sealing seat 224 is opened in each second valve chamber 218.
  • the first sealing seat 220 and the second sealing seats 224 are oppositely directed and the second valve chambers 218 are arranged in the direction of movement of the first valve needle 212 in the second position in the illustration below the first valve chamber 214.
  • valve housing 210 four ports 230, 232, 234, 236 are formed, wherein a first port 230 with a second valve chamber 218, a second port 232 with the other second valve chamber 218, a third port 234 with the first valve chamber 214 and one of second valve chambers 218 and the fourth port 236 with the first valve chamber 214 and the other second valve chamber 218 is connected.
  • first position the first terminal 230 and the second terminal 232 are closed and the third terminal 234 and the fourth Port 236 via the first valve chamber 214 connected to each other.
  • the third port 234 is connected to the first port 230 via one of the second valve chambers 218 and the fourth port 236 is connected to the second port 232 via the other second valve chambers 218.
  • the abutment surfaces between the first valve needle 212 and the second valve needles 216 are formed as sealing surfaces.
  • the second valve chambers 218 are sealingly separated from one another and from the first valve chamber 214.
  • This switching valve realizes a sealing seat parallel circuit and obtains its static definiteness about the fact that there is an idle stroke between the second valve pins 216 and the first valve needle 212.
  • the idle state of the switching valve is in the de-energized state of the actuator 223, wherein all the valve needles 212, 216 are in the respective first position in which the first sealing seat 220 is open and the second sealing seats 224 are closed.
  • the spring force of the two second valve springs 226 is overcome and the second sealing seats 224 are opened in parallel.
  • the first sealing seat 220 is closed by the first valve needle 212.
  • the first connection 230 is connected to the pressure storage chamber 12
  • the second connection 232 is connected to the leakage line 14
  • the third connection 234 is connected to the booster chamber 32 of the pressure booster 18
  • the fourth connection 236 is connected to the spring chamber 34 of the pressure booster 18.

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Description

Beschreibung
Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit Druckverstärker
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Druckspeicherraum (Common Rail), einer Leckageleitung, einem Injektor, in dem ein axial verschiebbarer Einspritzkolben einen Steuerraum von einem Druckraum trennt, und mit einem Druckverstärker, in dem ein axial verschiebbarer Druckverstärkerkolben einen Verstärkerraum, einen Federraum und einen Hochdruckraum voneinander trennt, wobei ein 3/2 -Wegeventil vorgesehen ist, welches den Steuerraum des Injektors wahlweise mit dem Druckspeicherraum oder der Leckageleitung verbindet und wobei der Druckraum des Injektors permanent mit dem Druckspeicherraum und dem Hochdruckraum des Druckverstärkers verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 100 63 545 C1 ist eine hubgesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, bei der eine Einspritzdüse einen Steuerraum zur Ansteuerung einer Düsennadel und einen an einen Druckverstärker anschließbaren Düsenraum aufweist. Die Verbindung von einem Differenzraum des Druckverstärkers mit einer Leckageleitung und die Verbindung von dem Steuerraum der Einspritzdüse mit der Leckageleitung sind mit Hilfe eines gemeinsamen 3/2-Wegeventils steuerbar.
Aus der DE 100 60 089 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung bekannt, die einen gemeinsamen Druckspeicherraum (Common Rail), einen Injektor, einen Druckverstärker und Ventile zur Steuerung des Einspritzvorhangs und der Druckverstärkung umfasst. Der Injektor und der Druckverstärker werden jeweils von einem eigenen 2/2 -Wegeventil angesteuert.
Aus DE 10 2004 053 421 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Druckverstärker bekannt, dessen Kolben einen zentrischen Kanal aufweist, der den Hochdruckraum mit dem Verstärkerraum verbindet und in dem ein Rückschlagventil angeordnet ist.
Aus der DE 602 00 316 T2 ist ein Vierweg Schaltventil bekannt, das zwei bewegliche Ventilelemente aufweist, die jeweils ein Dreiwegeschaltventil ausbilden und jeweils einen eigenen Aktuator aufweisen, so dass beide Ventilelemente unabhängig voneinander betätigt werden können. Die beiden Ventilelemente sind in einem Ventilgehäuse nebeneinander in jeweiligen Ventilräumen angeordnet, in denen jeweils zwei gegenüberliegende Dichtsitze ausgebildet sind, an denen die Ventilelemente wechselweise anschlagen. Bei herkömmlichen, bekannten Common-Rail-Systemen wird beim Öffnen der Düsennadel des Injektors eine Steuermenge in die Leckageleitung bzw. einen Rücklauf abgeleitet bzw. abgesteuert. Aus energetischer Sicht ist diese Menge als Leckagemenge anzusehen und wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad des Systems aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit verbessertem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein zusätzliches 4/2-Wegeventil vorgesehen ist, welches in einer ersten Schaltstellung den Verstärkerraum des Druckverstärkers und den Federraum des Druckverstärkers abgetrennt vom Druckspeicherraum miteinander verbindet und in einer zweiten Schaltstellung den Federraum des Druckverstärkers mit der Leckageleitung und den Verstärkerraum des Druckverstärkers mit dem Druckspeicherraum verbindet.
Dies hat den Vorteil, dass der Injektor und der Druckverstärker getrennt voneinander und zu beliebigen Zeitpunkten ansteuerbar sind, so dass beispielsweise durch aktives frühes oder spätes oder nicht Zuschalten des Druckverstärkers zu beliebigen Zeitpunkten während eines Einspritzvorganges eine flexible Verlaufsformung des Einspritzdruckes mit steiler Öffnungsflanke am Beginn eines Einspritzvorganges und steiler Schließflanken am Ende eines Einspritzvorganges möglich ist.
Dadurch, dass der Verstärkerraum des Druckverstärkers und der Federraum des Druckverstärkers über ein Rückschlagventil, welches in Richtung des Verstärkerraumes sperrt, miteinander permanent verbunden sind, erfolgt in Kombination mit der ersten Schaltstellung des 4/2-Wegeventils nach dem Ende eines Einspritzvorganges ein Nachladen des Druckverstärkers aus dem Volumen des vorhergehenden Verstärkertaktes wobei gleichzeitig der Verstärkerraum von der Niederdruckseite des Druckverstärkers aufgefüllt wird, wodurch sich ein verringertes Leckagevolumen und eine verbesserte Energiebilanz durch geringe Verluste des Wirkungsgrades beim Verstärken sowie unverstärkt ergibt.
Beispielsweise ist die permanente Verbindung zwischen dem Verstärkerraum des Druckverstärkers und dem Federraum des Druckverstärkers als zentrale Bohrung in dem Druckverstärkerkolben ausgebildet. Dies erzielt eine ungesteuerte Schaltbarkeit des Flusses zwischen dem Verstärkerraum und dem Hochdruckraum in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Druckverstärkerkolbens und der Druckverhältnisse. Zusätzlich ergibt sich eine Kühlung des Druckverstärkerkolbens und eine daraus resultierende, verminderte Klemmgefahr.
Um eine Rückwirkung des Druckausgangs des Druckverstärkers auf den Druckspeicherraum zu verhindern, ist in der permanenten Verbindung zwischen dem Druckspeicherraum und dem Druckraum des Injektors stromauf der Verbindung mit dem Hochdruckraum des Druckverstärkers ein zweites Rückschlagventil angeordnet, welches in Richtung des Druckspeicherraumes sperrt.
Um außerhalb von Einspritzvorgängen eine Trennung des Hochdruckraums des Druckverstärkers von dem Druckspeicherraum zu gewährleisten, ist in der permanenten Verbindung zwischen dem Druckraum des Injektors und dem Hochdruckraum des Druckverstärkers stromauf der Verbindung des Druckspeicherraumes mit dem Druckraum des Injektors ein drittes Rückschlagventil angeordnet, welches in Richtung des Hochdruckraumes des Druckverstärkers sperrt.
Beispielsweise ist das 4/2-Wegeventil mit vier Anschlüssen und einem Steuerelement zum wahlweise Öffnen, Verschließen und/oder miteinander Verbinden von wenigstens zwei der vier Anschlüsse miteinander ausgebildet, wobei das Steuerelement in einem Gehäuse axial zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung verschiebbar ist, wobei das Steuerelement eine erste Ventilnadel und eine zweite Ventilnadel aufweist, die in dem Gehäuse axial miteinander fluchtend angeordnet sind, wobei das Gehäuse zweiteilig mit einer ersten Hülse und einer zweiten Hülse ausgebildet ist, wobei eine erste Ventilfeder zwischen den beiden Ventilnadeln und eine zweite Ventilfeder zwischen der zweiten Ventilnadel und dem Gehäuse derart angeordnet ist, dass die zweite Ventilfeder die Ventilnadeln in axialer Richtung in die erste Stellung drückt, wobei die erste Hülse einen ersten Sitz, die zweite Hülse einen zweiten sowie einen dritten Sitz, die erste Ventilnadel eine erste Schulter zum Anschlagen an dem ersten Sitz der ersten Hülse sowie eine zweite Schulter zum Anschlagen an dem zweiten Sitz der zweiten Hülse und die zweite Ventilnadel eine dritte Schulter zum Anschlagen an dem dritten Sitz der zweiten Hülse aufweist, wobei die Sitze der Hülsen und die Schultern der Ventilnadeln derart angeordnet und ausgebildet sind, dass in der ersten Stellung die erste Schulter der ersten Ventilnadel an dem ersten Sitz der ersten Hülse und die dritte Schulter der zweiten Ventilnadel an dem dritten Sitz der zweiten Hülse anschlägt und die zweite Schulter der ersten Ventilnadel vom zweiten Sitz der zweiten Hülse beabstandet ist und dass in der zweiten Stellung die erste Schulter der ersten Ventilnadel von dem ersten Sitz der ersten Hülse und die dritte Schulter der zweiten Ventilnadel von dem dritten Sitz der zweiten Hülse beabstandet ist und die zweite Schulter der ersten Ventilnadel am zweiten Sitz der zweiten Hülse anschlägt. Dies hat den Vorteil, dass vier Wege durch zwei Schaltstellungen auf einfache Weise schaltbar sind, wobei die in Reihe geschalteten Sitzventile (Sitze der Hülsen mit Schultern der Ventilnadeln) eine Abdichtung ohne statische Leckage gewährleisten. Durch die Modulbauweise des 4/2-Wegeventil ist eine Funktionsüberprüfung ohne Anschluss eines zu schaltenden Bauteils möglich.
Beispielsweise sind die vier Anschlüsse derart angeordnet und ausgebildet, dass in der ersten Stellung ein erster und ein zweiter Anschluss verschlossen und ein dritter sowie ein vierter Anschluss miteinander verbunden sind und in der zweiten Stellung der dritte Anschluss mit dem ersten Anschluss und der vierte Anschluss mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
Zeckmäßigerweise ist die erste Ventilnadel mit einem Aktuator verbunden, welcher wahlweise die erste und zweite Ventilnadel gegen die Kraft der zweiten Ventilfeder in die zweite Stellung bewegt.
In einer alternativen Ausführungsform ist das 4/2-Wegeventil mit einem Ventilgehäuse, wenigstens zwei Anschlüssen und einem Steuerelement zum wahlweise Öffnen, Verschließen und/oder miteinander Verbinden von wenigstens zwei der Anschlüsse miteinander ausgebildet, wobei das Steuerelement eine erste und wenigstens eine zweite Ventilnadel umfasst und in dem Ventilgehäuse eine erste Ventilkammer mit einem ersten Dichtsitz, in der die erste Ventilnadel zwischen einer ersten Stellung, in der die erste Ventilnadel von dem ersten Dichtsitz abgehoben ist, und einer zweiten Stellung, in der die erste Ventilnadel an dem ersten Dichtsitz anschlägt, axial verschiebbar und in Richtung der ersten Stellung mittels einer ersten Ventilfeder mit Kraft beaufschlagt angeordnet ist, und eine der Anzahl der zweiten Ventilnadeln entsprechende Anzahl von zweiten Ventilkammern mit jeweils einem zweiten Dichtsitz, in dem jeweils eine zweite Ventilnadel zwischen einer ersten Stellung, in der die zweite Ventilnadel an dem zweiten Dichtsitz anschlägt, und einer zweiten Stellung, in der die zweite Ventilnadel von dem zweiten Dichtsitz abgehoben ist, axial verschiebbar und in Richtung der ersten Stellung mittels jeweils einer zweiten Ventilfeder mit Kraft beaufschlagt angeordnet ist, ausgebildet ist, wobei jede zweite Ventilkammer eine Öffnung zur ersten Ventilkammer aufweist, durch die die jeweilige zweite Ventilnadel hindurch in die erste Ventilkammer greift, so dass alle zweiten Ventilnadeln an die erste Ventilnadel derart anstoßen, dass die erste Ventilnadel bei einer Bewegung von der ersten Stellung in die zweite Stellung alle zweiten Ventilnadeln entgegen der jeweiligen Kraft der zweiten Ventilfeder in die zweite Stellung drückt, wobei jeder Anschluss mit wenigstens einer der Ventilkammern des Ventilgehäuses verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass ein mechanisch einfaches und in der Funktion zuverlässiges Mehrwegeventil zur Verfügung steht, welches mit nur einem einzigen Aktuator die Funktionalität beispielsweise eines 4/2-Wegeventils zur Verfügung stellt. Durch eine Sitzparallelschaltung wird eine hohe Dichtigkeit gegen Leckageströme erzielt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind vier Anschlüsse und zwei zweite Ventilnadeln vorgesehen, wobei die Anschlüsse derart angeordnet und mit den Ventilkammern verbunden sind, dass in der ersten Stellung ein erster Anschluss und ein zweiter Anschluss verschlossen und ein dritter Anschluss sowie ein vierter Anschluss miteinander verbunden sind und in der zweiten Stellung der dritte Anschluss mit dem ersten Anschluss und der vierte Anschluss mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
Beispielsweise ist die erste Ventilnadel mit einem Aktuator verbunden, welcher wahlweise die erste Ventilnadel gegen die Kraft der ersten Ventilfeder in die zweite Stellung bewegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 eine schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung,
Fig. 2 eine Detailansicht des Druckverstärkers und dessen Verschaltung mit dem 4/2- Wegeventil,
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines Druckverstärkerkolbens in schematischer Schnittansicht,
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines 4/2- Wegeventils und
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrwegeventils.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine ansonsten nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine umfasst eine Hochdruckquelle 10 für Kraftstoff, einen Druckspeicherraum 12, eine Leckageleitung bzw. einen Rücklauf 14, einen Injektor 16, einen Druckverstärker 18, ein 3/2- Wegeventil 20 und ein 4/2 -Wegeventil 22. In dem Injektor 16 ist ein Einspritzkolben bzw. eine Düsennadel 24 axial verschiebbar angeordnet, welche einen Steuerraum 26 von einem Druckraum 28 trennt und in geschlossenen Zustand Einspritzöffnungen (nicht dargestellt) verschließt. Der Druckverstärker 18 weist einen axial verschiebbaren Druckverstärkerkolben 30 auf, der einen Verstärkerraum 32, einen Federraum 34 und einen Hochdruckraum 36 voneinander trennt. In dem Federraum 34 ist eine Rückstellfeder 38 angeordnet.
Das 4/2-Wegeventil 22 ist mit dem Druckspeicherraum 12, der Leckageleitung 14, dem Verstärkerraum 32 des Druckverstärkers 18 und dem Federraum 34 des Druckverstärkers 18 verbunden. Das 4/2-Wegeventil 22 ist dabei derart ausgebildet, dass in einer ersten Stellung, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, bei der der Druckverstärker 18 inaktiv ist, der Verstärkerraum 32 des Druckverstärkers 18 mit dem Federraum 34 des Druckverstärkers 18 verbunden ist und die Anschlüsse zum Druckspeicherraum 12 und zur Leckageleitung 14 verschlossen sind und in einer zweiten Stellung, in der der Druckverstärker 18 aktiv ist, der Verstärkerraum 32 des Druckverstärkers 18 mit dem Druckspeicherraum 12 sowie der Federraum 34 des Druckverstärkers 18 mit der Leckageleitung 14 verbunden ist. Weiterhin ist eine erste Verbindungsleitung 40 mit einem ersten Rückschlagventil 42 vorgesehen, welche eine permanente Verbindung zwischen dem Hochdruckraum 36 des Druckverstärkers 18 und dem Verstärkerraum 32 des Druckverstärkers 18 herstellt, wobei das erste Rückschlagventil 42 derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es in Richtung Verstärkerraum 32 sperrt.
Das 3/2-Wegeventil 20 ist über eine zweite Verbindungsleitung 44 mit dem Druckspeicherraum 12, mit der Leckageleitung 14 und mit dem Steuerraum 26 des Injektors 16 verbunden. In der zweiten Verbindungsleitung 44 ist ein zweites Rückschlagventil 46 angeordnet, welches in Richtung des Druckspeicherraumes 12 sperrt. Das 3/2-Wegeventil 20 ist derart ausgebildet, dass in einer ersten Stellung, wie in Fig. 1 dargestellt, in der keine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt (Injektor geschlossen), der Steuerraum 26 des Injektors 16 über die zweite Verbindungsleitung 44 mit dem Druckspeicherraum 12 verbunden und der Anschluss zur Leckageleitung 14 verschlossen ist. In einer zweiten Stellung des 3/2-Wegeventil 20, in der eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt (Injektor 16 geöffnet), ist der Steuerraum 26 des Injektors 16 mit der Leckageleitung 14 verbunden und der Anschluss zur zweiten Verbindungsleitung 44 verschlossen.
Über eine dritte Verbindungsleitung 48 ist der Hochdruckraum 36 des Druckverstärkers 18 mit der zweiten Verbindungsleitung 44 und damit sowohl mit dem Druckspeicherraum 12 als auch über das 3/2-Wegeventil 20 in seiner ersten Stellung mit dem Steuerraum 26 des Injektors 16 sowie auch über eine vierte Verbindungsleitung 52 mit dem Druckraum 28 des Injektors 16 verbunden. In der dritten Verbindungsleitung 48 ist ein drittes Rückschlagventil 50 angeordnet, welches in Richtung des Hochdruckraumes 36 des Druckverstärkers 18 sperrt. In der ersten Stellung des 3/2-Wegeventil 20 herrscht auf beiden Seiten des Einspritzkolben 24 gleicher Druck, so dass der Einspritzkolben 24 den Injektor 16 wegen der Flächendifferenz auf beiden Seiten des Einspritzkolben 24 in bekannter Weise schließt. In der zweiten Stellung des 3/2-Wegeventil 20 wird der Druck im Steuerraum 26 des Injektors 16 in die Leckageleitung 14 abgesteuert und der Raildruck in dem Druckraum 28 des Injektors 16 hebt den Einspritzkolben 24 von seinem Dichtsitz ab und öffnet dadurch den Injektor 16, so dass eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt. Zusätzlich, jedoch unabhängig von der Betätigung des Injektors 16 mittels des 3/2-Wegeventil 20 kann über das 4/2-Wegeventil 22 der Druckverstärker 18 aktiviert werden. Ist dieser bereits vor dem Öffnen des Injektors 16 und auch noch während des Schließens des Injektors 16 aktiviert, ergeben sich besonders steile Verlaufsflanken der Einspritzrate des Kraftstoffes bei der Einspritzung.
Insgesamt ergibt sich somit eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit Common-Rail-Injektor und Druckverstärkung ohne Steuermengenverlust bei druckverstärkter Einspritzung mit ebenfalls druckverstärktem Schließvorgang. Die erfindungsgemäße Anordnung ist energetisch und hydraulisch sehr günstig. Zum Nachladen des Druckverstärkers 18 nach einem Einspritzvorgang wird das Volumen oberhalb des Druckverstärkerkolbens 30 genutzt und unter Ausnutzung der Kompressibilität des Kraftstoffes in den Hochdruckraum 36 des Druckverstärkers 18 sowie den Federraum 34 des Druckverstärkers 18 geleitet. Der Druckverstärkerkolben 30 wird dabei nach dem Ende eines Einspritzvorgangs mittels der statischen Rückstellfeder 38 in seine in Fig. 2 dargestellte Ausgangsposition zurück bewegt. Die einzige Verlustmenge bei einem Verstärkungstakt ist die Kraftstoffmenge im Federraum 34 des Druckverstärkers 18. Neben extrem steilen Öffnungs- und Schließflanken erzielt dies einen geringst möglichen Verlust des Wirkungsgrades beim verstärkten und unverstärkten Einspritzen von Kraftstoff.
Über die erste Verbindungsleitung 40 und die in der ersten Stellung des 4/2-Wegeventils 22 geschlossene Verbindung 54 zwischen Hochdruckraum 36 und Verstärkerraum 32 des Druckverstärkers 18 wird die in der Kompressibilität gespeicherte Energie genutzt. Der Verstärkerraum 32 wird mit Kraftstoff von der Niederdruckseite des Druckverstärkers 18 aufgefüllt. Durch die beiden voneinander unabhängigen Ventile 20 und 22 steht eine freie Wahl des Zuschaltzeitpunktes der Druckverstärkung zur Verfügung. Es kann auch eine Einspritzung von Kraftstoff vollkommen ohne Druckverstärkung erfolgen. Das 3/2-Wegeventil 20 dient der Zumessung der Einspritzmenge über eine vorgebbare Öffnungsdauer. Jedes des Schaltventile 20 und 22 weist einen eigenen Aktuator auf, so dass beide Schaltventile unabhängig voneinander betätigt werden können. Die Steigerung des Wirkungsgrades erfolgt durch Nutzung von Kraftstoff zum Nachfüllen des Hochdruckraumes 36 des Druckverstärkers 18, welcher bereits zur Druckverstärkung herangezogen wurde. Daraus resultiert auch weniger Lecköl. Durch die Vorspannung mit komprimiertem Kraftstoff wird zusätzlich eine rechteckige Einspritzrate erzielt, der Leerhub des Druckverstärkers 18 verringert und es steht mehr Energie für die Gemischbildung zur Verfügung. Die Steigerung des Wirkungsgrades des Einspritzsystems führt zu einer Verbesserung des Motorwirkungsgrades und verringert den Bedarf an Kühlleistung, so dass ein kleinerer Kraftstoffkühler ausreichend ist.
Beim Nachladen des Druckverstärkers 18 mittels der statischen Feder 38 wird mit der Aufwärtsbewegung des Druckverstärkerkolbens 30 durch die Federkraft die energiegeladene Menge des Verstärkerraumes 36 (Volumen mit 1000 bar) zum Befüllen des Hochdruckraumes 36 genutzt. Da dieses Volumen nicht abgesteuert wird, erhöht sich der Wirkungsgrad des Systems im Verstärkermodus um ca. 15%.
Mit dem Hydraulikschaltbild gemäß der Fig. 1 und 2 ist eine Einspritzverlaufsformung möglich. Durch eine Druckverstärkung ohne Einspritzung erhöht sich der Öffnungsdruck des Injektors 16. Durch eine Verstärkung über den Einspritzverlauf hinaus ist eine extrem steile Absteuerflanke möglich. Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung erzielt man eine Rechteckigkeit des Einspritzverlaufes von bis zu 98%.
Bei einem innendruckverstärkten Commonrailinjektor ist der Bauraum stark begrenzt. Aus diesem Grund wird als weitere bevorzugte Ausführungsform des Druckverstärkerkolbens 30 vorgeschlagen, die erste Verbindungsleitung 40 mit erstem Rückschlagventil 42 zum Auffüllen des Hochdruckraumes 36 des Druckverstärkers 18 aus dem Federraum 34 und dem Verstärkerraum 32 des Druckverstärkers 18 als Bohrung samt Rückschlagventil in den Druckverstärkerkolben 30 integriert auszubilden. Hierdurch entfällt Schadraumvolumen und eine außen um den Druckverstärkerkolben 30 herumzuführende Leitung. Dies eröffnet die Möglichkeit der ungesteuerten Schaltbarkeit des Flusses zwischen dem Verstärkerraum 32 und dem Hochdruckraum 36 in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Druckverstärkerkolbens 30 und der Druckverhältnisse. Zusätzlich ergibt sich eine Kühlung des Druckverstärkerkolbens 30 und eine daraus resultierende, verminderte Klemmgefahr.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines derartigen Druckverstärkerkolbens 30 mit integrierter erster Verbindungsleitung 40 in Form einer zentralen Bohrung mit erstem Rückschlagventil 42. Funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wie in den Fig. 1 und 2, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 und 2 verwiesen wird. Auch diese zentrale Bohrung 40 dient zum Nachladen des Hochdruckraumes 36 ohne zusätzliche Injektorbohrung mit energetisch aufgeladenem Kraftstoff aus dem Verstärkerraum 32. Zum Aktivieren des Druckverstärkers 18 wird der Verstärkerraum 32 mit Raildruck beaufschlagt und der Druckverstärkerkolben 30 bewegt sich nach "unten", d.h. in Richtung des Hochdruckraumes 36. Durch die vorliegenden Druckverhältnisse (Pverstärkerraum < PHochdruckraum) ist das erste Rückschlagventil 42 während der Druckverstärkung geschlossen. Nach der Druckverstärkung sind die Druckverhältnisse ausgeglichen und der Druckverstärkerkolben 30 wird mittels Federkraft nach "oben" bewegt, d.h. in Richtung des Verstärkerraumes 32. Das erste Rückschlagventil 42 ist geöffnet und gewährleistet eine Fluidströmung durch den Druckverstärkerkolben 30 hindurch.
Eine Feder sorgt dafür, dass das erste Rückschlagventil 42 nach Beendigung der Füllphase sicher in seinen Dichtsitz gedrückt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Druckverstärkerkolben 30 einen reproduzierbaren Förderbeginn aufweist, d.h. sobald der Druckverstärkerkolben 30 über das 4/2-Wegeventil 22 betätigt wird, beginnt der Kraftstoff zu verdichten.
Die in Fig. 4 dargestellte, beispielhafte Ausführungsform eines 4/2-Wegeventils soll Leckage und Funktion des 4/2-Wegeventils verbessern und umfasst vier Anschlüsse 110, 112, 114, 116, eine erste Ventilnadel 118 und eine zweite Ventilnadel 120 zum wahlweise Öffnen, Verschließen und/oder miteinander Verbinden von wenigstens zwei der vier Anschlüsse 110, 1 12, 114, 116 miteinander, wobei die Ventilnadeln 118, 120 in einem Gehäuse axial zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung verschiebbar sind, wobei die erste Stellung dargestellt ist.
Die Ventilnadeln 118, 120 sind in dem Gehäuse axial miteinander fluchtend angeordnet, wobei das Gehäuse zweiteilig mit einer ersten Hülse 122 und einer zweiten Hülse 124 ausgebildet ist, die an einer Trennebene 125 aneinander anstoßen. Eine erste Ventilfeder 126 ist zwischen den beiden Ventilnadeln 118, 120 und eine zweite Ventilfeder 128 ist zwischen der zweiten Ventilnadel 120 und der zweiten Hülse 124 des Gehäuses derart angeordnet, dass die zweite Ventilfeder 128 die Ventilnadeln 118, 120 in axialer Richtung in die erste Stellung drückt.
Die erste Hülse 122 weist einen ersten Sitz 130 und die zweite Hülse 124 weist einen zweiten Sitz 132 sowie einen dritten Sitz 134 auf. Die erste Ventilnadel 118 weist eine erste Schulter 136 zum Anschlagen an dem ersten Sitz 130 der ersten Hülse 122 sowie eine zweite Schulter 138 zum Anschlagen an dem zweiten Sitz 132 der zweiten Hülse 124 und die zweite Ventilnadel 120 weist eine dritte Schulter 140 zum Anschlagen an dem dritten Sitz 134 der zweiten Hülse 124 auf. Die Sitze 130, 132, 134 der Hülsen 122, 124 und die Schultern 136, 138, 140 der Ventilnadeln 118, 120 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass in der ersten Stellung die erste Schulter 136 der ersten Ventilnadel 118 an dem ersten Sitz 130 der ersten Hülse 122 und die dritte Schulter 140 der zweiten Ventilnadel 120 an dem dritten Sitz 134 der zweiten Hülse 124 anschlägt und die zweite Schulter 138 der ersten Ventilnadel 118 vom zweiten Sitz 132 der zweiten Hülse 124 beabstandet ist. In der zweiten Stellung ist die erste Schulter 136 der ersten Ventilnadel 118 von dem ersten Sitz 130 der ersten Hülse 122 und die dritte Schulter 140 der zweiten Ventilnadel 120 von dem dritten Sitz 134 der zweiten Hülse 124 beabstandet und schlägt die zweite Schulter 138 der ersten Ventilnadel 118 am zweiten Sitz 132 der zweiten Hülse 124 an.
Die vier Anschlüsse 110, 112, 114, 116 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass in der ersten Stellung ein erster Anschluss 1 10 und ein zweiter Anschluss 112 verschlossen und ein dritter Anschluss 114 sowie ein vierter Anschluss 116 miteinander verbunden sind. In der zweiten Stellung ist der dritte Anschluss 114 mit dem ersten Anschluss 110 und der vierte Anschluss 116 mit dem zweiten Anschluss 112 verbunden.
Die erste Ventilnadel 118 ist mit einem Aktuator 142 verbunden ist, welcher wahlweise die erste und zweite Ventilnadel 118, 120 gegen die Kraft der zweiten Ventilfeder 128 in die zweite Stellung bewegt.
Die erste Ventilfeder 126 dient als Koppelfeder für die beiden Ventilnadeln 118, 120 und gleicht Längentoleranzen aus und gewährleistet die statische Bestimmtheit des Dichtsitzes. Es handelt sich vorliegend um eine Reihenschaltung der einzelnen Dichtsitze 130/136, 132/138 und 134/140. Mit der erfindungsgemäßen Ventilform kann die gesamte Funktionalität des 4/2-Wege- bzw. Schaltventils zum energetisch günstigen Betreiben beispielsweise eines Innendruckverstärkers eines Common-Rail-Systems abgebildet werden.
Das 4/2-Wegeveπtil befindet sich in der ersten Stellung (Ruhestellung), wenn der Aktuator 142 nicht bestromt ist und durch die zweite Ventilfeder 128 die beiden Ventilnadel 118, 120 in ihrem jeweiligen Sitz 130, 134 anliegen. Durch die Bestromung des Aktuators 142 wird die Federkraft der zweiten Ventilfeder 128 überwunden und die beiden Ventilnadeln 118, 120 aus den Sitzen 130, 134 abgehoben und schließlich wird die erste Ventilnadel 118 in den zweiten Sitz 132 gedrückt. Um die Fertigungstoleranzen zu überwinden ist die erste Ventilfeder 126 vorgesehen. Diese muss die Dichtkraft für den ersten Sitz 130 auf die erste Ventilnadel 118 übertragen können. Das System ist somit statisch bestimmt.
Der erste Anschluss 110 ist mit dem Druckspeicherraum 12, der zweite Anschluss 1 12 ist mit der Leckageleitung 14, der dritte Anschluss 114 ist mit dem Verstärkerraum 32 des Druckverstärkers 18 und der vierte Anschluss 1 16 ist mit dem Federraum 34 des Druckverstärkers 18 verbunden. Die in Fig. 5 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrwegeventils soll die Funktion eines Mehrwegeventils verbessern und ist als 4/2-Wegeventil ausgebildet und umfasst ein Ventilgehäuse 210, eine erste Ventilnadel 212, die in einer ersten Ventilkammer 214 angeordnet ist, und zwei zweite Ventilnadeln 216, die jeweils in einer zweiten Ventilkammer 218 angeordnet sind. In der ersten Ventilkammer 214 ist ein erster Dichtsitz 220 ausgebildet und die erste Ventilnadel 212 ist in der ersten Ventilkammer 214 axial zwischen einer ersten Stellung, in der die erste Ventilnadel 212 vom ersten Dichtsitz 220 abgehoben ist, und einer zweiten Stellung, in der die erste Ventilnadel 212 am ersten Dichtsitz 220 anliegt, verschiebbar. Eine erste Ventilfeder 222 beaufschlagt die erste Ventilnadel 212 in Richtung der ersten Stellung mit Kraft. Die erste Ventilnadel 212 ist mit einem Aktuator 223 verbunden, der die erste Ventilnadel 212 wahlweise entgegen der Kraft der ersten Ventilfeder 222 in die zweite Stellung bewegt.
In jeder der zweiten Ventilkammern 218 ist ein zweiter Dichtsitz 224 ausgebildet und die zweite Ventilnadel 216 ist in der zweiten Ventilkammer 218 axial verschiebbar zwischen einer ersten Stellung, in der die zweite Ventilnadel 216 am zweiten Dichtsitz 224 anliegt, und einer zweiten Stellung, in der die zweite Ventilnadel 216 vom zweiten Dichtsitz 224 abgehoben ist, angeordnet. Eine zweite Ventilfeder 226 beaufschlagt die zweite Ventilnadel 216 in Richtung der ersten Stellung mit Kraft. Jede zweite Ventilkammer 218 weist eine Öffnung zur ersten Ventilkammer 214 auf, wobei die jeweilige zweite Ventilnadel 216 durch diese Öffnung in die erste Ventilkammer 214 greift und an der ersten Ventilnadel 212 anschlägt. Hierbei schlagen die zweiten Ventilnadeln 216 an einer von dem Aktuator 223 abgewandten Seite der ersten Ventilnadel 212 an. Auf diese Weise wird eine Bewegung der ersten Ventilnadel 212 auf die zweiten Ventilnadeln 216 übertragen, d.h. wenn der Aktuator 223 die erste Ventilnadel 212 von der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt und damit den ersten Dichtsitz 220 schließt werden gleichzeitig die zweiten Ventilnadeln 216 ebenfalls in die zweite Stellung bewegt und darnieder zweite Dichtsitz 224 in jeder zweiten Ventilkammer 218 geöffnet. Mit anderen Worten sind der erste Dichtsitz 220 und die zweiten Dichtsitze 224 entgegen gesetzt gerichtet und die zweiten Ventilkammern 218 sind in Richtung der Bewegung der ersten Ventilnadel 212 in die zweite Stellung in der Darstellung unterhalb der ersten Ventilkammer 214 angeordnet.
In dem Ventilgehäuse 210 sind vier Anschlüsse 230, 232, 234, 236 ausgebildet, wobei ein erster Anschluss 230 mit einer zweiten Ventilkammer 218, ein zweiter Anschluss 232 mit der anderen zweiten Ventilkammer 218, ein dritter Anschluss 234 mit der ersten Ventilkammer 214 und einer der zweiten Ventilkammern 218 und der vierte Anschluss 236 mit der ersten Ventilkammer 214 und der anderen zweiten Ventilkammer 218 verbunden ist. Auf diese Weise sind folgende Schaltstellungen realisiert: In der ersten Stellung sind der erste Anschluss 230 und der zweite Anschluss 232 verschlossen und der dritte Anschluss 234 sowie der vierte Anschluss 236 über die erste Ventilkammer 214 miteinander verbunden. In der zweiten Stellung ist der dritte Anschluss 234 mit dem ersten Anschluss 230 über eine der zweiten Ventilkammern 218 verbunden und der vierte Anschluss 236 mit dem zweiten Anschluss 232 über die andere zweite Ventilkammern 218 verbunden.
Die Anschlagflächen zwischen der ersten Ventilnadel 212 und den zweiten Ventilnadeln 216 sind als Dichtflächen ausgebildet. Dadurch sind die zweiten Ventilkammern 218 voneinander sowie von der ersten Ventilkammer 214 dichtend getrennt.
Dieses erfindungsgemäße Schaltventil realisiert eine Dichtsitzparallelschaltung und erhält seine statische Bestimmtheit darüber, dass es einen Leerhub zwischen den zweiten Ventilnadeln 216 und der ersten Ventilnadel 212 gibt. Der Ruhezustand des Schaltventils ist im unbestromten Zustand des Aktuators 223, wobei sich alle Ventilnadeln 212, 216 in der jeweiligen ersten Stellung befinden in der der erste Dichtsitz 220 geöffnet und die zweiten Dichtsitze 224 geschlossen sind. Nach der Bestromung des Aktuators 223 wird die Federkraft der beiden zweiten Ventilfedern 226 überwunden und werden die zweiten Dichtsitze 224 parallel geöffnet. Gleichzeitig wird der erste Dichtsitz 220 von der ersten Ventilnadel 212 geschlossen.
Der erste Anschluss 230 ist mit dem Druckspeicherraum 12, der zweite Anschluss 232 ist mit der Leckageleitung 14, der dritte Anschluss 234 ist mit dem Verstärkerraum 32 des Druckverstärkers 18 und der vierte Anschluss 236 ist mit dem Federraum 34 des Druckverstärkers 18 verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Druckspeicherraum (common rail) (12), einer Leckageleitung (14), einem Injektor (16), in dem ein axial verschiebbarer Einspritzkolben (24) einen Steuerraum (26) von einem Druckraum (28) trennt, und mit einem Druckverstärker (18), in dem ein axial verschiebbarer Druckverstärkerkolben (30) einen Verstärkerraum (32), einen Federraum (34) und einen Hochdruckraum (36) voneinander trennt, wobei ein 3/2- Wegeventil (20) vorgesehen ist, welches den Steuerraum (26) des Injektors (16) wahlweise mit dem Druckspeicherraum (12) oder der Leckageleitung (14) verbindet und wobei der Druckraum (28) des Injektors (16) permanent mit dem Druckspeicherraum (12) und dem Hochdruckraum (32) des Druckverstärkers (18) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches 4/2-Wegeventil (22) vorgesehen ist, welches in einer ersten Schaltstellung den Verstärkerraum (36) des Druckverstärkers (18) und den Federraum (34) des Druckverstärkers (18) abgetrennt vom Druckspeicherraum (12) miteinander verbindet und in einer zweiten Schaltstellung den Federraum (34) des Druckverstärkers (18) mit der Leckageleitung (14) und den Verstärkerraum (32) des Druckverstärkers (18) mit dem Druckspeicherraum (12) verbindet.
2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkerraum (32) des Druckverstärkers (18) und der Federraum (34) des Druckverstärkers (18) über ein erstes Rückschlagventil (42), welches in Richtung des Verstärkerraumes (32) sperrt, miteinander permanent verbunden sind.
3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die permanente Verbindung (40) zwischen dem Verstärkerraum (32) des Druckverstärkers (18) und dem Federraum (34) des Druckverstärkers (18) als zentrale Bohrung in dem Druckverstärkerkolben (30) ausgebildet ist.
4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der permanenten Verbindung (44, 52) zwischen dem Druckspeicherraum (12) und dem Druckraum (28) des Injektors (16) stromauf der Verbindung mit dem Hochdruckraum (36) des Druckverstärkers (18) ein zweites Rückschlagventil (46) angeordnet ist, welches in Richtung des Druckspeicherraumes (12) sperrt.
5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der permanenten Verbindung (44, 48, 52) zwischen dem Druckraum (28) des Injektors (16) und dem Hochdruckraum (36) des Druckverstärkers (18) stromauf der Verbindung des Druckspeicherraumes (12) mit dem Druckraum (28) des Injektors (16) ein drittes Rückschlagventil (50) angeordnet ist, welches in Richtung des Hochdruckraumes (36) des Druckverstärkers (18) sperrt.
6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 4/2-Wegeventil mit vier Anschlüssen (110, 112, 1 14, 116) und einem Steuerelement zum wahlweise Öffnen, Verschließen und/oder miteinander Verbinden von wenigstens zwei der vier Anschlüsse miteinander ausgebildet ist, wobei das Steuerelement in einem Gehäuse axial zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung verschiebbar ist, wobei das Steuerelement eine erste Ventilnadel (118) und eine zweite Ventilnadel (120) aufweist, die in dem Gehäuse axial miteinander fluchtend angeordnet sind, wobei das Gehäuse zweiteilig mit einer ersten Hülse (122) und einer zweiten Hülse (124) ausgebildet ist, wobei eine erste Ventilfeder (126) zwischen den beiden Ventilnadeln (118, 120) und eine zweite Ventilfeder (128) zwischen der zweiten Ventilnadel (120) und dem Gehäuse (124) derart angeordnet ist, dass die zweite Ventilfeder (128) die Ventilnadeln (118, 120) in axialer Richtung in die erste Stellung drückt, wobei die erste Hülse (122) einen ersten Sitz (130), die zweite Hülse (124) einen zweiten (132) sowie einen dritten Sitz (134), die erste Ventilnadel (118) eine erste Schulter (136) zum Anschlagen an dem ersten Sitz (130) der ersten Hülse (122) sowie eine zweite Schulter (138) zum Anschlagen an dem zweiten Sitz (132) der zweiten Hülse (124) und die zweite Ventilnadel (120) eine dritte Schulter (140) zum Anschlagen an dem dritten Sitz (134) der zweiten Hülse (124) aufweist, wobei die Sitze (130, 132, 134) der Hülsen (122, 124) und die Schultern (136, 138, 140) der Ventilnadeln (118, 120) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass in der ersten Stellung die erste Schulter (136) der ersten Ventilnadel (118) an dem ersten Sitz (130) der ersten Hülse (122) und die dritte Schulter (140) der zweiten Ventilnadel (120) an dem dritten Sitz (134) der zweiten Hülse (124) anschlägt und die zweite Schulter (138) der ersten Ventilnadel (118) vom zweiten Sitz (132) der zweiten Hülse (124) beabstandet ist und dass in der zweiten Stellung die erste Schulter (138) der ersten Ventilnadel (118) von dem ersten Sitz (130) der ersten Hülse (122) und die dritte Schulter (140) der zweiten Ventilnadel (120) von dem dritten Sitz (134) der zweiten Hülse (124) beabstandet ist und die zweite Schulter (138) der ersten Ventilnadel (118) am zweiten Sitz (132) der zweiten Hülse (124) anschlägt.
7. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Anschlüsse (110, 112, 114, 116) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass in der ersten Stellung ein erster und ein zweiter Anschluss (110, 1 12) verschlossen und ein dritter sowie ein vierter Anschluss (114, 1 16) miteinander verbunden sind und in der zweiten Stellung der dritte Anschluss (114) mit dem ersten Anschluss (1 10) und der vierte Anschluss (116) mit dem zweiten Anschluss (112) verbunden ist.
8. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilnadel (118) mit einem Aktuator (142) verbunden ist, welcher wahlweise die erste und zweite Ventilnadel (118, 120) gegen die Kraft der zweiten Ventilfeder (128) in die zweite Stellung bewegt.
9. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das 4/2-Wegeventil mit einem Ventilgehäuse (210), wenigstens zwei Anschlüssen (230, 232, 234, 236) und einem Steuerelement zum wahlweise Öffnen, Verschließen und/oder miteinander Verbinden von wenigstens zwei der Anschlüsse (230, 232, 234, 236) miteinander ausgebildet ist, wobei das Steuerelement eine erste Ventilnadel (212) und wenigstens eine zweite Ventilnadel (216) umfasst und in dem Ventilgehäuse (210) eine erste Ventilkammer (214) mit einem ersten Dichtsitz (220), in der die erste Ventilnadel (212) zwischen einer ersten Stellung, in der die erste Ventilnadel (212) von dem ersten Dichtsitz (220) abgehoben ist, und einer zweiten Stellung, in der die erste Ventilnadel (212) an dem ersten Dichtsitz (220) anschlägt, axial verschiebbar und in Richtung der ersten Stellung mittels einer ersten Ventilfeder (222) mit Kraft beaufschlagt angeordnet ist, und eine der Anzahl der zweiten Ventilnadeln (216) entsprechende Anzahl von zweiten Ventilkammern (218) mit jeweils einem zweiten Dichtsitz (224), in dem jeweils eine zweite Ventilnadel (216) zwischen einer ersten Stellung, in der die zweite Ventilnadel (216) an dem zweiten Dichtsitz (224) anschlägt, und einer zweiten Stellung, in der die zweite Ventilnadel (216) von dem zweiten Dichtsitz (224) abgehoben ist, axial verschiebbar und in Richtung der ersten Stellung mittels jeweils einer zweiten Ventilfeder (226) mit Kraft beaufschlagt angeordnet ist, ausgebildet ist, wobei jede zweite Ventilkammer (218) eine Öffnung zur ersten Ventilkammer (214) aufweist, durch die die jeweilige zweite Ventilnadel (216) hindurch in die erste Ventilkammer (214) greift, so dass alle zweiten Ventilnadeln (216) an die erste Ventilnadel (212) derart anstoßen, dass die erste Ventilnadel (212) bei einer Bewegung von der ersten Stellung in die zweite Stellung alle zweiten Ventilnadeln (216) entgegen der jeweiligen Kraft der zweiten Ventilfeder (226) in die zweite Stellung drückt, wobei jeder Anschluss (230, 232, 234, 236) mit wenigstens einer der Ventilkammern (214, 218) des Ventilgehäuses (210) verbunden ist.
10. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vier Anschlüsse (230, 232, 234, 236) und zwei zweite Ventilnadeln (216) vorgesehen sind, wobei die Anschlüsse (230, 232, 234, 236) derart angeordnet und mit den Ventilkammern (214, 218) verbunden sind, dass in der ersten Stellung ein erster Anschluss (230) und ein zweiter Anschluss (232) verschlossen und ein dritter Anschluss (234) sowie ein vierter Anschluss (236) miteinander verbunden sind und in der zweiten Stellung der dritte Anschluss (234) mit dem ersten Anschluss (230) und der vierte Anschluss (236) mit dem zweiten Anschluss (232) verbunden ist.
11. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilnadel (212) mit einem Aktuator (223) verbunden ist, welcher wahlweise die erste Ventilnadel (212) gegen die Kraft der ersten Ventilfeder (222) in die zweite Stellung bewegt.
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