WO2001014729A1

WO2001014729A1 - Ventileinrichtung

Info

Publication number: WO2001014729A1
Application number: PCT/DE2000/002668
Authority: WO
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2001-03-01
Also published as: DE19939453A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Ventileinrichtung (10) zur Steuerung des Druckverlaufs in einem Aggregat zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors. Diese umfasst einen vom Aktor betätigbaren Sitzkörper (18), einen vom Sitzkörper (18) gesteuerten ersten Ventilsitz (14) und eine erste Steuerkammer (40), in die ein druckgesteuertes Schliessglied (42) hineinragt. Zur Darstellung einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung mit einer einzigen Ansteuerung des Aktors, wobei die Voreinspritzung eine äusserst geringe Menge an Kraftstoff zumisst, wird vorgeschlagen, die Ventileinrichtung (10) mit einem in Wechsel mit dem ersten Ventilsitz (14) vom Steuerkörper (18) gesteuerten zweiten Ventilsitz (16) auszustatten und zwischen beiden Ventilsitzen (14, 16) eine zweite Steuerkammer (48) vorzusehen, die im nicht betätigten Zustand des Sitzkörpers (18) mit der ersten Steuerkammer (40) über eine Drosseleinrichtung (38) hydraulisch verbunden ist.

Description

Ventileinrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Ventileinrichtung zur Steuerung des Druckverlaufs in einem Aggregat zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors entsprechend der Gattung des Anspruchs 1. Eine derartige Ventileinrichtung ist beispielsweise aus der DE 196 24 001 AI bereits bekannt. Diese Ventileinrichtung steuert einen Ventilsitz mit Hilfe eines in einer

Ventilbohrung verschiebbar geführten und mit einem extern ansteuerbaren Aktor zusammenwirkenden Sitzkörpers. Vor und hinter dem Ventilsitz mündet ein Zulauf in die Ventilbohrung ein bzw. zweigt ein Ablauf ab. Als Aktor ist ein piezoelektrischer Aktor vorgesehen, der sich durch große

Schaltkräfte und hohe Schaltgeschwindigkeiten bei geringen Abmessungen und kleiner elektrischer Leistungsaufnahme auszeichnet. Mit der Ventileinrichtung ist eine Steuerkammer hydraulisch verbunden, in der eine Düsennadel des Aggregats zur Einspritzung von Kraftstoff Einspritzquerschnitte druckabhängig steuert .

Nachteiligerweise verhalten sich die oben genannte Aktoren empfindlich gegenüber hohen Ansteuerfrequenzen. Dies schränkt die Darstellung zeitlich kurz aufeinanderfolgender Vor- und Haupteinspritzungen ein und wirkt sich dadurch letztendlich nachteilig auf das Geräusch- und Emissionsverhalten eines Verbrennungsmotors aus. Die während einer Voreinspritzung einzuspritzenden Kraftstoffmengen sollen zudem möglichst gering sein, um einen abrupten Druckanstieg im Brennraum, der mit einer entsprechenden Geräuschentwicklung einher geht zu vermeiden. Der Geschwindigkeit der Düsennadelbewegung sind jedoch mechanisch bedingte Grenzen gesetzt, ebenso wie einer Minimierung der von der Düsennadel gesteuerten Einspritzquerschnitte .

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber weist eine Ventileinrichtung zur Steuerung des Druckaufbaus in einem Aggregat zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf, daß mit einer Ansteuerung des Aktors eine Vor- und eine Haupteinspritzung getrennt voneinander steuerbar sind. Zudem konnte die eingespritzte Kraftstoffmenge während der Voreinspritzung weiter reduziert werden, ohne eine die Haltbarkeit beeinflußende Vergrößerung der Geschwindigkeit der Düsennadel oder eine fertigungstechnisch und wirtschaftlich aufwendige Verkleinerung der

Einspritzquerschnitte zu erfordern. Im Umkehrschluß dazu lassen sich bei unveränderten Voreinspritzmengen geringere Schaltzeiten und damit eine erhöhte Lebensdauer der Aktoren realisieren. Die notwendigen konstruktiven Änderungen erfordern lediglich einen geringen Aufwand, zusätzliche Bauteile sind beispielsweise nicht erforderlich. Eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung ist damit kostengünstig darstellbar. Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung .

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .

Figur 1 zeigt ein erstes Ausfü rungsbeispiel der

Erfindung in einer schematischen Darstellung im Querschnitt; das Detail X nach Figur 1 ist in

Figur 2 in einer zweiten Ausführungsvariante, ebenfalls im Querschnitt, dargestellt.

Figur 3 zeigt Funktionsdiagramme zur Veranschaulichung der Funktionsweise der beiden Ausführungsbeispiele

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ventileinrichtung 10, bestehend aus einer Ventilbohrung 12 mit einem ersten und einem zweiten Ventilsitz 14, 16. Diese sind an voneinander beabstandeten Durchmesseränderungen der Ventilbohrung 12 ausgebildet und werden von einem verschiebbar geführten Sitzkörper 18 wechselweise gesteuert. Der Sitzkörper 18 weist dazu einen zylindrischen, auf den Durchmesser der Ventilbohrung 12 abgestimmten Führungsschaff 20, eine sich daran anschließende Einschnürung 22 kleineren Außendurchmessers und einen im Bereich der beiden Durchmesseränderungen der Ventilbohrung 12 angeordneten Steuerkopf 24 auf. Letzterer ist gegenüber dem Führungsschaft 20 verdickt, gliedert sich in einen zylindrischen Mittenabschnitt 26 und zwei an dessen Enden angeordnete kegelförmige Abschnitten 28, 30 mit umlaufenden, entgegengesetzt zueinander geneigten Sitzflächen 29 und 31.

Der Sitzkörper 18 ist von einem in der Figur 1 nicht dargestellten Aktor beaufschlagt. Dieser ist vorteilhafterweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet und wirkt in seinem elektrisch angesteuerten Zustand mit einer Stellkraft F auf den Sitzkörper 18 ein. In der Grundstellung nach Figur 1 ist der Aktor elektrisch nicht angesteuert, so daß der Sitzkörper 18 vom Mediumdruck gegen den Ventilsitz 14 gedrückt ist. Dabei dichtet er eine Druckmittelverbindung von der Ventilbohrung 12 zu einem im Bereich der Einschnürung 22 des Sitzkörpers 18 in die Ventilbohrung 12 einmündenden Rücklaufkanal 32 ab. In der Ventilbohrung 12 herrscht somit das vom Druck eines Zulaufs 34 bestimmte Druckniveau. Dieser Zulauf 34 mündet unter Vorschaltung einer Zulaufdrossel 36 in eine erste Steuerkammer 40 ein. Diese ist an dem vom Sitzkörper 18 abgewandten Ende der Ventilbohrung 12 ausgebildet.

Darüber hinaus ist die erste Steuerkammer 40 u.a. von einem Ende einer Düsennadel 42 begrenzt. Diese Düsennadel 42 ist Bestandteil einer nicht näher dargestellten Vorrichtung, die Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors einspritzt.

Eine als Ablaufdrossel 38 bezeichnete Drosseleinrichtung ist zwischen dem Schließkörper 18 und der Düsennadel 42 in der Ventilbohrung 12 angeordnet und teilt diese dadurch in zwei Druckzonen 44, 46 ein. In der dem Zulauf 34 zugewandten ersten Druckzone 44 befindet sich die erste Steuerkammer 40, während in der zweiten Druckzone 46 erfindungsgemäß eine zweite Steuerkammer 48 ausgebildet ist. Diese befindet sich zwischen den beiden Ventilsitzen 14 und 16 und dehnt sich koaxial zur Ventilbohrung 12 aus. Ihr Volumen ist variabel an die jeweiligen Einsatzbedingungen der Ventileinheit 12 anpaßbar, ist jedoch stets kleiner als das der ersten Steuerkammer 40 dimensioniert. Je kleiner das Volumen der zweiten Steuerkammer 48 ausgeführt ist, desto kleiner ist die voreinspritzbare Kraftstoffmenge bzw. desto höher ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Düsennadel 42 während der Haupteinspritzung bewegt.

Eine derart ausgebildete Ventileinheit 10 funktioniert wie folgt:

In der in Figur 1 dargestellten Grundstellung sind die beiden Steuerkammern 40 und 48 miteinander verbunden und nehmen ein großes Gesamtvolumen ein. Beide Steuerkammern 40 und 48 sind mit Kraftstoff unter Hochdruck befüllt, so daß sowohl der Sitzkörper 18 als auch die Düsennadel 42 hydraulisch beaufschlagt sind. Der Sitzkörper 18 verschließt dadurch den ersten Ventilsitz 14, während die Düsennadel 42 die in Figur 1 nicht erkennbaren Einspritzquerschnitte geschlossen hält.

Zur Darstellung eines in eine Vor- und eine Haupteinspritzung gegliederten Einspritzvorgangs reicht einen einzige Ansteuerung des Aktors aus. Die dabei auf den Sitzkörper 18 einwirkende Stellkraft F öffnet den Ventilsitz 14 und fährt den Schließkörper in den zweiten Ventilsitz 16. Kurzzeitig sind dabei beide Ventilsitze 14 und 16 gleichzeitig geöffnet, so daß sich der Druck in der Ventilbohrung 12 und insbesondere in den Steuerkammern 40 und 48 über den Rücklauf 32 abbaut. In der Steuerkammer 40 fällt das Druckniveau aufgrund der zwischengeschalteten Ablaufdrossel 38 allerdings nur geringfügig ab. Dieser Druckabfall reicht jedoch aus, um den mechanisch, beispielsweise mittels einer Feder oder hydraulisch, mittels entsprechend dimensionierten Druckstufen festgelegten Öffnungsdruck der Düsennadel 42 zu unterschreiten. Mit dem Druckabfall geht ein Rückgang der auf die Düsennadel 42 einwirkenden hydraulischen Kraft einher, so daß sich diese Düsennadel 42 in ihre Offenstellung bewegt.

Die Voreinspritzung ist mit dem Schließen des zweiten Ventilsitzes 16 durch den Sitzkörper 18 abgeschlossen. Damit befindet sich die Ventileinheit 10 in einem Zustand, in dem der zweite Steuerraum 48 druckentlastet ist, während im ersten Steuerraum 40 wieder der vom Zulauf 34 und der Zulaufdrossel 36 bestimmte Hochdruck herrscht.

Für die nachfolgende Haupteinspritzung wird die Ansteuerung des Aktors derart zurückgenommen, daß der Sitzkörper 18 sich erneut in die Zwischenstellung bewegt, in der beide

Ventilsitze 14 und 16 gleichzeitig geöffnet sind. Da nunmehr lediglich der gegenüber dem Gesamtvolumen kleinere Steuerraum 40 druckentlastet werden muß, geschieht dies relativ schnell. Entsprechend schnell verläuft die Öffnungsbewegung der Düsennadel 42, da der Verlauf des

Druckabbaus direkt vom Volumen des Steuerraums 40 abhängt.

Die Haupteinspritzung ist beendet, wenn der Sitzkörper 18 sich wieder in der dargestellten Ausgangsstellung befindet, d.h. der erste Ventilsitz 14 wieder geschlossen ist.

Zur Voreinspritzung wird der Öffnungsdruck der Düsennadel 42 aufgrund der unterschiedlichen Volumina der Steuerräume 40 und 48 sowie der zwischen ihnen angeordneten Ablaufdrossel 38 nur wenig und nur für einen kurzen Zeitraum unterschritten. Ohne Änderung der Geschwindigkeit der Düsennadel 42 wird dadurch eine sehr kleine Menge an Kraftstoff zugemessen. Bei der Haupteinspritzung dagegen wird der Öffnungsdruck infolge des gegenüber dem Gesamtvolumen kleineren Volumens der ersten Steuerkammer 40 sehr stark und sehr schnell unterschritten, was eine entsprechend hohe Geschwindigkeit der Düsennadel 42 erzeugt. Die Vor- und die Haupteinspritzung können somit zeitlich besonders schnell aufeinander folgen, da nur das geringe Volumen des Steuerraums 48 zu entlasten ist und weil zeitlich davor nur ein kleiner Druckunterschied im Steuerraum 40 auszugleichen ist. Beide Effekte verbessern die Dosierbarkeit und die Schaltgeschwindigkeit einer mit der erfindungsgemäßen Ventileinheit 10 ausgestatteten Einrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff. Im Umkehrschluß dazu kann bei unveränderter Voreinspritzmenge die Schaltzeit des Aktors verlängert und damit dessen Lebensdauer erhöht werden.

In Figur 2 ist ein zweites Auführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 10 dargestellt. Dieses unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 im wesentlichen durch die inverse Ausbildung der Ventilsitze 14, 16 und der Sitzflächen 29, 31 des Steuerkopfes 24 am Sitzkörper 18. Während im

Ausführungsbeispiel 1 die Ventilsitze 14, 16 an den Übergängen einer radialen Erweiterung der Ventilbohrung 12 ausgebildet sind, weist Ausführungsbeispiel 2 zwei an den Übergängen einer Einschnürung der Ventilbohrung 12 ausgebildete Ventilsitze 14 und 16 auf. Des weiteren ist im ersten Ausfuhrungsbeispiel der Steuerkopf 24 des Sitzkörpers 18 gegenüber seinem Führungsabschnitt 20 verdickt, wogegen er beim zweiten Ausfuhrungsbeispiel eingeschnürt ist. Dies bedeutet, daß die Sitzflächen 29 und 31 am Steuerkopf 24 in Figur 1 Außenfasen bilden, während sie in Figur 2 als

Innenfasen realisiert sind. In beiden Ausführungsbeispielen erfolgt die Anordnung und Ausbildung der zweiten Steuerkammer 48 unverändert zwischen den beiden Ventilsitzen 14 und 16. Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Erfindung sind in Figur 3 drei verschiedene Funktionsdiagramme 50, 52, 54 dargestellt, die den Hub der Düsennadel 42, den Hub des Sitzkkörpers 18 und den Druckverlauf im ersten und zweiten Steuerraum 40, 48 aufgetragen über die Zeit zeigen. Die

Funktionsdiagramme 50, 52, 54 sind zeitsynchron zueinander aufgenommen .

Zum Zeitpunkt Tl herrscht in der Ventilbohrung 12 maximaler Druck 56 und der Sitzkörper 18 befindet sich in der

Grundstellung 58 nach Figur 1. Mit der Ansteuerung des Aktors bewegt sich der Sitzkörper 18 in eine Zwischenstellung 60 und öffnet dabei beide Ventilsitze 14 und 16. Dadurch baut sich der Druck in den Steuerkammern 40 und 48 ab, aufgrund des hohen Gesamtvolumens jedoch verhältnismäßig langsam. Eine Voreinspritzung 64 erfolgt. Zum Zeitpunkt T2 , an dem die Hubbewegung des Sitzkörpers 18 ihren Maximalwert 62 erreicht hat und der Ventilsitz 16 verschlossen ist, steigt der Druck in der Steuerkammer 40 wieder auf maximalen Druck 56 an, während der Steuerraum 48 unverändert druckentlastet ist. Damit ist die Düsennadel 42 wieder hydraulisch beaufschlagt und die Voreinspritzung 64 abgeschlossen (Diagramm 50) .

Zum Zeitpunkt T3 wird die Ansteuerung des Aktors zurückgenommen und der Sitzkörper 18 bewegt sich in die Zwischenstellung 60 zurück. Dabei wird der Steuerraum 40 mit dem Rücklauf 32 verbunden, so daß der dort herrschende maximale Druck 56 abfällt und die Düsennadel 42 zur Haupteinspritzung 66 öffnet. Die Steigung dieses

Druckabfalls ist aufgrund des gegenüber dem Gesamtvolumen kleineren Volumens der Steuerkammer 40 steiler als zum Zeitpunkt Tl - der Druckabbau erfolgt schneller. Mit dem Verschließen des Ventilsitzes 14 zum Zeitpunkt T4 befindet sich die Ventileinrichtung 10 wieder in der Grundstellung 58 und der Druck in den beiden Steuerräumen 40 und 48 baut sich wieder bis zum maximalen Druck 56 auf.

Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen am beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche

1. Ventileinrichtung (10), zur Steuerung des Druckaufbaus in einem Aggregat zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einer Ventilbohrung (12), in der ein extern betätigbarer Stützkörper (18) verschiebbar geführt ist, einem von der Wandung der Ventilbohrung (12) ausgebildeten und vom Sitzkörper (18) gesteuerten ersten Ventilsitz (14), wenigstens jeweils einem vor und nach dem Ventilsitz (14) in die Ventilbohrung (12) ein- oder ausmündenden Zulauf (34) und einem Ablauf (32) und mit einer mit der Ventilbohrung (12) gekoppelten ersten Steuerkammer (40) , in die ein druckbeaufschlagtes Schließglied (42) des von der Ventileinrichtung (10) gesteuerten Aggregats hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (10) einen vom Sitzkörper (18) im Wechsel mit dem ersten Ventilsitz (14) gesteuerten zweiten Ventilsitz (16) aufweist und daß zwischen den beiden Ventilsitzen (14, 16) eine zweite Steuerkammer (48) vorgesehen ist, die im nicht betätigten Zustand des Sitzkörpers (18) über eine Drosseleinrichtung (38) mit der ersten Steuerkammer (40) verbunden ist.

2. Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuerkammer (48) konzentrisch zur Ventilbohrung (12) ausgebildet ist und daß das Volumen der zweiten Steuerkammer (48) kleiner als das der ersten Steuerkammer (40) ist.

3. Ventileinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitzkörper (18) von einem piezoelektrischen oder einem elektromagnetischen Aktor beaufschlagt ist.

4. Ventileinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (10), der Aktor und das Aggregat zur Einspritzung von Kraftstoff in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und über den Zulauf (34) mit einem Kraftstoffhochdruckspeieher verbunden sind, der mehrere Aggregate zur Einspritzung von Kraftstoff versorgt.

5. Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitzkörper (18) einen Kopf

(24) mit zwei einander gegenüberliegenden und entgegengesetzt zueinander geneigten Sitzflächen (29, 31) , einem dazwischen liegenden zylindrischen Abschnitt (26) , einer Einschnürung (22) und einer Führung (20) aufweist und daß der Kopf (24) , die Einschnürung (22) und die Führung (20) in Längsrichtung des Sitzkorpers (18) hintereinanderliegend angeordnet sind.