WO2005015000A1 - Schaltventil mit druckausgleich für einen kraftstoffinjektor mit druckverstärker - Google Patents

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Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M63/0078—Valve member details, e.g. special shape, hollow or fuel passages in the valve member

Definitions

  • Stroke-controlled injection systems with a high-pressure storage space are used to introduce fuel into the combustion chambers of direct-injection internal combustion engines.
  • the advantage of these injection systems is that the injection pressure into the combustion chamber can be adapted over a wide range to the load and speed of the internal combustion engine.
  • a high injection pressure is required to reduce emissions and achieve high specific performance.
  • the achievable pressure level of high-pressure fuel pumps is limited for reasons of strength, so that pressure boosters in the fuel injectors are used to further increase the pressure in fuel injection systems.
  • DE 101 23 913 AI relates to a fuel injection device for internal combustion engines with a fuel injector that can be supplied by a high-pressure fuel source. Between the fuel injector and the high-pressure fuel source, a pressure transmission device having a movable pressure booster piston is connected.
  • the pressure booster piston separates a space that can be connected to the K-fuel high pressure source from a high pressure space that is connected to the fuel injector.
  • the fuel pressure in the high-pressure chamber can be varied by filling a rear area of the pressure booster device with fuel or by emptying the rear area of fuel.
  • the fuel injector has a movable closing piston for opening and closing injection openings.
  • the closing piston protrudes into a closing pressure chamber, so that fuel pressure can be applied to the closing piston to achieve a force acting on the closing piston in the closing direction.
  • the closing pressure chamber and the rear chamber are formed by a common closing pressure rear chamber, all partial areas of the closing pressure rear chamber being permanently connected to one another for the exchange of fuel.
  • a pressure chamber is provided for supplying fuel to the injection openings and for applying a force acting in the opening direction to the closing piston.
  • a high-pressure chamber is connected to the high-pressure fuel source in such a way that, apart from pressure fluctuations, at least the fuel pressure of the high-pressure fuel source can constantly be present in the high-pressure chamber, the pressure chamber and the high-pressure chamber through a common injection chamber are formed. All parts of the injection chamber are permanently connected to each other for the exchange of fuel.
  • DE 102294 15.1 relates to a device for damping the needle stroke on pressure-controlled fuel injectors.
  • a device for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine which comprises a fuel injector which can be acted upon by fuel under high pressure via a high-pressure source.
  • the fuel injector is actuated via a metering valve, an injection valve member being enclosed by a pressure chamber and the injection valve member being acted upon in the closing direction by a closing force.
  • the injection valve member is associated with an independently movable damping element, which delimits a damping space and has at least one overflow channel for connecting the damping space to a further hydraulic space.
  • the control of the fuel injector is carried out with a 3/2-way valve, whereby although an inexpensive and space-saving injector can be represented, this valve has to control a relatively large return flow rate of the pressure intensifier.
  • a direct-switching switching valve designed as a 3/2-way valve which is completely pressure-balanced. Both a sealing seat and a slide seal are formed on the valve needle of the switching valve. There is a first one on the switching valve above a low pressure chamber first pressure chamber and a second pressure chamber. To achieve pressure equalization, the diameter of the sealing seat and the diameter of the valve needle are almost identical, so that the fuel pressure from a first pressure chamber and the fuel pressure from a second pressure chamber are unable to exert any forces on the valve needle.
  • an extension can be formed on the valve needle at the end facing the low pressure chamber.
  • the sealing seat which is located above the low pressure chamber, can be designed either as a flat seat or as a conical seat.
  • the actuator actuating the direct switching switching valve can be designed both as a piezo actuator and as a magnetic actuator.
  • needle stroke damping can be provided with which the movement of the injection valve member can be limited in the smallest possible way.
  • the solution according to the invention has the advantage over switching valves designed as 3/2-servo valves that they are much simpler and therefore more economical to manufacture in terms of manufacturing effort, since only a one-piece valve needle is required and the hydraulic control chamber with the tolerance-critical ones Chokes and the necessary pilot valve are not required.
  • the design in a one-piece valve housing ensures a smaller number of parts and a high manufacturing accuracy between the needle guide and the needle seat.
  • the valve housing can advantageously also be formed in two parts, in connection with a sealing seat designed as a flat seat.
  • the sealing seat of the flat seat lies in a second body part designed as a sealing plate.
  • Figure 1 shows a fuel injector with pressure booster, which is controlled via the differential pressure chamber and is switched via a direct switching 3/2-way valve and
  • FIG. 2 shows a further embodiment variant of a fuel injector, the 3/2 switching valve of which has a valve needle on which an extension is formed in the region of the low-pressure space of the switching valve, and
  • Figure 3 is a multi-part valve housing of a direct switching 3/2-way valve.
  • FIG. 1 shows a fuel injector with a pressure booster, which can be controlled via a differential pressure chamber and can be actuated by means of a direct-switching 3/2-way valve.
  • a pressure source 1 which can be, for example, a high-pressure accumulator (common rail) of a fuel injection system, is connected to a pressure booster 3 via a high-pressure feed line.
  • the high-pressure feed line 2 opens into a working space 4 of the pressure amplifier 3.
  • the working space 4 is separated from a differential pressure space 6 which can be relieved of pressure and acted upon by means of a booster piston 5.
  • An end face of the booster piston 5 acts on a compression chamber 8 of the pressure booster 3.
  • a return spring 7 is assigned to the booster piston 5 of the pressure booster 3 and supports the return movement of the booster piston 5 to its rest position.
  • An overflow line 9 extends from the working space 4 of the pressure booster 3 to a switching valve 22.
  • the differential pressure chamber 6 of the pressure booster 3 is also connected via a control line 10 to the switching valve 22, which can be actuated via an actuator 37.
  • the actuator 37 can be designed as a magnetic valve comprising a magnetic coil 38 or can also be designed as a piezo actuator.
  • a pressure chamber supply line 11 extends from the compression chamber 8 of the pressure booster 3 to a pressure chamber 12 which is formed in the body of a fuel injector.
  • An injection valve member 13 is received in the body of the fuel injector.
  • the injection valve member 13 has a pressure stage 14 in the area of the pressure chamber 12.
  • the injection valve member 13 is acted upon in its closing direction by a closing spring 15 accommodated in a control chamber.
  • An annular gap 16 extends from the pressure chamber 12, via which the pressure chamber 12 is pressurized Fuel injection openings 17 flows.
  • the injection openings 17 open into a combustion chamber 18 of a self-igniting internal combustion engine.
  • a branch 20 branches from the branch line, in which a filling valve 21 is accommodated, which Compression chamber 8 of the pressure booster 3 opens and serves to refill it when the booster piston 5 is reset.
  • the control line 10 leading from the differential pressure chamber 6 to the switching valve 22 opens into a second pressure chamber 29 in the valve housing 35 of the switching valve 22.
  • the switching valve 22 comprises a valve needle 23.
  • the valve needle 23 has a diameter 27 in its guide area within the one-piece valve housing 35, which corresponds to a diameter 26 on a sealing seat 24 on the valve needle 23.
  • the one-piece valve needle 23 of the switching valve 22 which is designed as a direct-switching 3/2-way valve, is pressure-balanced.
  • the one-piece valve needle 23 of the switching valve 22 has a slide seal 25.
  • the overflow line 9 opening into the first pressure chamber 28 of the switching valve 22 from the working chamber 4 can be closed against the second pressure chamber 29.
  • the sealing seat 24 is closed, the second pressure chamber 29 is closed against a low pressure chamber 30.
  • a return 32.2 on the low-pressure side branches off from the low-pressure chamber 30 and leads to a fuel reservoir, not shown in FIG. 1.
  • the slide seal 25 of the one-piece valve needle 23 is formed by a control edge 33 on the housing side and a control edge 34 on the valve needle side and is located opposite the sealing seat 24 at the low-pressure end of the one-piece valve needle 23.
  • the valve needle 23 is advantageously formed in one piece and embedded in a valve housing 35, which is also formed in one piece.
  • the valve needle 23 is acted upon in the closing direction by a closing spring 36, so that the sealing seat 24 always closes the second pressure chamber 29 for the return 32.2 on the low-pressure side when the actuator 37 is not actuated.
  • the sealing seat 24 can be designed as a sealing edge or as a sealing surface.
  • the actuator 37 is designed as a magnetic actuator, containing a coil 38. Opposite the lower annular surface of the coil 38 of the magnetic actuator, the one-piece valve needle 23 has a plate 39.
  • the switching valve 22 In the deactivated idle state of the pressure booster 3, the switching valve 22 is in a closed position due to the closing spring 36 acting on the valve needle 23. In this position, shown in FIG. 1, of the one-piece valve needle 23, the differential pressure chamber 6 is connected to the working chamber 4 via the opened slide seal 25 of the switching valve 22 and the control line 10, the overflow line 9. As a result, the same pressure prevails in the differential pressure chamber 6 of the pressure booster 3 as in the working chamber 4 of the pressure booster 3. In contrast, due to the closing force of the closing spring 36, the sealing seat 24 is closed to the low pressure chamber 30, so that the differential pressure chamber 6 is decoupled from the low pressure side return and the pressure booster 3 is in itself is in its pressure-balanced state and no pressure intensification occurs.
  • the differential pressure chamber 6 is relieved of pressure. This is done by a control, i.e. opening of the switching valve 22, which can take place, for example, by energizing the solenoid coil 38, so that the plate 39 on the top of the valve needle 23 is pulled in the direction of the coil 38. Because of this, the valve needle 23 moves upward. In this case, the control edges 33, 34 of the slide seal 25 are covered so that it closes, whereas the sealing seat 24 opens at the low-pressure end of the one-piece valve needle 23. As a result, the differential pressure space 6 is decoupled from the working space 4, i. H.
  • the pressure source 1 and the differential pressure chamber 6 are pressure-relieved via the control line 10, which opens into the second pressure chamber 29, the open sealing seat 24 in the low-pressure side return 32.2.
  • the booster piston 5 of the pressure booster 3 moves into the compression space 8, so that fuel under extremely high pressure passes from the latter into the pressure space 12 via the pressure space feed line 11.
  • the hydraulic force building up in the pressure chamber 12 acts on the hydraulically active surface of the pressure stage 14 and moves the injection valve member 13 into an open position against the action of the closing spring 15, so that fuel flowing from the pressure chamber 12 via the annular gap 16 into the injection openings 17 the combustion chamber 18 of the internal combustion engine can be injected.
  • the switching valve 22, which is designed as a direct switching 3/2-way valve, is activated, ie closed.
  • the one-piece valve needle 23 moves into its lower starting position via the action of the closing spring 36.
  • the sealing seat 24 closes and the slide seal 25 opens, formed by the control edges 33 and 34, respectively.
  • the overflow line 9, the first pressure chamber 28, the second pressure chamber 29 and the control line 10 is built in the differential limit pressure chamber 6 of the pressure booster 3 system pressure, whereby the pressure booster 3 is deactivated, that is, supported by the return spring 7 returns to its rest position.
  • the injection valve member 13 closes because the pressure in the pressure chamber 12 also decreases when the compression chamber 8 is depressurized.
  • the pressure balance of the switching valve 22, which is designed as a direct switching 3/2-way valve, is determined by matching diameters 26 in the area of the sealing seat 24 and in the area of the valve needle 23, cf. Needle diameter 27 reached in the one-piece housing 35. As a result, both the fuel pressure in the first pressure chamber 28 and the fuel pressure in the second pressure chamber 29 exert no forces on the one-piece valve needle 23.
  • this adjusting spring can also be accommodated in another room of the pressure booster 3, or a restoring force can be generated hydraulically.
  • the sealing seat 24 can be designed, for example, as a flat seat or, as indicated in FIG. 1, as a conical seat. In conjunction with a two-part valve housing, considerable manufacturing advantages can be achieved by designing the sealing seat 24 as a flat seat. In the case of a two-part valve housing 35, the sealing seat 24 in the form of a flat seat can lie in a second valve housing part in the form of a sealing plate 35.2 (FIG. 3). Due to the improved accessibility to the machining of the sealing seat 24 and of the slide edges and valve chambers, a more cost-effective production of the valve can be achieved when using a two-part valve housing. In addition to the variant of the actuator 37 shown in FIG.
  • a piezo actuator can also be used to actuate the one-piece valve needle 23 of the direct-switching 3/2-way valve 22.
  • a damping piston can be assigned to the injection valve 13, which dampens the opening speed of the injection valve member 13 when the pressure booster 3 is activated and by its compression valve. Dampens space 8 flowing into the pressure space 12, fuel under increased pressure.
  • FIG. 2 shows a further embodiment variant of a direct switching 3/2-way valve, the valve needle of which has an extension on the low-pressure side.
  • valve needle 23 In contrast to the embodiment variant shown in FIG. 1, there is an extension 31 on the valve needle 23 below the sealing seat 24, which protrudes into the low-pressure chamber 30.
  • a first return 32.1 on the medium pressure side runs above the extension 31 of the one-piece valve needle 23, while a second return 32.2 on the low pressure side branches off below the extension 31.
  • the valve needle 23 according to the embodiment variant according to FIG. 2 comprises a slide seal 25 which is formed by a control edge 34 on the valve needle side and a control edge 33 on the valve housing side.
  • the guide diameter 27 of the valve needle 23 and the seat diameter 26 of the sealing seat 24 correspond to one another.
  • the mode of operation of the embodiment variant corresponds to the mode of operation of the fuel injector with pressure booster 3 shown in FIG. 1, which is actuated via the direct-switching switching valve 22, the valve needle 23 of which without the extension 31 shown in FIG Low pressure room 30 is procured.
  • the switching valve 22 is a 3/2-way direct switching - Valve formed, and due to the one-piece valve needle 23, be it with or without extension 31, it can be manufactured much more simply and more cheaply in terms of production technology and can ensure the one-piece design of the valve housing 35 of the switching valve 22 designed as a direct switching 3/2-way valve sufficient manufacturing accuracy and thus a tolerable tightness in high-pressure injection systems for direct-injection internal combustion engines.
  • FIG. 3 The design variant of a direct switching 3 / 2- Directional control valves with a multi-part valve housing is shown in Figure 3.
  • the multi-part valve housing 35 comprises a first housing part 35.1, in which the valve needle 23 of the directly switching switching valve 22 is guided.
  • a plate 39 is formed opposite a magnetic coil 38, which in turn is acted upon by the closing spring 36.
  • the housing-side control edge 33 which interacts with the valve-needle-side control edge 34, is formed.
  • the sealing seat 24 is preferably designed as a flat seat.
  • the low-pressure chamber 30 is sealed by the sealing seat 24.
  • This can be designed in a particularly simple manner in terms of production technology as a blind hole from which a second return 32.2 on the low-pressure side branches off.
  • the control line 10 opens into the second pressure chamber 29, the overflow line 9 branching off from the working chamber 4 of the pressure booster 3 opens into the first pressure chamber 28.
  • the second valve housing part 35.2 of the multi-part valve housing 35 can be an independent component which is formed separately from the injector body of a fuel injector.
  • the second valve housing part 35.2 designed as a sealing plate can, however, just as well be formed by the injector housing itself.
  • the return lines 32.1, 32.2 shown on the low-pressure side in the embodiment variant according to FIG. 2 can be brought together and connected to both return lines 32.1, 32.2 together with the return system.
  • the switching valve 22 which is proposed as a direct switching 3/2-way valve and is proposed according to the invention, can be used with pressure boosters 3 which are controlled by controlling the pressure in the differential pressure chamber 6.
  • pressure boosters 3 which are controlled by controlling the pressure in the differential pressure chamber 6.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor mit einem Druckverstärker (3), der von einer Druckquelle (1) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt wird. Ein Arbeitsraum (4) des Druckverstärkers (3) ist von einem Differenzdruckraum (6) des Druckverstärkers (3) über einen Verstärkerkolben (5) getrennt. Die Druckentlastung und die Druckbeaufschlagung des Differenzdruckraumes (6) des Druckverstärkers (3) erfolgen über ein Schaltventil (22). Dieses ist mit dem Differenzdruckraum (6) über eine Steuerlei­tung (10) verbunden. Ein Druckraum (12) an einem Einspritzventilglied (13) ist über eine Druckraumzuleitung (11) mit einem Kompressionsraum (8) des Druckverstärkers (3) ver­bunden. Das Schaltventil (22) ist als direktschaltendes 3/2-Wege-Ventil ausgeführt, dessen Ventilnadel (23, 31) druckausgeglichen ist und sowohl einen Dichtsitz (24) als auch eine Schieberdichtung (25) aufweist.

Description

Schaltventil mit Druckausgleich für einen Kraftstoffinjektor mit Druckverstärker
Technisches Gebiet
Zum Einbringen von Kraftstoff in die Brennräume direkteinspritzender Verbrennungskraftmaschinen werden hubgesteuerte Einspritzsysteme mit Hochdrackspeicherraum (Common Rail) eingesetzt. Der Vorteil dieser Einspritzsysteme liegt darin, dass der Ein- spritzdruck in den Brennraum an Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine in weiten Bereichen angepasst werden kann. Zur Reduzierung der Emissionen und zum Erzielen einer hohen spezifischen Leistung ist ein hoher Einspritzdrack erforderlich. Das erreichbare Druckniveau von Hochdruckkraftstoffpumpen ist aus Festigkeitsgründen begrenzt, so dass zur weiteren Drucksteigerung bei Kraftstoffeinspritzsystemen Druckver- stärker in den Kraftstoffinjektoren zum Einsatz kommen.
Stand der Technik
DE 101 23 913 AI hat eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem von einer Kraftstoffhochdruckquelle versorgbaren Kraftstoffinjektor zum Gegenstand. Zwischen dem Kraftstoffinjektor und der Kraftstoffhochdruckquelle ist eine einen beweglichen Druckübersetzerkolben aufweisende Drückübersetzungseinrichtung geschaltet. Der Druckübersetzerkolben trennt einen an die K-raftstoffhochdruckquelle anschließba- ren Raum von einem mit dem Kraftstoffinjektor verbundenen Hochdruckraum. Durch Be- füllen eines Rückraumes der Druckübersetzungseinrichtung mit Kraftstoff beziehungsweise durch Entleeren des Rückraumes von Kraftstoff kann der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum variiert werden. Der Kraftstoffinjektor weist einen beweglichen Schließkolben zum Öffnen und Verschließen von Einspritzöffnungen auf. Der Schließkolben ragt in einen Schließdruckraum hinein, so dass der Schließkolben mit Kraftstoffdruck beaufschlagbar ist zur Erzielung einer in Schließrichtung auf den Schließkolben wirkenden Kraft. Der Schließdruckraum und der Rückraum werden durch einen gemeinsamen Schließdruck- Rückraum gebildet, wobei sämtliche Teilbereiche des Schließdruck-Rückraumes permanent zum Austausch von Kraftstoff miteinander verbunden sind. Es ist ein Druckraum zum Versorgen der Einspritzöffnungen mit Kraftstoff und zum Beaufschlagen des Schließkol- bens mit einer in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft vorgesehen. Ein Hochdruckraum steht derart mit der Kraftstoffhochdruckquelle in Verbindung, dass im Hochdrackraum, abgesehen von Druckschwingungen, ständig zumindest der Kraftstoffdruck der Kraftstoffhochdruckquelle anliegen kann, wobei der Druckraum und der Hochdruckraum durch einen gemeinsamen Einspritzraum gebildet werden. Sämtliche Teilbereiche des Einspritzraumes sind permanent zum Austausch von Kraftstoff miteinander verbunden.
DE 102294 15.1 bezieht sich auf eine Einrichtung zur Nadelhubdämpfung an druckgesteu- erten Kraftstoffinjektoren. Es wird eine Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine offenbart, die einen Kraftstoffinjektor umfasst, der über eine Hochdruckquelle mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagbar ist. Der Kraftstoffinjektor wird über ein Zumessventil betätigt, wobei ein Einspritzventilglied von einem Druckraum umschlossen ist und das Einspritzventilglied in Schließrichtung durch eine Schließkraft beaufschlagbar ist. Dem Einspritzventilglied ist ein von diesem unabhängig bewegbares Dämprangselement zugeordnet, welches einen Dämpfungsraum begrenzt und mindestens einen Überströmkanal zur Verbindung des Dämpfungsraumes mit einem weiteren hydraulischen Raum aufweist. Gemäß DE 102 294 15.1 erfolgt die Steuerung des Kraftstoffinjektors mit einem 3/2- Ventil, wodurch sich zwar ein kostengünstiger und bauraumsparender Injektor darstellen lässt, jedoch dieses Ventil eine relativ große Rücklaufmenge des Drückübersetzers zu steuern hat.
Anstelle der aus DE 102 294 15.1 bekannten Ausführungsform eines 3/2-Ventiles können auch Servoventile eingesetzt werden, die im Ruhezustand des Servoventiles am Führungs- abschnitt leckagefrei ausgebildet sind, was den Wirkungsgrad eines Kraftstoffinjektors günstig beeinflusst. Nachteilig ist jedoch der Umstand, dass im geöffneten Zustand des Servoventilkolbens des 3/2-Wegeventils keine in dessen Öffnungsrichtung weisende Druckfläche mit Systemdruck beaufschlagt ist. Dadurch wird die Bewegung des Servoventilkolbens in seinem Gehäuse sehr toleranzempfindlich. Ferner lässt sich eine langsame Öffnungsgeschwindigkeit des Servoventilkolbens nicht erreichen, wodurch die Kleinst- mengenfähigkeit eines derart konfigurierten Servoventiles eingeschränkt ist. Im geöffneten Zustand des Servoventilkolbens stellt sich an einem an diesem ausgebildeten zweiten Ventilsitz nur eine ungenügende Schließkraft ein, was zu Undichtigkeiten und zu erhöhtem Verschleiß führen kann.
Nachteilig bei den aus dem Stande der Technik bekannten Servoventilen sind einerseits der große fertigungstechnische Aufwand sowie andererseits die damit verbunden Kosten.
Darstellung der Erfindung
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird ein direktschaltendes, als 3/2- Wegeventil ausgebildetes Schaltventil vorgeschlagen, welches vollständig druckausgeglichen ist. An der Ventilnadel des Schaltventiles ist sowohl ein Dichtsitz als auch eine Schieberdichtung ausgebildet. Am Schaltventil sind oberhalb eines Niederdruckraumes ein erster erster Druckraum sowie ein zweiter Druckraum ausgebildet. Zur Erzielung einer Druck- ausgeglichenheit sind der Durchmesser des Dichtsitzes und der Durchmesser der Ventilnadel nahezu identisch, so dass der Kraftstoffdruck aus einem ersten Druckraum und der Kraftstoffdruck aus einem zweiten Druckraum keine Kräfte auf die Ventilnadel auszuüben vermögen.
Um zu vermeiden, dass aus dem Niederdruckraum Kräfte auf die Ventilnadel wirken, kann an der Ventilnadel an dem dem Niederdruckraum zuweisenden Ende ein Fortsatz ausgebildet sein.
Der Dichtsitz, der sich oberhalb des Niederdruckraumes befindet, kann entweder als Flachsitz oder als Kegelsitz ausgebildet werden. Der das direktschaltende Schaltventil betätigende Aktor kann sowohl als Piezosteller als auch als Magnetaktor ausgebildet sein. Zur Verbesserung der Zumessgenauigkeit und zur Dosierung kleiner Kraftstoffmengen kann eine Nadelhubdämpfung vorgesehen werden, mit welcher die Bewegung des Einspritzventil- gliedes auf kleinste Wege begrenzt werden kann. Durch das erfindungsgemäße, als 3/2- Wegeventil ausgebildete Schaltventil können Kraftstoffinjektoren, die einen Druckverstärker enthalten betätigt werden, um die großen Rücklaufmengen zu beherrschen. Die erfϊn- dungsgemäße Lösung bietet gegenüber als 3/2-Servo-Ventilen ausgebildeten Schaltventilen den Vorteil, dass diese hinsichtlich des ferti ungstechnischen Aufwandes wesentlich einfacher und damit kostengünstiger zu fertigen sind, da nur eine einteilige Ventilnadel notwendig ist und der hydraulische Steuerraum mit den toleranzkritischen Drosseln und dem notwendigen Vorsteuerventil entfällt. Die Ausbildung in einem einteiligen Ventilgehäuse gewährleistet eine geringere Teilanzahl und eine hohe Fertigungsgenauigkeit zwischen der Nadelführung und Nadelsitz. Andererseits kann das Ventilgehäuse in vorteilhafter Weise auch zweiteilig ausgebildet werden, in Verbindung mit einem als Flachsitz ausgebildeten Dichtsitz. Dabei liegt der Dichtsitz des Flachsitzes in einem zweiten als Dichtplatte ausgebildeten Körperteil. Durch die verbesserte Zugänglichkeit zur Bearbeitung von Dichtsitz, Schieberkanten und Ventilkammern lässt sich eine wesentlich kostengünstigere Fertigung des Ventiles erreichen.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt: Figur 1 einen Kraftstoffinjektor mit Druckverstärker, welcher über den Differenzdruckraum gesteuert wird und über ein direktschaltendes 3/2- Wegeventil geschaltet wird und
Figur 2 eine weitere Ausführungsvariante eines Kraftstoffinjektors, dessen 3/2- Schaltventil eine Ventilnadel aufweist, an welcher im Bereich des Niederdruckraumes des Schaltventiles ein Fortsatz ausgebildet ist, und
Figur 3 ein mehrteiliges Ventilgehäuse eines direkt schaltenden 3/2-Wegeventils.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Kraftstoffinjektor mit Druckverstärker zu entnehmen, der über einen Differenzdruckraum steuerbar ist und mittels eines direktschaltenden 3/2- Wege-Ventiles betätigbar ist.
Über eine Druckquelle 1, bei der es sich zum Beispiel um einen Hochdruckspeicher (Common Rail) eines Kraftstoffeinspritzsystems handeln kann, steht über eine Hochdruckzuleitung mit einem Druckverstärker 3 in Verbindung. Die Hochdruckzuleitung 2 mündet in einen Arbeitsraum 4 des Druckverst rkers 3. Der Arbeitsraum 4 ist von einem drackent- lastbaren und drackbeaufschlagbaren Differenzdruckraum 6 über einen Verstärkerkolben 5 getrennt. Eine Stirnseite des Verstärkerkolbens 5 beaufschlagt einen Kompressionsraum 8 des Druckverstärkers 3. Dem Verstärkerkolben 5 des Druckverstärkers 3 ist eine Rückstellfeder 7 zugeordnet, welche die Rückstellbewegung des Verstärkerkolbens 5 in seine Ruhe- läge unterstützt. Vom Arbeitsraum 4 des Druckverstärkers 3 erstreckt sich eine Überströmleitung 9 zu einem Schaltventil 22.
Der Differenzdruckraum 6 des Druckverstärkers 3 ist über eine Steuerleitung 10 ebenfalls mit dem Schaltventil 22 verbunden, welches über einen Aktor 37 betätigbar ist. Der Ak- tor 37 kann, wie in Fig. 1 angedeutet, als ein eine Magnetspule 38 umfassendes Magnetventil ausgestaltet sein oder auch als Piezoaktor ausgeführt werden.
Vom Kompressionsraum 8 des Druckverstarkers 3 erstreckt sich eine Druckraumzuleitung 11 zu einem Druckraum 12, der im Körper eines Kraftstoffinjektors ausgebildet ist. Im Körper des Kraftstoffinjektors ist ein Einspritzventilglied 13 aufgenommen. Das Einspritzventilglied 13 weist im Bereich des Druckraumes 12 eine Druckstufe 14 auf. Das Einspritzventilglied 13 ist an seiner oberen Stirnseite über eine in einem Steuerraum aufgenommene Schließfeder 15 in Schließrichtung beaufschlagt. Vom Druckraum 12 aus erstreckt sich ein Ringspalt 16, über welchen bei Druckbeaufschlagung des Druckraumes 12 Kraftstoff Einspritzöffnungen 17 zuströmt. Die Einspritzöffnungen 17 münden in einen Brennraum 18 einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine.
Die Druckbeaufschlagung des die Schließfeder 15 aufnehmenden Steuerraumes oberhalb des Einspritzventilgliedes 13 erfolgt über eine den Differenzdruckraum 6 des Druckverstärkers 3 mit dem die Schließfeder aufnehmenden Steuerraum verbindende Verbindungsleitung 19. Von dieser zweigt ein Abzweig 20 ab, in welchem ein Befüllventil 21 aufgenommen ist, welches in den Kompressionsraum 8 des Druckverstärkers 3 mündet und zu dessen Wiederbefüllung bei einer Rückstellbewegung des Übersetzerkolbens 5 dient.
Die vom Differenzdruckraum 6 zum Schaltventil 22 führende Steuerleitung 10 mündet in einen zweiten Druckraum 29 im Ventilgehäuse 35 des Schaltventiles 22. Das Schaltventil 22 umfasst eine Ventilnadel 23. Die Ventilnadel 23 weist einen Durchmesser 27 in ihrem Führungsbereich innerhalb des einteilig ausgebildeten Ventilgehäuses 35 auf, der ei- nem Durchmesser 26 an einem Dichtsitz 24 an der Ventilnadel 23 entspricht. Dadurch ist die einteilig ausgebildete Ventilnadel 23 des als direktschaltenden 3/2-Wege- Ventils beschaffenen Schaltventiles 22 druckausgeglichen. Darüber hinaus weist die einteilige Ventilnadel 23 des Schaltventiles 22 eine Schieberdichtung 25 auf.
Mittels der Schieberdichtung 25 an der einteilig ausgebildeten Ventilnadel 23 kann die in den ersten Druckraum 28 des Schaltventiles 22 vom Arbeitsraum 4 aus mündende Überströmleitung 9 gegen den zweiten Druckraum 29 verschlossen werden. Bei geschlossenem Dichtsitz 24 ist der zweite Druckraum 29 gegen einen Niederdruckraum 30 verschlossen. Vom Niederdruckraum 30 zweigt ein niederdruckseitiger Rücklauf 32.2 ab, der zu einem in Fig. 1 nicht dargestellten Kraftstoffreservoire führt.
Die Schieberdichtung 25 der einteilig ausgebildeten Ventilnadel 23 wird durch eine gehäu- seseitig ausgebildete Steuerkante 33 und eine ventilnadelseitig ausgebildete Steuerkante 34 gebildet und liegt dem Dichtsitz 24 am niederdruckseitigen Ende der einteilig ausgebilde- ten Ventilnadel 23 gegenüber.
In vorteilhafter Weise ist die Ventilnadel 23 einteilig ausgebildet und in ein ebenfalls einteilig ausgebildetes Ventilgehäuse 35 eingelassen. Die Ventilnadel 23 wird durch eine Schließfeder 36 in Schließrichtung beaufschlagt, so dass der Dichtsitz 24 bei nicht betätig- tem Aktor 37 stets den zweiten Druckraum 29 zum niederdruckseitigen Rücklauf 32.2 verschließt. Der Dichtsitz 24 kann als Dichtkante oder als Dichtfläche ausgebildet werden. In der in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsvariante ist der Aktor 37 als Magnetaktor ausgebildet, eine Spule 38 enthaltend. Der unteren Ringfläche der Spule 38 des Magnetaktors gegenüberliegend, weist die einteilig ausgebildete Ventilnadel 23 eine Platte 39 auf. Im deaktivierten Ruhezustand des Druckverstarkers 3 befindet sich das Schaltventil 22 aufgrund der auf die Ventilnadel 23 wirkenden Schließfeder 36 in einer geschlossenen Position. In dieser in Fig. 1 dargestellten Position der einteilig ausgebildeten Ventilnadel 23 steht der Differenzdruckraum 6 über die geöffnete Schieberdichtung 25 des Schaltventiles 22 und die Steuerleitung 10, die Überströmleitung 9 mit dem Arbeitsraum 4 in Verbindung. Dadurch herrscht im Differenzdruckraum 6 des Druckverstärkers 3 derselbe Druck wie im Arbeitsraum 4 des Druckverstarkers 3. Demgegenüber ist aufgrund der Schließkraft der Schließfeder 36 der Dichtsitz 24 zum Niederdruckraum 30 geschlossen, so dass der Differenzdruckraum 6 vom niederdruckseitigen Rücklauf abgekoppelt ist und der Druckverstärker 3 sich in seinem druckausgeglichenen Zustand befindet und keine Druckverstärkung auftritt.
Zur Aktivierung des Druckverstarkers 3 wird der Differenzdruckraum 6 druckentlastet. Dies erfolgt durch eine Ansteuerung, d.h. ein Öffnen des Schaltventiles 22, welches beispielsweise über eine Bestromung der Magnetspule 38 erfolgen kann, so dass die Platte 39 an der Oberseite der Ventilnadel 23 in Richtung auf die Spule 38 gezogen wird. Aufgrund dessen bewegt sich die Ventilnadel 23 nach oben. Dabei erfolgt ein Überdecken der Steu- erkanten 33, 34 der Schieberdichtung 25, so dass diese schließt, wohingegen der Dichtsitz 24 am niederdruckseitigen Ende der einteilig ausgebildeten Ventilnadel 23 öffnet. Dadurch erfolgt eine Abkopplung des Differenzdruckraumes 6 vom Arbeitsraum 4, d. h. der Druckquelle 1 und der Differenzdruckraum 6 wird über die Steuerleitung 10, welche in den zweiten Druckraum 29 mündet, den offen stehenden Dichtsitz 24 in den niederdruckseitigen Rücklauf 32.2 druckentlastet. Dadurch fährt der Verstärkerkolben 5 des Druckverstärkers 3 in den Kompressionsraum 8 ein, so dass unter extrem hohem Druck stehender Kraftstoff von diesen via Druckraumzuleitung 11 in den Drackraum 12 gelangt. Die sich im Druckraum 12 aufbauende hydraulische Kraft greift an der hydraulisch wirksamen Fläche der Druckstufe 14 an und bewegt das Einspritzventilglied 13 entgegen der Wirkung der Schließfeder 15 in eine Öffnungsstellung, so dass vom Druckraum 12 über den Ring- spalt 16 den Einspritzöffnungen 17 zuströmender Kraftstoff in den Brennraum 18 der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Zum Beenden des Einspritzvorganges wird das als direktschaltendes 3/2-Wege- Ventil ausgebildete Schaltventil 22 aktiviert, d.h. geschlossen. Über die Wirkung der Schließfeder 36 bewegt sich die einteilig ausgebildete Ventilnadel 23 in ihre untere Ausgangsstellung. Bei der vertikalen Abwärtsbewegung der einteilig ausgebildeten Ventilnadel 23 erfolgt ein Schließen des Dichtsitzes 24 und ein Öffnen der Schieberdichtung 25, gebildet durch die Steuerkanten 33 bzw. 34. Über den Arbeitsraum 4, die Überströmleitung 9, den ersten Druckraum 28, dem zweiten Druckraum 29 und die Steuerleitung 10 baut sich im Diffe- renzdruckraum 6 des Druckverstärkers 3 Systemdruck auf, wodurch der Druckverstärker 3 deaktiviert wird, d. h. unterstützt durch die Rückstellfeder 7 wieder in seine Ruhelage zurückkehrt. Das Einspritzventilglied 13 schließt, da der Druck im Druckraum 12 bei Druckentlastung des Kompressionsraumes 8 ebenfalls abnimmt.
Bei Wiederbefüllung des Differenzdruckraumes 6 über die Steuerleitung 10 erfolgt gleichzeitig ein Überströmen von Kraftstoff in die Verbindungsleitung 19 zu dem die Schließfeder 15 aufnehmenden Steuerraum des Einspritzventilgliedes 13. Über den von der Verbindungsleitung 19 abzweigenden Abzweig 20 strömt Kraftstoff über ein Befüllventil 21, wel- ches beispielsweise als Rückschlagventil ausgebildet sein kann, dem wieder zu befüllenden Kompressionsraum 8 des Druckverst rkers 3 zu.
Die Druckausgeglichenheit des als direktschaltendes 3/2-Wege-Ventil ausgebildeten Schaltventiles 22 wird durch übereinstimmende Durchmesser 26 im Bereich des Dichtsit- zes 24 und im Bereich der Ventilnadel 23, vgl. Nadeldurchmesser 27 im einteiligen Gehäuse 35 erreicht. Dadurch üben sowohl der im ersten Drackraum 28 anstehende Kraftstoffdruck als auch der im zweiten Druckraum 29 anstehende Kraftstoffdruck keine Kräfte auf die einteilig ausgebildete Ventilnadel 23 aus.
Anstelle der im Differenzdruckraum 6 aufgenommenen Rückstellfeder 7 zur Unterstützung der Rückstellbewegung des Verstärkerkolbens 5 in seine Ruhelage, kann diese Stellfeder auch in einem anderen Raum des Druckverstärkers 3 untergebracht sein, oder es kann auf hydraulischem Wege eine Rückstellkraft erzeugt werden.
Der Dichtsitz 24 kann zum Beispiel als Flachsitz oder wie in Fig. 1 angedeutet als Kegelsitz ausgebildet werden. In Verbindung mit einem zweiteilig ausgebildeten Ventilgehäuse können bei Ausbildung des Dichtsitzes 24 als Flachsitz erhebliche fertigungstechnische Vorteile erzielt werden. Bei einem zweiteilig ausgebildeten Ventilgehäuse 35, kann der als Flachsitz ausgeführte Dichtsitz 24 in einem zweiten, als Dichtplatte 35.2 ausgebildeten Ventilgehäuseteil liegen (Figur 3). Durch die verbesserte Zugänglichkeit zur Bearbeitung des Dichtsitzes 24 sowie von Schieberkanten und Ventilkammern lässt sich bei Einsatz eines zweiteilig ausgebildeten Ventilgehäuses eine kostengünstigere Fertigung des Ventiles erreichen. Neben der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante des Aktors 37 als Magnetspule 38, kann auch ein Piezosteller zur Betätigung der einteiligen Ventilnadel 23 des direktschaltenden 3/2- Wege- Ventiles 22 eingesetzt werden. Zur Verbesserung der Zumessgenauigkeit und zur Darstellung kleiner Einspritzmengen kann dem Einspritzventil 13 ein Dämpfungskolben zugeordnet werden, welcher die Öffnungsgeschwindigkeit des Einspritzventilgliedes 13 bei aktiviertem Druckverstärker 3 und von dessen Kompressions- raum 8 in den Druckraum 12 einströmenden, unter erhöhtem Druck stehenden Kraftstoff dämpft.
Fig. 2 ist eine weitere Ausfuhrungsvariante eines direktschaltenden 3/2-Wege- Ventiles zu entnehmen, dessen Ventilnadel einen niederdruckseitigen Fortsatz aufweist.
Im Unterschied zur in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsvariante befindet sich an der Ventilnadel 23 unterhalb des Dichtsitzes 24 ein Fortsatz 31, welcher in den Niederdruckraum 30 eintaucht. Oberhalb des Fortsatzes 31 der einteilig ausgebildeten Ventilnadel 23 verläuft ein erster mederdruckseitiger Rücklauf 32.1, während unterhalb des Fortsatzes 31 ein zweiter niederdruckseitiger Rücklauf 32.2 abzweigt. Analog zur Darstellung der einteiligen Ventilnadel 23 gemäß Fig. 1 umfasst die Ventilnadel 23 gemäß der Ausfuhrungsvariante nach Fig. 2 eine Schieberdichtung 25, welche durch eine ventilnadelseitige Steuerkante 34 und eine ventilgehäuseseitige Steuerkante 33 gebildet wird. Zur Druckausgeglichenheit der Ventilnadel 23 entsprechen der Führungsdurchmesser 27 der Ventilnadel 23 und der Sitzdurchmesser 26 des Dichtsitzes 24 einander. Mit der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante kann erreicht werden, dass im Niederdruckraum 30 auftretende Druckkräfte nicht auf die Ventilnadel 23 wirken. Die Funktionsweise der Ausf hrungsvariante, welche in Fig. 2 dargestellt ist, entspricht der Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Kraftstoffinjektors mit Druckverstärker 3, der über das direktschaltende Schaltventil 22 betätigt wird, dessen Ventilnadel 23 ohne den in Fig. 2 dargestellten Fortsatz 31 im Niederdruckraum 30 beschaffen ist.
Im Vergleich zu den aus dem Stande der Technik bekannten Servoventilen, mit welchen ein Kraftstoffinjektor mit Druckverstärker 3 betätigbar ist, und mit welchen die hohen Absteuermengen bei Druckentlastung des Differenzdruckraumes 6 des Druckverstärkers 3 beherrschbar sind, ist das Schaltventil 22 als direktschaltendes 3/2-Wege- Ventil ausgebildet, und kann aufgrund der einteilig ausgebildeten Ventilnadel 23, sei sie mit oder ohne Fortsatz 31 ausgebildet, wesentlich einfach und fertigungstechnisch günstiger hergestellt werden und die einteilige Ausbildung des Ventilgehäuses 35 des als direktschaltendes 3/2- Wege- Ventils ausgebildeten Schaltventiles 22 gewährleisten eine ausreichende Fertigungsgenauigkeit und damit eine tolerierbare Dichtheit bei Hochdruckeinspritzsystemen für die direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschinen.
Bei einem zweiteilig ausgebildeten Ventilgehäuse 35 kann unter Einsatz eines als Flachsitz ausgebildeten Dichtsitzes 24 dieser in einem als Dichtplatte 35.2 ausgebildeten Ventilgehäuseteil liegen. Diese Ausfuhrungsvariante eröffnet die Möglichkeit einer verbesserten Zugänglichkeit zur Bearbeitung des Dichtsitzes 24 der Schieberdichtung 25 sowie der Ven- tilkammern des Ventils. Die Ausfuhrungsvariante eines direkt schaltenden 3/2- Wegeventiles mit einem mehrteiligen Ventilgehäuse ist in Figur 3 dargestellt. Das mehrteilige Ventilgehäuse 35 umfasst einen ersten Gehäuseteil 35.1, in welchem die Ventilnadel 23 des direkt schaltenden Schaltventiles 22 geführt ist. An der Ventilnadel 23, die in einem Durchmesser 27 ausgebildet ist, ist eine einer Magnetspule 38 gegenüberliegende Platte 39 ausgebildet, die ihrerseits von der Schließfeder 36 beaufschlagt ist. Im ersten Gehäuseteil 35.1 ist die gehäuseseitige Steuerkante 33, die mit der ventilnadelseitigen Steuerkante 34 zusammenwirkt, ausgebildet. Der Dichtsitz 24 wird bevorzugt als Flachsitz ausgebildet. Durch den Dichtsitz 24 wird der Niederdruckraum 30 abgedichtet. Dieser kann in fertigungstechnisch besonders einfacher Weise als Sacklochbohrung ausgebildet werden, von der ein zweiter niederdruckseitiger Rücklauf 32.2 abzweigt. Die Steuerleitung 10 mündet in den zweiten Drackraum 29, die vom Arbeitsraum 4 des Druckverstarkers 3 abzweigende Überströmleitung 9 mündet in den ersten Druckraum 28. Der zweite Ventilgehäuseteil 35.2 des mehrteiligen Ventilgehäuses 35 kann ein eigenständiges Bauteil darstellen, welches getrennt vom Injektorkörper eines Kraftstoffinjektors ausgebildet ist. Das als Dichtplatte ausgebildete zweite Ventilgehäuseteil 35.2 kann jedoch ebenso gut durch das Injektorgehäuse an sich gebildet werden.
Die in der Ausfuhrungsvariante gemäß Figur 2 dargestellten niederdruckseitigen Rückläufe 32.1, 32.2 können zusammengeführt sein und an ein beiden Rückläufen 32.1, 32.2 gemein- sa es Rücklaufsystem angeschlossen werden.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene als direktschaltendes 3/2- Wege- Ventil ausgebildete Schaltventil 22 lässt sich bei Druckverstärkern 3 einsetzen, die über eine Steuerung des Druckes im Differenzdruckraum 6 gesteuert werden. Entsprechend des Auslegungsverhältnisses des Druckverstarkers 3 erfolgt eine Druckerhöhung in dessen Kompressionsraum 8, welcher über die Druckraumzuleitung 11 im Druckraum 12 indem das Einspritzventilglied 13 im Bereich einer Druckstufe 14 umgebenden Druckraum 12 ansteht. Je höher der dort herrschende Druck ist, desto höherer Einspritzdruck lässt sich an den in den Brenn- räum 18 der Verbrennungskraftmaschine mündenden Einspritzöffnungen 17 erreichen.
Bezugszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffinjektor mit einem Druckverstärker (3), der von einer Druckquelle (1) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt wird und dessen Arbeitsraum (4) von einem Differenzdruckraum (6) über einen Verstärkerkolben (5) getrennt ist, wobei die Druckentlastung und die Druckbeaufschlagung des Differenzdruckraumes (6) über ein Schaltventil (22) erfolgen, welches mit dem Differenzdruckraum (6) über eine Steuerleitung (10) verbunden ist und ein Druckraum (12) am Einspritzventilglied (13) über eine Druckraumzuleitung (11) mit einem Kompressionsraum (8) des Druckverstär- kers (3) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (22) ein direktschaltendes 3/2- Wege- Ventil ist, dessen Ventilnadel (23, 31) druckausgeglichen ist und sowohl einen Dichtsitz (24) als auch eine Schieberdichtung (25) aufweist.
2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltven- til (22) einen ersten Druckraum (28) und einen zweiten Druckraum (29) aufweist, welche durch die Schieberdichtung (25) voneinander trennbar sind.
3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druckraum (29) des Schaltventiles (22) mittels des Dichtsitzes (24) von einem Niederdruck- räum (30) trennbar ist.
4. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (22) eine einteilig ausgebildete Ventilnadel (23) aufweist.
5. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (23) einen Führungsdurchmesser (27) im Ventilgehäuse (35) aufweist, der im Wesentlichen einem Durchmesser (26) des Dichtsitzes (24) der Ventilnadel (23) entspricht.
6. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dass die Ventilnadel (23) einen Ventilnadelfortsatz (31) umfasst, der von einem Niederdruckraum (30) umschlossen ist.
7. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem der Hochdruckzuleitung (2) verbundene Überströmleitung (9) in den ersten Druck- räum (28) des Schaltventiles (22) mündet und eine den Differenzdruckraum (6) des Druckverstarkers (3) druckbeaufschlagende oder druckentlastende Steuerleitung (10) in den zweiten Druckraum (29) des Schaltventiles (22) mündet, wobei die Druckräume (28) über die Schieberdichtung (25) entsprechend der Hubbewegung der Ventilnadel (23) voneinander trennbar oder miteinander verbindbar sind.
8. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (24) am niederdruckraumseitigen Ende der Ventilnadel (23) als Kegelsitz oder als Flachsitz ausgebildet ist.
9. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einteilig ausgebildete Ventilnadel (23) in einem einteilig ausgebildeten Ventilgehäuse (35) aufgenommen ist.
10. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einteilig ausgebildete Ventilnadel (23) in einem mehrteilig ausgebildeten Ventilgehäuse (35) geführt ist.
11. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungs- durchmesser (27) der Ventilnadel (23) dem Durchmesser der Schieberdichtung (25) entspricht.
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