WO2005017342A1 - Kraftstoff-einspritzvorrichtung, insbesondere für eine brennkraftmaschine mit direkteinspritzung - Google Patents

Kraftstoff-einspritzvorrichtung, insbesondere für eine brennkraftmaschine mit direkteinspritzung Download PDF

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WO2005017342A1
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valve element
control
fuel injection
injection device
pressure connection
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PCT/DE2004/001309
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Predrag Nunic
Thomas Kuegler
Detlev Potz
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Robert Bosch Gmbh
SANDER-POTZ, Maike
Potz, Wendelin
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    • F02M63/0045—Three-way valves

Definitions

  • Fuel injection device in particular for an internal combustion engine with direct injection
  • the invention relates to a fuel injection device, in particular for an internal combustion engine with direct injection, with a housing, with at least two coaxial valve elements, of which at least one has a hydraulic control surface which delimits a hydraulic control chamber and whose force results in the closing direction, and an actuating device which applied to the valve element in the opening direction.
  • a fuel injection device of the type mentioned is known from DE 100 58 153 AI.
  • the injector shown there there are two independently controllable valve elements. Both valve elements are coaxial with one another.
  • the outer valve element is "pressure-controlled", ie it opens when the injection pressure is increased and as a result a hydraulic force acting on a pressure surface and acting in the opening direction exceeds the closing force of a compression spring.
  • the inner valve element is stroke-controlled, that is, it opens when a pressure in a control space, which is limited by a hydraulic control surface acting in the closing direction, is reduced and forces acting in the opening direction falls below.
  • the reasons for the realization of fuel injection devices with several valve elements are primarily that the cross sections of the outlet channels can be kept small, which leads to a good atomization of the fuel jets with a small droplet diameter of the generated fuel spray ("spray").
  • the number of "active" fuel outlet channels can be changed by using a plurality of valve elements, each of which is assigned to specific fuel channels, so that, for example, even if only a small amount of fuel is to be injected, a sufficiently long injection period with good atomization quality can be achieved can.
  • the object of the present invention is to develop a fuel injection device of the type mentioned at the outset in such a way that it operates with it
  • both valve elements each have at least one hydraulic control surface, the force resultant of which points in the closing direction, at least one loading device acting in the opening direction, and a separate hydraulic control chamber assigned to the respective control surface (stroke control ), and that the inner valve element, with its end facing away from the combustion chamber in the installed position, projects beyond the outer valve element in such a way that the one assigned to the inner valve element Control chamber, seen from the end on the combustion chamber side in the installed position, lies behind the control chamber assigned to the outer valve element.
  • both valve elements are stroke-controlled.
  • the opening and closing of the valve elements is therefore largely independent of the injection pressure. This leads to good emission behavior of the internal combustion engine during operation of the fuel injection device.
  • the fuel injection device according to the invention is nevertheless very narrow, since the control spaces which are assigned to the individual valve elements are axially spaced apart and the control space assigned to the inner valve element is not arranged inside the outer valve element but outside of it.
  • the fuel injection device according to the invention has a fluid connection which connects a guide region, which is formed between the inner and the outer valve element, to the low-pressure connection.
  • a fluid connection allows fuel which flows through the guide gap between the inner and the outer valve element from the end on the combustion chamber side in the direction of control chambers to be intercepted or discharged. In this way it is prevented that fuel from the combustion chamber end through the guide gap between passes through the inner and the outer valve element to that control chamber which is assigned to the outer valve element and influences the pressure prevailing therein in an uncontrolled manner.
  • the fluid connection comprises at least one fluid channel which leads obliquely through the inner valve element and which opens at one end in the guide area and at the other end in the projecting area of the inner valve element.
  • the captured fuel is directed past the combustion chamber assigned to the outer valve element.
  • the fluid connection starts from an annular space and / or ends in an annular space.
  • the mouths of the above-mentioned oblique fluid channel can be arranged in annular grooves in the outer surface of the inner valve element. This allows a particularly effective discharge of the fuel passing through said guide gap, which improves the control precision of the fuel injection device.
  • a further preferred embodiment of the fuel injection device according to the invention provides that it comprises a pretensioning device which acts on the protruding area of the inner valve element and acts on it in the closing direction.
  • a pretensioning device does this in certain operating situations (for example when the internal combustion engine is switched off) inner valve element is held in the closed position, even if the control pressure required for closing is not present in the control chamber assigned to the inner valve element. This increases the safety in the operation of the fuel injection device according to the invention.
  • the pretensioning device comprises a helical compression spring which is arranged coaxially to the inner valve element around at least part of the projecting area. This leads to a compact design of the fuel injection device.
  • control room be a
  • Valve element is connected to a control pressure connection at which a variable control pressure can be provided, and that the control chamber of the other valve element is connected via a flow restrictor to a high-pressure connection and to a control valve which connects it
  • Control room can connect with a low pressure connection.
  • a fuel injection device With such a fuel injection device, different opening and closing properties of the two valve elements can be realized. This allows an optimal injection in very different operating situations.
  • control valve is also connected to the high-pressure connection, and that it is in a switching position
  • connection to the low pressure connection and in another switching position the connection to the high pressure connection is interrupted.
  • the second-mentioned control chamber in the upper development is in the valve position in which the control valve controls the control chamber Low pressure connection separates, connected to the high pressure connection in two separate ways. This accelerates the filling of this control chamber and the corresponding closing movement of the valve element to which this control chamber is assigned, and ultimately improves this
  • the two control rooms can be connected on the one hand via a flow restrictor to a common high-pressure connection and on the other hand to a common switching valve, which separates both control rooms from the low-pressure connection in a first switching position, and both control rooms with the in a second switching position
  • Low pressure connection connects, and in a third switching position connects a control room with the low pressure connection and separates the other from the low pressure connection.
  • Such a fuel injection device is particularly compact and only requires two fluid connections, namely a high-pressure connection and a low-pressure connection. Their integration into an internal combustion engine is therefore simple.
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel system with a first embodiment of a fuel injection device
  • FIG. 2 shows a partial section through the fuel injection device from FIG. 1;
  • Figure 3 shows a detail III of the fuel injection device of Figure 2;
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a fuel system with a second embodiment of a fuel injection device
  • FIG. 5 shows a representation similar to FIG. 3 of a detail of the fuel injection device from FIG. 4
  • a fuel system bears the overall reference number 10 in FIG. 1. It belongs to an internal combustion engine, which is not shown in detail in FIG. 1.
  • the fuel system 10 comprises a fuel tank 12, from which a fuel pump 14 delivers the fuel to a fuel manifold 16 (“rail”).
  • a plurality of fuel injection devices 18 are connected to the latter, only one of which is shown in FIG. 1. This injects the fuel directly into a combustion chamber 20 which is directly associated with it.
  • the fuel injection device 18 is connected to the fuel collecting line 16 via a high-pressure connection 22.
  • a low-pressure connection 24 leads back to the fuel tank 12 via a return line 26.
  • the fuel injection device 18 is connected to a control pressure accumulator 30 via a control pressure connection 28. Similar to the fuel manifold 16, this is fed by the fuel pump 14.
  • the pressure in the control pressure accumulator 30 can, however, be changed by means of a pressure setting device 32.
  • the pressure setting device 32 is controlled by a control and regulating device 34.
  • the fuel injector 18 is shown in greater detail in FIG. 2. It comprises a housing 36, which consists of several parts. This includes a nozzle body 38, an intermediate plate 40, a valve plate 42, and a connecting sleeve 44. Two valve elements 46 and 48, which are coaxial to one another, are present in the nozzle body 38. Each valve element is assigned a plurality of fuel outlet channels at the lower end of the fuel injection device 18 in FIG. 2, the diameter of which, however, is so small that they are not visible in FIG. 2.
  • valve elements 46 and 48 When the valve elements 46 and 48 are open, these fuel outlet channels are provided via one between the nozzle body 38 and the outer valve element 48 Annulus 50 (see Figure 3) supplied with fuel.
  • the annular space 50 is in turn connected to the high-pressure connection 22 via a high-pressure channel 52 formed in the intermediate disk 40, the valve plate 42 and the connecting sleeve 44.
  • a piezo actuator 54 is arranged in the connection sleeve 44 and can also be connected to the control and regulating device 34 via a connection socket 56.
  • the piezo actuator 54 causes an adjustment of a valve body 58 of a 2/3 control valve 60.
  • FIG. 3 The detailed design of the fuel injection device 18 in the area of the intermediate disk 40 is shown in FIG. 3: A support ring 62 is supported on a circumferential shoulder 64 of the outer valve element 48. A spring 66 is supported on the support ring 62, the upper end of which in FIG. 3 acts on a sealing sleeve 68 against the intermediate disk 40. The upper end of the outer valve element 48 in FIG. 3 is delimited by an annular control surface 70.
  • the inner valve element 46 is guided in the outer valve element 48.
  • the corresponding guide gap which is only shown as a line in FIG. 3, bears the reference symbol 72. Although it is referred to in the present case as the gap, the
  • Guide gap 72 yes subject to a fluid-tight sliding guide and therefore extremely small in reality, so that fuel can only pass through it to a small extent.
  • the inner valve element 46 projects with a region 74 beyond the control surface 70 of the outer valve element 48 into a corresponding recess (without reference number) in the intermediate disk 40.
  • a control space 76 which is assigned to the outer valve element 48.
  • a control chamber 78 which is assigned to the inner valve element 46, is formed between the upper end of the inner valve element 46 in FIG. 3 and the intermediate disk 40.
  • the corresponding control surface present at the upper end of the inner valve element 46 in FIG. 3 bears the reference number 79.
  • pressure surfaces (without reference number) acting in the opening direction on which, depending on the operating situation, the high fluid pressure transmitted via the annular space 50 is present.
  • a circumferential annular groove 80 is provided on the outer surface of the inner valve element 46.
  • a corresponding annular groove 82 is likewise present in the projecting region 74 of the inner valve element 46.
  • Both ring grooves 80 and 82 are connected to one another via a fluid channel 84 which runs obliquely in the inner valve element 46.
  • a helical compression spring 86 which acts on the inner valve element 46 in the closed position, is arranged around part of the projecting region 74 of the inner valve element 46.
  • the inner valve element 46 has a parting line 88 which decouples the static mounting of the area of the inner valve element 46 above and below the parting line 88.
  • the sealing sleeve 68 is penetrated by an inlet channel 90 through which the control chamber 76 is continuously connected to the high-pressure connection 22.
  • the inlet channel 90 also forms an inlet throttle.
  • a leakage channel 92 is formed in the intermediate disk 40 and the valve plate 42, which extends from the upper annular groove 82 starts at the inner valve element 46 and ultimately leads to the low pressure connection 24.
  • An outlet duct 94 also leads from the control chamber 76 to a switching chamber 96, in which the valve body 58 of the control valve 60 is accommodated.
  • a branch duct 98 which extends from the high-pressure duct 52, also leads to the switching chamber 96.
  • the mouth of the branch channel 98 in the switching chamber 96 is closed by the valve body 58 when it is in its lower end position in FIG. 3. In this lower end position, the switching chamber 96 is connected to the low pressure connection 24.
  • the connection of the switching chamber 96 to the low-pressure connection 24 is interrupted, but the mouth of the branch channel 98 into the switching chamber 96 is free.
  • Control chamber 78 of inner valve element 46 is connected to control pressure connection 28 via a control channel 100.
  • the fuel injection device 18 shown in FIGS. 1 to 3 operates as follows:
  • Hydraulic force acting in the opening direction is present.
  • the valve body 58 In the initial state, the valve body 58 is in its upper end position, in which the switching chamber 96 is separated from the low pressure connection 24.
  • the control chamber 76 which is assigned to the outer valve element 48, is connected exclusively to the high-pressure connection 22 on the one hand via the inlet channel 90 and on the other hand via the branch channel 98, the switching chamber 96, and the outlet channel 94.
  • the force acting in the closing direction predominates, so that the outer valve element 48 securely in its closed position is pressed, in which all fuel outlet channels are separated from the high pressure connection 22.
  • the switching chamber 96 is thus separated from the high pressure connection 22 and instead connected to the low pressure connection 24.
  • the fuel enclosed under high pressure in the control chamber 76 can thus flow out to the low-pressure connection 24 via the outlet throttle 95, the outlet duct 94 and the switching chamber 96.
  • the pressure drop in the control chamber 76 reduces the pressure acting on the control surface 70 in the closing direction
  • the control pressure in the control pressure accumulator 30 is reduced accordingly, which is transmitted via the control pressure connection 28 and the control pressure channel 100 into the control chamber 78 of the inner valve element 46. If the force acting in the opening direction exceeds the force acting on the control surface 78 of the inner valve element 46 in the closing direction, the inner valve element 46 also opens. To close the inner valve element 46, either the control pressure in the control pressure accumulator 30 can be increased or the piezo actuator 54 becomes so controlled that the switching chamber 96 is separated from the low pressure port 24 again. Via the inlet channel 90 and the outlet channel 94 Now the control chamber 76 fills very quickly, which in this leads to an increase in pressure and finally to the closing of the outer valve element 48. However, when this closes, the pressure on the corresponding pressure surface of the inner valve element 46 also decreases and in
  • FIGS. 4 and 5 show a second exemplary embodiment of a fuel system or a fuel injection device. Elements and areas which have functions equivalent to elements and areas of the exemplary embodiment shown in connection with FIGS. 1 to 3 have the same reference symbols. They are not described in detail again.
  • Control pressure connection but only has a high-pressure connection 22 and a low-pressure connection 24. From FIG. 5 it can be seen that the switching chamber 96 of the control valve 60 is not connected directly to the high-pressure duct 52. Instead, it is via a drain channel 100 connected to the control chamber 78 with a corresponding discharge throttle 102, which is assigned to the inner valve element 46. An inlet channel 104 also connects the control chamber 78 to the high-pressure channel 52.
  • the fuel injection device 18 shown in FIGS. 4 and 5 operates as follows:
  • the valve body 58 In the initial state, the valve body 58 is in the upper end position shown in FIG. 5, in which the switching chamber 96 is separated from the low-pressure connection 24. In this starting position, the two control rooms 76 and 78 are exclusively connected to the high-pressure duct 52 via the inlet duct 104 and the inlet duct 90. The two valve elements 46 and 48 are therefore closed. If the outer valve element 48 is to be opened, the valve body 58 of the control valve 60 is brought into its lower end position in FIG. 5. In this, the switching chamber 96 is connected to the low-pressure connection 24, but the mouth of the outlet channel 100, which comes from the control chamber 78 of the inner valve element 46, is closed. Thus, the pressure drops only in the control room 76, but not in the control room 78. Analogously to the function described in connection with FIGS. 1 to 3, the outer valve element 48 thus opens.
  • valve body 58 is brought into an intermediate position lying between its two end positions.
  • the control valve 60 which is shown in FIG. 5, is therefore a 3/3 switching valve. In this

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Abstract

Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) umfasst ein Gehäuse (36) sowie mindestens zwei koaxiale Ventilelemente (46, 48). Es wird vorgeschlagen, dass beide Ventilelemente (46, 48) jeweils mindestens eine hydraulische Steuerfläche (70, 79), deren Kraftresultierende in Schliessrichtung zeigt, mindestens eine in Öffnungsrichtung wirkende Beaufschlagungsrichtung, und einen eigenen, der jeweiligen Steuerfläche (70, 79) zugeordneten hydraulischen Steuerraum (76, 78) aufweisen, und dass das innere Ventilelement (46) mit seinem in Einbaulage vom Brennraum 20 abgewandten Ende über das äussere Ventilelement (48) so übersteht, dass der dem inneren Ventilelement (46) zugeordnete Steuerraum (78) vom in Einbaulage brennraumseitigen Ende her gesehen, hinter dem dem äusseren Ventilelement (48) zugeordneten Steuerraum (76) liegt.

Description

Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff- Einspritzvorrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse, mit mindestens zwei koaxialen Ventilelementen, von denen mindestens eines eine hydraulische Steuerfläche, die einen hydraulischen Steuerraum begrenzt und deren Kraftresultierende in Schließrichtung zeigt, und eine Beaufschlagungseinrichtung, welche das Ventilelement in Öffnungsrichtung beaufschlagt, aufweist.
Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 100 58 153 AI bekannt. Bei der dort dargestellten Einspritzdüse sind zwei unabhängig voneinander steuerbare Ventilelemente vorhanden. Beide Ventilelemente sind zueinander koaxial. Das äußere Ventilelement ist "druckgesteuert", das heißt es öffnet, wenn der Einspritzdruck erhöht wird und hierdurch eine an einer Druckfläche angreifende und in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft die Schließkraft einer Druckfeder übersteigt. Das innere Ventilelement ist hubgesteuert, das heißt, es öffnet dann, wenn ein Druck in einem Steuerraum, der von einer in Schließrichtung wirkenden hydraulischen Steuerfläche begrenzt wird, abgesenkt wird und in Öffnungsrichtung wirkende Kräfte unterschreitet .
Die Gründe für die Realisierung von Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen mit mehreren Ventilelementen sind vornehmlich die, dass die Querschnitte der Austrittskanäle klein gehalten werden können, was zu einer guten Zerstäubung der Kraftstoffstrahlen bei gleichzeitig geringem Tropfendurchmesser des erzeugten Kraftstoffnebels ("Spray") führt. Durch die Verwendung mehrerer Ventilelemente, welche jeweils bestimmten Kraftstoffkanälen zugeordnet sind, kann die Anzahl der "aktiven" Kraftstoff- Austrittskanäle verändert werden, so dass beispielsweise auch dann, wenn nur eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt werden soll, eine ausreichend lange Einspritzdauer bei guter Zerstäubungsqualität realisiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kraftstoff- Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass von der mit ihr betriebenen
Brennkraftmaschine nur geringe Emissionen erzeugt werden, und dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gleichzeitig einfach und kompakt baut.
Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass beide Ventilelemente jeweils mindestens eine hydraulische Steuerfläche, deren Kraftresultierende in Schließrichtung zeigt, mindestens eine in Öffnungsrichtung wirkende Beaufschlagungseinrichtung, und einen eigenen, der jeweiligen Steuerfläche zugeordneten hydraulischen Steuerraum aufweisen (Hubsteuerung) , und dass das innere Ventilelement mit seinem in Einbaulage vom Brennraum abgewandten Ende über das äußere Ventilelement so übersteht, dass der dem inneren Ventilelement zugeordnete Steuerraum, vom in Einbaulage brennraumseitigen Ende her gesehen, hinter dem dem äußeren Ventilelement zugeordneten Steuerraum liegt.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sind beide Ventilelemente hubgesteuert. Das Öffnen und Schließen der Ventilelemente ist daher weitgehend unabhängig vom Einspritzdruck. Dies führt im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zu einem guten Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine. Dabei baut die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung dennoch sehr schmal, da die Steuerräume, welche den einzelnen Ventilelementen zugeordnet sind, axial voneinander beabstandet sind und der dem inneren Ventilelement zugeordnete Steuerraum nicht innerhalb des äußeren Ventilelements, sondern außerhalb von diesem angeordnet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Zunächst wird vorgeschlagen, dass die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine Fluidverbindung aufweist, welche einen Führungsbereich, der zwischen dem inneren und dem äußeren Ventilelement ausgebildet ist, mit dem Niederdruckanschluss verbindet. Durch eine solche Fluidverbindung kann Kraftstoff, welcher durch den Führungsspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Ventilelement vom brennraumseitigen Ende her in Richtung Steuerräume strömt, abgefangen bzw. abgeführt werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass Kraftstoff vom brennraumseitigen Ende her durch den Führungsspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Ventilelement hindurch zu jenem Steuerraum gelangt, der dem äußeren Ventilelement zugeordnet ist, und den in diesem herrschenden Druck unkontrolliert beeinflusst. Mit dieser Weiterbildung wird daher die Präzision bei der Ansteuerung der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung verbessert.
In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Fluidverbindung mindestens einen Fluidkanal umfasst, der schräg durch das innere Ventilelement hindurchführt, und der mit dem einen Ende im Führungsbereich und mit dem anderen Ende im überstehenden Bereich des inneren Ventilelements mündet. Hier wird der abgefangene Kraftstoff an dem dem äußeren Ventilelement zugeordneten Brennraum vorbeigeleitet. Ein solcher Fluidkanal ist fertigungstechnisch einfach realisierbar, seine Fertigungskosten sind daher gering.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Fluidverbindung von einem Ringraum ausgeht und/oder in einem Ringraum endet. Beispielsweise können die Mündungen des oben angegebenen schrägen Fluidkanals in Ringnuten in der Mantelfläche des inneren Ventilelements angeordnet sein. Dies gestattet eine besonders effektive Ableitung des durch den besagten Führungsspalt hindurchtretenden Kraftstoffes, was die Steuerpräzision der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung verbessert.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sieht vor, dass sie eine Vorspanneinrichtung umfasst, die an dem überstehenden Bereich des inneren Ventilelements angreift und dieses in Schließrichtung beaufschlagt. Durch eine solche Vorspanneinrichtung wird in bestimmten Betriebssituationen (beispielsweise bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine) das innere Ventilelement in der geschlossenen Stellung gehalten, auch wenn in dem dem inneren Ventilelement zugeordneten Steuerraum der zum Schließen erforderliche Steuerdruck nicht vorhanden ist. Dies erhöht die Sicherheit im Betrieb der erfindungsgemäßen Kraftstoff- Einspritzvorrichtung.
Dabei wird besonders bevorzugt, dass die Vorspanneinrichtung eine Schraubendruckfeder umfasst, welche koaxial zum inneren Ventilelement um mindestens einen Teil des überstehenden Bereichs herum angeordnet ist. Dies führt zu einer kompakten Bauweise der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Steuerraum eines
Ventilelements mit einem Steuerdruckanschluss verbunden ist, an dem ein variabler Steuerdruck bereitgestellt werden kann, und dass der Steuerraum des anderen Ventilelements über eine Strömungsdrossel mit einem Hochdruckanschluss und mit einem Steuerventil verbunden ist, welches diesen
Steuerraum mit einem Niederdruckanschluss verbinden kann. Bei einer solchen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung können unterschiedliche Öffnungs- und Schließeigenschaften der beiden Ventilelemente realisiert werden. Dies gestattet eine optimale Einspritzung in sehr unterschiedlichen BetriesSituationen.
In vorteilhafter Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Steuerventil ebenfalls mit dem Hochdruckanschluss verbunden ist, und dass es in einer Schaltstellung die
Verbindung zum Niederdruckanschluss und in einer anderen Schaltstellung die Verbindung zum Hochdruckanschluss unterbricht. Auf diese Weise wird der bei der oberen Weiterbildung zweitgenannte Steuerraum in jener Ventilstellung, in der das Steuerventil den Steuerraum vom Niederdruckanschluss trennt, auf zwei separaten Wegen mit dem Hochdruckanschluss verbunden. Dies beschleunigt die Befüllung dieses Steuerraums und die entsprechende Schließbewegung des Ventilelements, dem dieser Steuerraum zugeordnet ist, und verbessert letztlich das
Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine, die mit der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung betrieben wird.
Alternativ hierzu ist es möglich, dass beide Steuerräume einerseits über jeweils eine Strömungsdrossel mit einem gemeinsamen Hochdruckanschluss und andererseits mit einem gemeinsamen Schaltventil verbunden sind, welches in einer ersten Schaltstellung beide Steuerräume vom Niederdruckanschluss trennt, in einer zweiten Schaltstellung beide Steuerräume mit dem
Niederdruckanschluss verbindet, und in einer dritten Schaltstellung einen Steuerraum mit dem Niederdruckanschluss verbindet und den anderen vom Niederdruckanschluss trennt. Eine solche Kraftstoff- Einspritzvorrichtung baut besonders kompakt und benötigt nur zwei Fluidanschlüsse, nämlich einen Hochdruckanschluss und einen Niederdruckanschluss. Ihre Integration in eine Brennkraftmaschine ist daher einfach.
Bei sämtlichen vorgenannten Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen ist auch vorteilhaft, wenn deren inneres Ventilelement eine Trennfuge, vorzugsweise im Bereich ungefähr seiner axialen Mitte, aufweist. Durch eine solche Trennfuge werden Verspannungen des inneren Ventilelements, die durch eine mehrfach überbestimmte Lagerung im äußeren Ventilelement hervorgerufen werden, verringert. Dies hat letztlich auch eine Verringerung des Führungsspalts zwischen dem inneren und dem äußeren Ventilelement zur Folge, was wiederum die durch diesen Führungsspalt hindurchtretende Leckage verringert. Zeichnung
Nachfolgend werden besonders bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines KraftstoffSystems mit einer ersten Ausführungsform einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung;
Figur 2 einen Teilschnitt durch die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung von Figur 1;
Figur 3 ein Detail III der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung von Figur 2;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems mit einer zweiten Ausführungsform einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung; und
Figur 5 eine Darstellung ähnlich Figur 3 eines Details der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von Figur 4
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein Kraftstoffsystem trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es gehört zu einer Brennkraftmaschine, die im Detail in Figur 1 nicht dargestellt ist. Das KraftstoffSystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem eine Kraftstoffpumpe 14 den Kraftstoff zu einer Kraftstoff-Sammelleitung 16 ( "Rail" ) fördert . An diese sind mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 18 angeschlossen, von denen in Figur 1 nur eine gezeigt ist. Diese spritzt den Kraftstoff direkt in einen ihr unmittelbar zugeordneten Brennraum 20 ein.
Die Verbindung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 mit der Kraftstoff-Sammelleitung 16 erfolgt über einen Hochdruckanschluss 22. Ein Niederdruckanschluss 24 führt über eine Rücklaufleitung 26 zum Kraftstoffbehälter 12 zurück. Über einen Steuerdruckanschluss 28 ist die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 mit einem Steuerdruckspeicher 30 verbunden. Dieser wird ähnlich wie die Kraftstoff-Sammelleitung 16 von der Kraftstoffpumpe 14 gespeist. Mittels einer Druckeinstelleinrichtung 32 kann der Druck im Steuerdruckspeicher 30 jedoch verändert werden. Die Druckeinstelleinrichtung 32 wird von einem Steuer- und Regelgerät 34 angesteuert.
Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 ist stärker im Detail in Figur 2 gezeigt. Sie umfasst ein Gehäuse 36, welches aus mehreren Teilen besteht. Hierzu gehört ein Düsenkörper 38, eine Zwischenscheibe 40, eine Ventilplatte 42, und eine Anschlusshülse 44. Im Düsenkörper 38 sind zwei zueinander koaxiale Ventilelemente 46 und 48 vorhanden. Jedem Ventilelement ist am in Figur 2 unteren Ende der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 jeweils eine Mehrzahl von Kraftstoff-Austrittskanälen zugeordnet, deren Durchmesser jedoch so klein ist, dass sie in Figur 2 nicht sichtbar sind.
Bei geöffneten Ventilelementen 46 und 48 werden diese Kraftstoff-Austrittskanäle über einen zwischen dem Düsenkörper 38 und dem äußeren Ventilelement 48 vorhandenen Ringraum 50 (vergleiche Figur 3) mit Kraftstoff versorgt. Der Ringraum 50 steht wiederum über einen in der Zwischenscheibe 40, der Ventilplatte 42 und der Anschlusshülse 44 ausgebildeten Hochdruckkanal 52 mit dem Hochdruckanschluss 22 in Verbindung. In der Anschlusshülse 44 ist ein Piezoaktor 54 angeordnet, der über eine Anschlussbuchse 56 ebenfalls mit dem Steuer- und Regelgerät 34 verbunden werden kann. Der Piezoaktor 54 bewirkt eine Verstellung eines Ventilkörpers 58 eines 2/3-Steuerventils 60.
Die detaillierte Ausgestaltung der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 18 im Bereich der Zwischenscheibe 40 geht aus Figur 3 hervor: Ein Stützring 62 stützt sich an einem umlaufenden Absatz 64 des äußeren Ventilelements 48 ab. An dem Stützring 62 stützt sich wiederum eine Feder 66 ab, deren in Figur 3 oberes Ende eine Dichthülse 68 gegen die Zwischenscheibe 40 beaufschlagt. Das in Figur 3 obere Ende des äußeren Ventilelements 48 wird von einer ringförmigen Steuerfläche 70 begrenzt.
Das innere Ventilelement 46 ist im äußeren Ventilelement 48 geführt. Der entsprechende und in Figur 3 nur linienhaft dargestellte Führungsspalt trägt das Bezugszeichen 72. Obwohl er vorliegend als Spalt bezeichnet wird, ist der
Führungsspalt 72 ja Gegenstand einer möglichst fluiddichten Gleitführung und daher in der Realität äußerst klein, so dass Kraftstoff durch ihn nur in geringem Umfang hindurchtreten kann.
Das innere Ventilelement 46 ragt mit einem Bereich 74 über die Steuerfläche 70 des äußeren Ventilelements 48 hinaus in eine entsprechende Ausnehmung (ohne Bezugszeichen) in der Zwischenscheibe 40 hinein. Zwischen dem inneren Ventilelement 46, der Zwischenscheibe 40, der Dichthülse 68, und der Steuerfläche 70 ist ein Steuerraum 76 gebildet, der dem äußeren Ventilelement 48 zugeordnet ist. Zwischen dem in Figur 3 oberen Ende des inneren Ventilelements 46 und der Zwischenscheibe 40 ist ein Steuerraum 78 gebildet, welcher dem inneren Ventilelement 46 zugeordnet ist. Die entsprechende, am in Figur 3 oberen Ende des inneren Ventilelements 46 vorhandene Steuerfläche trägt das Bezugszeichen 79. Im Bereich des in Figur 2 unteren Endes der Ventilelemente 46 und 48 sind in Öffnungsrichtung wirkende Druckflächen (ohne Bezugszeichen) vorhanden, an denen je nach Betriebssituation der über den Ringraum 50 übertragene hohe Fluiddruck anliegt. Diese bilden daher in Öffnungsrichtung wirkende Beaufschlagungseinrichtungen.
Noch im Bereich des Führungsspalts 72 ist in der äußeren
Mantelfläche des inneren Ventilelements 46 eine umlaufende Ringnut 80 vorhanden. Ebenso ist im überstehenden Bereich 74 des inneren Ventilelements 46 eine entsprechende Ringnut 82 vorhanden. Beide Ringnuten 80 und 82 sind über einen im inneren Ventilelement 46 schräg verlaufenden Fluidkanal 84 miteinander verbunden. Um einen Teil des überstehenden Bereichs 74 des inneren Ventilelements 46 herum ist eine Schraubendruckfeder 86 angeordnet, welche das innere Ventilelement 46 in Schließstellung beaufschlagt. Ferner weist das innere Ventilelement 46 eine Trennfuge 88 auf, welche die statische Lagerung des oberhalb und unterhalb der Trennfuge 88 liegenden Bereichs des inneren Ventilelements 46 entkoppelt.
Die Dichthülse 68 wird von einem Zulaufkanal 90 durchsetzt, durch den der Steuerraum 76 ständig mit dem Hochdruckanschluss 22 verbunden ist. Der Zulaufkanal 90 bildet gleichzeitig eine Zulaufdrossel . In der Zwischenscheibe 40 sowie der Ventilplatte 42 ist ein Leckagekanal 92 ausgebildet, der von der oberen Ringnut 82 am inneren Ventilelement 46 ausgeht und letztlich zum Niederdruckanschluss 24 führt. Vom Steuerraum 76 führt ferner ein Ablaufkanal 94 zu einer Schaltkammer 96, in der der Ventilkörper 58 des Steuerventils 60 untergebracht ist.
Zu der Schaltkammer 96 führt auch ein Stichkanal 98, der vom Hochdruckkanal 52 ausgeht. Die Mündung des Stichkanals 98 in die Schaltkammer 96 wird jedoch vom Ventilkörper 58 verschlossen, wenn sich dieser in seiner in Figur 3 unteren Endstellung befindet. In dieser unteren Endstellung ist die Schaltkammer 96 mit dem Niederdruckanschluss 24 verbunden. In der in Figur 3 oberen Endstellung des Ventilkörpers 58 ist dagegen die Verbindung der Schaltkammer 96 zum Niederdruckanschluss 24 unterbrochen, die Mündung des Stichkanals 98 in die Schaltkammer 96 jedoch frei. Der
Steuerraum 78 des inneren Ventilelements 46 ist über einen Steuerkanal 100 mit dem Steuerdruckanschluss 28 verbunden.
Die in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 18 arbeitet folgendermaßen:
Sobald in der Kraftstoff-Sammelleitung 16 Hochdruck anliegt, herrscht auch im Hochdruckkanal 52 ein hoher Druck, so dass an der am äußeren Ventilelement 48 am brennraumseitigen Ende vorhandenen Druckfläche eine in
Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft ansteht. Im Ausgangszustand befindet sich der Ventilkörper 58 in seiner oberen Endstellung, in der die Schaltkammer 96 vom Niederdruckanschluss 24 getrennt ist. Somit ist der Steuerraum 76, der dem äußeren Ventilelement 48 zugeordnet ist, einerseits über den Zulaufkanal 90 und andererseits über den Stichkanal 98, die Schaltkammer 96, und den Ablaufkanal 94 ausschließlich mit dem Hochdruckanschluss 22 verbunden. Die in Schließrichtung wirkende Kraft überwiegt, so dass das äußere Ventilelement 48 sicher in seine geschlossene Position gedrückt wird, in der sämtliche Kraftstoffaustrittskanäle vom Hochdruckanschluss 22 getrennt sind.
Zum Öffnen des äußeren Ventilelements 48 wird der
Ventilkörper 58 vom Piezoaktor 54 in seine in Figur 3 untere Endstellung gebracht. Die Schaltkammer 96 wird auf diese Weise vom Hochdruckanschluss 22 getrennt und stattdessen mit dem Niederdruckanschluss 24 verbunden. Somit kann der unter hohem Druck im Steuerraum 76 eingeschlossene Kraftstoff über die Ablaufdrossel 95, den Ablaufkanal 94 und die Schaltkammer 96 zum Niederdruckanschluss 24 hin abströmen. Durch die Druckabsenkung im Steuerraum 76 verringert sich die an der Steuerfläche 70 anliegende in Schließrichtung wirkende
Kraft. Sinkt diese unter die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft, öffnet das äußere Ventilelement 48 und Kraftstoff kann durch die entsprechenden Kraftstoffaustrittskanäle austreten. Nun liegt auch an der entsprechenden Druckfläche des inneren Ventilelements 46 eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft an.
Soll nun auch das innere Ventilelement geöffnet werden, wird der Steuerdruck im Steuerdruckspeicher 30 entsprechend reduziert, was sich über den Steuerdruckanschluss 28 und den Steuerdruckkanal 100 bis in den Steuerraum 78 des inneren Ventilelements 46 überträgt. Wenn die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft die an der Steuerfläche 78 des inneren Ventilelements 46 in Schließrichtung wirkende Kraft übersteigt, öffnet auch das innere Ventilelement 46. Zum Schließen des inneren Ventilelements 46 kann entweder der Steuerdruck im Steuerdruckspeicher 30 erhöht werden, oder der Piezoaktor 54 wird so angesteuert, dass die Schaltkammer 96 wieder vom Niederdruckanschluss 24 getrennt wird. Über den Zulaufkanal 90 und den Ablaufkanal 94 wird jetzt der Steuerraum 76 sehr schnell befüllt, was in diesem zu einer Druckerhöhung und schließlich zum Schließen des äußeren Ventilelements 48 führt. Wenn dieses jedoch schließt, sinkt auch der an der entsprechenden Druckfläche des inneren Ventilelements 46 anliegende und in
Öffnungsrichtung wirkende Kraft, so dass auch das innere Ventilelement 46 wieder schließt.
Durch den Führungsspalt 72 zwischen dem inneren Ventilelement 46 und dem äußeren Ventilelement 48 kann von dem in Figur 2 unteren Ende der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 18 her Kraftstoff unter hohem Druck in Richtung zum Steuerraum 76 strömen. Diese Kraftstoffleckage wird jedoch durch die Ringnut 80 aufgefangen und über den Fluidkanal 84 und die Ringnut 82 zum Leckagekanal 92 und von dort zum Niederdruckanschluss 24 abgelassen. Der Druck im Steuerraum 76 wird durch diese Kraftstoffleckage daher nicht beeinflusst.
In den Figuren 4 und 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines KraftstoffSystems beziehungsweise einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung gezeigt. Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, die äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen des im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiels aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im Detail beschrieben.
Aus Figur 4 geht hervor, dass die dort eingesetzte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 über keinen
Steuerdruckanschluss verfügt, sondern nur über einen Hochdruckanschluss 22 und einen Niederdruckanschluss 24. Aus Figur 5 geht hervor, dass die Schaltkammer 96 des Steuerventils 60 nicht direkt mit dem Hochdruckkanal 52 verbunden ist. Stattdessen ist sie über einen Ablaufkanal 100 mit einer entsprechenden Ablaufdrossel 102 mit dem Steuerraum 78 verbunden, der dem inneren Ventilelement 46 zugeordnet ist. Ein Zulaufkanal 104 verbindet den Steuerraum 78 ferner mit dem Hochdruckkanal 52. Die in den Figuren 4 und 5 gezeigte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 arbeitet folgendermaßen:
Im Ausgangszustand befindet sich der Ventilkörper 58 in der in Figur 5 gezeigten oberen Endstellung, in der die Schaltkammer 96 vom Niederdruckanschluss 24 getrennt ist. Die beiden Steuerräume 76 und 78 sind in dieser Ausgangsstellung über den Zulaufkanal 104 beziehungsweise den Zulaufkanal 90 ausschließlich mit dem Hochdruckkanal 52 verbunden. Die beiden Ventilelemente 46 und 48 sind also geschlossen. Soll das äußere Ventilelement 48 geöffnet werden, wird der Ventilkörper 58 des Steuerventils 60 in seine in Figur 5 untere Endstellung gebracht. In dieser ist die Schaltkammer 96 mit dem Niederdruckanschluss 24 verbunden, die Mündung des Ablaufkanals 100, der vom Steuerraum 78 des inneren Ventilelements 46 herkommt, ist jedoch verschlossen. Somit sinkt der Druck nur im Steuerraum 76, nicht jedoch im Steuerraum 78. Analog zu der im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschriebenen Funktion öffnet somit das äußere Ventilelement 48.
Soll auch das innere Ventilelement 46 öffnen, wird der Ventilkörper 58 in eine zwischen seinen beiden Endstellungen liegende Zwischenposition gebracht. Beim Steuerventil 60, welches in Figur 5 gezeigt ist, handelt es sich also um ein 3/3-Schaltventil . In dieser
Zwischenstellung ist die Schaltkammer 96 mit dem Niederdruckanschluss 24 verbunden, die Mündung des Ablaufkanals 100 in die Schaltkammer 96 ist jetzt jedoch vom Ventilkörper 58 freigegeben. Somit kann der Kraftstoff auch aus dem Steuerraum 78 zum Niederdruckanschluss 24 hin abströmen. Aufgrund der entsprechenden Druckabsenkung kann daher auch das innere Ventilelement 46 öffnen. Beendet wird eine Einspritzung wieder dadurch, dass der Ventilkörper 58 in seine in Figur 5 obere Endstellung gebracht wird.

Claims

Ansprüche
1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18), insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse (36) , mit mindestens zwei koaxialen Ventilelementen (46, 48) , von denen mindestens eines eine hydraulische Steuerfläche (70, 79), die einen hydraulischen Steuerraum (76, 78) begrenzt und deren Kraftresultierende in Schließrichtung zeigt, und eine Beaufschlagungseinrichtung aufweist, welche das Ventilelement (46, 48) in Öffnungsrichtung beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass beide Ventilelemente (46, 48) jeweils mindestens eine hydraulische Steuerfläche (70, 79) , deren Kraftresultierende in Schließrichtung zeigt, mindestens eine in Öffnungsrichtung wirkende Beaufschlagungseinrichtung, und einen eigenen, der jeweiligen Steuerfläche (70, 79) zugeordneten hydraulischen Steuerraum (76, 78) aufweisen, und dass das innere Ventilelement (46) mit seinem in Einbaulage vom Brennraum ' (20) abgewandten Ende über das äußere Ventilelement (48) so übersteht, dass der dem inneren Ventilelement (46) zugeordnete Steuerraum (78), vom in Einbaulage brennraumseitigen Ende her gesehen, hinter dem dem äußeren Ventilelement (48) zugeordneten Steuerraum (76) liegt.
2. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Fluidverbindung (84) aufweist, welche einen Führungsbereich (72) , der zwischen dem inneren und dem äußeren Ventilelement (46, 48) ausgebildet ist, mit dem Niederdruckanschluss (24) verbindet.
3. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung mindestens einen Fluidkanal (84) umfasst, der schräg durch das innere Ventilelement (46) hindurchführt und der mit dem einen Ende im Führungsbereich (72) und mit dem anderen Ende im überstehenden Bereich (74) des inneren Ventilelements (46) mündet .
4. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (84) von einem Ringraum (80) ausgeht und/oder in einem Ringraum (82) endet.
5. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorspanneinrichtung (86) umfasst, die an dem überstehenden Bereich (74) des inneren Ventilelements (46) angreift und dieses in Schließrichtung beaufschlagt.
6. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung eine
Schraubendruckfeder (86) umfasst, welche koaxial zum inneren Ventilelement (46) um mindestens einen Teil des überstehenden Bereichs (74) herum angeordnet ist.
7. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Steuerraum (78) eines Ventilelements (46) mit einem Steuerdruckanschluss (28) verbunden ist, an dem ein variabler Steuerdruck bereitgestellt werden kann, und dass der Steuerraum (76) des anderen Ventilelements (48) über eine Strömungsdrossel (90) mit dem Hochdruckanschluss (22) und mit einem Steuerventil (60) verbunden ist, welches diesen Steuerraum (76) mit dem Niederdruckanschluss (24) verbinden kann.
8. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (60) ebenfalls mit dem Hochdruckanschluss (22) verbunden ist, und dass es in einer Schaltstellung die Verbindung zum Niederdruckanschluss (24) und in einer anderen Schaltstellung die Verbindung zum Hochdruckanschluss (22) unterbricht.
9. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Steuerräume (76, 78) einerseits über jeweils eine Strömungsdrossel (90, 104) mit einem gemeinsamen Hochdruckanschluss (22) und andererseits mit einem gemeinsamen Schaltventil (60) verbunden sind, welches in einer ersten Schaltstellung beide Steuerräume (76, 78) vom Niederdruckanschluss (24) trennt, in einer zweiten Schaltstellung beide Steuerräume (76, 78) mit dem Niederdruckanschluss (24) verbindet, und in einer dritten Schaltstellung einen Steuerraum (76) mit dem
Niederdruckanschluss (24) verbindet und den anderen (78) vom Niederdruckanschluss (24) trennt.
10. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Ventilelement (46) eine Trennfuge (88), vorzugsweise im Bereich ungefähr seiner axialen Mitte, aufweist.
PCT/DE2004/001309 2003-08-16 2004-06-23 Kraftstoff-einspritzvorrichtung, insbesondere für eine brennkraftmaschine mit direkteinspritzung WO2005017342A1 (de)

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