Kraftstoffeinspritzvorrichtung

Abstract

 Es wird eine Kraftstoffvorrichtung vorgeschlagen, die eine Kraftstoffhochdruckquelle (8) aufweist, aus der mehreren jeweils von einem 3-Wegeventil (40) gesteuerten Kraftstoffeinspritzventilen (14) Kraftstoff zugeführt wird. Dieses 3-Wegeventil hat ein Ventilglied (43) mit einem mit Dichtflächen (46, 47) versehenem Schließkörper (42) der mit Ventilsitzen (54, 55) zusammenwirkt und dabei in seinen Schließstellungen druckausgesetzte Flächen begrenzt, die resultierende in die jeweilige Schließstellung des Schließkörpers wirkende Kräfte bilden.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen, durch die WO 95/25888 bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird ein 3-Wegeventil verwendet, mit dessen Hilfe der Steuerraum entweder nur mit der Kraftstoffhochdruckquelle oder nur mit einem Kraftstoffrücklaufbehälter verbunden ist. Die Betätigung des Ventilgliedes dieses 3-Wegeventils erfolgt mit Hilfe eines Elektromagneten. Mit dieser bekannten Ausgestaltung wird entsprechend der Ansteuerung des 3-Wegeventils entweder das Einspritzventilglied in völlig geöffnete oder in völlig geschlossene Stellung gebracht. Das 3-Wegeventil ist dabei so ausgestaltet, daß das Ventilglied in einer jeweiligen Schließstellung vollkommen von aus Drücken resultierenden Kräften frei sein soll. Dazu sind die Ringflächen und die Kreisflächen jeweils gleich groß gehalten.

Vorteile der Erfindung

[0002] Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, daß das Ventilglied in der jeweiligen Endstellung seines Schließkörpers an einem der Ventilsitze vom Hochdruck der Krafstoffhochdruckquelle belastete Ring- bzw. Kreis-Flächen unterschiedlicher Größe aufweist, derart, daß der Schließköper durch aus der Druckbelastung dieser Flächen resultierenden Kräften in einer stabilen Endlage an seinem jeweiligen Ventilsitz gehalten wird.

[0003] In vorteilhafter Weise ist dabei gemäß Anspruch 2 die sich aus der Differenz der Flächen ergebende Differenzfläche so bemessen, daß die resultierenden Kräfte in der jeweiligen Endstellung des Schließkörpers nicht größer als etwa 40% der vom Stellantrieb aufbringbaren Kräfte sind. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist die zweite Ringfläche kleiner als die erste Ringfläche und die erste Kreisfläche kleiner als die zweite Kreisfläche.

Zeichnung

[0004] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Kraftstoffeinspritzventil der Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Schnitt und Figur 2 das das Kraftstoffeinspritzventil steuernde Ventilglied des 3-Wegeventils.

Beschreibung

[0005] Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die eine in der Figur nicht weiter gezeigte Kraftstoffhochdruckpumpe aufweist, welche aus einem Kraftstoffvorratsbehälter ggf. unter Zwischenschaltung einer Vorförderpumpe Kraftstoff erhält und über eine Druckleitung, auf hohen Druck gebracht, einem Kraftstoffhochdruckspeicher 8 zuführt. Diese Teile sind als Kraftstoffhochdruckquelle zu bezeichnen. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 8 versorgt über Kraftstoffleitungen 15 jeweils ein Kraftstoffeinspritzventil 14 mit auf wenigsten Kraftstoffeinspritzdruck gebrachtem Kraftstoff. Diese Kraftstoffeinspritzventile werden von einem nicht dargestelltem Steuergerät elektrisch gesteuert so daß, entsprechend Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die Öffnung der Kraftstoffeinspritzventile 14 mit Kraftstoffeinspritzbeginn und Kraftstoffeinspritzdauer bestimmt werden.

[0006] Das Kraftstoffeinspritzventil 14 weist ein Gehäuse 19 auf, in dem in einer Längsbohrung 20 ein nadelartiges Einspritzventilglied 21 geführt ist. An seinem einen Ende ist dieses Einspritzventilglied mit einer kegelförmigen Dichtfläche 23 versehen, die an der in den Brennraum der Brennkraftmaschine ragenden Spitze 24 des Ventilgehäuses mit einem Ventilsitz zusammen wirkt, von dem aus Einspritzöffnungen 25 abführen, die das Innere des Kraftstoffeinspritzventils, hier den das Einspritzventilglied 21 umgebenden, mit unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff gefüllten Ringraum 27, mit dem Brennraum der zugehörigen Brennkraftmaschine verbindet, um so eine Einspritzung zu vollziehen, wenn das Einspritzventilglied von seinem Ventilsitz abgehoben hat. Der Ringraum 27 ist mit einem Druckraum 29 verbunden, der in ständiger Verbindung mit einer Druckleitung 30 steht, die mit der Kraftstoffleitung 15 des jeweiligen Kraftstoffeinspritzventils verbunden ist. Der dem Kraftstoffhochdruckspeicher 8 zugeführte Kraftstoffdruck wirkt auch in dem Druckraum 29 und dort auf eine Druckschulter 31 des Krafstoffeinspritzventilglieds 21, über die in bekannter Weise das Kraftstoffeinspritzventilglied bei geeigneten Bedingungen von seinem Ventilsitz abgehoben werden kann. Am anderen Ende des Kraftstoffeinspritzventilglieds ist diese in einer Zylinderbohrung 33 geführt und schließt dort mit seiner Stirnseite 34 einen Steuerraum 36 ein. Die Schließstellung des Kraftstoffeinspritzventilgliedes wird dabei durch den Druck im Steuerraum 36 und auch durch eine Druckfeder 12, die sich zwischen einem Federteller 10 des Kraftstoffeinspritzventilgliedes und dem Gehäuse 19 abstützt, gesteuert. Während die in Schließrichtung wirkende Druckfeder 12 in ihrer Charakteristik unveränderlich ist, wird mit Hilfe des Druckes im Steuerraum 36 die Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Kraftstoffeinspritzventilglieds ausgelöst. Dazu ist der Steuerraum 36 über einen Kanal 37 mit einem als 3-Wegeventil ausgebildeten Ventil 40 verbunden. Dieses ist in Figur 3 in den Details näher dargestellt. Vom Steuerraum her mündet hier der Kanal 37 in einen Ventilraum 41 ein, in dem ein Schließkörper 42 des Ventilglieds 43 des Ventils 40 verstellbar angeordnet ist. Dazu hat das Ventilglied 43 einen mit dem Schließkörper 42 fest verbundenen Stößel 45. Am Schließkörper ist eine erste Dichtfläche 46 an seiner einen Stirnseite und eine zweite Dichtfläche 47 an seiner anderen Stirnseite angeordnet. Die zweite Stirnfläche geht dabei in ein Verbindungsteil 48 zum Stößel 45 über, der einen kleineren Durchmesser hat als der übrige, in einer Führungsbohrung 50 geführte Stößel 45. Zwischen Führungsbohrung und dem Verbindungsteil 48 des Stößels 45 wird ein Ringraum 51 gebildet, in den ein Zuflußkanal 53 mündet. Der Ringraum 51 bildet einen Durchflußkanal zwischen Zuflußkanal 53 und dem Ventilraum 41. Zur Seite des Ventilraumes 41 hat die Führungsbohrung 50 einen im Durchmesser reduzierten Teil 52, an dem an der Mündung dieses Teils der Führungsbohrung 50 in den Ventilraum 41 ein Ventilsitz 54 ausgebildet ist, der als zweiter Ventilsitz mit der zweiten Dichtfläche 47 zusammen wirkt. Koaxial zu diesem und koaxial zu dem Ventilglied 43 bzw. dem Schließkörper 42 ist am gegenüberliegenden Ende des Ventilraums 41 ein erster Ventilsitz 55 ausgebildet, mit dem die erste Dichtfläche 46 zusammen wirkt. Vom Ventilsitz 55 aus führt ein Abflußkanal 57 vom Ventilraum 41 ab. Dieser ist in der Figur 1 ebenfalls dargestellt und führt zu dem Kraftstoffvorratsbehälter 6 zurück oder zu einem anders gestalteten Entlastungsraum. In dem Abflußkanal ist eine Drossel 58 vorgesehen, die den Abflußquerschnitt bei vom ersten Ventilsitz 55 abgehobenen Ventilkörper bestimmt. Der Zuflußkanal 53, der ebenfalls in Figur 1 erkennbar ist, ist mit der Kraftstoffleitung 15 verbunden und kann somit Kraftstoff aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher über den Ventilraum 41 bei vom zweiten Ventilsitz 54 abgehobenen Ventilglied 43 dem Steuerraum 36 zuführen.

[0007] Die erste und die zweite Dichtfläche 46 bzw. 47 sowie der erste 55 und der zweite Ventilsitz 54 sind im vorliegenden Falle kegelförmig ausgebildet mit einem Kegelspitzenwinkel, der beim ersten Ventilsitz 55 kleiner ist als der entsprechende Kegelspitzenwinkel der ersten Dichtfläche 46 und mit einem Kegelspitzenwinkel der beim zweiten Ventilsitz 54 größer ist als der Kegelspitzenwinkel der zweiten Dichtfläche 47. Damit ergeben sich bei der Auflage der zweiten Dichtfläche 47 auf dem zweiten Ventilsitz 54 eine Berührungslinie, die durch den Innendurchmesser des zweiten Ventilsitzes 54 bestimmt ist und umgekehrt bei Auflage der ersten Dichtfläche 46 auf dem ersten Ventilsitz 55 eine Berührungslinie, die durch den Außenumfang der ersten Dichtfläche 46 bestimmt ist. Die Betätigung des Ventilglieds 43 erfolgt über den Stößel 45 von einem nicht weiter dargestelltem Antrieb 59, der als Piezoanordnung, z.B. als sogn. Piezostack oder als magnetostriktives Element ausgeführt ist. Diese Antriebe haben den Vorteil, daß sie analog zur Spannungsbeaufschlagung Stellwege durchführen und zwar mit hoher Betätigungskraft, wenn auch der absolut erzeugbare Weg relativ klein ist, so daß bei großen Stellwegen auch große Piezoelementpackungen verwendet werden müssen. Der weitere Vorteil solcher Antriebe besteht darin, daß sie sehr schnell wirken, so daß schnelle Schaltvorgänge durchführbar sind, die insbesondere bei der Einspritztechnik von hohem Vorteil sind.

[0008] Für die Betätigung des Schließkörpers 42 sind die auf ihn aus der Druckbeaufschlagung von der Kraftstoffhochdruckquelle 8 her resultierenden Kräfte von Bedeutung. Dies gilt insbesondere bei den jeweiligen Schließstellungen des Schließkörpers 42. Befindet sich der Schließkörper 42 mit seiner zweiten Dichtfläche 47 in Anlage am zweiten Ventilsitz 54, so ist eine zwischen dem Durchmesser des Stössels 45 und des Verbindungsteils 48 verbleibende Ringfläche RF1 vom hohen Druck der Kraftstoffhochdruckquelle 8 beaufschlagt. An der dieser Fläche gegenüberliegenden Seite wird eine Ringfläche RF2 gebildet zwischen dem Verbindungsteil 48 und der auf der zweiten Dichtfläche 47 aufliegenden Kante des zweiten Ventilsitzes 54. Diese Ringfläche RF2 ist kleiner als die Ringfläche RF1, so daß die in Schließrichtung auf den Ventilkörper 42 zur Seite seines Antriebs 59 hin aus der Flächendifferenz resultierenden Kräfte überwiegen. Diese Kräfte halten den Schließkörper 42 in einer stabilen Endlage am zweiten Ventilsitz 54. Die Kräfte sind dabei so bemessen, daß der Antrieb 59 den Schließkörper 42 zum Öffnen wieder von diesem zweiten Ventilsitz 54 abheben kann. Kommt der Schließkörper in seiner anderen Stellung zur Anlage an dem ersten Ventilsitz 55, so ergeben sich wiederum stabile Verhältnisse. Dabei ist davon auszugehen, daß auf den Schließkörper 42 in Öffnungsrichtung maximal eine erste Kreisfläche KF1 wirken kann, die aus dem Durchmesser der Führungsbohrung 50 resultiert. Diese Kreisfläche ist auf der dem Ventilraum 41 abgewandten Seite des Stössels 45 druckentlastet.

[0009] Auf der anderen Seite kann maximal eine zweite Kreisfläche KF2 wirksam sein, die aus der Anlage der ersten Dichtfläche 46 am ersten Ventilsitz 55 bestimmt ist. Wie oben dargestellt, liegt die erste Dichtfläche 46 mit ihrem Außenumfang am ersten Ventilsitz 55 an und ist zur Seite des Abflußkanals 57 wiederum druckentlastet. Die erste Kreisfläche KF1 ist dabei kleiner als die zweite Kreisfläche KF2, so daß sich aus der Differenz dieser Flächen eine Differenzfläche ergibt, die vom hohen Kraftstoffdruck des Kraftstoffhochdruckspeichers 8 belastet ist und eine Kraft erzeugt, die wiederum in Schließrichtung des Schließkörpers 42 zum ersten Ventilsitz 55 hin wirkt. Auch diese in Schließrichtung wirkenden Kräfte sind so bemessen, daß sie vom Antrieb 59 des Schließkörpers 42 überwunden werden können. Die jeweiligen Kräfte in den stabilen Endlagen des Schließkörpers sind so groß, daß sie etwa 40 % der vom Antrieb aufbringbaren Stellkräfte betragen. Damit ist bei einem erforderlichen Aufwand für den Stellantrieb und einem entsprechenden Energiebedarf eine wirtschaftliche Betriebsweise des Drei-Wege-Ventils möglich. Im übrigen kann auf diese Weise ein Antrieb jeweils nur zur Verstellung des Schließkörpers erforderlich sein. Der Schließkörper in seinen jeweiligen Endlagen wird stabil in Schließstellung gehalten. Damit entfällt über die Dauer des Geschlossenseines jegliche Energiezufuhr zum Stellantrieb 59. Dies ist für einen sicheren und kostensparenden Betrieb des Ventils von wesentlichem Vorteil.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffhochdruckquelle (8), an die ein Kraftstoffeinspritzventil (14) angeschlossen ist, das ein Einspritzventilglied (21) zur Steuerung einer Einspritzöffnung (25) und einen Steuerraum (36) aufweist, der von einer beweglichen Wand (34) begrenzt wird, die mit dem Kraftstoffeinspritzventilglied (21) wenigstens mittelbar verbunden ist, und mit einem Zuflußkanal (53), über den eine Hochdruckquelle (8), vorzugsweise die Kraftstoffhochdruckquelle, mit dem Steuerraum (36) verbindbar ist, und mit einem Abflußkanal (57) über den der Steuerraum (36) mit einem Entlastungsraum (6) verbindbar ist, wobei die genannten Verbindungen zum und von Steuerraum über ein Ventil (40) steuerbar sind, das ein Ventilglied (43) mit einem mit zwei kegelförmigen Dichtflächen versehenen, in einem Ventilraum (41) verschiebbaren Schließkörper (42) aufweist, der koaxial zu zwei Ventilsitzen (54, 55) angeordnet ist und je nach Stellung mit der ersten oder der zweiten seiner Dichtfächen in dichter Anlagen an den entsprechenden ersten oder zweiten der Ventilsitze gelangt, und der Ventilraum über ein Kanal (37) ständig mit dem Steuerraum (36) verbunden ist und mit einem von einem elektrisch betätigtem Stellantrieb (59) bewegten mit dem Schließkörper (42) verbundenen Stößel (45) durch den der Schließkörper (42) zwischen den Ventilsitzen (54, 55) bewegt wird und der in einer sich koaxial zu dem einen der Ventilsitze (54) anschließenden Führungsbohrung (50) geführt ist, wobei ein an den Schließkörper (42) angrenzender Teil (48) des Stößels (45) im Durchmesser reduziert ist und zwischen diesem Teil des Stößels und der Wand der am einen der Ventilsitze endenden Führungsbohrung (50) ein Durchflußkanal (51) mit ringförmigem Querschnitt gebildet wird, in den der Zuflußkanal mündet und an dem anderen der Ventilsitze (55) angrenzend der Abflußkanal koaxial abführt, wobei zwischen dem zur Seite des Ventilraumes weisenden Teil des Stößels und dem im Durchmesser reduzierten Teil des Stößels (45) eine erste in Achsrichtung des Stößels wirksame Ringfläche (RF1) gebildet wird und zwischen dem im Durchmesser reduzierten Teil des Stößels und der durch das Aufsetzen der ersten Dichtfläche auf den ersten Ventilsitz definierten erste Dichtkante eine in Achsrichtung wirksame zweite Ringfläche (RF 2) gebildet wird und daß ferner der Durchmesser der Führungsbohrung eine erste Kreisfläche (KF 1) hat und die vom Umfang einer beim Aufsetzen der zweiten Dichtfläche (47) auf dem zweiten Ventilsitz (54) gebildeten zweiten Dichtkante eine zweite Kreisfläche (KF2) definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Ventilglied aus der Druckbelastung der Kreisflächen (KF1, KF2) und der Ringflächen (RF1, RF2) entstehenden Kräfte so groß sind, daß in den Endstellungen des Schließkörpers (42) am einen oder anderen der Ventilsitze (54, 55) eine auf den jeweiligen Ventilsitz hin resultierende Kraft in Schließstellung gebildet wird.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich aus der Differenz der Kreisflächen und/oder der Ringflächen ergebenden Differenzfläche so groß ist, daß die aus der Beaufschlagung durch den Kraftstoffhochdruck sich ergebenden resultierenden Kräfte jeweils nicht größer als etwa 40% der von der Stellantrieb aufbringbaren Kraft ist.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ringfläche (RF2) kleiner als die erste Ringfläche (RF1) ist und die erste Kreisfläche (KF1) kleiner als die zweite Kreisfläche (KF2) ist.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ventilsitz auf einem im Durchmesser reduzierten Teil (52) der Führungsbohrung (50) angeordnet ist.

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb nur zur Betätigung des Schließkörpers mit Energie versorgt wird.

Zeichnung