Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Eine solche aus der DE 197 01.879 A1 bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendet zur Steuerung der Einspritzzeiten und Einspritzmengen ein elektrisch angesteuertes 3/2-Wege-Steuerventil mit einem in einer axialen Durchgangsbohrung geführten Steuerkolben, der eine zu einem Einspritzventil abgehende Hochdruckleitung wechselnd mit einer Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher (Common Rail) zuführenden Zufuhrleitung oder mit einer Entlastungsleitung verbindet. Dazu ist die Durchgangsbohrung durch zwei Ventilsitze in drei Ringräume unterteilt, in die die Zufuhrleitung, die Hochdruckleitung und die Entlastungsleitung jeweils münden. Der Steuerkolben verschließt bei einer Hubbewegung jeweils den einen Ventilsitz, wenn er den anderen Ventilsitz freigibt. Dazu weist der Steuerkolben zwei mit den Ventilsitzen zusammenwirkende Ventildichtflächen auf, deren Abstand größer ist als der Abstand der beiden Ventilsitze. Daher ist die Zufuhrleitung, d.h. die Hochdruckseite, während einer Hubbewegung des Steuerkolbens kurzzeitig auch mit der Entlastungsleitung, d.h. mit Lecköl, direkt verbunden, so daß ein Teil des Kraftstoffs über die Entlastungsleitung abgesteuert wird. Die abgesteuerte Menge ist von dem im Hochdruckspeicher herrschenden Druck abhängig und liegt teilweise erheblich über der Einspritzmenge.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die erste Ventilsteuerkante eine direkte Verbindung zwischen Hochdruckseite und Lecköl sicher verhindert ist. Dies führt zu deutlich reduzierten Absteuermengen und erhöht den hydraulischen Wirkungsgrad.
Bei einem druckgesteuerten Einspritzventil kann das Steuerventil eingesetzt werden, um einen von einer Ventilnadel des Einspritzventils aufsteuerbaren Einspritzquerschnitt des Einspritzventils entweder mit der Zufuhrleitung oder mit der Entlastungsleitung zu verbinden. Die erforderliche Fördermenge der die Hochdruckseite, z.B. einen Hochdruckspeicher, versorgenden Kraftstoffhochdruckpumpe ist somit geringer, und außerdem ist die Temperaturbelastung des Kraftstofftanksystems durch reduzierte Rücklaufmengen mit hoher Absteuertemperatur verringert.
Bei einem druck- und querschnittsgesteuerten Einspritzventil kann das Steuerventil auch zur Steuerung des Einspritzquerschnitts eingesetzt werden. Vorteilhafterweise können gleiche Ventile für die Steuerung der Einspritzmenge und des Einspritzquerschnitts verwendet werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Das in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnete erste Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen weist eine Kraftstoffhochdruckpumpe 2 auf, die saugseitig über eine Kraftstofförderleitung 3 mit einem kraftstoffgefüllten Niederdruckraum 4 und druckseitig über die Förderleitung 5 mit einem Hochdruckspeicher (Common Rail) 6 verbunden ist. Von diesem Hochdruckspeicher 6 wird der unter Hochdruck stehende Kraftstoff über Zufuhrleitungen 7 zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden druckgesteuerten Einspritzventile 8 abgeführt. Zur Steuerung des Einspritzvorganges ist jedem Einspritzventil 8 jeweils ein elektrisch betätigbares Steuerventil 9 in Form eines 3/2-Wegeventils zugeordnet.
Das Steuerventil 9 weist eine axiale Durchgangsbohrung 10 mit einem oberen, mittleren und unteren Ringraum 11, 12, 13 und als Steuerventilglied einen in der Durchgangsbohrung 10 geführten Steuerkolben 14 auf. In den oberen Ringraum 11 mündet die Zufuhrleitung 7, und vom mittleren Ringraum 12 geht eine Hochdruckleitung 15 ab, die in bekannter Weise im Einspritzventil 8 bis an einen von einer Ventilnadel 16 des Einspritzventils 8 aufsteuerbaren Einspritzquerschnitt des Einspritzventils 8 mündet. Der Steuerkolben 14 verbindet den mittleren Ringraum 12 wechselnd mit dem oberen Ringraum 11 oder mit dem unteren Ringraum 13, von dem eine zum Niederdruckraum 4 führende Enlastungsleitung 17 abgeht. Die Verstellbewegung des Steuerkolbens 14 wird dabei von einem Magnetventil 18 gesteuert, das von einem elektrischen Steuergerät (nicht dargestellt) angesteuert wird, welches eine Vielzahl von Betriebsparametern der zu versorgenden Brennkraftmaschine verarbeitet.
Wie die in Fig. 2 gezeigte vergrößerte Schnittansicht des Steuerventils 9 zeigt, ist der mittlere Ringraum 12 vom oberen Ringraum 11 durch einen konischen Ventilsitz 19 und vom unteren Ringraum 13 durch einen Ringabsatz 20 getrennt. Der Querschnitt des Steuerkolbens 14 verjüngt sich von seinem oberen Ende zunächst über zwei konisch ausgebildete obere Ringstirnflächen auf einen mittleren Kolbenabschnitt 21, gegenüber dem ein Schieberkopf 22 an seinem unteren Ende verbreitert ist. Der Durchmesser des mittleren Kolbenabschnitts 21 ist jeweils kleiner als der Öffnungsdurchmesser des Ventilsitzes 19 und des Ringabsatzes 20. Die erste obere Ringstirnfläche 23 ist im Bereich des oberen Ringraums 11 vorgesehen, und die zweite obere Ringstirnfläche bildet eine konische Ventildichtfläche 24, die mit dem Ventilsitz 19 zusammenwirkt. Dieser zwischen der Ventildichtfläche 24 und dem Ventilsitz 19 gebildete Dichtsitz verschließt den oberen Ringraum 11 gegenüber dem mittleren Ringraum 12. An seine konische Ventildichtfläche 24 unten angrenzend weist der Steuerkolben 14 eine erste Ventilsteuerkante 25 auf, die durch die Unterkante eines Ringbundes 26 gebildet ist. Der Ringbund 26 ist paarungsgeschliffen mit geringem Spiel im Ventilsitz 19 geführt, und seine Unterkante bildet zusammen mit dem Ventilsitz 19 ein Schieberventil. Der Abstand der ersten Ventilsteuerkante 25 zur Ventildichtfläche 24, d.h. die Länge des Ringbunds, ist mit h1 bezeichnet. Mit dem Ringabsatz 20 wirkt eine zweite Ventilsteuerkante 27 am Schieberkopf 21 zusammen, wobei der dazwischen gebildete zweite Dichtquerschnitt die Verbindung zwischen dem mittleren und dem unteren Ringraum 12, 13 verschließt. Der Schließhub des durch den Ringabsatz 20 und die zweite Ventilsteuerkante 27 gebildeten Schieberventils ist mit h2 bezeichnet und höchstens so groß wie die Länge h1, d.h. h1 ≥ h2. Die Kraftstoffabfuhr aus dem unteren Ringraum 13 in die Entlastungsleitung 17 erfolgt über eine zur unteren Stirnfläche 28 des Steuerkolbens 14 offene Sackbohrung 29, von der eine als Drosselstelle ausgebildete Querbohrung 30 abführt und in den unteren Ringraum 13 mündet.
Zur Betätigung des Steuerkolbens 14 ist ein hydraulischer Arbeitsraum 31 vorgesehen, der in der Durchgangsbohrung 10 durch die obere Stirnfläche 32 des Steuerkolbens 14 und zum Magnetventil 18 durch eine Zwischenscheibe 33 begrenzt ist. In dieser Zwischenscheibe 33 ist ein vom Arbeitsraum 31 abführender Entlastungskanal 34 vorgesehen, der über das Magnetventil 18 mit dem Niederdruckraum 4 verbindbar ist (Fig. 1). Zur Befüllung des Arbeitsraumes 31 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff sind im Steuerkolben 14 eine Füllbohrung 35 mit einer Queröffnung 36 vorgesehen, deren Querschnitt kleiner als der Querschnitt des Entlastungskanals 34 ist und die daher eine Drosselstelle bildet. Die Queröffnung 36 geht unterhalb der ersten Ringstirnfläche 23 des Steuerkolbens 14 ab, so daß der Arbeitsraum 31 über die Füllbohrung 35 jederzeit mit der Zufuhrleitung 7 verbunden ist.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 arbeitet in folgender Weise. Beim Anlaufen des Systems wird zunächst über die Kraftstoffhochdruckpumpe 2 ein Kraftstoffhochdruck im gemeinsamen Hochdruckspeicher 6 aufgebaut, der sich über die verschiedenen Zufuhrleitungen 7 bis an die jeweiligen Steuerventile 9 fortsetzt. Das Magnetventil 18 ist vor Beginn der Einspritzphase stromlos geschaltet, so daß der Entlastungskanal 34 verschlossen ist. Dabei wird der Arbeitsraum 31 über die Füllbohrung 35 mit Kraftstoffhochdruck befüllt und preßt den Steuerkolben 14 aufgrund des Flächenverhältnisses zwischen der Stirnfläche 32 und der ersten Ringstirnfläche 23 mit der Ventildichtfläche 24 gegen den Ventilsitz 19. Somit ist die Verbindung zwischen der Zufuhrleitung 7 und der an den Einspritzquerschnitt am Einspritzventil 8 mündenden Hochdruckleitung 15 verschlossen. Gleichzeitig ist der zweite Dichtquerschnitt zwischen der zweiten Ventilsteuerkante 27 und dem Ringabsatz 20 geöffnet, so daß sich der Druck im Hochdruckkanal 15 bis auf einen bestimmten Restdruck in die Entlastungsleitung 17 entspannen kann. Soll eine Einspritzung am Einspritzventil 8 erfolgen, wird zunächst das Magnetventil 18 bestromt und damit der Entlastungskanal 34 zum Niederdruckraum 4 freigegeben. Da der Querschnitt des Entlastungskanals 34 größer ist als der der Queröffnung 36 in der Füllbohrung 35, entspannt sich der Druck im Arbeitsraum 31 sehr rasch über den Entlastungskanal 34 in den Niederdruckraum 4. Der an der Ringstirnfläche 23 anstehende Kraftstoffhochdruck reicht nunmehr aus, den Steuerkolben 14 zu verschieben. Bei dieser Öffnungshubbewegung hebt zunächst die Ventildichtfläche 24 vom Ventilsitz 19 ab, wobei trotz dieses geöffneten Dichtsitzes die erste Ventilsteuerkante 25 die Verbindung zum mittleren Ringraum 12 noch verschließt. Nach einem Hub h2 wird das Schieberventil durch Anlage der zweiten Ventilsteuerkante 27 am Ringabsatz 20 verschlossen. Entweder gleichzeitig, wenn h1 gleich h2 ist, oder erst nach einem zusätzlichen Hub, wenn h1 größer als h2 ist, gibt die erste Ventilsteuerkante 25 den Dichtsitz frei, und der in der Zufuhrleitung 7 befindliche, unter hohem Druck stehende Kraftstoff strömt am mittleren Kolbenabschnitt 21 entlang in den Hochdruckkanal 15 zum Einspritzventil 8 und hebt dort in bekannter Weise die Ventilnadel 16 entgegen der Rückstellkraft einer Ventilfeder 37 von deren Nadelsitz, so daß der Kraftstoff am Einspritzventil 8 über Einspritzöffnungen 38 in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Die Hochdruckeinspritzung am Einspritzventil 8 wird durch erneutes Stromlosschalten des Magnetventils 18 beendet. Aufgrund des nun verschlossen Entlastungskanal 34 kann sich über die Füllbohrung 35 erneut ein Schließdruck im Arbeitsraum 31 aufbauen, so daß die erste Ventilsteuerkante 25 erneut den Ventilsitz 19 verschließt und damit die Verbindung der Zufuhrleitung 7 zum Hochdruckkanal 15 wieder verschlossen ist. Entweder gleichzeitig, wenn h1 gleich h2 ist, oder erst nach einem zusätzlichen Hub, wenn h1 größer als h2 ist, wird das Schieberventil zwischen der zweiten Ventilsteuerkante 27 und dem Ringabsatz 20 erneut aufgesteuert, so daß sich der im Hochdruckkanal 15 befindliche Kraftstoffhochdruck sehr rasch in die Entlastungsleitung 17 entspannt, was ein rasches Nadelschließen am Kraftstoffeinspritzventil 8 zur Folge hat.
In dem Diagramm der Fig. 3 sind die geometrischen Öffnungsquerschnitte A1, A2 am ersten und zweiten Ventilsitz 19, 20 in Abhängigkeit der Hubbewegung des Steuerkolbens 14 aufgetragen, wobei h1 gleich h2 ist. Erst wenn bei einem Hub h1 = h2 der Steuerkolben 14 die Verbindung zwischen der Hochdruckleitung 15 und der Enlastungsleitung 17 verschließt, öffnet der Steuerkolben 14 die Verbindung zwischen Zufuhrleitung 7 und Hochdruckleitung 15.
Der Verlauf der geometrischen Öffnungsquerschnitte A1, A2, wenn h1 größer als h2 ist, ist im Diagramm der Fig. 4 aufgetragen. In einer Zwischenhubphase zwischen h2 und h1 sind beide Öffnungsquerschnitte A1, A2 verschlossen, bis bei einem Hub h1 dann der Steuerkolben 14 die Verbindung zwischen Zufuhrleitung 7 und Hochdruckleitung 15 öffnet.
Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild des als 3/2-Wegeventil wirkenden Steuerventils 9, bei dem der zweite Ringraum 12 entweder im stromlosen Zustand mit dem dritten Ringraum 13 oder im bestromten Zustand mit dem ersten Ringraum 11 verbunden ist.
In Fig. 6 ist mit 40 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit druck- und querschnittsgesteuerten Einspritzventilen 41 bezeichnet. Vom Hochdruckspeicher 6 geht zu jedem Einspritzventil 41 eine Einspritzleitung 42 ab, die in bekannter Weise im Einspritzventil 41 bis an einen von einer Ventilnadel 43 des Einspritzventils 41 aufsteuerbaren Einspritzquerschnitt des Einspritzventils 41 mündet. Die Einspritzung wird von dem Steuerventil 9 in der Einspritzleitung 42 gesteuert. Die den Einspritzöffnungen 44 des Einspritzventils 41 abgewandte Stirnfläche 45 der Düsennadel 43 begrenzt eine Kammer 46, die über eine Entlastungsleitung 47 mit dem Niederdruckraum 4 verbindbar ist. Diese Verbindung wird hydraulisch durch ein 2/2-Wege-Steuerventil 48 gesteuert, dessen als Hochdruckleitung 49 ausgelegte Steuerleitung über das Steuerventil 9' mit einer Zufuhrleitung 50 des Hochdruckspeichers 6 oder mit der Entlastungsleitung 17 verbindbar ist. Bei mit Hochdruck beaufschlagter Steuerleitung, d.h. bei unbestromtem Steuerventil 9', ist das 2/2-Wege-Steuerventil 48 verschlossen.
Durch Bestromen des Steuerventils 9 wird über einen Druckanstieg die Ventilnadel 43 entgegen der Rückstellkraft einer Ventilfeder 51 von ihrem Nadelsitz angehoben, so daß der Kraftstoff am Einspritzventil 8 über die Einspritzöffnungen 44 in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Aufgrund des unbestromten Steuerventils 9' ist das 2/2-Wege-Steuerventil 48 verschlossen, und es kommt daher bei dem in der Kammer 46 eingeschlossenen Kraftstoff zu einem Druckanstieg, der zur Steuerung des Einspritzquerschnittes dient. Wird durch Bestromen des Steuerventils 9' der Druck in der Hochdruckleitung 49 über die Entlastungsleitung 17 abgebaut, öffnet das 2/2-Wege-Steuerventil 48, so daß sich der in der Kammer 46 herrschende Druck über die Entlastungsleitung 47 abbaut. Dies bewirkt einen weiteren Hub der Ventilnadel 43, wodurch ein größerer Einspritzquerschnitt 52 an der Ventilnadel 43 freigegeben wird.
Durch Stromlosschalten des 3/2-Wegeventils 9 wird die Einspritzung beendet, und die Ventilnadel 43 verschließt unter der Wirkung der Ventilfeder 51 die Einspritzöffnungen 44, wobei die Kammer 46 wieder mit Kraftstoff aus dem Niederdruckraum 4 aufgefüllt wird. Dann wird auch das Steuerventils 9' stromlos geschaltet.
Wenn das alle Einspritzventile 41 steuernde gemeinsame Steuerventil 9' und die Steuerventile 9 am Hochdruckspeicher (Common Rail) 6 integriert angeordnet sind, sind kleine Injektorabmessungen möglich. Die Hochdruckleitung 49 kann entweder zumindest teilweise ebenfalls am Hochdruckspeicher 6 integriert angeordnet sein, was den Bauaufwand reduziert, oder aber eine separat angeordnete Steuerleitung sein.