DE102004028521A1

DE102004028521A1 - Kraftstoffinjektor mit mehrteiligem Einspritzventilglied und mit Druckverstärker

Info

Publication number: DE102004028521A1
Application number: DE102004028521A
Authority: DE
Inventors: Michael Kurz; Martin Kropp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-29
Also published as: EP1605157A1; US20050274828A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor (3) steht mit einem Hochdruckspeicher (1) für Kraftstoff in Verbindung und umfasst einen Druckübersetzer (3). Der Kraftstoffinjektor (3) ist über ein Steuerventil (32) betätigbar und weist ein Einspritzventilglied (18) auf, welches in Schließrichtung durch mindestens ein Federelement (20) beaufschlagt ist, wobei dem Einspritzventilglied (18) ein von diesem unabhängig bewegbares Dämpfungselement (49) zugeordnet ist. Dieses begrenzt einen Dämpfungsraum (42), wobei das Einspritzventilglied (18) einen ersten Nadelteil (18.1) und einen zweiten Nadelteil (18.2) aufweist. Dem zweiten Nadelteil (18.2) ist ein systemdruckseitig oder höchstdruckseitig anbindbarer Steuerraum (43) zugeordnet.

Description

Technisches Gebiet
Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff können sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsystem kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten auch Speichereinspritzsysteme zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme (Common-Rail) ermöglichen in vorteilhafter Weise den Einspritzdruck an Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen und zur Reduktion der Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ist generell ein möglichst hoher Einspritzdruck anzustreben.
Stand der Technik
Aus Gründen der Materialfestigkeit ist das erreichbare Druckniveau bei heute eingesetzten Speichereinspritzsystemen zur Zeit auf etwa 1800 bar begrenzt. Zur weiteren Drucksteuerung in Speichereinspritzsystemen kommen an Common-Rail-Systemen Druckverstärker zum Einsatz.

EP 0 562 046 B1 offenbart eine Betätigungs- und Ventilanordnung mit Bedämpfung für eine elektronisch gesteuerte Einspritzeinheit. Die Betätigungs- und Ventilanordnung für eine hydraulische Einheit weist einen elektrisch erregbaren Elektromagneten mit einem festen Stator und einem bewegbaren Anker auf. Der Anker weist eine erste und eine zweite Oberfläche auf. Die erste und die zweite Oberfläche des Ankers definieren einen ersten und einen zweiten Hohlraum, wobei die erste Oberfläche des Ankers dem Stator zuweist. Es ist ein Ventil vorgesehen, welches mit dem Anker verbunden ist. Das Ventil ist in der Lage, aus einem Sumpf ein hydraulisches Betätigungsfluid an die Einspritzvorrichtung zu leiten. Ein Dämpfungsfluid kann in Bezug auf einen der Hohlräume der Elektromagnetanordnung dort gesammelt werden bzw. von dort auch wieder abgelassen werden. Mittels eines in eine Zentralbohrung hineinragenden Bereichs eines Ventils kann die Strömungsverbindung des Dämpfungsfluids proportional zu dessen Viskosität selektiv freigegeben bzw. verschlossen werden.

Aus DE 102 22 106 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen bekannt. Das Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen umfasst ein Gehäuse, in dem in einer Bohrung einer längsverschiebbare äußere Ventilnadel und eine in dieser wiederum längs verschiebbaren innere Ventilnadel angeordnet sind. Diese steuern mit ihrem brennraumseitigen Ende je wenigstens eine Einspritzöffnung. Ferner ist ein Steuerraum vorgesehen, der über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckraum verbunden ist und durch dessen Druck wenigstens mittelbar eine Schließkraft auf die äußere Ventilnadel ausgeübt wird. Ferner ist ein Steuerdruckraum vorgesehen, durch dessen Druck zumindest mittelbar eine Schließkraft auf die innere Ventilnadel ausgeübt wird; ferner ist ein Leckölraum vorgesehen, in dem stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Im Gehäuse ist ein Steuerventil angeordnet, das einen Ventilraum und ein darin angeordnetes Ventilglied aufweist, wobei der Ventilraum eine Verbindung zum Leckölraum, eine stets offene Verbindung zum Steuerraum und eine Verbindung zum Steuerdruckraum aufweist. Das Ventilglied ist im Ventilraum zwischen zwei Endpositionen beweglich, wobei in der ersten Endposition die Verbindung zum Leckölraum verschlossen und die Verbindung zum Steuerdruckraum geöffnet und in der zweiten Endposition die Verbindung zum Steuerdruckraum geschlossen und die Verbindung zum Leckölraum geöffnet ist.

Aus DE 102 29 415 A1 ist eine Einrichtung zur Nadelhubdämpfung an druckgesteuerten Kraftstoffinjektoren bekannt. Die Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff umfasst einen Kraftstoffinjektor, der über eine Hochdruckwelle mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagbar und über ein Zumessventil betätigbar ist. Im Einspritzventilglied ist eine von diesen unabhängig bewegbares Dämpfungselement zugeordnet, welches einen Dämpfungsraum begrenzt. Das Dämpfungselement weist mindestens einen Überströmkanal zur Verbindung des Dämpfungsraums mit einem weiteren hydraulischen Raum auf. Bei Kraftstoffinjektoren, die ein mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied umfassen, lässt sich der Öffnungsdruck des innenliegenden Einspritzventilgliedteils zum Beispiel bei Federunterstützung auf ein konstantes Niveau oder mit Hilfe eines zusätzlichen Assistenzdrucks (wie z.B. dem Systemdruck im Hochdruckspeicher) auf eine bestimmtes Verhältnis von Schließdruck zu Öffnungsdruck einstellen. Damit ist eine Anpassung des hydraulischen Durchflusses an den jeweiligen Lastpunkt der Verbrennungskraftmaschine möglich. Es hat sich herausgestellt, dass das innenliegende Nadelteil erst bei relativ hohen Drücken, die im Bereich von über 1500 bar liegen können, öffnen darf, um gute Emissionswerte auch bei Teillastbetrieb zu erreichen. Es hat sich herausgestellt, dass die Einstellung des Öffnungsdrucks des innenliegenden Teils eines mehrteiligen Einspritzventilglieds sehr toleranzempfindlich ist. Dies findet seine Ursache darin, das mit der Öffnung des innenliegenden Nadelteils ein Mengensprung hinsichtlich des in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine gelangenden Kraftstoffvolumens einhergeht. Somit machen sich Exemplarstreuungen, die bei der Großserienfertigung von Kraftstoffinjektoren, auftreten, nachteilig bemerkbar.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird eine Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors, der einen Druckverstärker enthält, im Rahmen eines Höchstdrucksystems zur Einspritzung von Kraftstoff bereitgestellt, welches den Einsatz eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds zur Emissionsverbesserung mit einem aktiv bzw. passiv schaltbaren Einspritzventilglied gestattet. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist erreichbar, dass ein innenliegend angeordnetes düsennadelförmiges Teil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds nur bei Volllast öffnet und im Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine nur über das außenliegende Teil des düsennadelförmig ausbildbaren Einspritzventilglieds erfolgt.

Die vorgeschlagene Lösung erlaubt zudem sehr kurze Ansteuerzeiten des innenliegenden Teils des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds, was wiederum kurze Einspritzdauern bei Volllastbetrieb der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Im Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine hingegen kann eine Einspritzung mit kleinem Düsendurchfluss, d. h. bei nur einer geöffneten Lochreihe in den Brennraum über beliebig lange Einspritzdauern ohne Öffnen einer weiteren, zweiten Lochreihe erfolgen. Durch die im Teillastbereich geöffnete erste Lochreihe kann ein kleiner Düsendurchfluss und eine dementsprechende Einspritzverlaufsformung erreicht werden, während bei einem großen Düsendurchfluss, gegeben durch die geöffnete erste Lochreihe und die geöffnete zweite Lochreihe eine Einspritzverlaufsformung im Volllastbereich der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine erreicht werden kann. Ein größerer hydraulischer Durchfluss durch die geöffnete erste Lochreihe und die geöffnete zweite Lochreihe in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine und ein frühes, d. h. in diesem Falle gleichzeitiges Öffnen der zweiten Nadel, erlauben das Einbringen einer größeren Einspritzmenge bei gegebener, motorbedingter konstanter Einspritzdauer, die abhängig von Grad Kurbelwinkel ist und somit eine höhere Leistung.

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung der Ansteuerung eines ein mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied aufweisenden, sowie einen Druckverstärker umfassenden Kraftstoffinjektors ist gewährleistet, dass das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied in anderen Kennfeldbereichen keinen nachteiligen Einfluss auf das hydraulische Verhalten des Kraftstoffinjektors hat. Durch ein gleichzeitiges Öffnen beider Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes kann eine kürzere Einspritzdauer erreicht werden, wodurch der Nachteil bisher eingesetzter, mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglieder vermieden wird, bei denen eines der Nadelteile erst dann öffnet, wenn das andere Nadelteil einen oberen Anschlag erreicht hat, wodurch eine zeitverzögerte Freigabe des zusätzlichen, weiteren Einspritzquerschnittes in den Brennraum auftritt, womit dessen Füllungsverbesserung nur im eingeschränkten Maße erreicht werden kann.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung nachfolgend detaillierter beschrieben.
Es zeigt:
1 den Hydraulikschaltplan eines aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektors mit einem Druckübersetzer,
2 eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors mit Druckübersetzer und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventilglied,
3 eine weitere Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors mit Druckverstärker und ansteuerbarem Servoventil und
4 eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors mit Druckverstärker und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventilglied.
Ausführungsvarianten
In der Darstellung gemäß 1 ist eine aus dem Stand der Technik bereits bekannte Ausführungsvariante eines Kraftstoffinjektors anhand von dessen Hydraulikschaltplan dargestellt.
Ein in 1 dargestellter Kraftstoffinjektor 3 wird über einen Hochdruckspeicher 1 (Common-Rail) mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Der Hochdruckspeicher 1 wird über eine Hochdruckpumpe, welche den Kraftstoff verdichtet und dem Hochdruckspeicher 1 zuführt, mit Kraftstoff versorgt. Der im Hochdruckspeicher 1, (Common-Rail) herrschende Kraftstoffdruck steht somit an jedem Kraftstoffinjektor 3 der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung. Der Kraftstoffinjektor 3 umfasst ein Steuerventil 32, einen Druckübersetzer 4 und ein Einspritzventilglied 18, welches mehrteilig ausgebildet sein kann.
Der Druckübersetzer 4 ist als axial verschiebbarer Stufenkolben 9 ausgebildet, wobei der Stufenkolben 9 einen über eine Hochdruckleitung 5 beaufschlagbaren Arbeitsraum 6 von einem druckenlastbaren Differenzdruckraum 7 (Rückraum) trennt. Der Stufenkolben 9 ist über eine Rückstellfeder 8 beaufschlagt, welche den Stufenkolben 9 in seine obere Stellung bewegt. Der Stufenkolben 9 beaufschlagt bei Druckentlastung des Differenzdruckraums 7 einen Kompressionsraum 10. Im Ruhezustand des Druckübersetzers 4 ist das Steuerventil 32 nicht angesteuert, es findet keine Einspritzung statt. In diesem Fall liegt der im Hochdruckspeicher 1 gespeicherte Systemdruck über die Hochdruckleitung 5, die eine Drossel oder ein Rückschlagventil 2 aufweisen kann, im Arbeitsraum 6 des Druckübersetzers 4 an. Ferner steht der Systemdruck über einen Hochdruckabzweig 34 am Steuerventil 32 an. Über dieses und die ebenfalls mit Systemdruck beaufschlagte Steuerleitung 11 herrscht Systemdruck auch im Differenzdruckraum 7. Da der Differenzdruckraum 7 über eine Verbindungsleitung mit einem Druckraum 12 verbunden ist, in welchem ein erstes Federelement 20 und ein zweites Federelement 21 aufgenommen sind, herrscht auch im Druckraum 12 Systemdruck. Über eine Füllleitung 14 und ein offen stehendes Wiederbefüllventil 15 steht Systemdruck im Kompressionsraum 10 sowie über die Hochdruckleitung 16 auch im Düsenraum 17 des Kraftstoffinjektors 3 gemäß der Darstellung in 1 an. Damit sind im Ruhezustand des Druckübersetzers 4 die hydraulischen Räume am Druckübersetzer 4 mit Systemdruck beaufschlagt, so dass der Stufenkolben 9 druckausgeglichen ist. In diesem Zustand ist der Stufenkolben 9 über die im Differenzdruckraum 7 (Rückraum) angeordnete Rückstellfeder 8 beaufschlagt.
Durch den im Druckraum 12 herrschenden Systemdruck ist das z.B. mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied 18 in Schließrichtung beaufschlagt. Das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied 18 umfasst ein erstes, außenliegendes Nadelteil 18.1 sowie ein zweites Nadelteil 18.2, welches innenliegend angeordnet ist und innerhalb des ersten Nadelteils 18.1 geführt ist. Jedem der beiden Nadelteile 18.1 bzw. 18.2 ist ein im Druckraum 12 angeordnetes Federelement 20 bzw. 21 zugeordnet, die jeweils auf die Stirnflächen des ersten Nadelteils 18.1 bzw. des zweiten Nadelteils 18.2 in Schließrichtung wirken. Aufgrund der Wirkung der beiden Federelemente 20 bzw. 21 in Schließrichtung, vermag der im Düsenraum 17 anstehende, und an einer Druckstufe 25 des ersten Nadelteils 18.1 angreifende Systemdruck, das erste Nadelteil 18.1 nicht zu öffnen. Erst wenn der Druck im Düsenraum 17 über den Systemdruck ansteigt, was durch Aktivierung des Druckübersetzers 4 erreicht wird, öffnet das erste Nadelteil 18.1 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds 18 entgegen der Wirkung der dieses an seiner Stirnfläche beaufschlagende erste Federelement 20.
Die Zumessung des Kraftstoffes erfolgt durch Druckentlastung des Differenzdruckraums 7 des Druckübersetzers 4. Wird das Steuerventil 32 betätigt, wird die den Differenzdruckraum 7 (Arbeitsraum) mit einem überdruckseitigen Rücklauf 33 verbindende Steuerleitung 11 freigegeben und von der Hochdruckleitung 5 getrennt. Dadurch fällt der Druck im Differenzdruckraum 7 (Arbeitsraum) ab, wodurch der Druck um Kompressionsraum 10 aufgrund des in diesen einfahrenden Stufenkolbens 9 steigt. Demzufolge steigt über die Hochdruckleitung 16 auch der Druck im Düsenraum 17. Dadurch steigt die in Öffnungsrichtung des ersten Nadelteils 18.1 an dessen Druckstufe 25 wirkende Druckkraft an und das erste Nadelteil 18.1 öffnet. Beim Öffnen wird eine erste Lochreihe 26 freigegeben, so dass am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 über diese Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Solange der Differenzdruckraum 7 (Arbeitsraum) des Druckübersetzers 4 druckentlastet bleibt, bleibt der Druckübersetzer 4 aktiviert und verdichtet den Kraftstoff im Kompressionsraum 10. Der Druckraum 12 bleibt dabei druckentlastet. An der brennraumseitigen Spitze des zweiten Nadelteils 18.2 steht nun ebenfalls Einspritzdruckniveau an.
Auf eine Druckfläche A₁ am brennraumseitigen Ende des zweiten Nadelteils 18.2 wirkt eine dieses in Öffnungsrichtung beaufschlagende Druckkraft. Da der Druckraum 12 druckentlastet ist, wirkt in Schließrichtung auf das zweite Nadelteil 18.2 das zweite Federelement 21 im Druckraum 12. Über die Dimensionierung der Druckfläche A₁ und das zweite Federelement 21 kann ein Öffnungsdruck eingestellt werden, bei welchem das zweite, innenliegende Nadelteil 18.2 des mehrteiligen Einspritzventilglieds 18 öffnet. Bei einem niedrigeren Einspritzdruck, so z.B. im Teillastbereich einer Verbrennungskraftmaschine unterhalb des Öffnungsdrucks in Bezug auf das zweite Nadelteil 18.2, öffnet lediglich das erste Nadelteil 18.1, das zweite Nadelteil 18.2 bleibt geschlossen, so dass nur eine Einspritzung von Kraftstoff über die erste Lochreihe 26 erfolgt.
Liegt der Einspritzdruck hingegen oberhalb des Öffnungsdrucks des zweiten Nadelteils 18.2, sind beide Nadelteile 18.1 und 18.2 geöffnet, so dass eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine sowohl über die erste Lochreihe 26 als auch über die zweite Lochreihe 27 erfolgen kann.
Zur Beendung der Einspritzung wird durch das Steuerventil 32 der Differenzdruckraum 7 (Arbeitsraum) und der Druckraum 12 vom niederdruckseitigen Rücklauf 33 getrennt und mit der Systemdruckquelle, d.h. dem Hochdruckspeicher (Common-Rail) verbunden. Aufgrund dessen baut sich im Differenzdruckraum 7 (Rückraum) des Druckübersetzers 4 der Systemdruck auf. Der Druck im Kompressionsraum 10 fällt nun auf Systemdruckniveau ab. Da im Druckraum 12 nun ebenfalls Systemdruck ansteht, sind beide Nadelteile 18.1 und 18.2 hydraulisch ausgeglichen und werden durch die sie beaufschlagenden Federelemente 20 bzw. 21 in ihre Schließstellung gedrückt. Dadurch ist die Einspritzung beendet. Die Schließgeschwindigkeit kann über die dem Druckraum 12 vorgeschaltete Zulaufdrossel 13 beeinflusst werden.
Zur Vermeidung von Leckageströmungen an den Führungen der beiden ineinandergeführten Nadelteile 18.1 bzw. 18.2 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds können Umlaufnuten 28 bzw. 29 vorgesehen sein, sowie eine Bohrung 30 im ersten Nadelteil 18.1, so dass die Leckage unmittelbar in einen niederdruckseitigen Rücklauf 31 geleitet werden kann.
2 ist eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung eines Kraftstoffinjektors mit Druckübersetzer und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventilglied zu entnehmen.
Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass der dort dargestellte Kraftstoffinjektor 3 über ein Servoventil 40 angesteuert wird, welches seinerseits über das Steuerventil 32 betätigt wird.
Vom Hochdruckspeicher 1 (Common-Rail) erstreckt sich auch gemäß dieser Lösung die Hochdruckleitung 5, in welcher eine Drosselstelle oder ein Rückschlagventil 2 enthalten sein kann, zum Arbeitraum 6 des Druckübersetzers 4 des Kraftstoffinjektors 3. Die Rück schlagfeder 8 ist – im Gegensatz zur Darstellung gemäß 1 – gemäß dieser Ausführungsvariante im Arbeitsraum 6 aufgenommen. Der Arbeitsraum 6 und der Differenzdruckraum 7 (Arbeitsraum) des Druckübersetzers 4 sind durch den Stufenkolben 9 voneinander getrennt, der den Kompressionsraum 10 beaufschlagt. Vom Kompressionsraum 10 aus erstreckt sich die Hochdruckleitung 16 zum Druckraum 12, welcher das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied umschließt. Das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied 18 umfasst einen ersten, außenliegenden Nadelteil 18.1 und einen in diesem geführten, zweiten innenliegenden Nadelteil 18.2.
Im nichtbestromten Zustand des Steuerventils 32 herrscht sowohl in der Steuerleitung 11 als auch in der Hochdruckleitung 16 zum Druckraum 12 Systemdruck. Im nichtbestromten Zustand des Steuerventils 32 ist der Servoventilkolben eines Servoventils 40 mit seiner Dichtkante a in seinen Sitz gestellt. Gleichzeitig gibt eine Schieberkante b die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 6 und der Steuerleitung 11 frei, so dass der Differenzdruckraum 7 mit Systemdruck beaufschlagt werden kann. Durch die geschlossene Dichtkante a des Servoventilkolbens des Servoventils 40 wird ein Abströmen des Systemdrucks in den niederdruckseitigen Rücklauf 31 vermieden.
Von der Steuerleitung 11 aus zweigt eine Dämpferraumdrossel 48 ab, die in einen Dämpferraum 42 mündet. Damit herrscht auch im Dämpferraum 42 Systemdruck, ebenso wie in einem Steuerraum 43, in welchem über ein Rückschlagventil 47 in Öffnungsrichtung Kraftstoff nachströmt. Der in den Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 einströmende Kraftstoff tritt über einen im Steuerkolben 49 ausgebildeten Kanal 53 in einen hydraulischen Raum 54 ein, der vom Steuerkolben 49 und dem zweiten Nadelteil 18.2 begrenzt wird.
Bei Betätigung des Steuerventils 32, eine Bestromung des Magneten des Steuerventils 32 unterhalb des Systemdruckniveaus, welches für den Volllastbereich vorgesehen ist, erfolgt eine Druckentlastung der Steuerleitung 11 in den niederdruckseitigen Rücklauf 31. Dadurch erfolgt eine Druckentlastung des Differenzdruckraums 7, so dass der Stufenkolben 9 mit seiner dem Kompressionsraum 10 zuweisenden Stirnseite in diesen einfährt und die Hochdruckleitung 16 zum Druckraum 12 mit Hochdruck beaufschlagt. Dabei wird ein von der Hochdruckleitung 16 führender Abzweig zum mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglied 18 durch ein darin aufgenommenes Rückschlagventil 46, welches in Schießrichtung beaufschlagt wird, verschlossen. Das dem Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 vorgeschaltete Rückschlagventil 47 bleibt hingegen verschlossen, so dass der Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 drucklos bleibt. In einem Dämpferraum 42 oberhalb des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds 18 fällt aufgrund des Abströmens von Kraft stoff über die Dämpferraumdrossel 48 in die druckentlastete Steuerleitung 11 der Druck, so dass der den Dämpferraum 42 begrenzende Steuerkolben 49 sich entgegen des diesen beaufschlagenden ersten Federelements 20 nach oben bewegt. Nunmehr öffnet das äußere Nadelteil 18.2. Bei der Aufwärtsbewegung des Steuerkolbens 49 bei im Dämpferraum 42 abnehmendem Druck wird das zweite Federelement 21, welches im Federraum 44 vorgesehen ist, zwar entlastet, jedoch ist die Federkraft immer noch groß genug, um das zweite Nadelteil 18.2 in seinem Sitz 23 zu halten. Dies resultiert daher, dass am Sitz 23 des zweiten Nadelteils 18.2 keine Druckfläche A₁ (vgl. Darstellung gemäß 1) ausgebildet ist.
Beim Schließvorgang erfolgt durch Entlasten des Steuerventils 32 eine Beaufschlagung der Steuerleitung 11 mit Systemdruck, d.h. dem im Hochdruckspeicher 1 (Common-Rail) herrschenden Druckniveau. Das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied 18 sowie der Steuerkolben 49 werden durch das Befüllen des Dämpferraums 42 über die Dämpferraumdrossel 48 wieder in Richtung auf ihren Sitz gestellt.
Im Volllastbereich der Verbrennungskraftmaschine erhöht sich durch Betätigung des Steuerventils 32 und des mit diesem wirkverbundenen Servoventils 40 der Druck in der Hochdruckleitung 16 zum Druckraum 12. Übersteigt der in der Hochdruckleitung 16 herrschende Druck den Öffnungsdruck des Rückschlagventils 47 in der Zuleitung zum Steuerraum 42 für das zweite Nadelteil 18.2, so öffnet dieses, so dass der Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 mit einem erheblich über dem Niederdruckniveau liegenden Druck beaufschlagt wird. Dabei sollte das Kraftstoffvolumen, welches mit dem Steuerraum 43 in direkter Verbindung steht, möglichst kleingehalten werden, um Hochdruckverluste im Hochdruckteil des Kraftstoffinjektors 3 zu begrenzen.
Bei Beaufschlagung des ringförmig ausgebildeten Steuerraums 43 für das zweite Nadelteil 18.2 strömt Kraftstoff über einen Kanal 53 in den hydraulischen Raum 54 ein. Dadurch wird das zweite Nadelteil 18.2 gegen einen Anschlag 50 am Steuerkolben 49 gedrückt. Da zu diesem Zeitpunkt sich das erste Nadelteil 18.1 nicht mehr in seinem Sitz 22 befindet, baut sich unter dem zweiten Nadelteil 18.2 ein Druck auf. Das zweite Nadelteil 18.2 öffnet aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem hydraulischen Raum 54 und dem Federraum 44 für das zweite Nadelteil 18.2; auf das zweite Nadelteil 18.2 wirkt hingegen keine Kraft im geschlossenen Zustand.
Da sich das erste Nadelteil 18.1 aufgrund des im Dämpferraum 42 abnehmenden Drucks bereits geöffnet hat, verschiebt sich der Anschlag 50 für das innenliegend angeordnete zweite Nadelteil 18.2 ebenfalls nach oben, so dass nunmehr Kraftstoff durch die beiden beispielsweise als konzentrische Lochkreise ausgebildeten Lochreihen 26 und 27 in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Beim Schließvorgang erfolgt eine Druckentlastung der Hochdruckleitung 16, so dass das zuvor geöffnete Rückschlagventil 47 in der Zuleitung zum Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 wieder schließt. Da bei Druckentlastung der Hochdruckleitung 16 die Steuerleitung 11 wieder mit Systemdruck beaufschlagt ist, strömt über die Dämpferraumdrossel 48 Kraftstoff in den Dämpferraum 42 ein. Aufgrund dessen bewegt sich der Steuerkolben 49 abwärts, so dass das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 am Anschlag 50 des Dämpferkolbens 49 anliegt und wieder in seinen Sitz 23 gefahren wird. Durch den Kanal 52 strömt bei der Abwärtsbewegung des Steuerkolbens 49 Kraftstoff in den niederdruckseitigen Rücklauf 31 ein, sofern im Steuerraum 43 ein größerer Druck als das Niederdruckniveau herrscht. Dadurch ist gewährleistet, dass im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 eine Druckentlastung herbeigeführt wird. Durch den Kanal 52 wird Leckage und Kraftstoff aus dem hydraulischen Raum 54 geleitet, falls das zweite Nadelteil 18.2 aktiviert ist bzw. das Rückschlagventil 47 geöffnet ist, unabhängig von der momentanen Bewegung des Steuerkolbens 49.
Durch die in 2 dargestellte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist ein exakter Öffnungszeitpunkt des innenliegenden, zweiten Nadelteils 18.2 gewährleistet, da der Druckgradient des ansteigenden Systemsdrucks sehr steil verläuft. Trotz kleiner Zeitdifferenzen zwischen dem Öffnen des außenliegenden ersten Nadelteils 18.1 und dem Öffnen des innenliegenden zweiten Nadelteils 18.2 eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds, ist die Einspritzung von Kleinstmengen über die erste Lochreihe 26 am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 so z.B. im Rahmen von Voreinspritzungen möglich.
Der Darstellung gemäß 3 ist eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors mit Druckübersetzer und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventil zu entnehmen.
Im Unterschied zur in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist in der in 3 dargestellten Ausführungsvariante das Rückschlagventil 47, welches dem Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 zugeordnet ist, vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich verlagert. Die Anbindungsstelle des Rückschlagventils 47 für den Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 ist in dieser Ausführungsvariante nicht an die Hochdruckleitung 16, sondern an die Steuerleitung 11 zur Druckentlastung des Differenzdruckraums 7 (Rückraum) des Druckübersetzers 4 integriert.
Ab einem bestimmten erreichbaren Systemdruck öffnet das Rückschlagventil 47, so dass der Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 gemäß des anliegenden Druckniveaus belastet wird. Dadurch wird das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 gegen den Anschlag 50 an der Unterseite des Steuerkolbens 49 gestellt. Damit einher geht eine Aufwärtsbewegung des innenliegenden, zweiten Nadelteils 18.2, so dass dessen Sitz 23 freigegeben wird. Über die Drossel 45, die im innenliegenden, zweiten Nadelteil 18.2 ausgebildet ist, entweicht Kraftstoff, wodurch das Druckniveau im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 sinkt. Aufgrund dessen öffnet das Rückschlagventil 47 wieder, um einen Druckausgleich herbeizuführen. Die Drossel 45 innerhalb des zweiten Nadelteils 18.2, welche den hydraulischen Raum 54 und den Federraum 44 für das zweite Nadelteil 18.2 miteinander verbindet, die das zweite Nadelteil 18.2 beaufschlagende Feder 21 sowie das Rückschlagventil 47 sind so auszulegen, dass sich das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 bei Systemdrücken, die für Volllastbereiche der Verbrennungskraftmaschine gelten, immer an den Anschlag 50 an der Unterseite des im Dämpferraum 42 bewegbaren Steuerkolbens 49 befindet.
Das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 des mehrteilig ausbildbaren Einspritzventilglieds 18 befindet sich mithin vor der Druckentlastung der Steuerleitung 11 nicht mehr in seinem Sitz 23, was dazu führt, dass unmittelbar nach dem Abheben der Nadelspitze des außenliegenden ersten Nadelteils 18.1 die Querschnitte beider Lochreihen 26 bzw. 27 am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 freigegeben sind, so dass die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine über beide konzentrisch zueinander ausbildbaren Lochreihen 26 und 27 erfolgen kann.
Die Drossel 45 im oberen Bereich des zweiten Nadelteils 18.2 die den hydraulischen Raum 54 und den Federraum 44 miteinander verbindet, ist mit einem sehr kleinen Drosselquerschnitt ausgelegt. Dadurch kann das im hydraulischen Raum 54 herrschende Druckniveau möglichst lange so groß gehalten werden, dass das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 beaufschlagende Federkraft des zweiten Federelements 21 überwunden wird. Innerhalb von 720° KW der Verbrennungskraftmaschine sollte das im hydraulischen Raum 54 herrschende Druckniveau abgebaut sein.
Wie der Darstellung gemäß 3 entnommen werden kann, ist beim Anschluss 60 des Rückschlagventils 47 die Verbindung zur Steuerleitung 11 dargestellt. Im Unterschied zur Darstellung gemäß 3 liegt die Anschlussstelle des Rückschlagventils 47 auf der anderen Seite des Kraftstoffinjektors 3.
Der Darstellung gemäß 4 ist eine weitere, dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zu entnehmen.
Die Ausführungsvariante unterscheidet sich von den in den 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten dadurch, dass einerseits das Rückschlagventil 47, welches dem Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 zugeordnet ist, an die Steuerleitung 11 zur Druckentlastung des Differenzdruckraums (Arbeitsraum) des Druckübersetzers 4 angeschlossen ist und dass im Rückschlagventil 47 weiterhin ein weiteres Rückschlagventil gegensinnig sowie eine in der das zweite Rückschlagventil 71 beaufschlagenden Leitung eine Drosselstelle 72 ausgebildet ist.
Dadurch existiert gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsvariante keine direkte Verbindung des das zweite, innenliegende Nadelteil 18.2 beaufschlagenden Steuerraums 43 zum Niederdruckbereich. Die Befüllung des Steuerraums 43 gemäß der Ausführungsvariante in 4 erfolgt wie im Zusammenhang mit der Ausführungsvariante in 3 bereits dargestellt. Der gemäß dieser Ausführungsvariante realisierbare Hub, den das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 bis zum Erreichen des Anschlags 50 ausführt, ist aber so bemessen, dass dieser dazu ausreicht, dass sich unter dem Sitz 23 des innenliegenden, zweiten Nadelteils 18.2 des metallisch ausbildbaren Einspritzventilglieds 18 ein Druck aufbauen kann, entsprechend der in 2 und 3 dargestellten Ausführungsvarianten.
Bei Druckentlastung der Steuerleitung 11 gemäß dieser Ausführungsvariante öffnet zunächst das zweite Rückschlagventil 71 bei Druckentlastung der Steuerleitung 11. Die Druckentlastung der Steuerleitung 11 erfolgt durch Ansteuerung des Steuerventils 32, wodurch das Servoventil 40 betätigt wird. Der Servoventilkolben des Servoventils 40 enthält einen Durchgangskanal 41, so dass in den Druckräumen des Servoventils 40 gleicher Druck, jedoch unterschiedlich wirksame hydraulische Flächen wirken.
Beim Öffnen mittels eines weiteren Rückschlagventils 71 entweicht Kraftstoff in die Steuerleitung 11, so dass das Druckniveau im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 sinkt. Das Rückschlagventil 47 öffnet erst ab einem bestimmten Druck (Systemdruck) und belastet den Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 bzw. den hydraulischen Raum 54. Bei geringeren Systemdrücken wird das Rückschlagventil 47 nicht geöffnet, so dass der Steuerraum 43 und der hydraulische Raum 54 auf Niederdruckniveau verbleiben. Bei einem Öffnen des Rückschlagventils 47 erfolgt ein Druckaufbau im zweiten Steuerraum 53 bzw. im hydraulischen Raum 54, so dass das zweite Nadelteil 18.2 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventils angehoben wird. Bei einer Entlastung der Steuerleitung 11 öffnet das weitere Rückschlagventil 71, wobei der Druckabbau im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 durch die Drosselstelle 72 verzögert bzw. verlangsamt wird. Durch die Drosselstelle 72 ist sichergestellt, dass sich das zweite Nadelteil 18.2 beim Öffnen des ersten Nadelteils 18.1 noch am Anschlag 50 befindet und an diesem mit seiner Steuerfläche 51 anliegt. Solange die Steuerleitung 11 entlastet ist, kann sich der Druck während der Einspritzung im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 bzw. im hydraulischen Raum 54 auf Niederdruckniveau abbauen.
Bei der Druckentlastung der Steuerleitung 11, so mithin während der Schließbewegung der beiden Nadelteile 18.1 bzw. 18.2 des metallisch ausgebildeten Einspritzventilglieds 18 befindet sich der innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 stets am oberen Anschlag 50, der durch die Unterseite des im Dämpfungsraum 42 verfahrbaren Steuerkolben 49 gebildet ist. Nachdem der außenliegende, erste Nadelteil 18.1 seinen Sitz 22 erreicht hat, führt der innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 noch einen Hub aus. Dieser Hubweg, d.h. das zum Erreichen des Sitzes 23 des innenliegenden, zweiten Nadelteils 18.1 erforderliche Hubweg ist sehr klein, da der Steuerraum 43 des zweiten Nadelteils 18.2 über das in seiner Schließstellung befindliche Rückschlagventil 47 von der Steuerleitung 11 getrennt ist und demzufolge kein Kraftstoff abströmen kann.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors mit Druckübersetzer 4 und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventilglied 11 ist die Federkraft des das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 beaufschlagenden zweiten Federelements 21 etwas höher auszulegen. Aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 47 ist zu gewährleisten, dass ein im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 noch herrschendes Restdruckniveau bei geschlossenem Schlagventil 47 in die Steuerleitung 11 noch überwunden werden kann, um den innenliegenden, zweiten Nadelteil 18.2 in seinen Sitz 23 am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 zu bewegen.
Dadurch, das gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsvariante keine Druckstufe im Bereich des Nadelsitzes 23 des zweiten Nadelteiles 18.2 ausgebildet ist, vermögen die in einem Kraftstoffeinspritzsystem auftretende hochfrequente Schwingungen die Nadel während der Einspritzung nicht zu öffnen.
Gemäß der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsvarianten lässt sich ein gedämpftes Öffnen des innenliegenden, zweiten Nadelteiles 18.2 realisieren, so daß keine Mengensprünge im Kernfeld auftreten können. Durch die Anbindung an die Steuerleitung 11 ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass keine Druckerhöhung während der Einspritzungen auftreten können. Aufgrund der Reduktion von Druckschwingungen im Sys tem ist eine genauere Abstimmung des Öffnungsdruckes des innenliegenden, zweiten Nadelteils 18.2 gegeben, so dass reproduzierbare Einspritzungen gewährleistet sind.

1: Hochdruckspeicher (Common-Rail)
2: Drossel/Rückschlagventil
3: Kraftstoffinjektor
4: Druckübersetzer
5: Hochdruckleitung
6: Arbeitsraum
7: Differenzdruckraum (Rückraum)
8: Rückstellfeder
9: Stufenkolben
10: Kompressionsraum
11: Steuerleitung
12: Druckraum
13: Zulaufdrossel
14: Befüllleitung
15: Wiederbefüllventil (RSV)
16: Hochdruckleitung
17: Düsenraum
18: mehrteiliges Einspritzventilglied
18.1: 1. erstes Nadelteil (außenliegend)
18.2: 2. zweites Nadelteil (innenliegend)
19: Anschlag für erstes Nadelteil
20: erstes Federelement
21: zweites Federelement
22: Sitz erstes Nadelteil 18.1
23: Sitz zweites Nadelteil 18.2
24: Ringspalt
25: Druckstufe erstes Nadelteil 18.1
26: erste Lochreihe
27: zweite Lochreihe
28: erste Umlaufnut
29: zweite Umlaufnut
30: Bohrung
31: niederdruckseitiger Rücklauf
32: Steuerventil
33: Rücklaufsteuermenge
34: Hochdruckabzweig
A₁: Druckfläche
40: Servoventil
41: Durchgangskanal mit Drosselstelle
42: Dämpferraum
43: Steuerraum 2. Nadelteil 18.2
44: Federraum 2. Nadelteil 18.2
45: Drossel
46: Rückschlagventil
47: Rückschlagventil für Steuerraum 43
48: Dämpferraum-Drossel
49: Steuerkolben
50: innerer Anschlag am Steuerkolben 42
: für zweites Nadelteil 18.2
51: Steuerfläche zweites Nadelteil 18.2
52: Ablaufkanal
53: Kanal
54: hydraulischer Raum
60: RSV-Anschluss an Steuerleitung 11
70: gegenläufige RSV-Anordnung
71: weiteres Rückschlagventil
72: Drosselstelle

Claims

Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kraftstoffinjektor (3) mit einem Hochdruckspeicher (1) für Kraftstoff in Verbindung steht und einen Druckübersetzer (4) umfasst und über ein Steuerventil (32) betätigbar ist sowie ein Einspritzventilglied (18) aufweist, welches in Schließrichtung durch mindestens ein Federelement (20) beaufschlagt ist und dem Einspritzventilglied (18) ein von diesen diesem unabhängig bewegbares Dämpfungselement (49) zugeordnet ist, welches einen Dämpfungsraum (42) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventilglied (18) ein erstes Nadelteil (18.1) und ein zweites Nadelteil (18.2) aufweist, wobei dem zweiten Nadelteil (18.2) ein systemdruckseitiger oder höchstdruckseitiger angebundener Steuerraum (43) zugeordnet ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuerraum (43) für das zweite Nadelteil (18.2) ein Rückschlagventil (47) zugeordnet ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einspritzventilglied (18) ein Steuerkolben (49) zugeordnet ist, in welchem ein Federelement (44) für ein das zweite Nadelteil (18.2) beaufschlagendes Federelement (21) aufgenommen ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (49) eine Anschlagfläche (50) für das zweite Nadelteil (18.2) aufweist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federraum (44) über einen Drosselkanal (52) mit dem niederdruckseitigen Bereich (31) des Kraftstoffinjektors (3) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Nadelteil (18.2) einen Drosselkanal (45) enthält, der zwischen dem Federraum (44) und dem Steuerraum (43) verläuft.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einem Dämpfungsraum (42) ein mit einer Steuerleitung (11) des Druckübersetzers (4) verbundene Dämpferraumdrossel (48) zugeordnet ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Nadelteil (18.2) an seinem brennraumseitigen Sitz (23) druckflächenfrei ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein über den Federraum (43) druckbeaufschlagbare oder druckentlastbare hydraulischer Raum (54) durch das zweite Nadelteil (18.2) und das Dämpfungselement (49) begrenzt ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Steuerraum (43) zugeordnete Rückschlagventil (47) an der Höchstdruckverbindung (16) zwischen einem Kompressionsraum 10 des Druckübersetzers (4) und einem Druckraum (12) angeschlossen ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Steuerraum (43) zugeordnete Rückschlagventil (47) an der Steuerleitung (11) zur Betätigung des Druckübersetzers (4) angeschlossen ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rückschlagventil (47) ein weiteres Rückschlagventil (71) parallelgeschaltet ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagventile (47, 71) gegensinnig zueinander angeordnet sind.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rückschlagventil (71) eine Drosselstelle (72) vorgeschaltet ist.