DE10212396A1

DE10212396A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit 3/2-Wege-Ventil

Info

Publication number: DE10212396A1
Application number: DE10212396A
Authority: DE
Inventors: Peter Boehland
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-09
Also published as: WO2003078825A1; US20040178283A1; EP1488095A1; JP2005520966A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit einer Kraftstoffpumpe für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine, die einen in einer Hubbewegung angetriebenen Pumpenkolben enthält. Dieser begrenzt einen Pumpenarbeitsraum, dem Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter zugeführt wird. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst ferner ein Kraftstoffeinspritzventil (25), welches einen mit der Kraftstoffpumpe (13) verbundenen Druckraum (22) und ein Einspritzventilglied (18) aufweist, durch das zumindest eine Einspritzöffnung (24) gesteuert wird. Das Einspritzventilglied (18) ist durch den in einem Druckraum (22) herrschenden Druck gegen eine Schließkraft in Öffnungsrichtung zur Freigabe der mindestens einen Einspritzöffnung (24) bewegbar und zumindest mittelbar von einem in einem Steuerraum (14) anstehenden Druck in Schließrichtung beaufschlagt. Der Steuerraum (14) ist über ein mit einem Steller (3) betätigbares Steuerventil (31) druckentlastbar. Das Steuerventil (31) umfasst ein Steuerventilglied (32) mit einem ersten Ventilabschnitt (33) und einem zweiten Ventilabschnitt (36), die jeweils von hydraulischen Räumen (34, 39) umschlossen sind, von denen der erste hydraulische Raum (34) mit einem Hochdruckzulauf (30) verbunden ist und über den zweiten hydraulischen Raum (39) des Steuerraums (14) druckbeaufschlagbar ist.

Description

Technisches Gebiet

Bei direkt einspritzenden Verbrennungskraftmaschinen kommen Pumpe-Düse-Einheiten (UIS-Systeme) zum Einsatz oder es werden Pumpe-Leitung-Düse-Systeme (UPS) eingesetzt. Bei diesen Einspritzsystemen stehen die Einspritzdüsen über eine kurze Leitung oder eine Bohrung mit einer Hochdruckquelle in Verbindung. Mit diesen Einspritzsystemen ist bei Nenndrehzahl ein sehr hoher Spitzendruck erzielbar. An diesen Einspritzsystemen kommen in der Regel Schaltventile zum Einsatz, die im Vergleich zum Einsatz bei Ottomotoren 300- bis 500-fache Drücke beherrschen und wesentlich häufiger schalten.

Stand der Technik

Eine bekannte Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine Kraftstoffpumpe für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine auf, die einen durch die Brennkraftmaschine in einer Hubbewegung angetriebenen Pumpenkolben aufweist. Dieser begrenzt einen Pumpenarbeitsraum, der über eine Leitung mit einem getrennt von der Kraftstoffpumpe an der Brennkraftmaschine angeordneten Kraftstoffeinspritzventil verbunden ist. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Einspritzventilglied auf, durch das wenigstens eine Einspritzöffnung gesteuert wird. Dieses ist durch den im Pumpenarbeitsraum erzeugten Druck gegen die Schließkraft in Öffnungsrichtung bewegbar. Es ist ein erstes elektrisch angesteuertes Steuerventil vorgesehen, durch welches eine Verbindung des Pumpenarbeitsraumes mit einem Entlastungsraum gesteuert wird und welches nahe an der Kraftstoffpumpe angeordnet ist. Weiterhin ist ein zweites elektrisch angesteuertes Steuerventil vorgesehen, das in der Nähe des Kraftstoffeinspritzventiles angeordnet ist und durch dass der in einem Steuerdruckraum des Kraftstoffeinspritzventils herrschende Druck gesteuert wird. Durch diesen Druck wird das Einspritzventilglied zumindest mittelbar in Schließrichtung beaufschlagt.

Nachteilig bei dieser Lösung ist der Umstand, dass zwei elektrisch anzusteuernde Steuerventile vorzusehen sind, was den Herstellaufwand und die Komplexität dieser Einspritzvorrichtung erhöht.

Bei dieser weiteren bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist jedem Zylinder einer Brennkraftmaschine eine Kraftstoffhochdruckpumpe und ein mit dieser verbundenes Kraftstoffeinspritzventil zugeordnet. Ein Pumpenkolben der Kraftstoffhochdruckpumpe wird durch die Brennkraftmaschine, z. B. über deren Nockenwelle, in einer Hubbewegung angetrieben und begrenzt einen Pumpenarbeitsraum, der mit einem Druckraum der Kraftstoffeinspritzeinrichtung verbunden ist. Dieses umfasst ein Einspritzventilglied, durch das wenigstens eine Einspritzöffnung gesteuert wird und das durch den im Druckraum herrschenden Druck gegen die Schließkraft in einer Öffnungsrichtung bewegbar ist. Durch eine erste Steuerventileinrichtung wird eine ungedrosselte Verbindung und eine Verbindung über eine Drosselstelle des Pumpenarbeitsraumes mit einem Entlastungsraum gesteuert. Durch eine weitere, zweite Steuerventileinrichtung wird eine Verbindung eines mit dem Pumpenarbeitsraum verbundenen Steuerdruckraumes des Kraftstoffeinspritzventils mit dem Entlastungsraum gesteuert. Das Einspritzventilglied ist durch den im Steuerdruckraum herrschenden Druck in Schließrichtung beaufschlagt.

Mit dieser Lösung kann einer Haupteinspritzphase eine Voreinspritzphase auf einem verringerten Druckniveau vorgeschaltet werden; allerdings sind gemäß dieser Lösung ebenfalls zwei getrennte Steuerventileinrichtung erforderlich.

EP 0 957 261 A1 bezieht sich ebenfalls auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Diese Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine Kraftstofthochdruckpumpe und ein mit dieser verbundenes Kraftstoffeinspritzventil für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine auf. Die Kraftstoffhochdruckpumpe weist einen durch die Brennkraftmaschine in einer Hubbewegung angetriebenen Pumpenkolben auf, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzt. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst einen mit dem Pumpenarbeitsraum verbundenen Druckraum und ein Einspritzventilglied, durch das wenigstens eine Einspritzöffnung gesteuert wird und dass durch den im Druckraum herrschenen Druck gegen eine Schließkraft in Öffnungsrichtung zur Freigabe der wenigstens einen Einspritzöffnung bewegbar ist. Es ist eine erste Steuerventileinrichtung, aus einem Steuerventil bestehend, vorgesehen, durch das eine Verbindung des Pumpenarbeitsraumes mit einem Entlastungsraum gesteuert wird. Außerdem ist eine zweite Steuerventileinrichtung, aus einem Steuerventil bestehend, vorgesehen, durch das eine Verbindung eines Steuerdruckraumes mit einem Entlastungsraum gesteuert wird. Das Einspritzventilglied ist durch den im Steuerdruckraum herrschenden Druck zumindest mittelbar in Schließrichtung beaufschlagt und der Steuerdruckraum ist mit dem Pumpenarbeitsraum verbunden. Beide Steuerventileinrichtungen werden durch einen gemeinsamen elektromagnetischen Aktor geschaltet. Nachteilig bei dieser Kraftstoffeinspritz-einrichtung ist der Umstand, dass eine Kraftstoffeinspritzung nur entsprechend dem durch die Kraftstoffpumpe erzeugten Druckniveau möglich ist und der Druck, mit dem die Kraftstoffeinspritzeinrichtung erfolgt, nicht variiert werden kann.

Darstellung der Erfindung

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind vor allem darin zu erblicken, dass durch den Einsatz eines als 3/3-Wege-Ventil beschaffenen Steuerventilkörpers, der in ein Injektorgehäuse integriert ist, die gleichen Funktionen realisiert werden, wie sie an aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzsystemen unter Einsatz zweier getrennter elektrisch ansteuerbarer Steuerventileinrichtungen realisiert werden. Die Einspritzverlaufsformung hinsichtlich einer Ausformung von Voreinspritzphasen und Haupteinspritzphasen erfolgt lediglich durch ein Ventil, so dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung einerseits in ihrer Komplexität hinsichtlich der Ansteuerung vereinfacht ist und andererseits durch den Verzicht auf eine weitere, zweite Steuerventileinrichtung - wie aus dem Stand der Technik bekannt - auch kostengünstiger herstellbar ist. Der Wirkungsgrad und die Zerstäubungsarbeit, die durch ein Einspritzsystem gemäß der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung realisierbar ist, unterscheidet sich nicht wesentlich vom Wirkungsgrad und der Zerstäubungsarbeit von Einspritzsystemen, die zwei elektrisch ansteuerbare Steuerventileinrichtungen umfassen.

Aufgrund der hintereinander angeordneten Ventilabschnitte am erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuerventilglied eines 3/3-Wege-Steuerventiles, lassen sich mit der erfindungsgemäßen Lösung kurze Schaltwege und damit kurze Schaltzeiten realisieren, so dass durch mehrmaliges Schalten eines als Magnetventil ausgebildeten Stellers Vor- und Nacheinspritzungen, sollten sie erforderlich sein, problemlos dargestellt werden können. Zur Betätigung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen 3/3-Wege-Steuerventiles in ein Pumpe- Düse-System oder in ein Pumpe-Leitungs-Düse-System kann ein magnetischer Steller, ein Piezoaktor oder dergleichen eingesetzt werden. Bei Einsatz eines elektromagnetisch wirkenden ausgebildeten Stellers kann das Steuerventilglied des 3/3-Wege-Steuerventiles in seinem Kopfbereich mit einem Tauchanker versehen werden, in dessen Einsatz die Magnetspule eingelassen ist. Alternativ lässt sich das Steuerventilglied des 3/3-Wege- Steuerventils auch über eine im Injektorgehäuse fest angeordnete Magnetspule betätigen, wobei im Kopfbereich des Steuerventilglieds des 3/3-Wege-Steuerventiles eine flach bauende Ankerplatte vorgesehen werden kann.

An der dem Steller gegenüberliegenden Stirnseite des Steuerventilglieds des 3/3-Wege- Steuerventiles ist dieses bevorzugt durch eine Vorspannkraft beaufschlagt. Die Vorspannkraft kann beispielsweise über zwei parallel geschaltete ineinander angeordnete Federelemente erzeugt werden, von denen eines unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines scheibenförmigen Elementes die untere Stirnseite des Steuerventilgliedes beaufschlagt, während das weitere, das erste Ventilelement umgebende Federelement, von einem im Gehäuse des Injektorkörpers beweglich angeordneten Anschlag umgeben sein kann. Durch die Auslegung dieses gefedert ausgelegten Anschlages kann ein gewünschter Anfangseinspritzdruck voreingestellt werden, der durch eine entsprechende Erhöhung der Bestromung des als Magnetventils ausgebildeten Stellers überwunden werden kann, so dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene Steuerventilglied in eine weitere Schaltstellung gefahren werden kann.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Pumpe-Düse-System (UPS = Unit Pump System) mit steuerbarer Düse ohne Hochdruckpumpe,
Fig. 2 ein Pumpe-Düse-System mit einem 3/3-Wege-Steuerventil,
Fig. 3.1 das 3/3-Wege-Steuerventil in einer ersten Schaltstellung (Ventil offen),
Fig. 3.2 das 3/3-Wege-Steuerventil in einer zweiten Schaltstellung (Sitzventil- Abschnitt offen und Schieberventil-Abschnitt geschlossen),
Fig. 3.3 das 3/3-Wege-Steuerventil in einer dritten Schaltstellung (beide Ventilbereiche geschlossen),
Fig. 4 die in Abhängigkeit vom Nockenwellenwinkel aufgetragenen Verläufe von Pumpendruck, Magnetventilkraft, Magnetventilhub und Hubweg des gefederten Anschlages innerhalb des Injektorgehäuses und
Fig. 5 die in Abhängigkeit vom Nockenwellenwinkel aufgetragenen Verläufe von Düsendruck, Düsennadelhub, Steuerraumdruck und den Verlauf der Einspritzrate.

Ausführungsvarianten

Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Pumpe-Düse-System (UPS) mit steuerbarer Düse ohne Wiedergabe einer Hochdruckquelle, beispielsweise einer Hochdruckpumpe, entnehmbar.
In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Injektor 1 wiedergegeben, in dessen Injektorkörper 2 am oberen Bereich ein als Magnetventil ausgebildeter Steller 3 angeordnet ist. Der Steller 3 wird über Anschlüsse 4 angesteuert und umfasst eine Magnetspule 5. Der Magnetspule 5 des Steller 3 gegenüberliegend ist eine flach bauende Ankerplatte 6.1 einer Ankeranordnung 6 zugeordnet. Die Ankeranordnung 6 umfast neben der flach bauenden Ankerplatte 6.1 einen Ankerstift 6.2. Die Magnetspule 5 des Stellers 3 ist von einer Magnethülse 7 umschlossen. Der Steller 3 wird mittels einer Spannmutter 8 im Kopfbereich des Injektorkörpers 2 verschraubt.
Innerhalb des Injektorkörpers 2 ist ein durch den Steller 3 betätigbares Ventil 9 eingelassen, welches ein Ventilglied 10 umfasst. Das Ventilglied 10 ist innerhalb des Injektorgehäuses 2 von einem Ringraum 12 umschlossen, der seinerseits über eine Zuleitung mit einem Hochdruckzulauf 11 in Verbindung steht. An den Hochdruckzulauf 11 ist die in Fig. 1 nicht dargestellte Hochdruckpumpe bzw. deren Pumpenarbeitsraum angeschlossen.
Vom Ringraum 12 innerhalb des Injektorkörpers 2 zweigt ein Zulauf 13 zu einem Steuerraum 14 innerhalb des Injektorkörpers 2 ab. Der Steuerraum 14 beaufschlagt die obere Stirnseite eines druckstangenförmigen Übertragungselementes 15, welches von einer als Spiralfeder ausgebildeten Schließfeder 16 umschlossen ist. Die Schließfeder 16 stützt sich einerseits mit ihrer oberen Stirnseite im Injektorkörper 2 und mit ihrer unteren Stirnseite an einem Druckstück 17 ab, welches seinerseits ein Einspritzventilglied 18 z. B. in Gestalt einer Düsennadel beaufschlagt. Das Druckstück 17 ist in einem scheibenförmig konfigurierten Zwischenstück 19 aufgenommen, welches mittels eines Zentrierstiftes 20 zum Injektorkörper 2 zentriert ist. Der Injektorkörper 2, das scheibenförmig konfigurierte Zwischenstück 19 und das Einspritzventilglied 18 werden mittels einer Düsenspannmutter 21 miteinander fixiert. Das Einspritzventilglied 18 ist von einem Druckraum 22 umschlossen, der über einen sich durch den Injektorkörper 2 das scheibenförmige Element 19 und den Düsenkörper erstreckende Zuleitung 23 mit dem Hochdruckzulauf 11 in Verbindung steht.
Innerhalb des Druckraumes 22 ist am Einspritzventilglied 18 eine Druckstufe ausgebildet, die ein Öffnen des Einspritzventilgliedes 18 bei Druckentlastung des Steuerraumes 14 innerhalb des Injektorkörpers 2 ermöglicht. Am brennraumseitigen Ende des Einspritzventilgliedes 18 sind Einspritzöffnungen 24 angedeutet, über welche bei Druckentlastung des Steuerraumes 14 durch Betätigung des Steuerventiles 9 und dem Öffnen des Einspritzventilgliedes 18 eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer hier nicht näher dargestellten direkt einspritzenden Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Die am brennraumseitigen Ende des Injektor 1 angeordnete Einspritzventilanordnung, das Einspritzventilglied 18, den Düsenkörper, den Druckraum 22 sowie die Düsenspannmutter 21 umfassend, ist mit Bezugszeichen 25 gekennzeichnet.
Fig. 2 zeigt ein Pumpe-Düsen-System mit einem als Magnetventil ausgebildeten Steller.
Der Darstellung gemäß Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Aufbau eines Pumpe-Düse- Systems zu entnehmen. Im oberen Bereich des Injektorkörpers 2 befindet sich ein als Magnetventil ausgebildeter Steller 3, der über Anschlüsse 4 angesteuert wird. Der Steller 3 ist von einem hülsenförmigen Mantel 7 umschlossen und mittels einer Spannmutter 8 im Kopfbereich des Injektorkörpers 2 befestigt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Magnetspule 5 des als Magnetventil ausgebildeten Stellers 3 in ein Einsatzstück 51 integriert, welches im Kopfbereich eines Steuerventilglieds 32 eines 3/3-Wege-Steuerventiles 31 angeordnet ist.
Anstelle der die Komponenten 5 bzw. 51 in Fig. 2 dargestellten Tauchankerausbildung, kann im Kopfbereich des Steuerventilgliedes 32 des 3/3-Wege-Steuerventiles 31 auch eine flach bauende Ankerplatte 6.1 ausgebildet sein, die mit einer in einer solchen Ausführungsvariante in den Magnetkern des Stellers 3 integrierten Magnetspule 5 gemäß der Darstellung des Injektors in Fig. 1 zusammenwirkt.
In sich unterhalb des druckbeaufschlagbaren bzw. druckentlastbaren Steuerraumes 14 anschließenden Bereich ist der Injektorkörper 2 bzw. das an diesem aufgenommene Einspritzventil 25 analog zum in Fig. 1 bereits geschilderten Injektor beschaffen.
Über einen seitlich in den Injektorkörper 2 mündenden Hochdruckpumpenzulauf 30 tritt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in den Zulauf 23 zu einem im Einspritzventil 25 angeordneten Druckraum 22 ein, der das Einspritzventilglied 18 im Bereich einer an diesem ausgebildeten Druckstufe umgibt. Das Einspritzventilglied 18, unter Zwischenschaltung eines Druckstückes 17 eines stangenförmig konfigurierten Übertragungselementes 15, welches von einer Schließfeder 16 umgeben ist, wird durch den im Steuerraum 14 anstehenden Hochdruck beaufschlagt.
Vom Hochdruckpumpenzulauf 30 erstreckt sich in Richtung des als Magnetventil ausbildbaren Stellers 3 ein Zulauf 41 zu einem ersten hydraulischen Raum 34, welcher das Steuerventil 32 des 3/3-Wege-Steuerventiles im Bereich eines ersten Ventilabschnittes 33 umgibt. In der Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 ist der erste Ventilabschnitt 33 als Sitzventil beschaffen. Der erste Ventilabschnitt 33 umfasst eine Sitzfläche 35, die mit einer korrespondierenden Fläche des das Steuerventilglied 32 umgebenden Gehäuses zusammenwirkt. Hinter dem ersten Ventilabschnitt 33, bezogen auf die Schließrichtung des Einspritzventilgliedes 18 liegend, ist am Steuerventilglied 32 des 3/3-Wege- Steuerventilgliedes 31 ein weiterer, zweiter Ventilabschnitt 36 ausgebildet, der als Schieberventilabschnitt beschaffen ist. Am zweiten Ventilabschnitt 36 des Steuerventilgliedes 32 sind Steuerkanten 37 ausgebildet, die mit gehäuseseitigen Steuerkanten 38 des das Steuerventilglied 32 umgebenden Gehäuses zusammenwirken. Ferner ist der zweite Ventilabschnitt 36 von einem zweiten hydraulischen Raum 39 umschlossen, von dem aus eine Steuerraumzulaufleitung 40 abzweigt, die in den das Einspritzventilglied 18 zumindest mittelbar beaufschlagenden Steuerraum 14 mündet.
Unterhalb des zweiten Ventilabschnittes 36 am Steuerventilglied 32 befindet sich ein Kolbenabschnitt 43, der von einem dritten, niederdruckseitigen hydraulischen Raum 42 umschlossen ist. Die Stirnseite 44 des Kolbenabschnitts 43 kann beispielsweise unter Zwischenschaltung eines scheibenförmigen Elementes 45 von einem im Hohlraum 50 aufgenommenen ersten Federelement 48 beaufschlagt sein. Das erste Federelement 48 ist im Hohlraum 50 unterhalb des Steuerventilgliedes 32 im Injektorkörper 2 von einem weiteren, zweiten als Spiralfeder ausgebildeten Federelement 49 umschlossen, welches seinerseits einen innerhalb des Hohlraumes 50 des Injektorkörpers 2 bewegbar aufgenommenen Anschlag 46 beaufschlagt. Die obere Stirnseite des zweiten Federelementes 49 wird von einer Bundfläche 47 des bewegbar aufgenommenen Anschlages 46 übergriffen. In bevorzugter Ausgestaltungsform sind das erste Federelement 48, welches das Steuerventilglied 32 unmittelbar beaufschlagt sowie das den federnden Anschlag 46 beaufschlagende zweite Federelement 49 parallel geschaltet. Über die Dimensionierung des ersten Federelementes 48 und das den federnden Anschlag 46 beaufschlagende zweite Federelement 49 läßt sich der Aufbau eines Anfangseinspritzdruckes vorgeben. Dieser läßt sich durch eine entsprechende Bestromungsverstärkung des Federpakets 48 bzw. 49 aufgebrachte Vorspannkraft läßt sich zur Einstellung eines Anfangseinspritzdruckes entsprechend auslegen, wobei die durch das Federpaket 48 bzw. 49 aufgebrachte Vorspannkraft durch eine entsprechende Bestromung des als Magnetventil ausgebildeten Stellers 3 überwindbar ist.
Im Unterschied zur aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsvariante eines Injektors 1 gemäß Fig. 1 ist der Steuerraum 14 gemäß der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung einerseits durch eine Steuerraumzulaufleitung 40 mit dem zweiten hydraulischen Raum 39, der den zweiten Ventilabschnitt des Steuerventilgliedes 32 umschließt, verbunden; andererseits steht der druckentlastbare Steuerung 14 über eine Entlastungsleitung 52 mit dem Hohlraum 50 und im weiteren mit dem niederdruckseitigen dritten hydraulischen Raum 42 zur Druckentlastung in Verbindung.
Fig. 3.1 zeigt das erfindungsgemäß konfigurierte 3/2-Wege-Ventil in einer ersten Schaltstellung (Ventil offen).
In Fig. 3.1 ist die erste Schaltstellung 53 des Steuerventilgliedes 32 des 3/2-Wege- Steuerventiles 31 gemäß Fig. 2 wiedergegeben. In diesem ersten Schaltzustand 53, d. h. im stromlosen Zustand des Stellers 3, sind der erste Ventilabschnitt 33 sowie der zweite Ventilabschnitt 36 durch die Wirkung des ersten Federelementes 48 in ihre Offenstellung gestellt. In diesem Zustand ist das Steuerventilglied 32 vollständig geöffnet und der Kraftstoff wird über den ersten Ventilabschnitt 33 und dem zweiten Ventilabschnitt 36 abgesteuert. Der über den ersten hydraulischen Raum 34 eintretende Kraftstoff vom in Fig. 3.1 nicht dargestellten Zulauf 41 tritt über den geöffneten Sitz 35 in den zweiten hydraulischen Raum 39 ein und strömt über die offenstehenden Steuerkanten 37 des zweiten Ventilabschnittes 36 und die gehäuseseitig vorgesehene Steuerkante 38 in den dritten hydraulischen Raum 42, d. h. auf die Niederdruckseite des Pumpe-Düse-Systems ab. In der Darstellung gemäß Fig. 3.1 wird die Position des Steuerventilgliedes 32 in der ersten Schaltstellung 53 ausschließlich durch die Vorspannkraft des ersten im Hohlraum 50 aufgenommenen Federelementes 48 aufgebracht. Das zweite Federelement 49, welches den federnden Anschlag 46 innerhalb des Hohlraumes 50 beaufschlagt, ist inaktiv.
Fig. 3.2 das 3/3-Wege-Ventil in einer zweiten Schaltstellung (erster Ventilabschnitt offen und zweiter Ventilabschnitt gerade geschlossen).
In der mit Bezugszeichen 54 bezeichneten zweiten Schaltstellung des Steuerventilgliedes 32 des 3/3-Wege-Steuerventiles 31 ist der erste als Sitzventil ausgebildete Ventilabschnitt 33 noch offen, während der zweite, als Schieberventil ausgebildete Ventilabschnitt 36 gerade schließt, was durch den Kontakt der Steuerkante 37 mit der gehäuseseitig ausgebildeten Steuerkante 38 angedeutet ist. In der zweiten Schaltstellung 54 baut sich aufgrund des Verschliessens des niederdruckseitigen dritten hydraulischen Raumes 42 im zweiten hydraulischen Raum 39 Druck auf, der über die Steuerraumzuleitung 40 (vergleiche Darstellung gemäß Fig. 2) den Steuerraum 14 beaufschlagt. Der sich im Steuerraum 14 in der zweiten Schaltstellung 54 aufbauende Druck hindert das Einspritzventilglied 18 am Öffnen, d. h. an einer Freigabe der Einspritzöffnungen 24 am brennraumseitigen Ende des Einspritzventils 25.
In der zweiten Schaltstellung 54 des Steuerventilgliedes 32 des 3/2-Wege-Steuerventiles ist der als Tauchanker 5, 51 konfigurierte Teil des Stellers 3 durch einen kleinen Strom bestromt und die Position des Steuerventilgliedes 32 durch den federnd ausgebildeten Anschlag 46, welcher im Hohlraum 50 unterhalb des Steuerventilgliedes 32 angeordnet ist, definiert. Die Position des federnden Anschlages 46 ist ihrerseits von der Dimensionierung des die Anschlagkante 47 beaufschlagenden zweiten Federelementes 49 innerhalb des Hohlraums 50 abhängig. In dieser zweiten Schaltstellung 54 kommt es entsprechend der Auslegung des federnden Anschlages 46, d. h. von dessen Position innerhalb des Injektorgehäuses 2 zum Aufbau eines gewünschten Anfangseinspritzdruckes.
Fig. 3.3 zeigt das 3/3-Wege-Ventil in einer dritten Schaltstellung, erster und zweiter Ventilabschnitt geschlossen.
Die dritte, mit Bezugszeichen 55 gekennzeichnete Schaltstellung des Steuerventilgliedes 32 des 3/3-Wege-Steuerventiles 31 wird erreicht, wenn ausgehend von der in Fig. 3.2 dargestellten zweiten Schaltstellung 54 des Steuerventilgliedes 32 eine weitere Bestromung des Stellers 3 bzw. der Magnetspule 5 der Tauchankeranordnung 5, 51 im Kopfbereich des Steuerventilgliedes 32 vorgenommen wird. Weitere Bestromung der Tauchankeranordnung 5, 51 fährt auch der erste Ventilabschnitt 33 des Steuerventilgliedes 32 in seine Schließstellung, d. h. der Druckaufbau vom ersten hydraulischen Raum 34 über die Steuerraumzuleitung 40 in den Steuerraum 14 wird beendet. Bei weiterer Bestromung der Tauchankeranordnung 5, 51 im Kopfbereich des Steuerventilgliedes 32 zum Erreichen einer dritten Schaltstellung 55 wird bei Erreichen der Sitzfläche 35 des ersten Ventilabschnittes 33 der als Schieberventil konfigurierte zweite Ventilabschnitt 36 in einer stärkere Überdeckung der Steuerkanten 37 bzw. 38. In der dritten Schaltstellung 55 gemäß der Darstellung in Fig. 3.3 des Steuerventilgliedes 32 ist der Druckaufbau in den Steuerraum 14 der das Einspritzventilglied 18 zumindest mittelbar beaufschlagt unterbrochen; in der dritten Schaltstellung 55 erfolgt eine Druckentlastung des Steuerraumes 14 über die Entlastungsleitung 52 (vergleiche Darstellung gemäß Fig. 2) in den Hohlraum 50 bzw. den dritten hydraulischen Raum 42, d. h. zur Niederdruckseite des Pump-Düsen-Systems.
Das Ende einer Einspritzphase, sei es eine Voreinspritzung, eine Haupteinspritzung oder eine Nacheinspritzung, wird dadurch erreicht, dass das Steuerventilglied 32 des 3/2-Wege- Steuerventiles 31 seine zweite Schaltstellung 54 wieder einnimmt und sich eine Druckerhöhung innerhalb des Steuerraumes 14 durch Druckaufbau im zweiten hydraulischen Raum 39 über die Steuerraumzuleitung 40 einstellt. Bei Druckerhöhung innerhalb des Steuerraumes 4, 14 fährt das Einspritzventilglied 18 wieder in seine Schließstellung. Anschließend wird in die in Fig. 3.1 dargestellte erste Schaltstellung 53 geschaltet, wodurch eine Entlastung des Hochdrucksystemes eintritt, da beide Ventilabschnitte 33 bzw. 36 des Steuerventilgliedes 32 ihre Offenstellung einnehmen. Mehrmalige Ansteuerungen des Stellers 3 können zur Realisierung von Vor- und Nacheinspritzphasen vorgenommen werden.
Neben dem Einsatz an Pumpe-Leitung-Düse (UPS)-Systemen kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auch an Pumpe-Düse-Einheiten (UIS) eingesetzt werden. Bei diesen, jedoch hier zeichnerisch nicht dargestellten Einspritzsystemen, ist anstelle einer Leitungsverbindung - wie beim Pumpe-Düse-System (UIS-System) - nur eine kurze Verbindungsbohrung zwischen der Hochdruckpumpe und dem Einspritzventil vorhanden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung mittels eines zwei hintereinander geschaltete Ventilabschnitte 33, 36 aufweisenden Steuerventilgliedes 32 läßt sich daher problemlos auch auf ein UIS-System übertragen.
Der Darstellung gemäß Fig. 4 sind die in Abhängigkeit vom Nockenwellenwinkel aufgetragenen Verläufe von Pumpendruck, Magnetventilkraft, Magnetventilhub und Hubweg des Anschlages 46 entnehmbar.
In der Darstellung gemäß Fig. 4 ist der Pumpendruckverlauf mit Bezugszeichen 60 identifiziert. Der Pumpendruck erreicht sein Maximum 61 gegen Ende der Einspritzung. Der Pumpendruckverlauf 60 ist durch eine im wesentlichen linear verlaufende Druckanstiegsflanke 62 gekennzeichnet. Mit Bezugszeichen 63 ist in punktierter Wiedergabe der Hubverlauf des Steuerventilgliedes 32 wiedergegeben, welches abhängig von der Magnetkraft entweder ein erstes Hubniveau 64 - beispielsweise zur Drucksteigerung - einnimmt oder bei weiter erhöhter Magnetkraft ein zweites Hubniveau 65 einnimmt. Die dem ersten Hubniveau 64 entsprechende Magnetventilkraft 66 verharrt auf einem ersten Niveau 67 (beispielsweise 50 Newton), solange die Drucksteigerung ohne Einspritzung andauert. Bei einer stärkeren Bestromung des als Magnetventil ausgebildeten Stellers 3 stellt sich ein zweites Magnetkraftniveau 68 ein, welches zu einem zweiten Hubniveau 65 des Steuerventilgliedes 32 korrespondiert. Mit Bezugszeichen 69 ist der Weg des verfahrbaren Anschlages 46, der durch das zweite Federelement 49 an seinem Bund 47 beaufschlagt ist, dargestellt.
Der Darstellung gemäß Fig. 5 sind die in Abhängigkeit vom Nockenwellenwinkel aufgetragenen Verläufe von Düsendruck, Düsennadelhub, Steuerraumdruck und Einspritzrate entnehmbar. Der Verlauf des eingespritzten Volumens 70 ist durch einen linearen Anstieg 71 entsprechend des Hubweges 72 des Einspritzventilgliedes 18 gekennzeichnet. Nach Erreichen der Schließstellung des Einspritzventilgliedes 18 und einem demzufolge sich einstellenden Verschliessen der Einspritzöffnungen 24 am brennraumseitigen Ende des Pumpe-Düse-Systems, geht das eingespritzte Volumen in einen konstanten Verlauf, hier dargestellt durch eine Gerade, über. Mit steigendem Nockenwellenwinkel steigt der Druck 73 am Einspritzventilglied 18 stetig an, um sein Maximum gegen Ende der Einspritzung, d. h. kurz vor Schließen des Einspritzventilgliedes 18 in seine Sitzfläche zum Verschliessen der Einspritzöffnungen 24, zu erreichen. Die Anstiegsphase des Einspritzdruckes ist durch den ansteigenden Pfeil 75 gekennzeichnet. Parallel mit dem Anstieg des Einspritzdruckes am Einspritzventilglied 18 steigt mit steigendem Nockenwellenwinkel zunächst der Steuerraumdruck 76, der hingegen bei Druckentlastung des Steuerraumes 14 durch Öffnen der Entlastungsleitung 52 zu einem Druckabfall 77 dort führt, was eine Öffnungsbewegung 78 des Einspritzventilgliedes 18 zur Folge hat. Bei einem sich einstellenden Druckaufbau 79 innerhalb des Steuerraumes 14 durch Beaufschlagung des Steuerraumes 14 über die Steuerraumzulaufleitung 40 (vergleiche Darstellung gemäß Fig. 2) stellt sich hingegen die mit Bezugszeichen 80 gekennzeichnete Schließbewegung des Einspritzventilgliedes 18 ein. Bezugszeichenliste 1 Injektor
2 Injektorkörper
3 Steller
4 Anschlüsse
5 Magnetspule
6 Ankeranordnung
6.1 Ankerplatte
6.2 Ankerstift
7 Magnethülse
8 Spannmutter
9 Ventil
10 Ventilglied
11 Hochdruckzulauf
12 Ringraum
13 Zulaufsteuerung
14 Steuerraum
15 Druckstange
16 Schließfeder
17 Druckstücke
18 Einspritzventilglied
19 Scheibe
20 Stift
21 Düsenspannmutter
22 Düsenraum
23 Zulauf
24 Einspritzöffnung
25 Einspritzventilglied
30 Hochdruckpumpenzulauf
31 3/2-Steuer-Ventil
32 Steuerventilglied
33 erster Ventilabschnitt
34 erster hydraulischer Raum
35 Sitzfläche
36 zweiter Ventilabschntit
37 Steuerkante
38 gehäuseseitige Steuerkante
39 zweiter hydraulischer Raum
40 Steuerraumzulaufleitung
41 Zulauf erster hydraulischer Raum
42 dritter hydraulischer Raum (Niederdruckseite)
43 Kolbenabschnitt
44 Stirnfläche
45 Scheibe
46 federnder Anschlag
47 Bund
48 erstes Federelement
49 zweites Federelement
50 Steuerraum
51 Aufnahmestück
52 Entlastungsleitung
53 Schaltstellung 1
54 Schaltstellung 2
55 Schaltstellung 3
60 Pumpendruckverlauf
61 Pumpenspitzendruck
62 Druckanstiegsflanke
63 Hubverlauf Steuerventilglied
64 erstes Hubniveau
65 zweites Hubniveau
66 Magnetkraftverlauf
67 erstes Magnetkraftniveau (50 Newton)
68 zweites Magnetkraftniveau (85 Newton)
69 Hubweganschlagplatte
70 Einspritzratenverlauf
71 linearer Anstieg Einspritzrate
72 Hubweg Einspritzventil
73 Düsendruck
74 Maximaldruck
75 Anstiegsphase
76 Verlauf Steuerraumdruck
77 Druckabfall Steuerraum
78 Öffnungsbewegung Einspritzventilglied 18
79 Druckanstieg Steuerraum 14
80 Schließbewegung Einspritzventilglied 18

Claims

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffpumpe für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine, die einen in einer Hubbewegung angetretenen Pumpenkolben enthält, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzt, dem Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter zugeführt wird und mit einem Kraftstoffeinspritzventil (25), welches einen mit der Kraftstoffpumpe (13) verbundenen Druckraum (22) und ein Einspritzventilglied (18) aufweist, durch das zumindest eine Einspritzöffnung (24) gesteuert wird und das durch den im Druckraum (22) herrschenden Druck entgegen einer Schließkraft in Öffnungsrichtung zur Freigabe der mindestens einen Einspritzöffnung (24) bewegbar ist und das Einspritzventilglied (18) zumindest mittelbar von einem in einen Steuerraum (14) anstehenden Druck in Schließrichtung beaufschlagt ist, welcher über ein mittels eines Stellers (3) betätigbares Steuerventil (31) druckentlastbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (31) ein Steuerventilglied (32) mit einem ersten Ventilabschnitt (33) und einem zweiten Ventilabschnitt (36) umfasst, die jeweils von hydraulischen Räumen (34, 39) umschlossen sind, von denen der erste hydraulische Raum (34) mit dem Hochdruckzulauf (30) verbunden ist und über den zweiten hydraulischen Raum (39) der Steuerraum (14) druckbeaufschlagbar ist.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilabschnitt (33) und der zweite Ventilabschnitt (36) in Öffnungsrichtung des Einspritzventilglieds (18) hintereinander geschaltet sind.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilglied (32) einen Kolbenabschnitt (43) aufweist, dessen dem Steller (3) abgewandte Stirnfläche (44) durch Federelemente (48, 49) beaufschlagt ist.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (48, 49) parallel geschaltet sind.

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (48) auf den Kolbenabschnitt (43) des Steuerventilgliedes (32) einwirkt und das zweite Federelement (49) von einem innerhalb eines Hohlraumes (50) bewegbaren Anschlag (46) umgeben ist.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilglied (32) eine Tauchankeranordnung (5, 51) umfasst, die mit dem Steller (3) zusammenwirkt.

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Steuerventilglied (32) eine flach bauende Ankerplatte (6.1) aufgenommen ist, die mit einer Magnetspule (5) des Stellers (3) zusammenwirkt.

8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller (3) als Piezoaktor ausgebildet ist.

9. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilabschnitt (33) als Sitzventil ausgebildet ist, über dessen ersten hydraulischen Raum (34) ein zweiter hydraulischer Raum (39) des Steuerventilgliedes (32) druckbeaufschlagbar ist.

10. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilabschnitt (36) als Schieberventil ausgebildet ist, über dessen zweiten hydraulischen Raum (39) der Steuerraum (14) druckbeaufschlagbar oder Kraftstoff in einen niederdruckseitigen dritten hydraulischen Raum (42) absteuerbar ist.

11. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Schaltstellung (53) des Steuerventilgliedes (32) der erste Ventilabschnitt (33) und der zweite Ventilabschnitt (36) ihre Offenstellungen einnehmen und sich das Einspritzventilglied (18) in seiner Offenstellung befindet.

12. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Schaltstellung (54) des Steuerventilgliedes (32) der erste Ventilabschnitt (33) seine Offenstellung und der zweite Ventilabschnitt (36) seine Schließstellung einnehmen und ein Druckanstieg im Steuerraum (14) erfolgt.

13. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer dritten Schaltstellung (55) des Steuerventilgliedes (32) der erste Ventilabschnitt (33) seine Schließstellung und der zweite Ventilabschnitt (36) seine Schließstellung einnehmen und der Steuerraum (14) über eine Entlastungsleitung (52) druckentlastbar ist.