DE10320980A1

DE10320980A1 - Verfahren zur Mehrfachansteuerung eines Kraftstoffinjektors mit Variodüse

Info

Publication number: DE10320980A1
Application number: DE2003120980
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25
Also published as: FR2854661A1; JP2005291195A; GB2401650A; GB2401650B; GB0410169D0

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Mehrfachansteuerung eines Kraftstoffinjektors (4) sowie auf einen Kraftstoffinjektor (4). Der Kraftstoffinjektor (4) weist ein mehrteiliges Einspritzventilglied (6) mit einem ersten Nadelteil (7) und einem zweiten Nadelteil (8) auf, mit denen jeweils eine Anzahl von Einspritzöffnungen (15, 16) am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors (4) freigebbar oder verschließbar sind. Die Ansteuerung des Kraftstoffinjektors (4) erfolgt über ein Schaltventil (32), das durch einen Aktor (60) betätigbar ist. Die beiden Nadelteile (7, 8) werden über ein den Nadelteilen (7, 8) gemeinsames Schaltventil (32) derart angesteuert, dass eine erste Ansteuerdauer (71) des Schaltventils (32) zur Öffnung des ersten Nadelteiles (7) um eine, ein teilweises Schließen des ersten Nadelteiles (7) ermöglichende Zeitspanne (80) unterbrochen wird, die dem Aufbau einer das zweiten Nadelteil (8) öffnenden Kraft ermöglicht und an die sich eine zweite Ansteuerdauer (73) des Schaltventiles (32) zur Öffnung der Nadelteile (7, 8) anschließt.

Description

Technisches Gebiet
Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen können sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsysteme kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düseeinheiten auch Speichereinspritzsysteme (Common Rail) zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme zum Beispiel ermöglichen in vorteilhafter Weise, den Einspritzdruckeinlass und die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen und zur Reduktion der Emissionen ist generell ein möglichst hoher Einspritzdruck erforderlich.
Stand der Technik
DE 102 29 417.8 bezieht sich auf ein Speichereinspritzsystem mit Variodüse und Druckübersetzungseinrichtung. Über eine Kraftstoffhochdruckquelle wird ein Kraftstoffinjektor mit Kraftstoff versorgt. Zwischen einem Einspritzventil und der Kraftstoffhochdruckquelle ist gemäß dieser Lösung ein Druckverstärker angeordnet. Der Druckverstärker umfasst einen Übersetzerkolben, welcher einen an die Kraftstoffhochdruckquelle anschließbaren Druckraum von einem einen Düsenraum des Kraftstoffinjektors beaufschlagenden Hochdruckraum trennt. Das Einspritzventil des Kraftstoffinjektors enthält eine Düsennadel, mit welcher einem Brennraum zuweisende Einspritzöffnungen freigebbar oder verschließbar sind. Die Düsennadel ist als koaxiales Einspritzventilglied, einem ersten Düsennadelteil und einem weiteren, zweiten Düsennadelteil umfassend aufgebaut. Die zweiteilig aufgebaute Düsennadel wird druckabhängig angesteuert und verschließt verschiedene Einspritzquerschnitte, die am brennraumseitigen Ende des mehrteiligen Einspritzventilgliedes angeordnet sind, beziehungsweise gibt diese Einspritzquerschnitte frei. Der Einsatz einer mehrteilig, als koaxial Variodüse ausgebildeten Einspritzventilgliedes zeichnet sich durch eine gute Hochdruckfestigkeit aus. Um eine flexible Steuerung der beiden Nadeln des mehrtei lig ausgebildeten Einspritzventilgliedes voneinander zu erreichen, können zwei Steuerräume ausgebildet werden, die durch jeweils einen Aktor unabhängig voneinander gesteuert werden können. Dies ist jedoch mit dem Nachteil sehr aufwendiger Konstruktionen und hoher Fertigungskosten verbunden. Abhilfe kann durch einen 3-stufig ansteuerbaren Aktor erreicht werden, wobei in einer ersten Schaltstufe des in drei Schaltstufen ansteuerbaren Aktors die erste Nadel des mehrteiligen Einspritzventilgliedes aktiviert wird und in einer zweiten, weiteren Schaltstufe die zweite Nadel des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes aktiviert wird. Ein 3-stufig schaltbarer Aktor ist jedoch ebenfalls sehr aufwendig und in der Serienfertigung hinsichtlich der einzuhaltenden Toleranzen schwierig beherrschbar.
Darstellung der Erfindung
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Steuerungsprinzip erlaubt die Umgehung der oben genannten Nachteile, indem beide Nadelteile eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes gemeinsam über ein 2-stufiges Ventil angesteuert werden. Dabei kann das zweistufige Ventil als 2/2- beziehungsweise als 3/2-Mehrwegeventil ausgebildet sein. Um die beiden Nadelteile des mehrteiligen Einspritzventilgliedes unabhängig voneinander ansteuern zu können, wird das 2-stufige Ventil mehrfach angesteuert.
Bei der ersten Ansteuerung des 2-stufigen Ventils öffnet das erste Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes, während das zweite Nadelteil geschlossen bleibt. Wird bei geöffnet stehendem ersten Nadelteil das 2-stufige Ventil erneut kurz geschlossen und wieder geöffnet, so öffnet zusätzlich zum ersten Nadelteil auch das zweite Düsennadelteil. Das 2-stufige Ventil wird nur so kurz geschlossen, dass während des Schließvorganges des ersten Nadelteiles dieses nur teilweise schließt. Bleibt das 2-stufig ausgebildete Ventil längere Zeit in seiner Schließstellung, schließen beide Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes und die Einspritzung wird beendet. Stehen beide Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes in ihrer geöffneten Position, so erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff über einen großen Einspritzquerschnitt. Sowohl dem ersten Nadelteil als auch dem zweiten Nadelteil sind jeweils Einspritzöffnungen zugeordnet, die nur durch das erste beziehungsweise nur durch das zweite Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes verschlossen beziehungsweise geöffnet werden können. Steht am Einspritzbeginn lediglich das erste Nadelteil des mehrteiligen Einspritzventilgliedes in seiner geöffneten Stellung, so kann in vorteilhafter Weise eine Booteinspritzung realisiert werden, das heißt eine erste Einspritzphase von Kraftstoff mit kleinerer Einspritzrate. Steht während der gesamten Einspritzung nur das erste Nadelteil in seiner geöffneten Stellung, so kann in vorteilhafter Weise eine kleinere Kraftstoffmenge über einen kleinen hydraulischen Düsendurchfluss eingespritzt werden.
Der mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mehrfachansteuerverfahren betreibbare Kraftstoffinjektor ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, dass ein Leckagepfad vorgesehen ist, der während der Einspritzpause zwischen den Einspritzungen auftretende Leckageströme zwischen den Nadelteilen des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes in den niederdruckseitigen Rücklauf abführt. Dies hat zur Folge, dass eine erhöhte Kohlenwasserstoffemission durch Kraftstoffleckage zu den Einspritzöffnungen während der Einspritzpause vermieden werden kann. Die Abführung der Leckageströme in einen niederdruckseitigen Rücklauf erfolgt ohne großen Zusatzaufwand und ist einfach in die Konstruktion des Kraftstoffinjektors integrierbar.
Zeichnung
1 ist in schematischer Wiedergabe der hydraulische Aufbau eines erfindungsgemäß konfigurierten Kraftstoffinjektors zu entnehmen,
2 zeigt eine Ausführungsvariante eine erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors und
3 sind in schematischer Wiedergabe die Druck- beziehungsweise Hubverläufe des 2-stufigen Schaltventiles, des ersten Nadelteiles und des zweiten Nadelteiles des mehrteiligen Einspritzventilgliedes, sowie der sich einstellende Kraftstoffdurchschlußquerschnitt zu entnehmen, jeweils aufgetragen über die Zeit.
Ausführungsvarianten
1 zeigt in schematischer Wiedergabe den hydraulischen Aufbau eines erfindungsgemäß beschaffenen Kraftstoffinjektors.
Einem Kraftstoffinjektor 4 strömt von einem Druckspeicher 1 (Common Rail) über eine Hochdruckleitung 2 Kraftstoff zu. Über einen von der Hochdruckleitung 2 abzweigenden ersten Abzweig 2.1 wird ein erster Steuerraum 27 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Im ersten Abzweig 2.1 ist ein Zulaufdrosselelement 3 aufgenommen. Über einen mit der Hochdruckleitung 2 in Verbindung stehenden Düsenraumzulauf 2.2 wird ein Düsenraum 5 des Kraftstoffinjektors 4 ebenfalls mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Der Düsenraum 5 ist im Injektorkörper des Kraftstoffinjektors 4 derart angeordnet, dass dieser ein mehrteiliges Einspritzventil 6 umschließt. Das mehrteilige Einspritzventilglied 6 umfasst einen ersten, äußeren Nadelteil 7 sowie einen zweiten, innenliegend angeordneten Nadelteil 8.
Am ersten Nadelteil 7 ist im Bereich des Düsenraumes 5 eine Druckstufe 9 ausgebildet, die als konische Fläche ausgebildet sein kann. Vom Düsenraum 5 erstreckt sich ein Ringspalt 10 durch einen Düsenkörper 11 des Kraftstoffinjektors 4 zum Brennraum 12. Am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 4 sind im Düsenkörper 11 ein erster Nadelsitz 13 für das erste Nadelteil 7 sowie ein zweiter Nadelsitz 14 für das zweite Nadelteil 8 ausgeführt. Ferner befinden sich am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 11 des Kraftstoffinjektors 4 gemäß der Darstellung in 1 Einspritzöffnungen, die als eine erste Lochreihe 15 und als eine zweite Lochreihe 16 ausgebildet sind. Die Lochreihen 15, 16 sind konzentrisch in Bezug zueinander angeordnet, wobei die erste Lochreihe 15 durch das erste Nadelteil 7 freigeb- oder verschließbar ist und die zweite Lochreihe 16 über das innenliegende zweite Nadelteil 8 des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 6 verschließ- oder freigebbar ist.
Im zweiten Nadelteil 8 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 befindet sich eine Leckagebohrung 17, die mit einer Querbohrung 18 in Verbindung steht. Die Querbohrung 18 des zweiten Nadelteiles 8 steht mit am Außenumfang des zweiten Nadelteiles 8 ausgebildeten Umfangsschlitzen 19 in Verbindung. Durch die Leckagebohrung 17, die Querbohrung 18 sowie die Umfangsschlitze 19 am zweiten Nadelteil 8 des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 6 wird ein Leckageabführsystem gebildet, über welches während einer Einspritzpause am mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglied 6 zwischen dem ersten Nadelteil 7 und dem zweiten Nadelteil 8 auftretendes Leckagevolumen über einen zweiten Steuerraum 30, eine Überströmleitung 33 in einen ersten niederdruckseitigen Rücklauf 35 abgesteuert werden kann. Damit wird in vorteilhafter Weise ein erhöhter Ausstoß von Kohlenwasserstoffen durch Kraftstoffleckage zu den Einspritzöffnungen 15, 16 während der Einspritzpause vermieden. Das durch die Leckagebohrung 17, die Querbohrung 18 und die Umfangsschlitze 19 am zweiten Nadelteil 8 gegebene Leckagesystem kann ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand in den Kraftstoffinjektor 4 integriert werden.
Das erste Nadelteil 7 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 umfasst die nachfolgend aufgeführten hydraulischen Flächen:
Im Bereich der Druckstufe 9 ist eine hydraulisch wirksame Fläche A_1,1 ausgebildet; am brennraumseitigen Ende des ersten, äußeren Nadelteiles 7 eine weitere hydraulisch wirk same Fläche A_1,2. Die am ersten Nadelsitz 13 anliegende Stirnfläche des ersten Nadelteiles 7 stellt eine weitere hydraulische Fläche A₂ dar. Weiterhin weist das erste Nadelteil 7 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 eine als hydraulisch Fläche wirksame Stirnseite auf, die mit A₃ bezeichnet ist. Demgegenüber sind am zweiten Nadelteil 8 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 am brennraumseitigen Ende eine konische Fläche oberhalb des zweiten Nadelsitzes 14 verlaufend, ausgebildet, die mit A₄ bezeichnet ist; ferner findet sich unterhalb des zweiten Nadelsitzes 14 des zweiten Nadelteiles 8 eine weitere an der Spitze des zweiten Nadelteiles 8 ausgebildete hydraulische Fläche A₅. Die Stirnseite des zweiten, im inneren des ersten Nadelteiles 7 geführten zweiten Nadelteiles 8 weist eine hydraulisch wirksame Fläche A₆ auf.
Dem ersten Nadelteil 7 des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 6 ist ein erster Steuerraum 27 zugeordnet, welcher über den von der Hochdruckleitung 2 aus abzweigenden Abzweig 2.1 unter Zwischenschaltung einer Zulaufdrossel 3 mit Kraftstoff beaufschlagt wird. Im ersten Steuerraum 27 kann ein erstes Federelement 28 eingelassen sein, welches die Stirnseite A₃ des ersten Nadelteiles 7 in Schließrichtung beaufschlagt. Vom ersten Steuerraum 27 erstreckt sich eine Entlastungsleitung, in der eine Ablaufdrossel 29 aufgenommen ist, zu einem Schaltventil 32. Dem Schaltventil 32 ist ein erster niederdruckseitiger Rücklauf 35 nachgeschaltet, in dem ein weiteres Drosselelement 34 angeordnet sein kann. Ablaufseitig ist zwischen dem Schaltventil 32 und dem ersten niederdruckseitigen Rücklauf 35 die Mündungsstelle der Überströmleitung 33 vorgesehen, über welche aus einem zweiten Steuerraum 30 ein Leckagestrom in den ersten niederdruckseitigen Rücklauf 35 abströmt.
Das zweite, innenliegende Nadelteil 8 des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 6 ist über ein zweites Federelement 31 beaufschlagt, welches im zweiten Steuerraum 30 angeordnet ist. Das zweite Federelement 31 stützt sich gehäuseseitig ab und beaufschlagt die hydraulisch wirksame Fläche A₆ am oberen Ende des zweiten Nadelteiles 8.
Die hydraulische Funktionsweise des Kraftstoffinjektors 4 gemäß Darstellung in 1 stellt sich folgendermaßen dar:
Bei geschlossenem Schaltventil 32 wird der erste Steuerraum 27 mit dem im Druckspeicher 1 herrschenden Systemdruckniveau beaufschlagt. Der oberhalb des zweiten Nadelteiles 8 angeordnete zweite Steuerraum 30 ist über die Überströmleitung 33 und der Zwischenschaltung einer weiteren Drosselstelle 34 mit dem ersten niederdruckseitigen Rücklauf 35 verbunden. In diesem Zustand sind sowohl das erste Nadelteil 7 als auch das zweite Nadelteil 8 in ihre Schließstellungen gestellt, das heißt die als erste Lochreihe beziehungsweise zweite Lochreihe ausgebildeten Einspritzöffnungen 15, 16 am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 11 des Kraftstoffinjektors 4 sind geschlossen. Die Schließkraft, mit welcher das erste Nadelteil 7 an seiner hydraulisch wirksamen Fläche A₃ beaufschlagt ist wird durch den im ersten Steuerraum 27 herrschenden Druck erzeugt. Das zweite Nadelteil 8 ist durch die Federkraft des zweiten Federelementes 31, welches im zweiten Steuerraum 30 angeordnet ist, in seine Schließstellung gedrückt, da bei geschlossenem ersten Nadelteil 7 kein Druck an den hydraulischen Flächen A₄ und A₅ am brennraumseitigen Ende des zweiten Nadelteiles 8 ansteht.
Wird das Schaltventil 32 hingegen geöffnet, so stellt sich im ersten Steuerraum 27 ein erstes Steuerdruckniveau p_S1 ein. Das erste Steuerdruckniveau p_S1 entspricht zum Beispiel 70% des im Druckspeicher 1 herrschenden Systemdruckes. Im weiteren, zweiten Steuerraum 30 stellt sich ein tiefer gelegenes, zweites Steuerdruckniveau p_S2 ein, welches zum Beispiel etwa 40% des im Druckspeicher 1 herrschenden Systemdruckes entsprechen kann. Die hydraulischen Flächen A_1,1, A_1,2, A₂, A₃, A₄ und A₅ sowie A₆ des ersten Nadelteiles 7 und des zweiten Nadelteiles 8 sind derart ausgelegt, dass sich bei geöffnetem Schaltventil 32 der erste Nadelteil 7 öffnet, da die in Öffnungsrichtung wirkende Druckkraft, die an den hydraulisch wirksamen Flächen A_1,1, A_1,2, A₂ angreift, größer ist als die in Schließrichtung wirkende Kraft, die an der Stirnfläche A₃ des ersten Nadelteiles 7 angreift, eventuell unterstützt durch eines im ersten Steuerraum 27 angeordnetes erstes Federelement 28. Der zweite Nadelteil 8 bleibt bei geöffnetem Schaltventil 32 hingegen geschlossen, da die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft des Einspritzdruckes, die an der hydraulisch wirksamen Fläche A₄ am brennraumseitigen Ende des zweiten Nadelteiles 8 angreift, kleiner ist als die Schließrichtung wirkende Kraft, die im zweiten Steuerraum 30 an der hydraulisch wirksamen Fläche A₆ angreift.
Demnach erfolgt bei geöffnetem Schaltventil 32 eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 12 über die erste Lochreihe 15, die durch das in Öffnungsrichtung bewegte erste Nadelteil 7 des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 6 freigegeben ist. Wird das Schaltventil 32 wieder geschlossen, so ist der erste Steuerraum 27 wieder mit dem Systemdruck im Druckspeicher 1 verbunden, während sich im zweiten Steuerraum 30 ein Rücklaufdruckniveau einstellt. Das erste Nadelteil 7 schließt, während das zweite Nadelteil 8 beginnt, zu öffnen. Durch die Schließbewegung des ersten Nadelteiles 7 wird die Einspritzung jedoch beendet, woraufhin das zweite Nadelteil 8 ebenfalls unverzüglich wieder schließt. Bei sich in Schließrichtung bewegenden Nadelteil 7 werden sämtliche Einspritzöffnungen 15, 16 am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 4 geschlossen. Demnach hat gemäß des vorstehend beschriebenen Einspritzvorganges lediglich eine Einspritzung mit einem kleinen Einspritzquerschnitt, das heißt mit dem durch die erste Lochreihe 15 gegebenen Querschnitt, stattgefunden.
Ein Einspritzvorgang, bei welchem Kraftstoff über sämtliche brennraumseitigen Einspritzöffnungen 15, 16 in den Brennraum 12 erfolgt, stellt sich folgendermaßen dar:
Bei öffnendem Schaltventil 32 erfolgt eine Einspritzung über die durch das erste Nadelteil 7 freigegebene erste Lochreihe 15, wie vorstehend beschrieben. Daraufhin erfolgt eine Ansteuerung des Schaltventiles 32 so, dass dieses für eine kurze Zeitspanne geschlossen wird, so dass beim erste Nadelteil 7 die Schließbewegung beginnt. Nun beginnt der zweite Nadelteil 8 eine vertikale Hubbewegung in Öffnungsrichtung, da der an der hydraulischen Fläche A₄ des zweiten Nadelteiles 8 anstehende Druck bei entlastetem zweiten Steuerraum 30 eine Kraft in Öffnungsrichtung erzeugt. Aufgrund dessen steht der Einspritzdruck nun auch an der hydraulischen Fläche A₅, das heißt an der Spitze des zweiten Nadelteiles 8, an. Nach kurzer Zeit wird das Schaltventil 32 hingegen wieder geöffnet. Während dieser Zeitspanne ist das erste Nadelteil 8 um einen Teilhub in Öffnungsrichtung gefahren, so dass der Einspritzdruck an der Spitze des zweiten Nadelteiles 8 ansteht. Der erste Düsennadelteil 7 hat sich hingegen um einen Teilhub in Schließrichtung bewegt, ist jedoch noch nicht geschlossen.
Während der kurzen Schließzeitspanne ist das erste Düsennadelteil 7 nur teilweise in Richtung Schließstellung gefahren und öffnet nunmehr wieder vollständig. Das zweite Nadelteil 8 öffnet ebenfalls vollständig, da die Druckkraft des Einspritzdruckes auf die hydraulischen Flächen A₄ und A₅ am brennraumseitigen Ende des zweiten Nadelteiles 8 größer ist als die Druckkraft, welche innerhalb des zweiten Steuerraumes 32 auf die hydraulische Fläche A₆ wirkt.
Nunmehr erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff über die beiden Lochreihen 15 und 16, da beide Nadelteile 7, 8 des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 6 in ihre Öffnungsposition gestellt sind. Wird das Schaltventil 32 wieder geschlossen, schließt das erste Nadelteil 7 aufgrund des im ersten Steuerraum 27 anliegenden Systemdruckes. Nach Schließen des ersten Nadelteiles 7 strömt kein Kraftstoff mehr zum zweiten Nadelteil 8 und die Einspritzung über die erste Lochreihe 15 sowie die zweite Lochreihe 16, das heißt einen großen Einspritzquerschnitt, wird beendet. Das Schließen des zweiten Nadelteiles 8 erfolgt über das im zweiten Steuerraum 30 angeordnete zweite Federelement 31.
2 ist eine konstruktive Ausführungsform eines Kraftstoffinjektors, mit einem mehrfach ansteuerbaren 2/2-Piezo-Schaltventil zu entnehmen.
Im Injektorkörper des Kraftstoffinjektors 4 sind ein erster Schließkolben 40 sowie ein zweiter Schließkolben 44 aufgenommen. Der erste Schließkolben 40 umfasst einen Ring 41, an dem sich eine erste Schließkolbenfeder 42 abstützt. Der erste Schließkolben 40 umfasst des weiteren eine Überströmöffnung 43, über welche ein innerhalb des ersten Schließkolbens 40 ausgebildeter Hohlraum, in welchem eine zweite Kolbenfeder 40 aufgenommen ist, mit dem das erste Federelement 28 aufnehmenden, den ersten Schließkolben 40 umgebenden Hohlraum in Verbindung steht. Von diesem zweigt ein zweiter niederdruckseitiger Rücklauf 48 ab.
Die im Hohlraum des ersten Schließkolbens 40 aufgenommene zweite Kolbenfeder 45 beaufschlagt eine Stirnfläche 47 des zweiten Nadelteiles 8. Eine Stirnfläche 46 des ersten Nadelteiles 7 wird unmittelbar durch eine Ringfläche des ersten Schließkolbens 40 beaufschlagt.
Vom ersten Steuerraum 27 aus verläuft eine eine Ablaufdrossel 29 enthaltende Leitung, die in eine Ventilkammer 49 des Schaltventiles 32 mündet. Vom zweiten Steuerraum 30 aus erstreckt sich die Überströmleitung 33, die vor der weiteren Drosselstelle 34 in den ersten niederdruckseitigen Rücklauf 35 mündet.
In der Ventilkammer 49 des Schaltventiles 32 ist ein erster Ventilkolben 50 aufgenommen, dessen Stirnfläche 57 von einer Ventilfeder 52 beaufschlagt ist. Die Ventilfeder 52 umschließt einen domförmig ausgebildeten Anschlag 53. Der Abstand h_max, vergleiche Bezugszeichen 51, zwischen der Stirnseite 57 des ersten Ventilkolbens 50 und dem Anschlag 53, definiert den maximalen Hubweg des ersten Ventilkolbens 50, wenn dieser in einen Ventilsitz 54 gestellt ist. Der in der Darstellung gemäß 2 halbkugelförmig ausgebildete erste Ventilkolben 50 wird seinerseits durch einen Schaft 63 eines zweiten Ventilkolbens 55 beaufschlagt. Der Schaft 63 ist von einer Kammer 56 umschlossen, von der aus der erste niederdruckseitige Rücklauf 35 abzweigt. Der zweite Ventilkolben 55 weist eine Stirnfläche 64 auf, die in einen hydraulischen Kopplungsraum 58 hineinragt. Der hydraulische Kopplungsraum 58 wird darüber hinaus über eine Stirnfläche 62 eines Verdrängerkolbens 59 beaufschlagt. Der Verdrängerkolben 59 wird über einen Aktor 60 betätigt, der in der Darstellung gemäß 2 als ein Piezo-Aktor, einen Piezo-Kristall-Stapel 61 enthaltend, ausgebildet ist.
Der in 2 dargestellte Aktor 60 ist derart ausgebildet, dass nach dem Ventilsitz 54 im Ventilablauf, das heißt im ersten niederdruckseitigen Rücklauf 35 eine weitere Drosselstelle 34, angeordnet ist. Mittels des ersten Schließkolbens 40 wird die Druckkraft vom ersten Steuerraum 27 auf die Stirnfläche des ersten Nadelteiles 7 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 übertragen. Im Ventilkörper des Kraftstoffinjektors 4 ist darüber hinaus der zweite Steuerraum 30 ausgebildet. Die vom zweiten Schließkolben 44 erzeugte Druckkraft wird auf das zweite Nadelteil 8 des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 6 übertragen. Zur Unterstützung der Schließbewegung des ersten Nadelteiles 7 und des zweiten Nadelteiles 8 können das zweite Federelement 28 sowie die zweite Kolbenfeder 45 herangezogen werden.
Im Ruhezustand des Schaltventiles 32 ist der Ventilsitz 54 geschlossen und die Strömungsverbindung vom ersten Steuerraum 27 zum ersten niederdruckseitigen Rücklauf 35 durch das in den Ventilsitz 54 gestellte erste Ventilkolbenelement 50 unterbrochen. Der im Druckspeicher 1 herrschende Systemdruck steht im ersten Steuerraum 27 an, während der zweite Steuerraum 30 über die Überströmleitung 33 mit dem ersten niederdruckseitigen Rücklauf 35 in Verbindung steht; die beiden Nadelteile 7, 8 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 sind geschlossen.
Wird der als Piezo-Aktor ausgebildete Aktor 60 angesteuert, erfolgt über den Verdrängerkolben 59, der im hydraulischen Kopplungsraum 58 den zweiten Ventilkolben 55 beaufschlagt, eine Auslenkung des ersten Ventilkolbens 50 in Richtung auf den in der Ventilkammer 49 ausgebildeten Anschlag 53. Der zuvor verschlossene Ventilsitz 54 wird bei Ausführung des Maximalhubes h_max, vergleiche Bezugszeichen 51, freigegeben. Damit wird eine Strömungsverbindung vom ersten Steuerraum 27 über die Ablaufdrossel 29, die Ventilkammer 49 und die Kammer 56 in den ersten niederdruckseitigen Rücklauf 35 freigegeben. Daraufhin stellt sich im ersten Steuerraum 27 das erste Druckniveau p_S1 ein, während sich im zweiten Steuerraum 30 das bereits erwähnte, niedriger liegende, zweite Steuerdruckniveau p_S2 einstellt. Daraufhin öffnet der erste Nadelteil 7, während der zweite Nadelteil 8 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 6 geschlossen bleibt. Es erfolgt – wie oben bereits geschildert – eine Einspritzung nur über die von dem ersten Nadelteil 7 freigegebenen Einspritzöffnungen 15, das heißt die erste Lochreihe 15.
Der in der Darstellung gemäß 2 halbkugelförmig ausgebildete erste Ventilkolben 50 kann in vielfältiger Weise ausgeführt sein. Anstelle eines in 2 dargestellten kugelförmig ausgebildeten ersten Ventilkolbens 50 kann das Ventilglied 50 auch als Schiebeventil, Flachsitzventil oder als Kegelsitzventil oder einer beliebigen Kombination aus diesen Ventilbauarten ausgebildet sein. Zur Unterstützung der Schließbewegung des Schaltventiles 32 und zur definierten Stellung im drucklosen Zustand des Einspritzsystems, kann in der Ventilkammer 50 die in 2 dargestellte Ventilfeder 52 angeordnet werden. Dem als Piezo-Aktor ausgebildeten Aktor 60 ist ein Kraft/Hub-Übersetzer in Gestalt des hydraulischen Kopplungsraumes 58 zugeordnet. Die einem Piezo-Aktor innewohnende geringe Auslenkung, kann durch eine entsprechende Dimensionierung de Stirnfläche 62 des Verdrängerkolbens 59 sowie der Stirnfläche 64 des zweiten Ventilkolbens 55 verstärkt werden. Für den hydraulischen Kopplungsraum 58 zwischen dem Aktor 60 und dem ersten Ventilkolben 50 kann eine geeignete Befüllungsmöglichkeit dadurch vorgesehen sein, dass die Befüllung durch die Führungsleckage der Kolben 50, 55 erfolgt. Anstelle des in 2 dargestellten als Piezo-Aktor ausgebildeten Aktor 60 können auch Magnetventile zur Ansteuerung des Schaltventiles 32 eingesetzt werden, ebenso wie servohydraulische Ventile.
3 sind in schematischer Darstellung die Druck- und Hubverläufe des Schaltventiles, des ersten Nadelteiles sowie des zweiten Nadelteiles des mehrteiligen Einspritzventilgliedes und schließlich die sich am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors einstellenden Durchschlußquerschnitte zu entnehmen.
Zu einem Zeitpunkt 70, welcher den Ansteuerzeitpunkt des ersten Nadelteiles 7 darstellt, wird das Schaltventil 32 durch Bestromung des Aktors 60 um seinen maximalen Hubweg h_max ausgelenkt. Die Ansteuerung des ersten Schaltventiles 32 während einer Boot-Phase 81 eines Einspritzvorganges erfolgt während einer ersten Ansteuerdauer 71. Unmittelbar nach dem Ansteuerzeitpunkt 1 beginnt das erste Nadelteil 7 entsprechend der Anstiegsrampe 78 zu öffnen. Während der ersten Ansteuerdauer 71 ist ein erster Durchflussquerschnitt A₁, vergleiche Bezugszeichen 76, welcher durch die Durchschlußquerschnitte der einzelnen Bohrungen der ersten Lochreihe 15 gegeben ist, freigegeben, so dass eine entsprechende, die erste Lochreihe 15 passierende Kraftstoffmenge in den Brennraum 12 der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird. Nach Ablauf der Ansteuerdauer 71 erfolgt zu einem Zeitpunkt 74 das Ansteuerende des Schaltventiles 32. Zu diesem Zeitpunkt wird die Bestromung des Aktors 60 unterbrochen. Für eine sich an das Ansteuerende 74 andauernde Schließzeitspanne 80 wird die Bestromung des Aktors 60 aufgehoben, so dass das erste Nadelteil 7 den Schließvorgang beginnt. Gleichzeitig mit dem Schließvorgang des ersten Nadelteiles 7 öffnet das zweite Nadelteil 8 entsprechend der Anstiegsrampe 79 des zweiten Nadelteiles 8. Das zweite Nadelteil 8 öffnet, da der Druck im zweiten Steuerraum 30 abfällt, jedoch weiterhin der Einspritzdruck an der hydraulischen Fläche A₄ ansteht. Die auf die hydraulisch wirksame Fläche A₄ in Öffnungsrichtung wirkende Kraft, ist größer als die in Schließrichtung auf die hydraulische Fläche A₄ wirkende Schließkraft.
Zu einem zweiten Ansteuerzeitpunkt 72, nach Verstreichen der Schließzeit 80, erfolgt eine erneute Ansteuerung des Schaltventiles 32 durch entsprechende Bestromung des Aktors 60. Dadurch wird die teilweise erfolgte Schließbewegung des ersten Nadelteiles 7 unterbrochen Das erste Nadelteil 7 öffnet in Öffnungsrichtung und das zweite Nadelteil 8 öffnet weiter. Der gesamte Durchflussquerschnitt in Gestalt beider Lochreihen 15, 16 am brenn raumseitigen Ende des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 6, das heißt beide Lochreihen 15, 16, steht zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung. Damit wird während der Boot-Phase 81 des Einspritzvorganges eine geringere Kraftstoffmenge entsprechend des durch den ersten Nadelteil 7 freigegebenen ersten Lochreihe 15 in den Brennraum 12 eingespritzt, während ab dem zweiten Ansteuerzeitpunkt 72 über beide Lochreihen 15, 16 am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 4 Kraftstoff während der Haupteinspritzphase 82 in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.
Zu einem Zeitpunkt 75 wird das Schaltventil 32 durch den Aktor 60 erneut betätigt und von seinem Maximalhubweg h_max, vergleiche Bezugszeichen 51 in 2, in seinen Ventilsitz 54, eventuell unter Unterstützung einer Ventilfeder 52, zurückgestellt. Daraufhin schließt zunächst der erste Nadelteil 7 des mehrteiligen Einspritzventilgliedes 6 und nach einer weiteren Zeitspanne das zweite Nadelteil 8 und die Einspritzung ist beendet.

1: Druckspeicher
2: Hochdruckleitung
2.1: erster Abzweig
2.2: Düsenraumzulauf
3: Zulaufdrossel
4: Kraftstoffinjektor
5: Düsenraum
6: mehrteiliges Einspritzventilglied
7: erstes Nadelteil
8: zweites Nadelteil
9: Druckstufe
10: Ringspalt
11: Düsenkörper
12: Brennraum
13: Nadelsitz erstes Nadelteil 7
14: Nadelsitz zweites Nadelteil 8
15: erste Lochreihe
16: zweite Lochreihe
17: Leckagebohrung
18: Querbohrung
19: Umfangsschlitz
A_1,1: hydraulisch wirksame Fläche Druckstufe
A_1,2: hydraulisch wirksame Fläche Stirnseite erstes Düsennadelteil 7
A₂: hydraulisch wirksame Fläche Stirnseite erstes Nadelteil 7
A₃: hydraulisch wirksame Ringfläche erstes Nadelteil 7
A₄: hydraulisch wirksame Fläche konischer Bereich zweites Nadelteil 8
A₅: hydraulisch wirksame Fläche Nadelspitze zweites Nadelteil 8
A₆: hydraulisch wirksame Fläche Stirnseite zweites Nadelteil 8
27: erster Steuerraum
28: erstes Federelement
29: Ablaufdrossel
30: zweiter Steuerraum
31: zweites Federelement
32: Schaltventil
33: Überströmleitung
34: weitere Ablaufdrossel
35: erster niederdruckseitiger Rücklauf
40: erster Schließkolben
41: Schließkolbenring
42: erste Kolbenfeder
43: Überströmöffnung
44: zweiter Schließkolben
45: zweite Kolbenfeder
46: Stirnfläche erstes Nadelteil 7
47: Stirnfläche zweites Nadelteil 8
48: zweiter niederdruckseitiger Rücklauf
49: Ventilkammer Schaltventil 32
50: erster Ventilkolben
51: Maximalhub h_max
52: Ventilfeder
53: Anschlag
54: Ventilsitz
55: zweiter Ventilkolben
56: Kammer
57: Stirnfläche erster Ventilkolben 50
58: hydraulischer Kopplungsraum
59: Verdrängerkolben
60: Aktor
61: Piezo-Kristall-Stapel
62: Stirnfläche Verdrängerkolben 59
63: Kolbenschaft
64: Ventilkolben
65: Stirnfläche zweiter Ventilkolben 55
70: Erster Ansteuerzeitpunkt
71: Erste Ansteuerdauer
72: Zweiter Ansteuerzeitpunkt
73: Zweite Ansteuerdauer
74: Erstes Ansteuerende
75: Zweites Ansteuerende
76: erster Durchschlußquerschnitt (erste Lochreihe 15)
77: zweiter Durchflussquerschnitt (erste und zweite Lochreihe 15, 16)
78: Anstiegsrampe Öffnung erstes Nadelteil 7
79: Anstiegsrampe zweites Nadelteil 8
80: Ansteuerunterbrechung Schaltventil 32
81: Boot-Phase
82: Haupteinspritzphase

Claims

Verfahren zur Mehrfachansteuerung eines Kraftstoffinjektors (4), welcher ein mehrteiliges Einspritzventilglied (6) mit einem ersten Nadelteil (7) und einem zweiten Nadelteil (8) umfasst, über die jeweils eine Anzahl von Einspritzöffnungen (15, 16) am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors (4) freigebbar oder verschließbar sind und die Ansteuerung des Kraftstoffinjektors (4) über ein Schaltventil (32) erfolgt, welches durch einen Aktor (60) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelteile (7, 8) über ein beiden Nadelteilen (7, 8) gemeinsames 2-stufiges Schaltventil (32) derart ansteuerbar sind, dass eine erste Ansteuerdauer (71) des Schaltventiles (32) zur Öffnung des ersten Nadelteiles (7) um eine ein teilweises Schließen des ersten Nadelteiles (7) ermöglichende Zeitspanne (80) unterbrochen wird, die den Aufbau einer am zweiten Nadelteil (8) in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft ermöglicht und der bei Mehrfacheinspritzung eine zweite Ansteuerdauer (72) des Schaltventiles (32) zur Öffnung beider Nadelteile (7, 8) folgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der ersten Ansteuerdauer (71) des Schaltventiles (32) das erste Nadelteil (7) öffnet und das zweite Nadelteil (8) in seiner Schließstellung verbleibt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Unterbrechung der Ansteuerung des Schaltventiles (32) um eine Zeitspanne, welche die ein teilweises Schließen des ersten Nadelteiles (7) ermöglichende Zeitspanne (80) übersteigt, beide Nadelteile (7, 8) geschlossen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ansteuerung des Schaltventiles (32) in der ersten Ansteuerdauer (71) in einem ersten Steuerraum (27) des Kraftstoffinjektors (4) ein erstes Druckniveau (p_S1) und in einem zweiten Steuerraum (30) des Kraftstoffinjektors (4) ein zweites, im Vergleich zum ersten Druckniveau, niedrigeres Druckniveau (p_S2) erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine an hydraulisch wirksamen Flächen A_1,1, A_1,2 des ersten Nadelteiles (7) wirkende Öffnungskraft, eine auf das erste Nadelteil (7) wirkende Schließkraft, die durch das erste Druckniveau p_S1 am ersten Steuerraum (27) erzeugt wird, übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine an einer hydraulisch wirksamen Fläche A₄ des zweiten Nadelteiles (8) wirkende Öffnungskraft kleiner ist als die durch das zweite Druckniveau (p_S2) im zweiten Steuerraum (30) erzeugte, an einer hydraulischen Fläche A₆ des zweiten Nadelteiles (8) angreifende Schließkraft.
Verfahren gemäß der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (12) einer Verbrennungskraftmaschine über einen ersten Einspritzquerschnitt A₁ (15) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zeitspanne (80) der Unterbrechung der Ansteuerung des Schaltventiles (32) während des teilweisen Schließens des ersten Nadelteiles (7) aus seiner Öffnungsstellung, eine mindestens teilweise Öffnungsbewegung des zweiten Nadelteiles (8) bei druckentlasteten zweiten Steuerraum (30) erfolgt und eine an einer hydraulisch wirksamen Fläche A₅ des zweiten Nadelteiles (8) wirksame Öffnungskraft aufgebaut wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der Zeitspanne (80) der Unterbrechung der Ansteuerung des Schaltventiles (32) das erste Nadelteil (7) öffnet und eine an hydraulisch wirksamen Flächen A₄ und A₅ des zweiten Nadelteiles (8) wirksame Öffnungskraft, eine im zweiten Steuerraum (30) über eine hydraulisch wirksame Fläche A₆ auf das zweite Nadelteil (8) wirkende Schließkraft übersteigt.
Verfahren gemäß der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (12) einer Verbrennungskraftmaschine über einen ersten Einspritzquerschnitt A₁ (15) und einem zweiten Einspritzquerschnitt A₂ (16) erfolgt.
Kraftstoffinjektor (4) zur Einspritzung von Kraftstoff in einem Brennraum (12) einer Verbrennungskraftmaschine, der ein mehrteiliges Einspritzventilglied (6) mit einem ersten Nadelteil (7) und einem zweiten Nadelteil (8) aufweist, über welche jeweils eine Anzahl von Einspritzöffnungen (15, 16) am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors (4) freigebbar oder verschließbar sind und die Ansteuerung des Kraftstoffinjektors (4) über ein 2-stufiges Schaltventil (32) erfolgt, welches mit einem Aktor (60) betätigbar ist und im Kraftstoffinjektor (4) ein das erste Nadelteil (7) beaufschlagender erster Steuerraum (27) sowie ein das zweite Nadelteil (8) beaufschlagender zweiter Steuerraum (30) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das 2-stufige Schaltventil (32) einen Ventilkolben (50) umfasst, über welchen ein Ventilsitz (54) zu einem niederdruckseitigen Rücklauf (35) freigebbar oder verschließbar ist und die Verbindung vom Ventilsitz (54) zum Rücklauf (35) einer Drosselstelle (34) enthält und ein zweiter Steuerraum (32) zwischen dem Ventilsitz (54) und der Drosselstelle (34) angebunden ist.
Kraftstoffinjektor (4) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Druckkraft im ersten Steuerraum (27) auf das erste Nadelteil (7) übertragende erste Schließkolben (40) und ein weiterer, im zweiten Steuerraum (30) angeordneter zweiter Schließkolben (44) vorgesehen sind, die koaxial zueinander angeordnet sind und das 2-stufige Schaltventil (32) einen ersten Ventilkolben (50) umfasst, über welchen der Ventilsitz (50) zu dem niederdruckseitigen Rücklauf (35) freigebbar oder verschließbar ist.
Kraftstoffinjektor (4) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (60) als Piezo-Kristall-Anordnung (61) ausgeführt ist.
Kraftstoffinjektor (4) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aktor (60) eine hydraulische Übersetzungseinrichtung (58) nachgeordnet ist, über welche die Auslenkung des Piezo-Kristall-Stapels (61) unter Zwischenschaltung eines Verdrängerkolbens (59) an einen zweiten, den ersten Ventilkolben (50) beaufschlagenden Ventilkolben (54) übertragbar ist.
Kraftstoffinjektor (4) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Nadelteil (8) des mehrteiligen Einspritzventilgliedes (6) ein Leckagekanalsystem (17, 18, 19) umfasst, über welches ein während der Einspritzpause zwischen den Nadelteilen (7, 8) auftretender Leckagestrom in den zweiten Steuerraum (30) und über eine Überströmleitung (33) in den niederdruckseitigen Rücklauf (35) abführbar ist.
Kraftstoffinjektor (4) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befüllung der Kraft/Hub-Übersetzungseinrichtung (58) durch die am zweiten Ventilkolben (55) auftretende Führungsleckage erfolgt.