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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft zunächst
eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine, mit mindestens zwei Ventilelementen, welche
jeweils eine in Schließrichtung
wirkende hydraulische Steuerfläche
aufweisen, denen ein hydraulischer Steuerraum zugeordnet ist, mit
einem Steuerventil, welches den Druck in dem Steuerraum beeinflusst, und
mit Beaufschlagungseinrichtungen, welche in Öffnungsrichtung der Ventilelemente
wirken können, wobei
die im Steuerraum herrschenden hydraulischen Öffnungsdrücke der Ventilelemente unterschiedlich
sind.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.
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Eine
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus
der
DE 101 22 241
A1 bekannt. Diese zeigt eine Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit zwei
koaxial angeordneten Ventilelementen. Beide Ventilelemente sind
hubgesteuert, das heißt,
sie öffnen,
wenn der Druck eines Hydraulikfluids in einem Steuerraum abgesenkt
wird. Die in Öffnungsrichtung
wirkende Kraft der Ventilelemente wird durch einen an einer entsprechenden
Druckfläche
angreifenden Einspritzdruck bereitgestellt. Dabei öffnet das äußere Ventilelement
zuerst und dann das innere Ventilelement. Soll nur das äußere Ventilelement
geöffnet
werden, muss die Druckabsenkung im Steuerraum rechtzeitig beendet
und der Druck wieder erhöht
werden.
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Die
Gründe
für die
Realisierung von Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
mit mehreren Ventilelementen sind folgende:
Insbesondere bei
Dieselbrennkraftmaschinen ist zur Senkung der Emissionen und zur
Steigerung des Wirkungsgrads erforderlich, den Kraftstoff möglichst fein
zerstäubt
in die entsprechenden Brennräume
der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Dies kann dadurch erreicht
werden, dass der Einspritzdruck, mit dem der Kraftstoff in die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
gelangt, hoch ist.
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Durch
die Verwendung von mehreren Ventilelementen, welche jeweils eine
gewisse Anzahl von Kraftstoff-Austrittsöffnungen
freigeben, kann auch dann, wenn nur eine kleine Kraftstoffmenge
eingespritzt werden soll, eine ausreichend lange Einspritzdauer
bei guter Zerstäubungsqualität erzielt
werden, ohne gleichzeitig in jenem Fall, in dem eine große Kraftstoffmenge
eingespritzt werden soll, eine übermäßig lange
Einspritzdauer und/oder einen übermäßig hohen
Einspritzdruck in Kauf nehmen zu müssen.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie möglichst einfach
angesteuert werden kann und dennoch zuverlässig arbeitet. Gleichzeitig
soll bei ihrem Einsatz an der entsprechenden Brennkraftmaschine
ein gutes Emissions- und Verbrauchsverhalten erzielt werden können. Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es auch, ein Verfahren der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, dass auch dann, wenn nur ein Ventilelement
betätigt
werden soll, dies erforderlichenfalls möglichst schnell geschieht.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
dass durch das Steuerventil im Steuerraum mindestens drei unterschiedliche Druckniveaus
eingestellt werden können,
wobei bei einem vergleichsweise hohen Druckniveau alle Ventilelemente
geschlossen, bei einem mittleren Druckniveau ein Ventilelement geöffnet, und
bei einem vergleichsweise niedrigen Druckniveau alle Ventilelemente
geöffnet
sind.
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Bei
einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die zweitgenannte
Aufgabe dadurch gelöst,
dass bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der obigen Art zum Öffnen nur
eines Ventilelements zunächst
der Steuerraum mit einem Niederdruckanschluss und dann gleichzeitig
mit dem Niederdruckanschluss und einem Hochdruckanschluss verbunden
wird.
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Vorteile der Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
kann ein zusätzliches
mittleres Druckniveau im Steuerraum eingestellt werden, bei dem
das eine Ventilelement bereits geöffnet ist, bei dem das andere
Ventilelement aber geschlossen bleibt. Auf diese Weise können auch
längere
Einspitzdauern mit nur einem geöffneten
Ventilelement realisiert werden, was besonders im Teillastbetrieb zu
einem günstigen
Emissions- und Verbrauchsverhalten einer Brennkraftmaschine führt, in
die die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
eingebaut ist. Gleichzeitig baut die Vorrichtung einfach, da keine
getrennten Ansteuerungen für
die Ventilelemente mit voneinander getrennten Steuerräumen erforderlich
ist. Gegebenenfalls kann die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auch
nur einen einzigen Steuerraum umfassen.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahrens liegt darin, dass zunächst durch
die Verbindung des Steuerraums nur mit dem Niederdruckanschluss
der Druck im Steuerraum sehr schnell abgesenkt wird, durch die anschließende zusätzliche
Verbindung des Steuerraums mit dem Hochdruckanschluss diese Druckabsenkung
jedoch begrenzt wird, nämlich
auf das Niveau eines entsprechenden Zwischendrucks. Der zweite Verfahrensschritt
erfolgt vorteilhafterweise, bevor das Ventilelement eine geöffnete Endstellung
erreicht hat.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird
vorgeschlagen, dass der Steuerraum über eine Zulaufdrossel mit
einem Hochdruckanschluss verbunden ist, dass das Steuerventil einerseits
mit dem Steuerraum und andererseits mit einem Niederdruckanschluss
verbunden ist. Bei einer derartigen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
kann mit nur zwei Druckanschlüssen,
nämlich
einem Hochdruckanschluss und einem Niederdruckanschluss, und einem
einfachen Steuerventil die Kraftstoffeinspritzung komplett gesteuert
werden. Diese Ausgestaltung ist daher preiswert und arbeitet im
Betrieb zuverlässig.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Steuerventil eine
Schaltkammer mit einem Schaltelement aufweist, welches in einer
ersten Schaltstellung an einem zum Niederdruckanschluss führenden
ersten Ventilsitz anliegt, in einer zweiten Schaltstellung an einem
zu einem Bypasskanal führenden
zweiten Ventilsitz anliegt, wobei der Bypasskanal mit dem Hochdruckanschluss
verbunden ist, und in einer dritten Schaltstellung weder am ersten Ventilsitz
noch am zweiten Ventilsitz anliegt. Ein solches Steuerventil baut
einfach und ist daher preiswert.
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Durch
den Bypasskanal kann in der Schaltkammer ein hoher, ein mittlerer,
oder ein niedriger Fluiddruck eingestellt werden. Entsprechend ergeben
sich die jeweiligen Enddrücke
im Steuerraum, und entsprechend ergeben sich auch die Geschwindigkeiten,
mit denen der Druck im Steuerraum abfällt. Darüber hinaus kann durch die Verbindung
der Schaltkammer mit dem Hochdruckanschluss am Ende einer Einspritzung
der Steuerraum auch über die
Schaltkammer mit dem Hochdruckanschluss verbunden werden, so dass
der Druck im Steuerraum sehr schnell ansteigt und die Ventilelemente
schnell schließen.
Dies ist im Hinblick auf das Emissionsverhalten besonders vorteilhaft.
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In
nochmaliger Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Steuerventil
in der dritten Schaltstellung zum Niederdruckanschluss hin eine Drosselstelle
bildet. Dies ermöglicht
eine Begrenzung des Kraftstoffstroms vom Hochdruckanschluss direkt
zum Niederdruckanschluss hin. In der Folge muss weniger Kraftstoff
gefördert
werden, und es kann eine kleinere Kraftstoffpumpe zum Einsatz kommen.
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Möglich ist
auch, dass der Steuerraum mit dem Hochdruckanschluss verbunden ist,
dass das Steuerventil über
mindestens zwei Steuerkanäle
mit dem Steuerraum verbunden ist, und dass das Steuerventil in einer
ersten Schaltstellung alle Steuerkanäle von einem Niederdruckanschluss
trennt, in einer zweiten Schaltstellung einen Steuerkanal mit dem Niederdruckanschluss
verbindet, und in einer dritten Schaltstellung alle Steuerkanäle mit dem
Niederdruckanschluss verbindet.
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Da
der maximale Zustrom von Kraftstoff vom Hochdruckanschluss in den
Steuerraum hinein begrenzt ist, stellt sich je nach Abströmquerschnitt,
der durch die Anzahl der ausgewählten
Steuerkanäle eingestellt
wird, ein höheres
oder niedrigeres Druckniveau im Steuerraum ein. Dies ermöglicht es,
einen beliebigen Öffnungszeitpunkt
des anderen Ventilelements einstellen zu können. Insbesondere können bei
Volllast beide Ventilelemente direkt bei Einspritzbeginn geöffnet werden.
Damit wird eine maximale Einspritzmenge bei gegebener Einspritzdauer
erreicht.
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Diese
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist technisch einfach zu realisieren
und daher besonders preiswert. Grundsätzlich ist denkbar, dass die
Steuerkanäle
identisch sind und daher bei einer Verdopplung der Anzahl von Steuerkanälen ein
doppelter Abströmquerschnitt
zur Verfügung
steht. Man kann die Steuerkanäle
aber auch unterschiedlich ausgestalten mit einem jedem Steuerkanal
zugeordneten ganz bestimmten Drosselverhalten. Auf diese Weise können die
im Steuerraum herrschenden Druckniveaus sehr präzise eingestellt werden.
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Eine
weitere, einfach zu realisierende Möglichkeit, unterschiedliche
Druckniveaus im Steuerraum zu realisieren, besteht darin, dass der
Steuerraum mit einem Hochdruckanschluss verbunden ist, dass das
Steuerventil den Steuerraum in einer ersten Schaltstellung mit einem
Niederdruckanschluss verbindet und in einer zweiten Schaltstellung
von diesem trennt, und dass das Steuerventil fortgesetzt von der
ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und zurück steuerbar
ist.
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Bei
dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
ist für
die Einstellung der unterschiedlichen Druckniveaus im Steuerraum
nur ein einfaches 2/2-Schaltventil erforderlich. Im einfachsten
Fall wird das Ventil wieder geschlossen, kurz bevor das als zweites öffnende
Ventilelement seine Öffnungsbewegung
beginnt (vorzugsweise, bevor das zuerst öffnende Ventilelement seine
geöffnete
Endstellung erreicht), und es wird wieder geöffnet, kurz bevor das zuerst öffnende
Ventilelement so stark schließt,
dass der austretende Kraftstoffstrom in unzulässiger Weise gedrosselt wird.
Bei dem mittleren Druckniveau handelt es sich also um einen Mittelwert
eines pulsierenden Druckverlaufs, welcher durch das Öffnen und Schließen des
Steuerventils verursacht wird. Durch ein schnell aufeinanderfolgendes Öffnen und
Schließen,
beispielsweise durch eine getaktete oder gepulste Ansteuerung, kann
alternativ ein konstantes mittleres Druckniveau eingestellt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sieht
vor, dass die Ventilelemente koaxial sind und eine axiale Begrenzungsfläche des
Steuerraums einen umlaufenden Dichtbereich aufweist, welcher in einer
geöffneten Endstellung
des äußeren Ventilelements
den Steuerraum in einen äußeren, mit
dem Hochdruckanschluss verbundenen Bereich, und einen inneren, mit
dem Steuerventil verbundenen Bereich unterteilt. Durch die koaxiale
Bauweise baut die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sehr kompakt.
Durch den Dichtbereich wird in der geöffneten Endstellung des äußeren Ventilelements
der der Steuerfläche
des inneren Ventilelements zugeordnete Steuerraumbereich vom Zustrom
unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs getrennt. Der Druck in diesem
Steuerraumbereich fällt
daher besonders schnell ab, so dass das innere Ventilelement entsprechend
schnell öffnet.
Dies verringert die Emissionen.
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Bei
allen oben angegebenen Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen ist es wünschenswert,
dass das Steuerventil sehr schnell schaltet. Dies kann dann auf
einfache Art und Weise realisiert werden, wenn das Steuerventil
einen Piezoaktor umfasst.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Steuerventil einen
Ventilkörper
umfasst, der hydraulisch mit dem Piezoaktor gekoppelt ist, wobei als
Hydraulikfluid Leckagekraftstoff verwendet wird, welcher an einer
Führung
mindestens eines Ventilelements auftritt. Durch die hydraulische
Kopplung kann der vergleichsweise geringe Hub des Piezoaktors im
Sinne einer hydraulischen Übersetzung
verstärkt
werden. Ein entsprechender Ventilkörper des Steuerventils kann
daher beim Öffnen
einen ausreichenden Strömungsquerschnitt
freigeben, ohne große
Abmessungen aufzuweisen. Durch die Verwendung des ohnehin vorhandenen
Leckagekraftstoffs für
die hydraulische Kopplung kann auf eine zusätzliche Fluidversorgung verzichtet
werden. Diese Kraftstoff-Einspritzvorrichtung baut daher dennoch
kompakt und vergleichsweise preiswert.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zeichnet
sich dadurch aus, dass ein Ventilelement einen in Öffnungsrichtung
auf das andere Ventilelement wirkenden Mitnehmer aufweist. Auf diese
Weise wird sichergestellt, dass das später öffnende Ventilelement genau
dann öffnet,
wenn das zuerst öffnende
Ventilelement einen bestimmten Hub gemacht hat. Bei bestimmten Last-/Drehzahlsituationen
der Brennkraftmaschine führt
dies zu einem Einspritzverlauf, bei dem besonders geringe Emissionen
auftreten. Je nach Druck im Steuerraum kann es aber auch sein, dass
die Kraft, die der Mitnehmer auf das später öffnende Ventilelement ausübt, nicht
ausreicht, um dieses zu öffnen.
In diesem Fall wirkt der Mitnehmer als Anschlag, der den Hub des
zuerst öffnenden
Ventilelements begrenzt. Dies gestattet die Einspritzung äußerst kleiner
Kraftstoffmengen.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der Mitnehmer so ausgebildet
ist, dass er erst kurz vor Erreichen des Maximalhubs des einen Ventilelements
an das andere Ventilelement anstößt. Hierdurch
wird sichergestellt, dass einerseits nur ein Ventilelement geöffnet sein
kann, solange dieses seinen Maximalhub nicht erreicht, und dass
andererseits das zweite Ventilelement sicher öffnet, indem das erste Ventilelement
bis zum Maximalhub gebracht wird.
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Besonders
bevorzugt ist dabei jene Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung,
bei welcher die in Öffnungsrichtung
des anderen Ventilelements wirkende Beaufschlagungseinrichtung und
die hydraulische Steuerfläche
des anderen Ventilelements so abgestimmt sind, dass dieses Ventilelement
erst öffnet,
wenn zusätzlich
vom Mitnehmer des einen Ventilelements eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft
ausgeübt
wird. Damit das zweite Ventilelement öffnet, ist daher nicht nur eine
Absenkung des Drucks im Steuerraum erforderlich, sondern zusätzlich die
Mitnahme durch das zuerst öffnende
Ventilelement. Dies ermöglicht
eine Auslegung der Steuerflächen
und der Beaufschlagungseinrichtungen so, dass die Öffnungsdrücke der Ventilelemente
sich sehr deutlich unterscheiden, was die Zuverlässigkeit im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
erhöht.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene
Darstellung von Bereichen eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
mit zwei koaxialen Ventilelementen;
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2 eine schematische Darstellung
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
von 1 bei geschlossenen
Ventilelementen;
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3 eine schematische Darstellung ähnlich 2 während eines Öffnungsvorgangs
zum Öffnen
beider Ventilelemente;
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4 eine schematische Darstellung ähnlich 2 mit geöffneten Ventilelementen;
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5 eine schematische Darstellung ähnlich 2 mit nur einem geöffneten
Ventilelement;
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6 ein Diagramm, in dem ein
Druckverlauf in einem Steuerraum der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
von 2 während des
in den 3 und 4 gezeigten Öffnungs-
und Schließvorgangs
aufgetragen ist;
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7 ein Diagramm ähnlich 6 für den in 5 gezeigten Fall;
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8 ein Diagramm, in dem der
Verlauf der Schaltstellungen der Ventilelemente für den in 6 gezeigten Druckverlauf
aufgetragen ist;
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9 ein Diagramm ähnlich 8 für den in 7 aufgetragenen Druckverlauf;
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10 eine schematische Darstellung ähnlich 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;
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11 ein Diagramm, in dem
die Stellung eines Steuerventils und eines äußeren Ventilelements über der
Zeit bei einer ersten Ansteuervariante aufgetragen ist;
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12 ein Diagramm, in dem
die Stellung eines Steuerventils und eines äußeren Ventilelements über der
Zeit bei einer zweiten Ansteuervariante aufgetragen ist;
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13 einen teilweise schematischen
Teilschnitt durch einen Bereich eines dritten Ausführungsbeispiels
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;
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14 ein Teilbereich einer
abgewandelten Ausführungsform
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 13; und
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15 ein Teilbereich einer
nochmals abgewandelten Ausführungsform
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
von 13.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Gehäuse 12,
welches wiederum unter anderem aus einem Düsenkörper 14 besteht. In
diesem sind zwei zueinander koaxiale Ventilelemente 16 und 18 angeordnet.
Beide Ventilelemente 16 und 18 weisen an ihrem
in 1 unteren Ende jeweils
eine konische Druckfläche 20 beziehungsweise 22 auf,
die bei geschlossenem Ventilelement 16 beziehungsweise 18 an
einer entsprechenden gehäuseseitigen Dichtkante 24 beziehungsweise 26 anliegt.
Von einem zwischen den beiden Dichtkanten 24 und 26 vorhandenen
Ringraum (ohne Bezugszeichen) führen
mehrere über
den Umfang des Düsenkörpers 14 verteilt
angeordnete Kraftstoff-Austrittskanäle 28 nach
außen.
Ferner führen
von einem im Düsenkörper 14 an
dessen unterem Ende vorhandenen Sackloch (ohne Bezugszeichen) ebenfalls über den
Umfang des Düsenkörpers 14 verteilt
angeordnete Kraftstoff-Austrittskanäle 30 nach
außen.
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Das
in 1 obere Ende des
inneren Ventilelements 16 ist als Druckstange mit einer
kreisförmigen
Steuerfläche 32 ausgebildet.
Wenn beide Ventilelemente 16 beziehungsweise 18 an
den entsprechenden Dichtkanten 24 und 26 anliegen,
liegt in etwa auf gleicher Höhe
wie die Steuerfläche 32 des inneren
Ventilelements 16 eine entsprechende ringförmige Steuerfläche 34 einer
Druckstange des äußeren Ventilelements 18.
Ein Teil der ringförmigen Steuerfläche 34 ist
konisch und wird nach radial innen von einem Dichtbereich 36 begrenzt,
dessen Funktion weiter unten genauer erläutert wird. Die Steuerflächen 32 und 34 begrenzen
einen gemeinsamen hydraulischen Steuerraum 38, der ferner
vom Düsenkörper 14 und
einem Gegenstück 40 umschlossen
wird. Eine Ventilfeder 41 beaufschlagt das äußere Ventilelement 18 in
Schließrichtung.
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Die
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 weist ferner einen in 1 nur symbolisch dargestellten Hochdruckanschluss 42 auf,
der im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 üblicherweise
an eine Kraftstoff-Sammelleitung (nicht dargestellt) eines Common-Rail-Einspritzsystems
angeschlossen ist. Vom Hochdruckanschluss 42 führt ein
insgesamt in Längsrichtung
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 verlaufender
Kanal 44 bis zu einem ringförmigen Druckraum 46 am
unteren Ende der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10,
der bei geschlossenem äußeren Ventilelement 18 von
dem radial auswärts
von der Dichtkante 26 liegenden Bereich der Druckfläche 22 des äußeren Ventilelements 18 begrenzt
wird.
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In
einem in 1 oberhalb
des Gegenstücks 40 angeordneten
Gehäusestück 48 ist
in die zum Gegenstück 40 weisende
Stirnfläche
eine Ringnut 50 eingebracht, die über einen Stichkanal 52 mit
dem Kanal 44 verbunden ist. Im Gegenstück 40 ist ein Hochdruckkanal 54 ausgebildet,
welcher die Ringnut 50 mit dem Steuerraum 38 verbindet.
Der Hochdruckkanal 54 umfasst eine Zulaufdrossel 56.
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Die
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 weist ferner einen in 1 ebenfalls nur schematisch
dargestellten Niederdruckanschluss 58 auf. Dieser ist im Betrieb
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 üblicherweise mit einer Rücklaufleitung
(nicht dargestellt) verbunden, die zu einem Kraftstoffbehälter zurückführt. Am
Niederdruckanschluss 58 herrscht daher im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 in
etwa Umgebungsdruck, wohingegen am Hochdruckanschluss 42 ein
sehr hoher Druck von bis zu 2000 bar anliegt.
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Der
Niederdruckanschluss 58 führt zu einer Schaltkammer 60,
auf die weiter unten im Detail eingegangen werden wird. Von der
Schaltkammer 60 führt
im Gegenstück 40 ein
Steuerkanal 62 zum Steuerraum 38. Im Steuerkanal 62 ist
eine Abströmdrossel 64 vorhanden.
Von der Schaltkammer 60 führt ferner über eine Drosselstelle 66 ein
Bypasskanal 68 zur Ringnut 50, die mit dem Hochdruckanschluss 42 in
Verbindung steht. Der Bypasskanal 68 ist durch zwei in
einem Winkel zueinander stehende Bohrungsabschnitte 68a und 68b realisiert.
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In
der Schaltkammer 60 ist ein zylindrisches Schaltelement 70 eines
3/3-Schaltventils 72 angeordnet. Das Schaltelement 70 wird
von einer Ventilfeder 74 gegen einen ersten Ventilsitz 76 gedrückt, der in
der Schaltkammer 60 zum Niederdruckanschluss 58 hin
ausgebildet ist. Das Schaltelement 70 ist an eine Betätigungsstange 78 gekoppelt,
welche von einem Piezoaktor 80 betätigt werden kann. Auf diese Weise
kann das Schaltelement 70 gegen die Kraft der Ventilfeder 74 gegen
einen zweiten Ventilsitz 82 gedrückt werden, der in der Schaltkammer 60 zum Bypasskanal 68 hin
ausgebildet ist.
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Die
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 arbeitet folgendermaßen:
In
den 1 und 2 ist ein Betriebszustand
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 dargestellt, in
dem das 3/3-Schaltventil 72 sich in einer ersten Schaltstellung 84 befindet,
in der das Schaltelement 70 am ersten Ventilsitz 76 anliegt
und vom zweiten Ventilsitz 82 abgehoben ist. In diesem
Fall wird der am Hochdruckanschluss 42 anliegende Kraftstoff-Hochdruck
einerseits über
den Hochdruckkanal 54 und andererseits aber auch über die
Ringnut 50, den Bypasskanal 68, die Schaltkammer 60,
und den Steuerkanal 62 in den Steuerraum 38 übertragen.
Im Steuerraum 38 herrscht daher der auch am Hochdruckanschluss 42 anliegende
hohe Kraftstoffdruck. Entsprechend wirken an den Steuerflächen 32 und 34 in
Schließrichtung
der Ventilelemente 16 und 18 wirkende hydraulische
Kräfte.
Zusätzlich
wird das äußere Ventilelement 18 noch
von der Ventilfeder 41 in Schließrichtung beaufschlagt. Die
Steuerflächen 32 und 34 sind dabei
so bemessen, dass das innere Ventilelement 16 gegen den
Brennraumdruck und das äußere Ventilelement 18 gegen
den Brennraumdruck und den an der Druckfläche 22 angreifenden
hohen Kraftstoffdruck sicher in der geschlossenen Position gehalten wird.
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Nun
wird die Vorgehensweise beschrieben, mit der ein Öffnen beider
Ventilelemente 16 und 18 bewirkt wird (vgl. 3 und 4 sowie 6 und 8):
Hierzu wird das
3/3-Schaltventil 72 in eine zweite Schaltstellung 86 gebracht,
in der es am zweiten Ventilsitz 82 anliegt. Hierdurch wird
die Verbindung von der Schaltkammer 60 zum Hochdruckanschluss 42 hin
unterbrochen, und stattdessen werden die Schaltkammer 60 und
hierdurch auch der Steuerkanal 62 mit dem Niederdruckanschluss 58 verbunden. Daher
kann nun Kraftstoff aus dem Steuerraum 38 über die
Abströmdrossel 64 zum
Niederdruckanschluss 58 hin abströmen.
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Aufgrund
des Vorhandenseins der Zulaufdrossel 56 ergibt sich hierdurch
ein Druckabfall im Steuerraum 38. Dieser ist in 6 durch das Bezugszeichen 88 gekennzeichnet.
Sobald der Öffnungsdruck
des äußeren Ventilelements 18 unterschritten
wird – dieser
liegt bei der vorliegenden Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 höher als
der Öffnungsdruck
des inneren Ventilelements 16 – hebt das äußere Ventilelement 18 aufgrund
der an der Druckfläche 22 angreifenden
hydraulischen Kraft gegen die Kraft der Ventilfeder 41 von
der Dichtkante 26 ab (Bezugszeichen 89 in 8), so dass der Kraftstoff vom
Druckraum 46 über
die Kraftstoff-Austrittskanäle 28 austreten
kann.
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Wenn
das Ventilelement 18 mit dem Dichtbereich 36 am
Gegenstück 40 in
Anlage kommt (Bezugszeichen 90 in 6), wird der innerhalb der Dichtkante 36 liegende
Bereich des Steuerraums 38 vom Zustrom neuen Kraftstoffs über den
Hochdruckkanal 54 getrennt, bzw. dieser Zustrom wird zumindest
gedrosselt. Der Druck in diesem radial innen liegenden Bereich des
Steuerraums 38, der über
den Steuerkanal 62 weiterhin mit dem Niederdruckanschluss 58 verbunden
ist, sinkt daher weiter, bis auch das innere Ventilelement 16 mit
seiner Druckfläche 20 von
der Dichtkante 24 abhebt (Bezugszeichen 92 in 6 bzw. 93 in 8). Nun kann Kraftstoff
auch aus den Kraftstoff-Austrittskanälen 30 austreten. Dies
ist in 4 dargestellt.
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Aus 6 erkennt man, dass der
Druck im Steuerraum 38 insgesamt auf ungefähr ein Drittel
seines ursprünglichen
Wertes absinkt. Dieser Wert wird durch eine entsprechende Dimensionierung
der Zulaufdrossel 56 und der Abströmdrossel 64 eingestellt. Dabei
bleibt das äußere Ventilelement 18 weiterhin sicher
in der geöffneten
Stellung, da der Dichtbereich bzw. die Dichtkante 36 vom radial
inneren Rand der Steuerfläche 34 etwas
beabstandet ist, so dass an dem radial innerhalb von der Dichtkante 36 liegenden Bereich
der Steuerfläche 34 weiterhin
ein sehr niedriger Steuerdruck anliegt. Darüber hinaus kann die Dichtkante 36 so
ausgestaltet werden, dass die Abdichtung zwischen dem radial äußeren und
dem radial inneren Bereich des Steuerraums 38 nicht absolut ist,
also weiterhin Kraftstoff aus dem radial äußeren Bereich des Steuerraums 38 abströmen kann
und dort für
eine entsprechende Druckabsenkung sorgt.
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Die
Einspritzung wird beendet, indem das Schaltelement 70 wieder
in Anlage an den ersten Ventilsitz 76 gebracht wird (Schaltstellung 84).
Hierdurch wird die Schaltkammer 60 vom Niederdruckanschluss 58 getrennt
und über
den Bypasskanal 68 wieder mit dem Hochdruckanschluss 42 verbunden. Der
Steuerraum 38 ist über
den Steuerkanal 62 und den Hochdruckkanal 54 wieder
mit dem Hochdruckanschluss 42 verbunden, was zu einem sehr
schnellen Druckanstieg (Bezugszeichen 94) im Steuerraum 38 führt. Beide
Ventilelemente 16 und 18 schließen in der
Folge beinahe gleichzeitig (Bezugszeichen 96 und 98 in 8).
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Wenn
nur das äußere Ventilelement 18 öffnen soll,
wird folgendermaßen
vorgegangen (5):
Das
3/3-Schaltventil 72 wird in eine dritte Schaltstellung 100 gebracht,
in der sich sein Schaltelement 70 in einer Zwischenposition
zwischen dem ersten Ventilsitz 76 und dem zweiten Ventilsitz 82 befindet.
Es liegt also an keinem der beiden Ventilsitze 76 und 82 an.
In diesem Schaltzustand 100 des 3/3-Schaltventils ist die
Schaltkammer 60 einerseits mit dem Niederdruckanschluss 58 und
andererseits über
den Bypasskanal 68 auch mit dem Hochdruckanschluss 42 verbunden.
In der Schaltkammer 60 stellt sich daher ein Druck ein,
der unterhalb des hohen Kraftstoffdrucks am Hochdruckanschluss 42,
jedoch oberhalb jenes Druckes liegt, der bei der in den 3 und 4 gezeigten Schaltstellung des 3/3-Schaltventils 72 in der
Schaltkammer 60 herrscht.
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Durch
die Verbindung der Schaltkammer 60 mit dem Steuerraum 38 über den
Steuerkanal 62 sinkt auch im Steuerraum 38 der
Druck (Bezugszeichen 88 in 7),
jedoch ebenfalls nicht so stark, wie bei der in den 3 und 4 bzw. 6 und 8 gezeigten zweiten Schaltstellung 86 des
3/3-Schaltventils. Der entsprechende Bereich der Druckkurve trägt in 7 das Bezugszeichen 102.
Man erkennt, dass der Druck ungefähr auf die Hälfte des
Ausgangsdrucks absinkt. Die Druckabsenkung im Steuerraum 38 ist jedoch
so ausreichend stark, dass das äußere Ventilelement 18 aufgrund
der an der Druckfläche 22 angreifenden
hydraulischen Kraft von der Dichtkante 26 abhebt (Bezugszeichen 89 in 9), so dass der Kraftstoff
vom Druckraum 46 zu den Kraftstoff-Austrittskanälen 28 strömen und
aus diesen austreten kann. Auch hier bewegt sich das Ventilelement 18 so weit,
bis es mit der Dichtkante 36 am Gegenstück 40 in Anlage kommt
(Bezugszeichen 90 in 7),
was eine nochmalige Druckabsenkung im Steuerraum 38 bewirkt,
welche jedoch nicht so stark ist, dass das innere Ventilelement 16 öffnet.
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Um
das Öffnen
des äußeren Ventilelements 18 zu
beschleunigen, kann das 3/3-Schaltventil 72 auch zunächst in
die zweite Schaltstellung 86 gebracht werden, in welcher
das Schaltelement 70 am zweiten Ventilsitz 82 anliegt.
Noch bevor das äußere Ventilelement 18 mit
dem Dichtbereich 36 am Gegenstück 40 in Anlage kommt,
wird dann das 3/3-Schaltventil 72 in
die dritte Schaltstellung 100 gebracht, wodurch verhindert
wird, dass der Druck im Steuerraum 38 zu stark abfällt.
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Ferner
sei darauf hingewiesen, dass die Einstellung des "Zwischendrucks", welcher in der
Schaltkammer 60 herrscht, wenn sich das Schaltelement 70 in
der Zwischenposition 100 zwischen erstem Ventilsitz 76 und
zweitem Ventilsitz 82 befindet, auch durch den Spalt zwischen
dem Schaltelement 70 und dem ersten Ventilsitz 76 eingestellt
wird. Dieser Spalt stellt eine Strömungsdrossel von der Schaltkammer 60 zum
Niederdruckanschluss 58 hin dar.
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Eine
abgewandelte Ausführungsform
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist
in 10 dargestellt. Dabei
tragen hier und in den nachfolgenden Figuren solche Elemente und
Bereiche, die äquivalente
Funktionen zu in den vorhergehenden Figuren gezeigten Elementen
und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht
nochmals im Detail erläutert.
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Die
in 10 gezeigte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 unterscheidet
sich von der oben beschriebenen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nur durch die Ausgestaltung
des Schaltventils 72: Dieses ist nicht als 3/3-Schaltventil,
sondern als 3/2-Schaltventil ausgebildet. Als solches kann es in
einer ersten Schaltstellung 84 den Hochdruckanschluss 42 über die
Ringnut 50 und den Bypasskanal 68 sowie den Steuerkanal 62 direkt
mit dem Steuerraum 38 verbinden. In dieser Schaltstellung
herrscht im Steuerraum 38 also der maximale Druck, der
dem am Hochdruckanschluss 42 herrschenden Druck entspricht.
In der zweiten Schaltstellung 86 wird der Steuerraum 38 dagegen über die
Abströmdrossel 64 und
den Steuerkanal 62 mit dem Niederdruckanschluss 58 verbunden.
In dieser Schaltstellung herrscht im Steuerraum 38 daher
ein vergleichsweise niedriger Druck, der sich aus der Auslegung
der Abströmdrossel 64 und der
Zuströmdrossel 56 ergibt.
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Wie
bereits im Zusammenhang mit dem in den 1 bis 9 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ausgeführt
wurde, sind bei hohem Druck im Steuerraum 38 beide Ventilelemente 16 und 18 geschlossen.
Bei niedrigem Druck sind beide Ventilelemente 16 und 18 geöffnet. Soll
nur das äußere Ventilelement 18 geöffnet sein,
muss im Steuerraum 38 ein mittleres Druckniveau eingestellt
werden. Bei der in 10 gezeigten
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 wird ein solches mittleres
Druckniveau durch ein aufeinanderfolgendes und fortgesetztes Öffnen und
Schließen
des Schaltventils 72 bewirkt.
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Wie
auch aus den 11 und 12 hervorgeht, bedeutet dies,
dass zunächst
das Schaltventil 72 in die geöffnete Schaltstellung 86 gebracht
wird (Kurve 96 in 11),
so dass der Druck im Steuerraum 38 absinkt, was zunächst zum Öffnen der äußeren Nadel 18 führt (Kurve 98 in 11). Kurz bevor oder gerade
wenn das äußere Ventilelement 18 seine
geöffnete
Endstellung erreicht, in der es am Gegenstück 40 in Anlage kommt
(gestrichelte horizontale Linie in 11),
wird das Schaltventil 72 wieder in die geschlossene Schaltstellung 84 gebracht.
Hierdurch steigt der Druck im Steuerraum 38 wieder und
das äußere Ventilelement 18 beginnt
mit einer Schließbewegung.
Bevor jedoch das äußere Ventilelement 18 so
weit geschlossen ist, dass die Strömung zwischen der Dichtkante 26 und
der Druckfläche 22 (vgl. 1) gedrosselt wird, wird
das Schaltventil 72 wieder in die geöffnete Schaltstellung 86 gebracht.
Auf diese Weise stellt sich im Steuerraum 38 ein mittleres Druckniveau
ein, bei dem das äußere Ventilelement 18 geöffnet, das
innere Ventilelement 16 jedoch noch geschlossen ist.
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In
einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
wird anstelle des in 10 gezeigten 3/2-Schaltventils 72 ein
2/2-Schaltventil
eingesetzt. Bei der entsprechenden Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist dann kein Bypasskanal
vorhanden, so dass in der geschlossenen Schaltstellung des 2/2-Schaltventils der
Steuerkanal 62 einfach gesperrt ist.
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Wie
aus 12 hervorgeht, ist
es ferner möglich,
dass das Schaltventil 72 mit einer sehr schnellen Schaltfrequenz
geöffnet
und geschlossen wird (Kurve 96 in 12), beispielsweise bei einer gepulsten
oder getakteten Ansteuerung. Dem kann die Strömung nicht so schnell folgen,
so dass sich im Steuerraum kein stark schwankender Steuerdruck, sondern
ein relativ konstanter mittlerer Druck einstellt. Entsprechend nimmt
das äußere Ventilelement eine
relativ konstante mittlere Position (Kurve 98) knapp vor
dem Anschlag (horizontale gestrichelte Linie) ein.
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Eine
weitere mögliche
Ausführungsform
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist
in 13 dargestellt. Bei
dieser ist ebenfalls ein 3/3-Schaltventil 72 vorhanden,
jedoch fehlt ein Bypasskanal. Stattdessen führen von der Schaltkammer 60 zwei
parallele Steuerkanäle 62a und 62b zum
Steuerraum 38. Der eine Steuerkanal 62a mündet in
die Schaltkammer 60 am zweiten Ventilsitz 82.
Bei geöffnetem Schaltventil 72 ist
dieser Steuerkanal 62a also verschlossen. Der zweite Steuerkanal 62b mündet seitlich
neben dem Schaltelement 70 in die Schaltkammer 60.
Beide Steuerkanäle 62a und 62b umfassen Abströmdrosseln 64a und 64b,
deren Drosselwirkung unterschiedlich ist.
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Bei
der in 13 gezeigten
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist
das Schaltelement 70 ferner nicht direkt mit dem Piezoaktor 80 gekoppelt,
sondern mittels eines hydraulischen Übersetzers 104. Dieser
umfasst eine Übersetzerkammer 106,
in die auf der einen Seite ein zylindrisches Übersetzerelement 108 ragt,
welches über
die Betätigungsstange 78 mit
dem Schaltelement 70 verbunden ist. Ein mit dem Piezoaktor 80 gekoppelter Übersetzungskörper 110 ragt
ebenfalls in die Übersetzerkammer 106.
Der Durchmesser des Übersetzungskörpers 110 ist
größer als
jener des Übersetzerelements 109.
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Die Übersetzerkammer 106 ist
mit Kraftstoff gefüllt.
Hierzu ist die Übersetzerkammer 106 über eine
Stichleitung 112, in der ein Rückschlagventil 114 angeordnet
ist, an eine Leckageleitung 116 angeschlossen. Diese führt zum
Niederdruckanschluss 58. Eine entsprechende Stichleitung 118 führt auch zum
Schaltventil 72 sowie zu einem Ringraum 120, in dem
die Druckfeder 41 angeordnet ist, und in den, über einen
Leckagekanal 122, Leckagefluid gelangen kann, welches vom
Steuerraum 38 durch den Spalt zwischen den oberen Bereichen
der beiden Ventilelemente 16 und 18 hindurchtritt.
Auf diese Weise wird die Übersetzerkammer 106 mit
dem vom Steuerventil 72 und vom Ringraum 120 abströmenden Leckagefluid
gespeist.
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Aufgrund
der unterschiedlichen Durchmesser des Übersetzerelements 108 und
des Übersetzungskörpers 110 führt eine
Längenänderung
des Piezoaktors 80 zu einem Hub des Schaltelements 70, der
größer ist
als die Längenänderung
des Piezoaktors 80. Liegt das Schaltelement 70 am
ersten Ventilsitz 76 an, sind die beiden Steuerkanäle 62a und 62b vom
Niederdruckanschluss 58 getrennt. Im Steuerraum 38 herrscht
daher ein hoher Druck, und die beiden Ventilelemente 16 und 18 sind
geschlossen.
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Wird
das Schaltventil 72 so geöffnet, dass das Schaltelement 70 zwischen
dem ersten Ventilsitz 76 und dem zweiten Ventilsitz 82 positioniert
ist, kann Kraftstoff aus dem Steuerraum 38 über beide
Steuerkanäle 62a und 62b zum
Niederdruckanschluss 58 hin abströmen. Der Druck im Steuerraum 38 sinkt
daher stark ab, so dass beide Ventilelemente 16 und 18 öffnen.
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Wird
das Schaltelement 70 dagegen in eine Position gebracht,
in welcher es am zweiten Ventilsitz 82 anliegt, ist der
Steuerkanal 62a verschlossen. Kraftstoff kann aus dem Steuerraum 38 zum
Niederdruckanschluss 58 hin nur über den Steuerkanal 62b abströmen. Die
Abströmdrossel 64b und
die Zuströmdrossel 56 sind
so aufeinander abgestimmt, dass sich in diesem Fall ein mittleres
Druckniveau im Steuerraum 38 einstellt, bei dem zwar das äußere Ventilelement 18 öffnet, das
innere Ventilelement 16 jedoch geschlossen bleibt.
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Eine
nochmals abgewandelte Ausführungsform
ist in 14 gezeigt. Die
Unterschiede betreffen dabei die Endbereiche der Ventilelemente 16 und 18. Man
erkennt, dass am inneren Ventilelement 16 ein Ringbund 124 ausgebildet
ist, der in einer Ausnehmung 126 im Endbereich des äußeren Ventilelements 118 positioniert
ist. In Ruheposition, wenn beide Ventilelemente 16 und 18 geschlossen
sind, sind die axialen Endflächen
der Ausnehmung 126 vom Ringbund etwas beabstandet.
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Die
in 14 gezeigte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
arbeitet ähnlich
wie jene von 13. Wird
jedoch das äußere Ventilelement 18 geöffnet, kommt
die in 14 untere Randfläche der
Ausnehmung 126 in Anlage an den Ringbund 124.
Die hierdurch vom äußeren Ventilelement 18 auf
das innere Ventilelement 16 zusätzlich ausgeübte und
in Öffnungsrichtung
wirkende Kraft führt
dazu, dass nun auch das innere Ventilelement 16 öffnet. Die
in 14 untere Begrenzungsfläche der
Ausnehmung 126 im äußeren Ventilelement 18 wirkt
daher wie ein Mitnehmer für
das innere Ventilelement 16.
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Die
axiale Lage des Ringbunds 124 und der Ausnehmung 126 sind
dabei so aufeinander abgestimmt, dass der untere Rand der Ausnehmung 126 erst
kurz vor Erreichen des Maximalhubs des äußeren Ventilelements 18 an
dem Ringbund 124 des inneren Ventilelements 16 anstößt. Hierdurch
kann eine gestufte Einspritzrate ("Bootinjection") erreicht werden, die eine Reduktion
der Emissionen der Brennkraftmaschine, bei der die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 eingesetzt
wird, ermöglicht.
Die Steuerfläche 32 des
inneren Ventilelements 16 ist ferner so ausgelegt, dass
auch dann, wenn beide Steuerkanäle 62a und 62b"aktiviert" sind, wenn also
im Steuerraum 38 der minimal mögliche Druck herrscht, das innere
Ventilelement 16 erst dann öffnet, wenn die Ausnehmung 126 am
Ringbund 124 anstößt.
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Eine
nochmals abgeänderte
Ausführungsform
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist
in 15 gezeigt: Bei dieser
sind die Ventilelemente 16 und 18 einteilig ausgeführt. Der
Steuerraum 38 wird radial nicht durch das Gehäuse 12,
sondern durch eine Hülse 128 begrenzt,
welche an ihrem in 15 oberen
Rand eine Dichtkante (ohne Bezugszeichen) aufweist. Diese Dichtkante
wird von der Druckfeder 41 gegen die den Steuerflächen 32 und 34 der
Ventilelemente 16 und 18 gegenüberliegende Gehäusefläche (ohne
Bezugszeichen) gedrückt.