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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft zunächst eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens zwei koaxialen drucksteuerbaren Ventilelementen, welche jeweils mindestens eine in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche, die einen Druckraum begrenzt, aufweisen und von einer in Schließrichtung wirkenden Federeinrichtung beaufschlagt werden, wobei jedem Ventilelement mindestens eine Kraftstoff-Austrittsöffnung zugeordnet ist, und wobei mindestens ein Ventilelement zusätzlich über mindestens eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche, die einen Steuerraum begrenzt, verfügt, über die es hubsteuerbar ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.
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Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
DE 100 58 153 A1 bekannt. Diese Kraftstoff-Einspritzvorrichtung kommt bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung zum Einsatz. Sie umfasst zwei koaxiale Ventilelemente, die jeweils von einer Druckfeder gegen einen Ventilsitz beaufschlagt werden, der im Bereich der Kraftstoff-Austrittsöffnungen angeordnet ist. Das innere Ventilelement weist an seinem den Kraftstoff-Austrittsöffnungen entgegengesetzten Ende eine Steuerfläche auf, die einen Steuerraum begrenzt, der mit einem Steuerdruck beaufschlagt werden kann.
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Das äußere Ventilelement öffnet druckgesteuert, also indem durch eine Druckerhöhung im Bereich des Ventilsitzes eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft an einer Druckfläche erzeugt wird, die größer ist als die von der Druckfeder in Schließrichtung wirkende Kraft. Das innere Ventilelement öffnet hubgesteuert, das heißt, dass ein Öffnungsvorgang dadurch bewirkt wird, dass der Druck in dem Steuerraum abgesenkt und somit die in Schließrichtung wirkende und den Öffnungsvorgang blockierende Kraft verringert wird.
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Vom Markt her ist auch eine ausschließlich druckgesteuerte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bekannt: Sie umfasst zwei koaxial angeordnete Ventilelemente, welche jeweils von einer Feder in Schließrichtung beaufschlagt werden. Jedem Ventilelement ist eine Reihe von Kraftstoff-Austrittsöffnungen zugeordnet. Im Bereich der Kraftstoff-Austrittsöffnungen weist jedes Ventilelement eine in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche auf. Die Druckfläche des äußeren Ventilelements begrenzt einen Druckraum, der über einen Druckkanal mit einem Hochdruckanschluss verbunden ist. Wird an den Hochdruckanschluss ein Druck mit einem ersten Druckniveau angelegt, öffnet das äußere Ventilelement, das innere bleibt jedoch geschlossen. Wird ein noch höherer Druck angelegt, öffnet auch das innere Ventilelement.
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Vom Markt her bekannt sind auch, Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen mit einem einzigen hubgesteuerten Ventilelement. Dieses wird nicht (nur) von einer Federeinrichtung in Schließrichtung beaufschlagt, sondern auch von einem hydraulischen Steuerdruck, der an einer entsprechenden Steuerfläche des Ventilelements angreift. Wird der Steuerdruck abgesenkt, kann das Ventilelement öffnen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass das Emissionsverhalten und der Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine, die mit der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung betrieben wird, möglichst gut ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass beide Ventilelemente zusätzlich über jeweils eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche, die einen Steuerraum begrenzt, hubsteuerbar sind, und dass die Federeinrichtungen und die Druckflächen so ausgebildet sind, dass die Ventilelemente auch drucksteuerbar sind.
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Vorteile der Erfindung
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung kann beliebig zwischen einer Hubsteuerung und einer Drucksteuerung der Ventilelemente variiert werden. Dies gestattet es, für einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine das jeweils optimale Arbeitsprinzip der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auszuwählen. Hierdurch wird der Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine, in die die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eingebaut ist, gesenkt, und ihr Emissionsverhalten wird verbessert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird vorgeschlagen, dass die Verbindung des dem inneren Ventilelement zugeordneten Druckraums mit einer Hochdruckleitung von der Stellung des äußeren Ventilelements unabhängig ist. Somit können die beiden Ventilelemente vollkommen unabhängig voneinander betätigt werden. Dies ermöglicht eine besonders präzise Einbringung der benötigten Kraftstoffmenge bei einer auf die aktuelle Betriebssituation der Brennkraftmaschine optimal angepassten Einspritzart.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das äußere Ventilelement im Bereich der ihm zugeordneten Kraftstoff-Austrittsöffnung eine radial äußere und eine radial innere Dichtkante aufweist, wobei die besagte Kraftstoff-Austrittsöffnung bei geschlossenem Ventilelement zwischen den beiden Dichtkanten angeordnet ist. Mit einem solchen Doppelsitz am äußeren Ventilelement kann die ständige Verbindung des dem inneren Ventilelement zugeordneten Druckraums mit der Hochdruckleitung einfach realisiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gesamtsteuerfläche eines Ventilelements größer ist als die Gesamtdruckfläche desselben Ventilelements. Hierdurch kann bei gleichem Druck im Steuerraum und im Druckraum das entsprechende Ventilelement sicher geschlossen werden. Ein separater Steueranschluss ist dann nicht erforderlich.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn die bei geschlossenem Ventilelement mit Druck von der Hochdruckleitung beaufschlagte Druckfläche eines Ventilelements kleiner ist als die Gesamtdruckfläche desselben Ventilelements, welche bei geöffnetem Ventilelement mit Druck von der Hochdruckleitung beaufschlagt wird. Dies wird auch als ”Druckstufe” bezeichnet und führt dazu, dass das Ventilelement sicher geöffnet bleiben kann, auch wenn der Druck im Druckraum nach dem Öffnen des Ventilelements abfällt (Schließdruck liegt niedriger als der Öffnungsdruck).
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Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung baut besonders kompakt, wenn die Steuerflächen der beiden Ventilelemente einen gemeinsamen Steuerraum begrenzen. Ferner wird hierdurch die Montage der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung vereinfacht, was die Herstellkosten senkt.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Steuerfläche des äußeren Ventilelements und/oder eine gegenüberliegende Wandfläche einen Dichtabschnitt aufweist, welcher bei geöffnetem äußeren Ventilelement eine Drosselstelle zu einer Niederdruckleitung hin bildet. Hierdurch können bei geöffnetem äußerem Ventilelement und entsprechend abgesenktem Druck im Steuerraum die Strömungsverluste reduziert werden, so dass eine Kraftstoff-Fördereinrichtung mit geringerer Förderleistung verwendet werden kann.
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Eine einfache Möglichkeit, den Druck in den Druckräumen zu steuern, besteht darin, dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine Ventileinrichtung umfasst, welche die Hochdruckleitung mit einer Niederdruckleitung direkt verbinden beziehungsweise von dieser trennen kann. Durch eine Verbindung der Hochdruckleitung mit der Niederdruckleitung fällt in der Hochdruckleitung und entsprechend auch in den Druckräumen der Druck ab.
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Für ein gutes Emissionsverhalten einer Brennkraftmaschine ist es in vielen Betriebssituationen wichtig, dass eine Einspritzung möglichst rasch beendet werden kann. Waren beide Ventile geöffnet, bedeutet dies, dass diese möglichst gleichzeitig schließen sollen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung einen Mitnehmer aufweist, durch den eine Schließbewegung des einen Ventilelements auf das andere Ventilelement übertragen wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung kann die Hochdruckleitung mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe nach dem ”Pumpe-Düse-Prinzip” verbunden sein. Dies gestattet sehr hohe Einspritzdrücke.
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Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Hochdruckleitung mit einer Kraftstoff-Sammelleitung verbindbar ist, in der der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. Eine derartige Kraftstoff-Sammelleitung ist auch unter dem Begriff ”Common-Rail” bekannt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der oben genannten Art. Um zunächst nur ein Ventilelement hubgesteuert zu öffnen, können zunächst der mindestens eine Steuerraum und die Druckräume zunächst nur mit der Hochdruckleitung verbunden werden, und können dann, unterhalb eines Drucks an der Druckfläche des anderen Ventilelements, bei dem dieses öffnet, jedoch oberhalb des Öffnungsdrucks im Steuerraum des einen Ventilelements, der mindestens eine Steuerraum mit einem Niederdruckbereich verbunden werden.
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Wenn beide Ventilelemente hubgesteuert geöffnet werden sollen, werden der mindestens eine Steuerraum und die Druckräume zunächst nur mit der Hochdruckleitung verbunden und dann, oberhalb des Öffnungsdrucks der beiden Ventilelemente der mindestens eine Steuerraum mit einer Niederdruckleitung verbunden.
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Ein einfaches Schließen des einen Ventilelements oder beider Ventilelemente ist möglich, indem der mindestens eine Steuerraum von der Niederdruckleitung getrennt wird, so dass er nur mit der Hochdruckleitung verbunden ist. Durch den Druckanstieg im Steuerraum werden die zum Schließen erforderlichen hydraulischen Kräfte erzeugt.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu kann zum Schließen des einen Ventilelements oder beider Ventilelemente die Hochdruckleitung auch direkt mit der Niederdruckleitung verbunden werden, was die in Öffnungsrichtung wirkenden Kräfte verringert.
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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.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;
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2 einen Teilschnitt durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 1;
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3a bis 3e Diagramme, welche die Vorgehensweise zum Öffnen und Schließen eines Ventilelements der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 2 zeigen;
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4a bis 4e Diagramme ähnlich der 3a–3e einer alternativen Art zum Öffnen und Schließen des Ventilelements; und
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5a bis 5e Diagramme ähnlich der 3a–3e, welche ein Verfahren zum Öffnen und Schließen beider Ventilelemente der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 2 zeigen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Kraftstoffsystem 12. Dieses beinhaltet wiederum einen Vorratsbehälter 14, aus dem eine Fördereinrichtung 16 den Kraftstoff zu einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 fördert. Diese spritzt den Kraftstoff direkt in einen ihr zugeordneten Brennraum 20 ein. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 arbeitet nach dem ”Pumpe-Düse-Prinzip”. Dies bedeutet, dass sie eine eigene Pumpeinrichtung 22 aufweist, üblicherweise eine 1-Zylinder-Kolbenpumpe, die mechanisch, üblicherweise über einen Nocken, von der Brennkraftmaschine 10 angetrieben wird. Die mechanische Verbindung zwischen der Pumpeinrichtung 22 und der Brennkraftmaschine 10 ist in 1 schematisch dargestellt und trägt das Bezugszeichen 24. Außerdem umfasst die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 einen Injektor 23. Von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 führt eine Rücklaufleitung 26 zum Vorratsbehälter 14 zurück. Gesteuert wird der Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 von einem Steuer- und Regelgerät 28.
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Der Aufbau der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 geht im Detail aus 2 hervor:
In einem Gehäuse 30 sind zwei koaxiale Ventilelemente 32 und 34 angeordnet. Beiden Ventilelementen 32 und 34 ist jeweils eine eigene Reihe von Kraftstoff-Austrittskanälen 36 beziehungsweise 38 zugeordnet. Das äußere Ventilelement 34 ist dreiteilig und besteht aus einer hohlen Außennadel 40, einer Zwischenscheibe 42, und einer Endhülse 44. Die Außennadel 40 ist im Gehäuse 30 auf in 2 nicht näher dargestellte Art und Weise geführt. Zwischen der Außennadel 40 und dem Gehäuse 30 ist ein Ringraum 46 vorhanden, der über eine Hochdruckleitung 48 mit der Pumpeinrichtung 22 verbunden ist.
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Ein radial äußerer Rand 50 und ein radial innerer Rand 52 am in 2 unteren Ende der Außennadel 40 sind als Dichtkanten ausgeführt, die mit einer entsprechenden konischen Gehäusefläche 54 zusammenarbeiten. Zwischen den beiden Rändern 50 und 52 ist die Außennadel 40 leicht konkav ausgeführt. Auf diese Weise bilden die beiden Dichtkanten 50 und 52 einen ”Doppelsitz” der Außennadel 40. Die Kraftstoff-Austrittskanäle 38 durchsetzen das Gehäuse 30 zwischen den beiden Dichtkanten 50 und 52, wenn die Außennadel 40 an der konischen Gehäusefläche 54 anliegt. Im in 2 oberen Bereich der Außennadel 40 ist auf ihrer Außenseite ein umlaufender Absatz 56 vorhanden, der eine in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche bildet. Der Ringraum 46 wird daher auch als ”Druckraum” bezeichnet.
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Das in 2 obere und durch den Absatz 56 etwas verdickte Ende der Außennadel 40 ist im Gehäuse 30 fluiddicht geführt. An ihm liegt die Zwischenscheibe 42 an, die sich in 2 von unten nach oben radial erweitert. Die Endhülse 44 wird von einer Druckfeder 58, die sich am Gehäuse 30 abstützt, mit einem sich nach radial außen erstreckenden umlaufenden Kragen 60 gegen die Zwischenscheibe 42 gedrückt. Der in 2 obere Bereich der Endhülse 44 ist ebenfalls im Gehäuse 30 gleitend und fluiddicht geführt.
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Auch das innere Ventilelement 32 ist mehrteilig ausgeführt: Eine Innennadel 62 ist mit einem Führungsabschnitt 64a in der Außennadel 40 fluiddicht geführt. Zwischen dem Führungsabschnitt 64a und dem in 2 unteren Ende hat die Innennadel 62 einen etwas reduzierten Durchmesser, so dass in diesem Bereich zwischen Innennadel 62 und Außennadel 40 ein Druckraum 66 vorhanden ist, der nach oben hin durch eine Druckfläche 67a begrenzt wird. Der Druckraum 66 ist über einen radialen Kanal 68 in der Außennadel 40 mit dem Druckraum 46 verbunden. Am in 2 unteren Ende der Innennadel 62 ist eine Dichtkante 70 vorhanden, welche ebenfalls mit der konischen Gehäusefläche 54 zusammenarbeitet. Ein konischer Abschnitt der Innennadel unterhalb der Dichtkante 70 bildet eine Druckfläche 67b. Die Kraftstoff-Austrittskanäle 36 sind in 2 unterhalb der Dichtkante 70 angeordnet.
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Oberhalb von der Innennadel 62 umfasst das innere Ventilelement 32 ein Zwischenstück 72, welches nach oben hin aus der Zwischenscheibe 42 herausragt und in diesem Bereich einen sich nach radial außen erstreckenden Kragen 74 aufweist. Dessen Rand kann, wie weiter unten noch im Detail ausgeführt ist, von einem Absatz 76 auf der Innenseite der Endhülse 44 in der Art eines Mitnehmers beaufschlagt werden.
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An das Zwischenstück 72 schließt sich ein Druckbolzen 78 des inneren Ventilelements 32 an, der mit einem erweiterten Führungsabschnitt 80 in einem sich nach radial innen erstreckenden Kragen 82 der Endhülse 44 fluiddicht geführt ist. Zwischen dem Kragen 82 der Endhülse 44 und dem Kragen 74 des Zwischenstücks 72 des inneren Ventilelements 32 ist eine Druckfeder 84 verspannt. Die Oberseite des Führungsabschnitts 80 des Druckbolzens 78 ist konvex ballig ausgeführt. Sie bildet eine hydraulisch Steuerfläche 86. Auch die Oberseite der Endhülse 44 bildet eine Steuerfläche, welche das Bezugszeichen 88 trägt. Beide Steuerflächen begrenzen einen hydraulischen Steuerraum 90.
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An der Steuerfläche 88 der Endhülse 44 ist eine umlaufende Dichtkante 92 vorhanden, die, wie weiter unten im Detail erläutert ist, bei geöffnetem äußerem Ventilelement 34 mit einer gegenüberliegenden Gehäusefläche 94 zusammenarbeitet. Ein radial innerer Bereich des hydraulischen Steuerraums 90 ist über einen Kanal 96 und eine Zuströmdrossel 98 mit der Hochdruckleitung 48 verbunden. Ein radial außerhalb von der Dichtkante 92 liegender Bereich des hydraulischen Steuerraums 90 ist über einen Kanal 100, eine Abströmdrossel 102 und ein elektromagnetisches Schaltventil 104 mit der Rücklaufleitung 26 verbindbar. Die Hochdruckleitung 48 kann über ein elektromagnetisches Schaltventil 106 auch direkt mit der Rücklaufleitung 26 verbunden werden (anstelle von Magnetventilen können auch piezoelektrische Ventile verwendet werden).
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Die in den 1 und 2 gezeigte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 kann folgendermaßen betrieben werden:
In einem Ausgangszustand ist das Schaltventil 106 (3a) offen (Schaltzustand 1) und das Schaltventil 104 (3b) geschlossen (Schaltzustand 0). Über die mechanische Verbindung 24 wird in der Pumpeinrichtung 22 der Kraftstoff komprimiert und in die Hochdruckleitung 48 gepresst. Dann wird das Schaltventil 106 (3a) geschlossen. Hierdurch steigt der Druck in der Hochdruckleitung 48, im Druckraum 46 und über den radialen Kanal 68 auch im Druckraum 66. Der Druck PD im Druckraum 46 und im Druckraum 66 ist in 3c aufgetragen. Über den Kanal 96 und die Zuströmdrossel 98 baut sich, wegen der Drossel 98 gegenüber dem Druck PD etwas zeitverzögert, auch im hydraulischen Steuerraum 90 ein entsprechender Druck PS auf (3d).
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Die Druckfläche 56 an der Außennadel 40 des äußeren Ventilelements 34 und die zum äußeren Ventilelement 34 gehörende Druckfeder 58 sind so ausgelegt, dass der Druck im Druckraum 46, bei dem das äußere Ventilelement 34 öffnet, möglichst klein ist (beispielsweise ungefähr 250 bar), jedoch sichergestellt ist, dass das äußere Ventilelement 34 nicht durch den im Brennraum 20 herrschenden Druck ungewollt geöffnet werden kann. Die Druckfläche 67a an der Innennadel 62 ist sehr klein. Daher genügt eine vergleichsweise schwache Druckfeder 84, um das innere Ventilelement 32 zumindest zunächst zuverlässig in der geschlossenen Stellung zu halten. Entsprechend ergibt sich für das innere Ventilelement 32, bei drucklosem Steuerraum 90, ein vergleichsweise hoher Druck im Druckraum 66 (ungefähr 1200 bar), bei dem das innere Ventilelement 32 erst öffnet. Hierdurch wird sichergestellt, dass das innere Ventilelement 32 auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 10 zuverlässig geschlossen bleibt (3f).
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Aufgrund der Zuströmdrossel 98 hinkt der Druckaufbau im hydraulischen Steuerraum 90 hinter dem Druckaufbau in den Druckräumen 96 und 66 hinterher. Bei einem Druckniveau im Druckraum 66, welches unterhalb jenes Druckniveaus PDI liegt, bei dem das innere Ventilelement 32 öffnet, wird das Schaltventil 104 geöffnet (Zeit t1 in 3b). Über den Kanal 100 und die Abströmdrossel 102 kann der Kraftstoff nun aus dem Steuerraum 90 in die Rücklaufleitung 26 abströmen, so dass der Druck im Steuerraum 90 sinkt. Gleichzeitig steigt der Druck im Druckraum 46 jedoch weiter. Wenn die an der Druckfläche 56 in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Kräfte größer sind als die in Schließrichtung wirkenden Kräfte (Druckfeder 58 und Restdruck PS im Steuerraum 90), hebt die Außennadel 40 von der konischen Gehäusefläche 54 ab, so dass sich ein Hub HA ergibt (3c). Somit kann Kraftstoff durch die Kraftstoff-Austrittskanäle 34 in den Brennraum 20 abströmen.
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Dabei gelangt die Dichtkante 92 an der hydraulischen Steuerfläche 88 in Anlage an die Gehäusefläche 94, wodurch das Abströmen von Kraftstoff aus dem Steuerraum 90 zunächst gestoppt wird. Der Druck im Steuerraum 90 steigt nun wieder etwas. Die Dimensionen der hydraulischen Steuerfläche 88 zu beiden Seiten der Dichtkante 92 sind so ausgelegt, dass das äußere Ventilelement 34 bei einem gewissen Druck wieder etwas öffnet, sich die Dichtkante 92 also von der Gehäusefläche 94 wieder etwas entfernt. Es schwingt sich nun ein Zustand ein, bei dem im Steuerraum 90 ein leicht ansteigender Zwischendruck herrscht, und bei dem das äußere Ventilelement 34 nicht ganz geöffnet ist. Durch den Spalt zwischen Dichtkante 92 und Gehäusefläche 94 strömt eine gewisse Menge von Kraftstoff aus dem Steuerraum 90 zur Rücklaufleitung 26. Durch diese ”Drossel” wird ein großer Strömungsverlust verhindert.
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Die Kraftstoff-Austrittskanäle 38 haben einen vergleichsweise geringen Querschnitt. Hierdurch und aufgrund der geringen Strömungsverluste im Steuerraum 90 steigt der Druck PD im Druckraum 46 während der Einspritzung deutlich an, abhängig von der Lastsituation der Brennkraftmaschine 10. Das genaue Ausmaß kann durch eine entsprechende Dimensionierung der einschlägigen Parameter eingestellt werden. Dabei verhindert der im Steuerraum 90 aufrechterhaltene hydraulische Druck PS zuverlässig, dass das innere Ventilelement 32 öffnet. Grund hierfür ist unter anderem die Tatsache, dass die in Schließrichtung wirkende hydraulische Steuerfläche 86 um ein Vielfaches größer ist als die in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche 67a.
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Im Hinblick auf die Geräusch- und Emissionsentwicklung der Brennkraftmaschine 10 ist so ein sehr günstiger rampenförmiger Druckverlauf im gesamten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine auch bei sehr hohen Einspritzdrücken möglich, ohne dass das innere Ventilelement 32 öffnet. Außerdem sind sehr hohe Einspritzdrücke realisierbar, insbesondere bei kleinen einzuspritzenden Kraftstoffmengen und einer kurzen Öffnungsdauer des äußeren Ventilelements 34, indem der Öffnungsdruck des äußeren Ventilelement 34 entsprechend angehoben wird.
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Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird das Schaltventil 104 geschlossen (3b), und kurz darauf wird das Schaltventil 106 geöffnet (3a). Da der Druck im Druckraum 66 zunächst noch deutlich höher ist als im Steuerraum 90, ergibt sich im Steuerraum 90 zunächst ein Druckanstieg auf einen maximalen Druck PY, welcher etwas niedriger ist als der Druck PY, der zum gleichen Zeitpunkt im Druckraum 66 herrscht. Das Verhältnis PX zu PY kann durch eine entsprechende Auslegung der Zu- und Abströmdrosseln eingestellt werden.
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Da die in Schließrichtung wirkende Steuerfläche 88 größer ist als die in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche 56, beginnt das äußere Ventilelement 34, kurz bevor der Druck im Steuerraum 90 seinen Maximalwert PY erreicht, aktiv zu schließen. Durch den Abstand zwischen dem Öffnen des Schaltventils 104 und dem Schließen des Schaltventils 106 kann der Schließvorgang zwischen vollständig hubgesteuert (Druck im Steuerraum 90) und vollständig druckgesteuert (Druckfeder 58) variiert werden.
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Bei geschlossenem Schaltventil 106 kann durch mehrfaches Schließen und Öffnen des Schaltventils 104 innerhalb eines Einspritzzyklus eine Mehrzahl von Einzeleinspritzungen realisiert werden. Die Öffnungs- und Schließbetätigung des äußeren Ventilelements 34 ist in diesen Fällen vollständig hubgesteuert.
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Wie aus den 4a bis 4f hervorgeht, kann das äußere Ventilelement 34 auch vollkommen druckgesteuert geschlossen werden. Dabei bleibt das Ventil 104 während der Einspritzung geöffnet (4b). In diesem Fall fällt der Druck PS im Steuerraum 90 deutlich früher ab (4d). Das äußere Ventilelement 34 schließt dann aufgrund der Kraft der Druckfeder 58 (Hub HA in 4e), sobald der Druck PD im Druckraum 66 einen bestimmten Wert unterschreitet (4c).
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Soll eine größere Kraftstoffmenge eingespritzt werden, beispielsweise im Volllastbereich der Brennkraftmaschine 10, werden beide Ventilelemente 32 und 34 geöffnet. Dies geschieht folgendermaßen (5a bis 5f):
Zunächst ist das Schaltventil 106 (5a) geöffnet und das Schaltventil 104 (5b) geschlossen. Dann wird das Schaltventil 106 geschlossen, so dass der Druck PD im Druckraum 66 ansteigt (5c). Eine Zeit t2 danach wird das Schaltventil 104 geöffnet (5b). Dies entspricht grundsätzlich noch jenem Fall, in dem nur das äußere Ventilelement 34 geöffnet wird, wobei das Schaltventil 104 jedoch im Vergleich zu 3e länger geschlossen bleibt (t2 > t1).
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Daher sinkt der Druck PS im Steuerraum 90 erst dann ab, wenn der Druck PD im Druckraum 66 oberhalb des Öffnungsdrucks PDI des inneren Ventilelements 32 liegt, so dass bei der anschließenden Druckabsenkung im Steuerraum 90 das innere Ventilelement 32 ebenfalls öffnet (vergleiche Hub HI in 5f). Das innere und äußere Ventilelement 32 und 34 öffnen üblicherweise gleichzeitig, wobei ein leichtes Vorauseilen des äußeren Ventilelements 34 möglich ist (Zeitraum t3 in 5f). Somit stehen beide Reihen von Kraftstoff-Austrittskanälen 36 und 38 im Wesentlichen sofort zur Verfügung, wodurch auch bei großen abzugebenden Kraftstoffmengen kurze Einspritzzeiten realisiert werden können.
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Nach dem Öffnen des inneren Ventilelements 32 vergrößert sich prinzipbedingt die in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche, da nach dem Abheben der Innennadel 62 auch die Druckfläche 67b vom Einspritzdruck PD beaufschlagt wird. Dies führt dazu, dass das innere Ventilelement 32 auch dann geöffnet bleibt, wenn der Druck PD wieder unter den Öffnungsdruck PDI abfallen sollte. Somit sind Schließdrücke für das innere Ventilelement 32 möglich, welche deutlich unter dem Öffnungsdruck PDI liegen.
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Das Ende einer Einspritzung wird ähnlich wie oben beschrieben herbeigeführt. Hubgesteuert können beide Ventilelemente 32 und 34 geschlossen werden, indem das Schaltventil 104 geschlossen wird, was zu einem entsprechenden Druckanstieg im hydraulischen Steuerraum 90 führt (vergleiche 5b). Grundsätzlich denkbar ist aber auch ein rein druckgesteuertes Schließen, indem das Schaltventil 104 ebenso wie das Schaltventil 106 geöffnet werden. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Schaltventil 104 kurz nach dem Öffnen des Schaltventils 106 geschlossen.
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Die Verhältnisse der Druckflächen 56 beziehungsweise 67a, 67b zu den hydraulischen Steuerflächen 86 und 88 begünstigen beim äußeren Ventilelement 34 den Schließvorgang im Vergleich zum inneren Ventilelement 32. Hubgesteuerten würde das äußere Ventilelement 34 daher vor dem inneren Ventilelement 32 schließen. Um dies zu vermeiden, greift der Absatz 76 an der Endhülse 44 des äußeren Ventilelements 34 beim Schließvorgang am Kragen 74 des Zwischenstücks des inneren Ventilelements 32 im Sinne eines Mitnehmers an, so dass das innere Ventilelement 32 und das äußere Ventilelement 34 weitgehend zeitgleich schließen. Eine bestimmte Schließreihenfolge ist dabei nicht erforderlich, da beide Reihen von Kraftstoff-Austrittskanälen 36 und 38 unabhängig vom Öffnungszustand des jeweils anderen Ventilelements mit dem Einspritzdruck PD beaufschlagt werden.
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In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel wird auf das Schaltventil 104 verzichtet. Somit ist keine vollständige Trennung des hydraulischen Steuerraums von der Rücklaufleitung 26 möglich. Während einer Einspritzung ist der Druck im Steuerraum 90 daher geringer als bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel. Dies muss durch eine entsprechende Auslegung der Druckflächen 56 sowie 67a und 67b und der hydraulischen Steuerflächen 86 und 88 kompensiert werden. Dabei muss gegebenenfalls ein geringerer Öffnungsdruck des inneren Ventilelements 32 in Kauf genommen werden.
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Bei einer weiteren, in der Zeichnung nicht dargestellten Variante wird auf den radialen Kanal 68 verzichtet, durch den die Kraftstoff-Austrittsöffnungen 36, die dem inneren Ventilelement 32 zugeordnet sind, unabhängig vom Schaltzustand des äußeren Ventilelements 34 mit Kraftstoff versorgt werden können, der unter dem Einspritzdruck PD steht. Ein synchrones Öffnen der beiden Ventilelemente 32 und 34 ist in diesem Falle nicht möglich. Stattdessen öffnet das äußere Ventilelement 34 immer zuerst.
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Möglich ist auch, die Druckfeder 58 in axialer Richtung gesehen hinter der Druckfeder 84 anzuordnen. In diesem Fall kann der Durchmesser der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 verringert werden.
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Denkbar, in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt, ist ferner, dass dann, wenn nur ein Ventilelement öffnen soll, dies das innere Ventilelement 32 ist. In diesem Fall müssen die Druckflächen 56, 67a und 67b sowie die hydraulischen Steuerflächen 86 und 88 entsprechend ausgelegt werden, und die Dichtkante 92 sitzt dann nicht an der Endhülse 44, sondern beispielsweise am Druckbolzen 78 des inneren Ventilelements 32.
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Schließlich sei darauf hingewiesen, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 18 nach dem Pumpe-Düse-Prinzip gezeigt ist, dass die Ansteuermöglichkeiten der 3 bis 5 jedoch auch bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung realisiert werden können, die an eine Kraftstoff-Sammelleitung (”Common-Rail”) angeschlossen ist.
