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Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
aus, wie es dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht und aus der Schrift
WO 02/42637 A1 bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil
weist eine Ventilaußennadel und
eine Ventilinnennadel auf, wobei die Ventilinnennadel in der Ventilaußennadel
geführt
ist. Sowohl die Ventilaußennadel
als auch die Ventilinnennadel wirken mit einem Ventilsitz zusammen
und steuern dabei jeweils die Öffnung
wenigstens einer Einspritzöffnung.
Im Kraftstoffeinspritzventil ist ein innerer Steuerraum ausgebildet,
der mit Kraftstoff gefüllt
ist und durch dessen Druck eine Schließkraft in Richtung des Ventilsitzes
auf die Ventilinnennadel ausgeübt wird.
Darüber
hinaus ist ein Steuerventil vorhanden, durch welches der Druck im
inneren Steuerraum abgesenkt oder erhöht werden kann. Eine Öffnungskraft
auf die Ventilinnennadel wird durch hydraulische Beaufschlagung
von Teilen der Ventilinnennadel erzeugt. Je nach Druck im inneren
Steuerraum bleibt die Ventilinnennadel geschlossen oder hebt nach dem
Abheben der Ventilaußennadel,
angetrieben durch die hydraulische Öffnungskraft, vom Ventilsitz ab
und gibt die von ihr gesteuerte Einspritzöffnung frei.
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Das
bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist hierbei jedoch den Nachteil
auf, dass die Einspritzrate bei Volllastbetrieb nur begrenzt schnell
ansteigen kann. Zuerst muss hier die Ventilaußennadel vom Ventilsitz abgehoben
haben, damit auf die Ventilinnennadel eine hydraulische Öffnungskraft
wirkt und diese sich in Bewegung setzen kann. Der gesamte Einspritzquerschnitt
wird somit sukzessiv aufge steuert, weshalb sich steile Anstiege
der Einspritzrate zu Beginn der Einspritzung nicht darstellen lassen.
Dies erhöht
die Einspritzdauer im Volllastbetrieb, was sich ungünstig auf
die Leistung und auf den Verbrennungsablauf auswirkt.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit ineinander geführten Ventilnadeln
ein ebenso steiler Anstieg der Einspritzrate erreicht werden kann
wie bei einem Einspritzventil mit nur einer Ventilnadel. Hierzu
ist die Ventilinnennadel separat ansteuerbar und kann bereits öffnen, ehe
die Ventilaußennadel
den Einspritzquerschnitt freigibt. Durch diese unabhängige Steuerbarkeit
der Ventilnadeln ist der steile Einspritzverlaufsanstieg zu Beginn
der Einspritzung erreichbar, ohne die Flexibilität hinsichtlich eines Einspritzquerschnittes
aufzugeben, der bei Bedarf auch nur teilweise aufgesteuert werden
kann. Durch einen Druckstufenraum, der mit Kraftstoff befüllbar ist
und durch den eine hydraulische Kraft auf die Ventilinnennadel in Öffnungsrichtung
ausgeübt
werden kann, wird bei Absenkung des Kraftstoffdrucks im inneren
Steuerraum die Ventilinnennadel in ihre Öffnungsposition, d.h. weg vom
Ventilsitz gefahren, so dass die inneren Einspritzöffnungen
zwar freigegeben werden, aber eine Einspritzung vorerst nicht erfolgt.
Erst nachdem die Ventilaußennadel
vom Ventilsitz abhebt, fließt Kraftstoff
zu den Einspritzöffnungen,
und der gesamte Einspritzquerschnitt wird gleichzeitig mit Kraftstoff versorgt.
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Durch
die abhängigen
Ansprüche
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Druckstufenraum
mit dem Hochdruckbereich verbunden, der auch für die Kraftstoffversorgung
der Einspritzöffnungen
sorgt. Dies erlaubt eine einfache Konstruktion, ohne dass weitere
Hochdruckkanäle
im Gehäuse
des Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen werden müssten.
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Besonders
vorteilhaft ist die Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils mittels
eines einzigen Steuerventils, das vorzugsweise als 3/3-Wege-Ventil
ausgebildet ist. Das 3/3-Wege-Ventil umfasst einen Ventilsteuerraum,
der mit dem inneren Steuerraum, einem äußeren Steuerraum, der der Schließkrafterzeugung
auf die Ventilaußennadel
dient, und mit einem Leckölraum
verbunden ist. Durch das Steuerventilglied, das im Steuerventilraum
beweglich ist, können die
einzelnen Ab- und Zuläufe
des Ventilsteuerraums geöffnet
und geschlossen werden. Vorteilhaft ist hierbei eine Funktion, bei
der das Steuerventilglied in einer ersten Schaltposition den Leckölablauf
verschließt,
in einer zweiten Schaltposition sämtliche Zu- und Abläufe im Ventilsteuerraum öffnet und
in einer dritten Schaltposition den Ablauf aus dem inneren Steuerraum
verschließt,
während
es den Ablauf aus dem äußeren Steuerraum
und die Leckölablauf öffnet. Insbesondere
ist es hierbei vorteilhaft, wenn das Steuerventilglied durch einen
Piezoaktor gesteuert wird, so dass zwischen der ersten und der dritten Schaltposition
jede Zwischenposition angefahren werden kann, so dass die Zu- und
Abläufe
auch gedrosselt geöffnet
werden können.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt.
Es zeigt
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1 ein
Kraftstoffeinspritzventil mit seinen wesentlichen Komponenten im
Längsschnitt,
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2 ein
Diagramm, das den Nadelhub von Ventilinnen- und Ventilaußennadel
und die Einspritzrate bei den bisher bekannten Kraftstoffeinspritzventilen
als Funktion der Zeit darstellt und
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3 ein
Diagramm in gleicher Darstellung wie 2, wobei
hier der Verlauf beim erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt ist.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst ein Gehäuse 1,
das in 1 im Längsschnitt
dargestellt ist und das auch mehrteilig ausgeführt sein kann.
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Im
Gehäuse 1 ist
eine Bohrung 3 ausgebildet, an deren brennraumseitigem
Ende ein im wesentlichen konischer Ventilsitz 7 ausgebildet
ist. Vom Ventilsitz 7 gehen innere Einspritzöffnungen 22 und äußere Einspritzöffnungen 20 aus,
die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum
münden.
Die Bohrung 3 weist eine radiale Erweiterung auf, die einen
Druckraum 5 bildet und in die ein im Gehäuse 1 verlaufender
Zulaufkanal 8 mündet. Über den
Zulaufkanal 8 lässt
sich der Druckraum 5 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllen, so
dass der Zulaufkanal 8 und der Druckraum 5 einen
Hochdruckbereich bilden. Die Ventilaußennadel 10 wird in einem
mittleren Abschnitt in der Bohrung 3 dichtend geführt und
verjüngt
sich dem Ventilsitz 7 zu unter Bildung einer Druckschulter 15.
An ihrem ventilsitzseitigen Ende geht die Ventilaußennadel 10 in
eine im wesentlichen konische äußere Dichtfläche 17 über, mit
der die Ventilaußennadel 10 mit
dem Ventilsitz 7 zusammenwirkt. Das Zusammenwirken ist
hierbei dergestalt, dass der Kraftstoff aus dem Druckraum 5 bei
vom Ventilsitz 7 abgehobener Ventilaußennadel 10 durch
die äußeren Einspritzöffnungen 20 in
den Brennraum eingespritzt wird, während bei Anlage der Ventilaußennadel 10 auf
dem Ventilsitz 7 die äußeren Einspritzöffnungen 20 verschlossen
bleiben.
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In
der Ventilaußennadel 10 ist
eine Ventilinnennadel 12 angeordnet, die kolbenförmig ausgebildet
ist und die an ihrem ventilsitzseitigen Ende in eine ebenfalls im
wesentlichen konische innere Dichtfläche 19 übergeht,
mit der die Ventilinnennadel 12 mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkt.
Hierbei steuert die Ventilinnennadel in der gleichen Weise wie die
Ventilaußennadel 10 die Öffnung der
inneren Einspritzöffnungen 22.
Im Gegensatz zur Ventilaußennadel 10 erfolgt
eine Einspritzung durch die inneren Einspritzöffnungen 22 nur, wenn
beim Abheben der Ventilinnennadel 12 vom Ventilsitz 7 die
Ventilaußennadel 10 bereits
vom Ventilsitz 7 abgehoben hat und der Kraftstoffdruck
aus dem Druckraum 5 an der Ventilinnennadel 12 anliegt.
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Die
Ventilaußennadel 10 ragt
mit ihrem ventilsitzabgewandten Ende in einen äußeren Steuerraum 25,
in dem eine Schließfeder 27 unter
Druckvorspannung angeordnet ist. Die Schließfeder 27 stützt sich
hierbei mit einem Ende an der Ventilaußennadel 10 ab und
mit dem anderen Ende an einem ortsfesten Anschlag 23 im
Gehäuse 1.
Die Ventilaußennadel 10 ist
in der Bohrung 3 längsverschiebbar, wobei
sie sich zwischen den beiden Endpositionen bewegt: zum einen in
Anlage am Ventilsitz 7 und zum anderen in Anlage am ortsfesten
Anschlag 23. Der äußere Steuerraum 25 ist
hierbei über
eine Zulaufdrossel 39 mit dem Zulaufkanal 8 verbunden.
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Die
Ventilinnennadel 12 geht an ihrem ventilsitzabgewandten
Ende in einen Kolben 32 über, der dichtend in einer
Kolbenbohrung 31 längsverschiebbar
geführt
ist. Der Kolben 32 trennt einen Druckstufenraum 34 und
einen inneren Steuerraum 36, durch deren Druck die entgegengesetzten
Flächen
des Kolbens 32 mit Kraftstoffdruck beaufschlagt werden.
Der Druckstufenraum 34 ist über einen Zulauf 35 mit
dem Zulaufkanal 8 verbunden und der innere Steuerraum 36 über eine
Zulaufdrossel 37.
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Im
Gehäuse 1 ist
ein Steuerventil 40 ausgebildet, das einen Steuerventilraum 42 umfasst.
In den Steuerventilraum 42 mündet eine Ablaufdrossel 38, die
den inneren Steuerraum 36 mit dem Steuerventilraum 42 verbindet.
Ebenso ist der äußere Steuerraum 25 über eine
Ablaufdrossel 29 mit dem Steuerventilraum 42 verbunden.
Darüber
hinaus ist im Gehäuse 1 ein
Leckölablauf 50 ausgebildet,
der den Steuerventilraum 42 mit einem in der Zeichnung
nicht dargestellten Leckölraum
verbindet, in dem ein niedriger Druck herrscht. Im Steuerventilraum 42 ist
ein Steuerventilglied 44 längsverschiebbar angeordnet, wobei
das Steuerventilglied 44 von einem Aktor, vorzugsweise
von einem Piezoaktor, in Längsrichtung im
Steuerventilraum 42 bewegbar ist, so dass es zwischen einem
ersten Ventilsitz 45 und einem zweiten Ventilsitz 47 stufenlos
hin- und herbewegt werden kann. Die Bewegung des Steuerventilglieds 44 erfolgt
hierbei entgegen der Kraft einer Rückholfeder 49, die
beim Fehlen weiterer Kräfte
das Steuerventilglied 44 in Anlage am ersten Ventilsitz 45 hält.
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Die
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt:
Zu
Beginn des Arbeitszyklus befindet sich das Steuerventilglied 44 in
Anlage am ersten Ventilsitz 45, so dass der Leckölablauf 50 zum
Leckölraum
unterbrochen ist. Im Steuerventilraum 42 herrscht durch
die Verbindung über
die Ablaufdrossel 38, den inneren Steuerraum 36 und
die Zulaufdrossel 37 derselbe Kraftstoffdruck wie im Zulaufkanal 8.
Bei sogenannten Common-Rail-Systemen herrscht im Zulaufkanal 8 stets
ein vorgegebener, hoher Kraftstoffdruck, der dem Einspritzdruck entspricht.
Ebenso herrscht im inneren Steuerraum 36 derselbe, hohe
Kraftstoffdruck, der schließlich
auch im Druckstufenraum 34 anliegt. Da die vom Kraftstoffdruck
im inneren Steuerraum 36 beaufschlagte Fläche des
Kolbens 32 größer ist
als die vom Kraftstoffdruck des Druckstufenraums 34 beaufschlagte
Fläche, übt der Kolben 32 eine
Kraft in Richtung des Ventilsitzes 45 auf die Ventilinnennadel 12 aus,
die diese in ihrer Schließstellung
hält. Wegen
der Verbindung des äußeren Steuerraums 25 über die
Zulaufdrossel 39 mit dem Zulaufkanal 8 ist der
hohe Kraftstoffdruck auch hier vorhanden und sorgt dafür, dass
die Ventilaußennadel 10 in
ihrer Schließstellung
verharrt.
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Soll
eine Einspritzung nur durch die äußeren Einspritzöffnungen 20 erfolgen,
so wird das Steuerventilglied 44 mit hoher Geschwindigkeit
vom ersten Ventilsitz 45 zum zweiten Ventilsitz 47 gefahren.
Dabei öffnet
sich der Leckölablauf 50 und
die Ablaufdrossel 38 wird gegenüber dem Steuerventilraum 42 verschlossen.
Die Zulaufdrossel 39 und die Ablaufdrossel 29 sind
so aufeinander abgestimmt, dass im äußeren Steuerraum 25 nun
der Kraftstoffdruck abfällt,
da eine offene Verbindung des Steuerventilraums 42 zum
Leckölraum
besteht. Hierdurch erniedrigt sich die die hydraulische Kraft auf
die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilaußennadel 10, der jedoch
eine unverändert
hohe hydraulische Kraft in Öffnungsrichtung
auf die Druckschulter 15 entgegensteht. Deshalb verschiebt
sich das Kräftegleichgewicht
zu Gunsten der Öffnungskräfte und
die Ventilaußennadel 10 hebt
vom Ventilsitz 7 ab und gibt die äußeren Einspritzöffnungen 20 frei,
und der unter hohem Druck stehende Kraftstoff im Druckraum 5 wird durch
die äußeren Einspritzöffnungen 20 in
den Brennraum eingespritzt. Zur Beendigung der Einspritzung wird
das Steuerventilglied 44 wieder in Anlage an den ersten
Ventilsitz 45 gebracht, so dass sich die alten Druckverhältnisse
wieder einstellen und die Ventilaußennadel 10 durch
die größeren Flächen im äußeren Steuerraum 25 im
Gegensatz zur Fläche
der Druckschulter 15 zurück in Anlage an den Ventilsitz 7 fährt.
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Soll
eine Einspritzung durch sämtliche
Einspritzöffnungen 20, 22 erfolgen,
so wird das Steuerventilglied 44 durch den Aktor in eine
Mittelstellung zwischen dem ersten Ventilsitz 45 und dem
zweiten Ventilsitz 47 gefahren. Durch den jetzt offenen Leckölablauf 50 sinkt
der Druck im Steuerventilraum 42 und damit auch im inneren
Steuerraum 36 und im äußeren Steuerraum 25.
Da der Kraftstoffdruck im Druckstufenraum 34 nach wie vor
unverändert
hoch bleibt, ergibt sich auf den Kolben 32 eine sehr rasch ansteigende
Kraft vom Ventilsitz 7 weg, bei der die Ventilinnennadel 12 vom
Ventilsitz 7 abhebt, solange die Ventilaußennadel 10 noch
am Ventilsitz 7 anliegt. Erst bei weiterem Druckabfall
im äußeren Steuerraum 25 durchfährt auch
die Ventilaußennadel 10 ihren Öffnungshub
und gibt, da die Ventilinnennadel 12 bereits vom Ventilsitz 7 abgehoben
hat, sämtliche Einspritzöffnungen 20, 22 frei,
durch die dann gleichzeitig eine Kraftstoffeinspritzung startet.
Zur Beendigung der Einspritzung wird das Steuerventilglied 44 wieder
in Anlage an den ersten Ventilsitz 45 gefahren, so dass
sich die anfangs vorhandenen Druckverhältnisse im Kraftstoffeinspritzventil
wieder einstellen, die die Ventilnadeln 10, 12 zurück in ihre
Schließstellung
drücken.
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2 zeigt
den Verlauf des Nadelhubs der Außennadel ha und
des Hubs der Innennadel hi als Funktion
der Zeit t. Darüber
hinaus ist die Einspritzrate Q dargestellt, wobei jeweils relative
Einheiten verwendet wurden. Der dargestellte Verlauf ergibt sich bei
einem Kraftstoffeinspritzventil, das aus dem Stand der Technik bekannt
ist und bei dem die Ventilaußennadel 10 vor
der Ventilinnennadel 12 öffnet. Die Einspritzrate Q
steigt an, sobald die Ventilaußennadel 10 vom
Ventilsitz 7 abhebt, bis auf einen Wert Qvor,
der einer Voreinspritzung entspricht. Erst nach Abheben der Ventilinnennadel 12 vom
Ventilsitz 7 werden sämtliche
Einspritzöffnungen 20, 22 freigegeben,
was sich in einem weiteren Anstieg der Einspritzrate Q bis auf den
Maximalwert Qmax äußert. Bei Volllast ist man
hingegen daran interessiert, die Einspritzrate Q rasch bis zum Wert
Qmax hochzufahren, um möglichst viel Kraftstoff in
der gegebenen Zeit in den Brennraum einbringen zu können.
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Bei
dem erfindungsgemäßen und
vorstehend beschrieben Kraftstoffeinspritzventil ergibt sich ein
Verlauf von Nadelhub h und Einspritzrate Q, wie er in 3 dargestellt
ist. Die Ventilinnennadel 12 öffnet vor der Ventilaußennadel 10,
so dass deren Hub hi früher seinen Maximalwert erreicht
als der Hub der Ventilaußennadel
ha. Die Einspritzrate Q steigt, sobald die Ventilaußennadel 10 vom
Ventilsitz 7 abhebt, sehr rasch auf ihren Maximalwert Qmax. Somit lässt sich die gewünschte Kraftstoffmenge
in kürzerer
Zeit einbringen.