DE60015218T2

DE60015218T2 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE60015218T2
Application number: DE60015218T
Authority: DE
Inventors: Malcolm David Dick Bromley Lambert
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: EP1041272A2; EP1041272B1; US6471142B1; EP1338788B1; EP1041272A3; DE60020273D1; DE60015218D1; DE60020273T2; EP1338788A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, das dafür vorgesehen ist, Kraftstoff unter Druck an den Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine abzugeben. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil, das sich für den Gebrauch in einem Kraftstoffsystem mit gemeinsamer Druckleitung ("common rail fuel system") eignet, um Kraftstoff an einen Motor mit Selbstzündung (Dieselmotor) abzugeben, wobei das Einspritzventil von dem Typus ist, bei dem die Strecke, über die sich die Einspritznadel während eines Einspritzzyklus bewegt, gesteuert wird.
Es ist bekannt, Kraftstoffeinspritzventile mit zwei- oder mehrstufiger Anhebung einzusetzen, um es zu ermöglichen, dass die Menge bzw. Menge pro Zeiteinheit, mit der Kraftstoff abgegeben wird, oder das Kraftstoff-Strahlmuster im Betrieb variiert werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine innere Nadel innerhalb einer Bohrung angeordnet wird, die in einer äußeren Nadel gebildet ist, wobei die innere Nadel so gestaltet ist, dass sie an ihrem Sitz verbleibt, wenn die äußere Nadel über eine kleine Wegstrecke hinweg bewegt wird, und sich weg von ihrem Sitz bewegt, wenn die äußere Nadel über eine größere Wegstrecke hinweg bewegt wird. In einer solchen Anordnung kann die Einspritzung von Kraftstoff beispielsweise auf die anfängliche, geringe Bewegung hin durch einige wenige Auslassöffnungen und anschließend auf die nachfolgende Bewegung der äußeren und der inneren Nadel hin durch eine größere Anzahl von Öffnungen erfolgen. Dies führt dazu, dass die Einspritzrate und das Strahlmuster in Betrieb variiert werden können. Andere Einspritzparameter können ebenfalls unter Einsatz dieser Technik gesteuert oder variiert werden. Es sollte jedoch klar sein, dass andere Techniken zum Steuern der verschiedenen Einspritzparameter durch Steuern der Weglänge, die von der Ventilnadel zurückgelegt wird, bekannt sind.
Die Weglänge, über die hinweg die Ventilnadel bewegt wird, wird typischerweise durch Steuern des Energieniveaus und damit der axialen Länge eines piezoelektrischen Stapels gesteuert. Solch eine Stellgliedtechnik wird jedoch als nicht wünschenswert erachtet, da piezoelektrische Stapel mit Abmessungen, die sie für die Verwendung in einem solchen Anwendungsbereich geeignet machen, relativ teuer und schwer zu steuern sind.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 829 641 (Isuzu Motors Limited) beschreibt eine Kraftstoffeinspritz-Vorrichtung, in der der wirksame Öffnungsbereich einer Austrittsöffnung stufenweise verändert wird, um die Anhebegeschwindigkeit der Ventilnadel zu steuern, damit das Muster der anfänglichen Kraftstoff-Einspritzrate flexibel gestaltet werden kann.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 949 415 (Robert Bosch GmbH) beschreibt ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Einspritzventilelement, dessen Offen- oder Geschlossenstellung durch einen Druck festgelegt wird, der auf dieses Einspritzventilelement einwirkt und der in einer Steuerungskammer eingestellt wird. Um eine Einspritzung durchzuführen, muss der Druck in der Steuerungskammer abgebaut werden, und dies wird mit Hilfe eines Steuerventils erreicht, das schrittweise zwei verschiedene Abfluss-Querschnitte einer Abflussleitung der Steuerungskammer öffnet. Damit kann eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung von Kraftstoff durchgeführt werden.
Es ist Gegenstand der Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzventil bereitzustellen, in dem die Wegstrecke, die von einer Ventilnadel des Einspritzventils zurückgelegt wird, gesteuert werden kann und bei dem die voranstehend erwähnten Nachteile verhindert oder abgemildert sind.
Erfindungsgemäß wird ein Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellt, umfassend eine Ventilnadel, die innerhalb einer ersten Bohrung verschieblich angeordnet ist und an einem Ventilnadel-Sitz zur Anlage gelangen kann, um die Kraftstoffabgabe durch eine Auslassöffnung zu steuern, wobei eine mit der Ventilnadel in Verbindung stehende Oberfläche dem Kraftstoffdruck innerhalb einer Steuerungskammer ausgesetzt ist, und eine Steuerungsventil-Anordnung zum Steuern des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerungskammer, um die Bewegung der Ventilnadel zu steuern, worin die Steuerungskammer mit ihr in Verbindung stehende erste und zweite Durchtrittsmittel besitzt, die es ermöglichen, dass Kraftstoff aus der Steuerungskammer austreten kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsventil-Anordnung nur ein einziges bewegbares Ventilelement aufweist, das zwischen einem ersten und einem zweiten Ventilsitz bewegbar ist und entweder in einem ersten Betriebsmodus, in dem das Ventilelement gegen den ersten Ventilsitz sitzt, derart, dass der Bewegungsbetrag der Ventilnadel von den Abmessungen des ersten, in einem Gehäuse angeordneten Durchtrittsmittels abhängt, oder in einem zweiten Betriebsmodus, in dem das Ventilelement sowohl vom ersten als auch vom zweiten Ventilsitz einen Abstand besitzt, derart, dass der Bewegungsbetrag der Ventilnadel von den Abmessungen des zweiten Durchtrittsmittels bestimmt wird, betrieben werden kann, und worin das Verändern des Bewegungsbetrags oder der Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilelements zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilsitz eine Veränderung des Bewegungsbetrags oder der Bewegungsgeschwindigkeit der Ventilnadel weg vom Ventilnadelsitz erlaubt.
Da der Bewegungsbetrag der Ventilnadel variiert werden kann, kann im Betrieb die Rate des Anstiegs an Kraftstoffabgabe variiert werden.
Die Ventilnadel gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung kann vom sich nach innen öffnenden oder sich nach außen öffnenden Typ sein.
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine teilweise im Querschnitt gezeigte Ansicht eines Kraftstoffeinspritzventils ist;
2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der 1 ist; die 3 und 4 Ansichten sind, die denen der 1 und 2 vergleichbar sind und ein alternatives Kraftstoffeinspritzventil zeigen;
5 eine Ansicht ist, die denen der 1 und 3 vergleichbar ist und ein weiteres alternatives Kraftstoffeinspritzventil zeigt;
6 eine schematische Ansicht ist, die ein weiteres Kraftstoffeinspritzventil illustriert;
7 eine Querschnitts-Ansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem anderen Kraftstoffeinspritzventil ist;
8 eine vergrößerte Querschnitts-Ansicht eines Teils des Kraftstoffeinspritzventils der 7 ist;
9 eine Querschnitts-Ansicht eines weiteren alternativen Kraftstoffeinspritzventils ist;
10 eine Querschnitts-Ansicht eines Teils des in 9 gezeigten Kraftstoffeinspritzventils ist;
11 eine Querschnitts-Ansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
12 eine Querschnitts-Ansicht eines Teils des in 11 gezeigten Kraftstoffeinspritzventils ist;
13 eine Querschnitts-Ansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
14 eine Querschnitts-Ansicht eines Teils des in 13 gezeigten Kraftstoffeinspritzventils ist.
Um des Lesers Verständnis der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu unterstützen, werden die folgenden 1 bis 10 im Einzelnen beschrieben. Die 11 bis 14 zeigen Ausführungsformen der Erfindung, auf die sich die Ansprüche beziehen.
Die 1 und 2 illustrieren ein "common rail" Kraftstoffeinspritzventil, welches eine Ventilnadel 10 aufweist, die in einer in einem Düsenkörper 12 gebildeten Bohrung 11 verschieblich angeordnet ist. Die Nadel 10 und die Bohrung 11 bilden zusammen eine Abgabekammer 13, die sich unmittelbar stromaufwärts einer Sitz-Oberfläche befindet, an der die Nadel 10 zur Anlage gelangen kann, um die Zufuhr von Kraftstoff aus der Abgabekammer 13 an einen ersten Satz von Auslassöffnungen 8 zu steuern, der sich unmittelbar stromabwärts der Linie befindet, entlang der die Nadel 10 und die Sitzfläche aneinander zu liegen kommen. Die Nadel 10 ist mit einer geschlossenen Bohrung ausgestattet, innerhalb der eine innere Nadel 14 verschieblich angeordnet ist. Die innere Nadel 14 wird innerhalb der geschlossenen Bohrung gefangen gehalten und so angeordnet, dass auf eine Bewegung der Nadel 10 weg von der Sitzoberfläche über eine geringe Wegstrecke hinweg die innere Nadel 14 in Anlage mit der Sitzoberfläche bleibt, was verhindert, dass Kraftstoff zu einem zweiten Satz von Auslassöffnungen 9 fließen kann, wobei die Bewegung der Ventilnadel 10 um eine weitere Wegstrecke bewirkt, dass sich die innere Ventilnadel 14 weg von der Sitzoberfläche hebt und es damit möglich macht, dass Kraftstoff durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 9 abgegeben wird. Es sollte klar sein, dass durch das Steuern der Weglänge, über die hinweg die Ventilnadel 10 weg von der Sitzoberfläche angehoben wird, die Anzahl der Auslassöffnungen, durch die Kraftstoff abgegeben wird, gesteuert werden kann, und damit können die Einspritzrate, das Strahlmuster oder andere Einspritz-Charakteristika oder -Parameter gesteuert werden.
Die Bohrung 11 und die Abgabekammer 13 werden im Betrieb über einen Versorgungskanal 15 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Der Versorgungskanal 15 ist aus Drillbohrungen gebildet, die in verschiedenen Teilen des Einspritzventils vorhanden sind, was in weiteren Einzelheiten weiter unten beschrieben wird. Der Versorgungskanal 15 ist so geformt, dass er eine Verengung 16 mit relativ geringem Durchmesser besitzt, die so angeordnet ist, dass sie die Menge bzw. Menge pro Zeiteinheit begrenzt, mit der Kraftstoff der Bohrung und der Abgabekammer 13 zugeführt wird. Der Versorgungskanal 15 ist so angeordnet, dass er im Betrieb an eine Quelle für unter hohem Druck stehenden Kraftstoff angeschlossen wird, beispielsweise ein "common rail", das mit Hilfe einer geeigneten Hochdruck-Kraftstoffpumpe mit Kraftstoff beladen wird, bis ein hoher Druck herrscht.
Wie am deutlichsten aus 2 hervorgeht, ist die Verengung 16 in einem Teil des Versorgungskanals 15 angeordnet, der sich durch ein Abstandsstück 17 erstreckt, welches so angeordnet ist, dass es an einer Endfläche des Düsenkörpers 12 anliegt. Das Abstandsstück 17 ist mit einer sich axial erstreckenden, geschlossenen Bohrung 18 ausgestattet, in die ein oberer Endbereich der Nadel 10 hineinragt. Ein bewegliches Anschlagselement 19 ist innerhalb der Bohrung 18 angeordnet, wobei das bewegliche Anschlagselement 19 kolbenartig mit der Bohrung 18 zusammenpasst. Die untere Außenfläche des beweglichen Anschlagselements 19 bildet zusammen mit der oberen Außenfläche der Nadel 10 eine erste Steuerungskammer 20, die vom Versorgungskanal 15 her durch eine Verengung 21 in beschränktem Ausmaß mit Kraftstoff versorgt wird. Eine Feder 22 ist innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 angeordnet, wobei die Feder 22 zwischen der Nadel 10 und dem beweglichen Anschlagselement 19 eingespannt ist, um eine vorspannende Kraft auf die Nadel 10 auszuüben, die die Nadel 10 in Anlage mit der Sitzfläche drückt.
Die obere Außenfläche des beweglichen Anschlagselements 19 bildet zusammen mit der Bohrung 18 eine zweite Steuerungskammer 23, innerhalb der sich eine zusätzliche Feder 24 befindet, wobei die Feder 24 eine nach unten gerichtete Vorspann-Kraft auf das bewegbare Anschlagselement 19 ausübt. Die Feder 24 spannt das bewegbare Anschlagselement 19 in Richtung der dargestellten Position, in der die untere Endfläche des beweglichen Anschlagselements 19 gegen die obere Endfläche des Düsenkörpers 12 zu liegen kommt. Das untere Ende des beweglichen Anschlagselements 19 ist mit Kreuzschlitzen 25 ausgestattet, die angeordnet sind, um sicherzustellen, dass dann, wenn das bewegliche Anschlagselement 19 diese Stellung einnimmt, Kraftstoff zu oder aus der ersten Steuerungskammer 20 fließen kann.
Eine Drillbohrung 26 mit geringem Durchmesser ist im Abstandsstück 17 angeordnet, um einen verengten Durchflussweg zwischen dem Versorgungskanal 15 und der zweiten Steuerungskammer 23 zur Verfügung zu stellen.
Die vom Düsenkörper 12 abgewandte Endfläche des Abstandsstücks 17 liegt an einem Ventilgehäuse 27 an, das mit einer durchgehenden Bohrung 28 versehen ist, innerhalb der sich ein Steuerungsventilelement 29 befindet. Das Ventilelement 29 besitzt eine Gestalt, die einen Bereich mit verringertem Durchmesser umfasst, der zusammen mit der Bohrung 28 eine Kammer bildet, welche über einen im Ventilgehäuse 27 angeordneten Kanal 30 und einen im Abstandsstück 17 angeordneten Kanal 31 mit der ersten Steuerungskammer 20 in Verbindung steht, wobei der Kanal 31 einen Bereich 312 mit geringem Durchmesser umfasst. Das Ventilelement 29 umfasst einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser, der an einer ersten Sitzfläche 32 zur Anlage gelangen kann, um die Verbindung zwischen dem Kanal 30 und einer Kammer 33 zu steuern, die im Betrieb mit einem Niederdruck-Kraftstoffspeicher in Verbindung steht. Es sollte klar sein, dass dann, wenn das Ventilelement 29 sich mit der ersten Sitzfläche 32 in Anlage befindet, kein Kraftstoff von der ersten Steuerungskammer 20 zum Niederdruck-Kraftstoffspeicher fließen kann. Wenn also der Versorgungskanal 15 mit einer Quelle für unter hohem Druck stehenden Kraftstoff verbunden ist, wird die erste Steuerungskammer 20 in hohem Maße unter Druck gesetzt. Eine Bewegung des Ventilelements 29 weg von der ersten Sitzfläche 32 ermöglicht es, dass Kraftstoff aus der ersten Steuerungskammer 20 herausfließen kann, wobei die verengte Verbindung zwischen der Steuerungskammer 20 und dem Versorgungskanal 15 sicherstellt, dass Kraftstoff nur in geringem Ausmaß in Richtung der ersten Steuerungskammer 20 fließen kann, und als Folge hieraus fällt der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20. Das Ventilelement 29 ist mit Hilfe einer Feder 34 in Richtung der in den 1 und 2 dargestellten Position gespannt, in der sich das Ventilelement 29 in Anlage mit der ersten Sitzfläche 32 befindet.
Verschieblich auf einem Teil des Ventilelements 29 befindet sich ein zweites Ventilelement 35, wobei das zweite Ventilelement 35 eine im wesentlichen kolbenartige Passung auf dem Ventilelement 29 besitzt. Das zweite Ventilelement 35 ist mit Hilfe einer Feder 36 in Anlage mit einer zweiten Sitzfläche 37 gespannt, die sich auf einem Sitzelement 38 befindet, das in dichtender Weise auf dem Abstandsstücke 17 ruht. Das Sitzelement 38 besitzt eine ringförmige Gestalt, die einen mittigen Kanal bildet, der mit einer in dem Abstandsstück 17 vorhandenen Bohrung 39 in Verbindung steht, wobei die Bohrung 39 durch im Abstandsstück 17 und im Ventilgehäuse 27 vorhandene Kanäle mit der Kammer 33 in Verbindung steht. Das Abstandsstück 17 ist mit einer Drillbohrung 40 ausgestattet, die einen Bereich 40a mit geringem Durchmesser aufweist, welcher mit der zweiten Steuerungskammer 23 in Verbindung steht. Eine Kammer 41 ist im Ventilgehäuse 27 ausgebildet und wird von diesem begrenzt, derart, dass Kraftstoff von der Bohrung 40 in Richtung der zweiten Sitzfläche 37 abgegeben wird. Wenn das zweite Ventilelement 35 an der zweiten Sitzfläche 37 zu liegen kommt, kann kein Kraftstoff von der zweiten Steuerungskammer 23 zu der Bohrung 39 und zum Niederdruck-Kraftstoffspeicher fließen, und infolge der Verbindung zwischen dem Versorgungskanal 15 und der zweiten Steuerungskammer 23 steht die zweite Steuerungskammer 23 unter hohem Druck. Wenn das zweite Ventilelement 35 weg von der zweiten Sitzfläche 37 abgehoben wird, kann Kraftstoff aus der zweiten Steuerungskammer 23 entweichen und zur Bohrung 39 fließen, was den Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 abbaut.
Die Bewegung des zweiten Ventilelements 35 wird mit Hilfe des Ventilelements 29 gesteuert. Wie in 2 dargestellt, erstreckt sich das Ventilelement 29 durch eine im zweiten Ventilelement 35 vorhandene Bohrung, wobei ein Hülsenelement 42 am Ventilelement 29 befestigt ist, derart, dass eine Bewegung des Ventilelements 29 in Aufwärtsrichtung in der dargestellten Orientierung über eine vorgegebene Wegstrecke hinaus dazu führt, dass sich die Hülse 42 in Anlage zu dem zweiten Ventilelement 35 bewegt, wobei eine weitere Bewegung des Ventilelements 29 dazu führt, dass sich das zweite Ventilelement 35 weg von der zweiten Sitzfläche 37 hebt.
Die Bewegung des Ventilelements 29 wird mit Hilfe eines elektromagnetischen Betätigungselements 43 gesteuert, das sich innerhalb eines Düsenhalters 44 befindet, der an einer oberen Endfläche des Ventilgehäuses 27 anliegt. Das Betätigungselement 43 kann mit Energie beaufschlagt werden, um einen am Ventilelement 29 befestigten Anker 45 anzuziehen, was eine Bewegung des Ventilelements 29 weg von der ersten Sitzfläche 32 bewirkt.
Im Betrieb, wenn der Versorgungskanal 15 mit einer geeigneten Quelle für unter hohem Druck stehenden Kraftstoff verbunden ist, beispielsweise mit dem "common rail" eines Kraftstoffsystems mit gemeinsamer Druckleitung, die mit Hilfe einer geeigneten Hochdruck-Kraftstoffpumpe auf einen geeignet hohen Druck beladen wurde, und wenn das Betätigungselement 43 ab- bzw. heruntergeschaltet ist, nimmt das Ventilelement 29 die dargestellte Position ein, in der es an der ersten Sitzfläche 32 anliegt, während das zweite Ventilelement 35 an der zweiten Sitzfläche 37 anliegt. Daraus geht hervor, dass sowohl die erste als auch die zweite Steuerkammer 20, 23 unter hohem Druck stehen und dass die Wirkung des komprimierten Kraftstoffs in Verbindung mit der Wirkung der Federn 22, 24 sicherstellt, dass die Ventilnadel 10 an ihrem Sitz anliegt.
Wenn Einspritzung stattfinden soll, wird das Betätigungselement 43 mit Energie beaufschlagt. Eine solche Energiebeaufschlagung bewirkt anfänglich eine Bewegung des Ventilelements 29 weg von der ersten Sitzfläche 32. Dies führt dazu, dass Kraftstoff aus der ersten Steuerungskammer 20 herausläuft. Die relativen Größen der Verengungen 21, 31a sind so gewählt, dass sichergestellt ist, dass unter derartigen Bedingungen der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 abfällt, weil Kraftstoff in geringerem Ausmaß in Richtung der ersten Steuerungskammer 20 fließt als die Menge beträgt, mit der Kraftstoff aus der ersten Steuerungskammer 20 herausfließen kann. Die Verringerung des Kraftstoffdrucks innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 verringert den Nettobetrag der nach unten gerichteten Kraft, die auf der Nadel 10 ruht, und es wird ein Punkt erreicht, jenseits dessen der Kraftstoffdruck innerhalb der Abgabekammer 13, der auf geeignet ausgerichtete Druckflächen der Nadel 10 einwirkt, ausreichend ist, um zu bewirken, dass sich die Nadel 10 gegen die Wirkung des restlichen Kraftstoffdrucks innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 und die Wirkung der Feder 22 weg von der Sitzfläche hebt. Die Bewegung der Nadel 10 wird von der oberen Endfläche der Nadel 10 begrenzt, die sich bis zur Anlage an dem bewegbaren Anschlagselement 19 bewegt, wodurch die Nadel 10 eine mittlere angehobene Stellung einnimmt. Die Weglänge, über die sich die Ventilnadel 10 bewegt, ist ausreichend klein, um sicherzustellen, dass die innere Ventilnadel 14 in Anlage mit ihrem Sitz verbleibt, und deshalb erfolgt die Kraftstoff-Einspritzung nur durch einige der Auslassöffnungen.
Weil der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 hoch ist und die wirksame Fläche des Anschlagselements 29, die diesem Druck ausgesetzt ist, im Vergleich zu derjenigen der Druckflächen der Nadel 10 groß ist, ist die Nadel 10 nicht in der Lage, eine Bewegung des Anschlagselements 19 zu bewirken, und daher bewegt sich die Nadel 10 nicht über die mittlere angehobene Stellung hinaus.
Weil das Ventilelement 29 seine Bewegung in Richtung des Betätigungselements 43 fortsetzt, bewegt sich die Hülse 42 in Anlage mit der unteren Außenfläche des zweiten Ventilelements 35, wobei die fortgesetzte Bewegung dazu führt, dass das zweite Ventilelement 35 weg von der zweiten Sitzfläche 37 angehoben wird. Dies führt dazu, dass Kraftstoff von der zweiten Steuerungskammer 23 wegfließen kann. Die Abmessungen der Bohrung 26 und der Verengung 40a sind derart gewählt, dass sichergestellt ist, dass unter derartigen Bedingungen der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 fällt. Die Wirkung des komprimierten Kraftstoffs innerhalb der Abgabekammer 13 ist ausreichend, um die Ventilnadel 10 dazu zu bringen, sich bis zu einer vollständig angehobenen Stellung zu heben, wobei sie das bewegbare Anschlagselement 19 gegen die Wirkung der Feder 24 und möglicherweise vorhandenen restlichen Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 anhebt, wobei die zusätzliche Bewegung der Ventilnadel 10 ausreichend ist, um zu bewirken, dass sich die innere Ventilnadel 14 weg von der Sitzfläche hebt, was eine Kraftstoffabgabe durch eine größere Anzahl von Öffnungen möglich macht. Es sollte demzufolge klar sein, dass die Einspritzrate, das Strahlmuster oder andere Einspritzparameter während des Betriebs verändert werden können.
Als Folge des Vorhandenseins der Verengung 16 fällt der Kraftstoffdruck innerhalb der Abgabekammer 13 während der Kraftstoff-Einspritzung, und damit ist der Größenbetrag der während der Einspritzung auf die Nadel 10 nach oben einwirkenden Kraft geringer als derjenige, der vor dem Beginn der Einspritzung vorhanden war.
Um die Einspritzung zu beenden, wird das Betätigungselement 43 ab- oder heruntergeschaltet, wodurch das Ventilelement 29 unter der Wirkung der Feder 34 in die dargestellte Position zurückkehrt. Dies führt dazu, dass der Kraftstofffluss sowohl aus der ersten als auch aus der zweiten Steuerungskammer 20, 23 aufhört, und der Kraftstoffdruck innerhalb dieser Kammern steigt infolge ihrer Verbindung mit dem Versorgungskanal 15 an. Da die wirksame Fläche des bewegbaren Anschlagselements 19, die dem Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 ausgesetzt ist, relativ groß ist, führt eine Druckerhöhung der zweiten Steuerungskammer 23 in Verbindung mit der Wirkung der Feder 24 zu einer schnellen anfänglichen Bewegung der Ventilnadel 10 in Richtung ihres Sitzes. Wenn sich das bewegbare Anschlagselement 19 in Anlage mit dem Düsenkörper 12 bewegt hat, führt die weitere Bewegung der Nadel 10 unter der Einwirkung des ansteigenden Kraftstoffdrucks innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 und der Wirkung der Feder 22, zusammen mit der Trägheit der Nadel 10, zu einer schnellen Bewegung der Nadel 10 in Anlage mit der Sitzfläche, was die Abgabe von Kraftstoff beendet. Wie voranstehend erwähnt, fällt der Kraftstoffdruck innerhalb der Abgabekammer 13 während der Einspritzung, und dies hat zur Folge, dass die Reaktion des Einspritzventils darauf, dass das Ventilelement 29 in die dargestellte Position zurückkehrt, schnell ist.
Obwohl in der voranstehenden Beschreibung das Ventilelement 29 als sich im wesentlichen gleichförmig aus der dargestellten Stellung bis zu einer vollständig abgehobenen Stellung bewegend beschrieben ist, sollte klar sein, dass durch eine geeignete Steuerung des energetischen Niveaus des Betätigungselements 43 das Ventilelement 29 in einer Stellung gehalten werden kann, in der die zweite Steuerungskammer 23 über den gesamten Einspritz-Zyklus hinweg unter Druck bleiben kann, wobei sich die Nadel 10 nur bis in die mittlere angehobene Stellung bewegt, in der die innere Ventilnadel 14 in Anlage mit ihrer Sitzfläche verbleibt. Alternativ kann das Ventilelement 29 schnell in seine vollständige abgehobene Stellung bewegt werden, wobei sich die Ventilnadel 10 beinahe sofort in ihre vollständig angehobene Stellung bewegt, statt dass sie zeitweise in der Mittelstellung anhält.
Das in den 3 und 4 gezeigte Einspritzventil ist denjenigen der 1 und 2 ähnlich, und nur die Unterschiede zwischen den Kraftstoffeinspritzventilen sollen in Einzelheiten beschrieben werden. In der Anordnung der 3 und 4 ist die Verengung 16 weggelassen. Um sicherzustellen, dass die Beendigung der Einspritzung schnell erfolgt, ist das obere Ende der Ventilnadel 10 so angeordnet, dass es an einem Kolben 46 angreift, der sich in einem Kolbengehäuse 47 befindet, das vom Düsenkörper 12 und dem Abstandsstück 17 begrenzt wird. Der Kolben 46 besitzt einen größeren Durchmesser als denjenigen, den die Nadel 10 besitzt, wobei die obere Endfläche des Kolbens 46 dem Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 ausgesetzt ist. Da der Kolben 46 und die Ventilnadel 10 unterschiedliche Durchmesser besitzen, ist zwischen ihnen eine Kammer 48 ausgebildet, deren Volumen sich in Abhängigkeit von der Stellung der Nadel 10 verändert. Die Feder 22 ist innerhalb der Kammer 48 angeordnet, wobei die Feder dazu dient, die Ventilnadel 12 gegen ihren Sitz zu drücken, wie bereits zuvor beschrieben. Um die Bildung einer hydraulischen Blockade zu vermeiden, wird die Kammer 48 durch einen Zugang zur Kammer 33, der über einen Kanal 49 erfolgt, entlastet, wobei der Kanal 49 über eine Ausnehmung 48a, die in der unteren Endfläche des Gehäuses 47 ausgebildet ist, mit der Kammer 48 in Verbindung steht.
Der Betrieb der Anordnung ist so, wie voranstehend beschrieben, mit der Änderung, dass während der Einspritzung der Kraftstoffdruck innerhalb der Abgabekammer 13 nicht signifikant abfällt, wobei eine schnelle Beendigung der Einspritzung als ein Ergebnis der Tatsache erfolgt, dass die wirksame Fläche des Kolbens 46, die dem Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 ausgesetzt ist, groß ist und damit die auf die Nadel 10 einwirkende, nach unten gerichtete Kraft schnell ansteigt, weil der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 ansteigt. Ein solcher schneller Anstieg hat zur Folge, dass sich die Nadel 10 schnell in Anlage mit der Sitzfläche bewegt, was die Kraftstoffeinspritzung beendet.
5 zeigt ein weiteres alternatives Kraftstoffeinspritzventil, in welchem der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten und der zweiten Steuerungskammer 20, 23 mit Hilfe von zwei getrennten Betätigungseinrichtungen 43a bzw. 43b gesteuert wird. Zum Zwecke der Klarheit sind die Federn in der ersten und der zweiten Steuerungskammer 20, 23 (zum Vergleich 22 und 24 in 2) in 5 nicht dargestellt. Die erste elektromagnetische Betätigungseinrichtung 43a umfasst ein Ventilelement 29a, das innerhalb einer in einem Ventilgehäuse 27a ausgebildeten Bohrung verschieblich angeordnet ist. Die Betätigungseinrichtung 43a umfasst einen Anker 45a, der am Ventilelement 29a befestigt ist, wobei das Beaufschlagen der Betätigungseinrichtung 43a mit Energie den Anker 45a anzieht, so dass eine Bewegung des Ventilelements 29a weg von seiner Sitzfläche bewirkt wird. Dies ermöglicht es, dass Kraftstoff innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 über den Kanal 31 an der Ventilelement-Sitzfläche vorbei zu niederem Druck fließen kann. Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 wird in vergleichbarer Weise durch das Steuern der Bewegung eines zweiten Ventilelements 29b mit Hilfe der zweiten Betätigungseinrichtung 43b gesteuert. Das zweite Ventilelement 29b ist innerhalb einer Bohrung bewegbar, die in einem weiteren Ventilgehäuse 27b ausgebildet ist, wobei es die Bewegung des zweiten Ventilelements 29b weg von seiner Sitzfläche möglich macht, dass Kraftstoff innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 durch den Kanal 40b (teilweise gezeigt) an der Ventil-Sitzfläche vorbei zu niedrigem Druck fließen kann, um den Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 zu verringern.
Das Einspritzventil in 5 wird ähnlich dem Einspritzventil in den 1 und 2 betrieben. Um also die Ventilnadel 10 nur soweit weg von ihrer Sitzfläche zu bewegen, dass nur einige der Auslassöffnungen aufgedeckt werden, wird das erste Ventilelement 29a weg von seiner Sitzfläche bewegt, damit der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 sinkt. Das zweite Ventilelement 29b verbleibt im Sitz gegen seine Sitzfläche, so dass der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 hoch bleibt. Unter solchen Umständen ist die nach oben gerichtete Bewegung der Ventilnadel 10 dadurch begrenzt, dass sich die obere Endfläche der Nadel 10 in Anlage mit dem Anschlagselement 19 bewegt. Die Wegstrecke, über die hinweg sich die Ventilnadel 10 bewegt, ist ausreichend klein, um sicherzustellen, dass die innere Ventilnadel 14 in Anlage mit ihrem Sitz verbleibt, so dass die Kraftstoffeinspritzung nur durch einige der Auslassöffnungen erfolgt.
Um eine weitere Bewegung der Ventilnadel 10 zu bewirken, wird das zweite Ventilelement 29b weg von seiner Sitzfläche bewegt, um es zu ermöglichen, dass Kraftstoff innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 durch den Kanal 40b zu niederem Druck fließt. Dies bewirkt eine Verringerung des Kraftstoffdrucks in der zweiten Steuerungskammer 23, derart, dass das Angreifen der oberen Endfläche einer Ventilnadel 10 am Anschlagselements 19 bewirkt, dass sich das Anschlagselement 19 in Aufwärtsrichtung bewegt, wobei die weitere Bewegung der Ventilnadel 10 ausreichend ist, um das Abheben der inneren Ventilnadel 14 weg von der Sitzfläche zu bewirken, so dass eine Kraftstoffabgabe durch eine größere Anzahl von Öffnungen erfolgen kann.
Die Beendigung der Kraftstoff-Einspritzung kann durch Ab- bzw. Herunterschalten der ersten und der zweiten Betätigungseinrichtung 43, 43b erfolgen, wodurch das erste und das zweite Ventilelement 29a bzw. 29b wieder an ihren Sitz zurückkehren, und dies stellt einen hohen Kraftstoffdruck innerhalb der ersten und der zweiten Steuerkammer 20, 23 wieder her.
In jedem der voranstehend beschriebenen Kraftstoffeinspritzventile werden die Ventilelemente 29, 29a, 29b unter Verwendung einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung bewegt. Es sollte jedoch klar sein, dass die Ventilelemente auch dadurch bewegt werden können, dass eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung eingesetzt wird. Beispielsweise kann das Ventilelement 29 direkt mit einem piezoelektrischen Stapel verbunden sein, wobei das Energieniveau des piezoelektrischen Stapels die Stellung des Ventilelementes 29 steuert und damit die Stellung steuert, die von der Ventilnadel 10 eingenommen wird. Alternativ kann eine dämpfende Kolbenanordnung zwischen dem Ventilelement 29 und dem piezoelektrischem Stapel angeordnet sein, um möglicherweise auftretende, geringe Veränderungen in der axialen Länge des piezoelektrischen Stapels zu kompensieren, die beispielsweise von einer thermischen Ausdehnung herrühren könnten. Das Vorsehen eines solchen Kolbens kann weiterhin dazu führen, dass das Einspritzventil ausfallsicher arbeitet, wobei das Ventilelement 29 gegebenenfalls in Anlage mit der ersten Sitzfläche 32 zurückkehrt, was die Einspritzung beendet, selbst wenn sich die Betätigungseinrichtung in einer Stellung verklemmt, in der sie eine relativ kleine axiale Länge besitzt. Da der Stapel verwendet wird, um die Bewegung des Ventilelements 29 zu steuern, wobei sich das Ventilelement 29 im Betrieb nur über eine kurze Wegstrecke hinweg bewegt, kann der Stapel relativ kleine Abmessungen besitzen.
Das Ventilelement 29 und das zweite Ventilelement 35 werden in geeigneter Weise so gestaltet, dass der auf sie einwirkende Kraftstoffdruck im wesentlich ausbalanciert ist, und demzufolge ist die Größe der Kraft, die im Betrieb auf die Betätigungseinrichtung einwirken muss, relativ klein.
6 illustriert schematisch eine alternative Anordnung, in der der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammern einer Mehrzahl von Einspritzventilen auf alternative Weise gesteuert wird. In der Ausführungsform der 6 ist eine Mehrzahl von Kraftstoffeinspritzventilen 50 so angeordnet, dass ihre Versorgungskanäle mit einer ersten Leitung 51 verbunden sind, die mit Hilfe einer geeigneten Hochdruck-Kraftstoffpumpe unter einen geeignet hohen Druck gesetzt ist. Jedes Einspritzventil 50 umfasst eine erste Steuerungskammer, die so angeordnet ist, dass sie Kraftstoff vom Versorgungskanal aufnehmen kann, beispielsweise in der für die hier voranstehend beschriebenen Kraftstoffeinspritzventile genannten Art. Ein geeignetes elektromagnetisch betätigtes Ventil ist vorgesehen, um die Verbindung zwischen der Steuerungskammer und einem Niederdruck-Ablaufbehälter zu steuern.
Jedes Einspritzventil steht außerdem mit einer zweiten Leitung 52 in Verbindung, wobei die Leitung 52 mit der zweiten Steuerungskammer (nicht gezeigt) eines jeden Einspritzventils 50 in Verbindung steht. Der Druck der zweiten Steuerungskammer steuert die von einem Anschlagselement eingenommene Stellung, beispielsweise wie voranstehend beschrieben. Ein elektromagnetisch oder auf andere Weise gesteuertes Ventil 53 steuert die Verbindung zwischen der zweiten Leitung 52 und einem Niederdruck-Kraftstoffspeicher. Ein verengter Durchflusskanal 54 ermöglicht zwischen der ersten und der zweiten Leitung 51, 52 eine Verbindung in beschränktem Ausmaß.
Wenn sich im Betrieb das Ventil 53 in der dargestellten Stellung befindet, steht die Leitung 52 unter hohem Druck, wobei die Leitung 52 von der Leitung 51 her über den verengten Kanal 54 mit Druck beaufschlagt wird. Es sollte deshalb klar sein, dass unter der Voraussetzung, dass das elektromagnetisch betätigbare Ventil eines jeden Einspritzventils 50 geschlossen ist, sowohl die erste als auch die zweite Steuerungskammer eines jeden Einspritzventils unter hohem Druck stehen. Die Aktivierung des elektromagnetisch gesteuerten Ventils eines der Einspritzventile ermöglicht es, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer dieses Einspritzventils 50 abfällt, was die Bewegung der Nadel dieses Einspritzventils über eine kleine Wegstrecke hinweg erlaubt. Da der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer hoch bleibt, sollte klar sein, dass die Ventilnadel nicht in der Lage ist, sich in eine vollständig angehobene Stellung zu bewegen.
Wenn die Ventilnadel in eine vollständig angehobene Stellung bewegt werden soll, wird das Ventil 53 mit Energie beaufschlagt, damit Kraftstoff von der zweiten Leitung 52 zu einem Niederdruckspeicher fließen kann, was es ermöglicht, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer abfällt und was die Bewegung des beweglichen Anschlagselement ermöglicht. Dies führt dazu, dass sich die Ventilnadel um eine weitere Wegstrecke weg von ihrer Sitzfläche bewegen kann.
Die Anordnung der 6 liefert den Vorteil, dass die Notwendigkeit für das Ventilelement 35 in den 1 bis 4 und die Notwendigkeit für das Ventilelement 29 und die Betätigungseinrichtung 43 in 5 entfallen, weil der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer mit Hilfe des Ventils 53 gesteuert wird. Dies ist kostenmäßig von Vorteil, insbesondere für Systeme, die eine große Anzahl von Motorzylindern aufweisen.
Der Betrieb des Ventils 53 kann in Relation zum Betrieb der Ventile eines jeden Einspritzventils ausreichend früh erfolgen, um sicherzustellen, dass sich die Nadel im wesentlichen gleichförmig bis zu ihrer vollständig angehobenen Stellung bewegt.
Alternativ kann das Ventil 53 gesteuert werden, um die Nadel in ihrer Mittelstellung zu halten.
Bezug sei nun genommen auf 7, in der ein weiteres, alternatives Kraftstoffeinspritzventil gezeigt ist, für welches die gleichen Bezugsziffern verwendet werden, um solche Teile zu bezeichnen, die den in den 1 bis 5 gezeigten vergleichbar sind. Wie in 4 umfasst das Einspritzventil ein Kolbenelement 46, das mit der Ventilnadel 12 bewegbar ist, wobei eine Oberfläche des Kolbens 46 dem Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 ausgesetzt ist. An seinem der Ventilnadel 12 abgewandten Ende weist der Kolben 46 eine Verlängerung 46a auf. Das Anschlagselement 19 und die Verlängerung 46a des Kolbens 46 bilden zusammen einen Spalt, g, der dazu dient, im Betrieb das Ausmaß der Bewegung der Ventilnadel 12 weg von ihrem Sitz zu begrenzen.
Das Anschlagselement 19 ist mit einer geschlossenendigen Bohrung 100 versehen, die eine Federkammer bildet, welche eine Druckfeder 102 beherbergt, wobei ein Ende der Feder 102 am blinden Ende der Bohrung 100 anliegt und das andere Ende der Feder 102 am blinden Ende der Bohrung 18 anliegt. Die Feder 102 bringt eine Vorspannkraft auf das Anschlagselement 19 auf, die dazu dient, das Anschlagselement 19 in Abwärtsrichtung zu drücken, so dass dessen untere Außenfläche an einem Sitz anliegt, der von der oberen Endfläche des Kolbengehäuses 47 gebildet wird.
Das oberste Ende der Bohrung, in der der Kolben 46 gleiten kann, die untere Außenfläche des Anschlagselements 19 und die obere Außenfläche des Kolbens 46 bilden zusammen die erste Steuerungskammer 20 für Kraftstoff, wobei die Steuerungskammer 20 über den verengten Durchflussweg 21 mit dem Versorgungskanal 15 in Verbindung steht. Die Steuerungskammer 20 steht auch mit dem Kanal 31 in Verbindung, wobei der Kanal 31 einen Bereich 31a von verengtem Durchmesser aufweist, der dazu dient, die Menge, mit der Kraftstoff aus der ersten Steuerungskammer 20 durch den Kanal 31 austreten kann, zu begrenzen.
Das Anschlagselement 19 und das blinde Ende der Bohrung 18 bilden zusammen die zweite Steuerungskammer 23 für Kraftstoff, wobei die Steuerungskammer 23 über den Einlasskanal 26 mit dem Versorgungskanal 15 in Verbindung steht, wobei der Einlasskanal 26 einen Bereich 26a mit verringertem Durchmesser aufweist, der dazu dient, das Ausmaß des Kraftstoffflusses in die Steuerungskammer 23 zu begrenzen. Die Steuerungskammer 23 steht ferner mit dem Auslasskanal 40 für Kraftstoff in Verbindung, wobei der Kanal 40 einen Bereich 40a mit verringertem Durchmesser aufweist, der dazu dient, das Ausmaß, mit dem Kraftstoff aus der zweiten Steuerungskammer 23 entweichen kann, zu begrenzen.
Die Steuerventilanordnung 106 in den 7 und 8 weicht von der in den 1 bis 5 gezeigten ab und besitzt die Form einer Drei-Wege-Ventilanordnung. Die Steuerventilanordnung 106 umfasst ein Ventilelement 29, das innerhalb der im Ventilgehäuse 27 vorhandenen Bohrung 28 verschieblich angeordnet ist, wobei das Ventilelement 52 einen Endbereich 29d mit vergrößertem Durchmesser aufweist, der mit einer ersten bzw. einer zweiten Sitzfläche 108 bzw. 110 zur Anlage gelangen kann. Die erste Sitzfläche 108 wird vom Sitzelement 38 gebildet, das sich innerhalb der Kammer 41 befindet, und die zweite Sitzfläche 110 wird von der Wand der Bohrung 28 gebildet. Das Sitzelement 38 bildet eine im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Dichtung mit der oberen Endfläche des Abstandsstücks 17, wobei die Kammer 41 mit der Kammer 39 in Verbindung steht, die als in der Endfläche des Abstandsstücks 17 vorhandene Ausnehmung ausgebildet ist. Wenn die Kammer 39 in Verbindung mit dem Niederdruck-Abfluss steht, während sich das Ventilelement 29 weg von der ersten Sitzfläche 108 bewegt hat, kann Kraftstoff innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 durch den Kanal 31, an der ersten Sitzfläche 108 vorbei in die Kammer 39 und zu niederem Druck fließen.
Wenn im Betrieb der Versorgungskanal 15 mit einer geeigneten Quelle für unter hohem Druck stehenden Kraftstoff verbunden ist, während die Betätigungseinrichtung ab- oder heruntergeschaltet ist, nimmt das Ventilelement 29 die in 8 gezeigte Stellung ein, in der es an der ersten Sitzfläche 108 anliegt. Unter hohem Druck stehender Kraftstoff wird durch die Kanäle 21 bzw. 26 an die erste und an die zweite Steuerungskammer 20, 23 abgegeben. Unter diesen Umständen wirkt unter hohem Druck stehender Kraftstoff innerhalb der Steuerungskammer 23 auf das Anschlagselement 19 ein und zwingt das Anschlagselement 19 in Anlage mit seinem Sitz, der durch die obere Endfläche des Kolbengehäuses 47 gebildet wird. Außerdem wirkt Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 auf die obere Außenfläche des Kolbens 46 ein und dient, in Kombination mit der Wirkung der Feder 22, dazu, die Ventilnadel 12 in Anlage mit ihrem Sitz zu drücken. Demzufolge kann während dieses Betriebszustandes kein Kraftstoff innerhalb der Abgabekammer 13 durch den ersten oder den zweiten Satz von Auslassöffnungen 8, 9 in den Motorzylinder oder einen anderen Verbrennungsraum fließen, weil die Ventilnadel 12 an ihrem Sitz anliegt. Eine Kraftstoffeinspritzung findet deshalb nicht statt.
Um mit der Kraftstoffeinspritzung durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 zu beginnen, wird die Betätigungseinrichtung mit Energie beaufschlagt, um eine Bewegung des Ventilelements 29 mit relativ hoher Geschwindigkeit weg von der ersten Sitzfläche 108 und in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110 zu bewirken. Während dieses Betriebszustandes, bei dem das Ventilelement 29 weg von der ersten Sitzfläche 108 angehoben ist, kann Kraftstoff innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 durch den Kanal 31 an der ersten Sitzfläche 108 vorbei in die Kammer 39 und zum Niederdruck-Abfluss entweichen. Der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 ist deshalb verringert. Wenn das Ventilelement 29 in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110 bewegt wurde, kann kein Kraftstoff innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 an der zweiten Sitzfläche 110 vorbei zu niedrigem Druck fließen, so dass der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 hoch bleibt.
Weil der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 verringert ist, werden die Ventilnadel 12 und der Kolben 46 in Aufwärtsrichtung, gegen die Wirkung von Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerungskammer 20, gedrückt, und zwar als Folge der Tatsache, dass Kraftstoffdruck innerhalb der Abgabekammer 13 auf die Druckflächen 12a der Ventilnadel 12 einwirkt. Die Bewegung des Kolbens 46 und der Ventilnadel 12 endet, wenn die Verlängerung 46a des Kolbens 46 an die untere Außenfläche des Anschlagselements 19 anstößt, weil hoher Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerungskammer 23 das Anschlagselement 19 in seiner Sitzstellung gegen die obere Außenfläche des Gehäuses 47 hält. Weil die Ventilnadel 12 nur um eine relativ kurze Wegstrecke angehoben wird, die durch den Spalt g definiert wird, bewegt sich die Stufe in der in der Ventilnadel 12 vorhandenen Bohrung nicht in Anlage mit dem vergrößerten Endbereich 14a der inneren Ventilnadel 14. Deshalb bleibt die innere Ventilnadel 14 in Anlage an ihrem Sitz, und Kraftstoff innerhalb der Abgabekammer 13 kann nicht durch den zweiten, weiter unten gelegenen Satz von Auslassöffnungen 9 in den Motorzylinder fließen. Während dieses Betriebszustandes ist die Ventilnadel 12 deshalb auf eine erste Kraftstoffeinspritz-Stellung angehoben, in der Kraftstoffeinspritzung nur durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 erfolgt.
Während der anfänglichen Bewegung des Ventilelements 29 weg von der ersten Sitzfläche 108 kann, so sollte klar sein, etwas Kraftstoff innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 durch den Kanal 40 an der zweiten Sitzfläche 110 und der ersten Sitzfläche 108 vorbei zum Niederdruck-Abfluss fließen. Da jedoch die Bewegung des Ventilelements 29 weg von der ersten Sitzfläche 108 mit relativ hoher Geschwindigkeit erfolgt, und da die Bereiche 26a, 40a der Kanäle 26, 40 einen beschränkten Durchmesser besitzen, wird der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 im wesentlichen aufrechterhalten, so dass das bewegbare Anschlagselement 19 an seinem Sitz verbleibt, was zur Folge hat, dass die Bewegung der äußeren Ventilnadel 12 durch das Anstoßen des Vorsprungs 46a an der unteren Außenfläche des Anschlagselements 19 begrenzt wird.
Um die Kraftstoffeinspritzung durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 zu beenden, wird das Ventilelement 29 weg von der zweiten Sitzfläche 110 in Anlage mit der ersten Sitzfläche 108 bewegt, derart, dass die Verbindung zwischen der ersten Steuerungskammer 20 und dem Niederdruckabfluss unterbrochen ist. Da Kraftstoff fortwährend durch den Kanal 21 der Steuerungskammer 20 zugeführt wird, wird ein hoher Kraftstoffdruck in der Steuerungskammer 20 wieder hergestellt. Die nach unten gerichtete Kraft, die auf den Kolben 46 und die Ventilnadel 12 einwirkt, wird demzufolge erhöht, so dass die Ventilnadel 12 in Anlage mit ihrem Sitz bewegt wird, um die Kraftstoffabgabe durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 zu beenden.
Alternativ wird dann, wenn es gewünscht ist, Kraftstoff durch beide Sätze von Auslassöffnungen 8, 9 einzuspritzen, das Ventilelement 29 mit relativ geringer Geschwindigkeit weg von der ersten Sitzfläche 108 in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110 bewegt. Unter diesen Umständen kann eine ausreichende Menge von Kraftstoff aus der zweiten Steuerungskammer 23 durch den Kanal 40 zum Niederdruck-Abfluss fließen, um zu bewirken, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 verringert wird. Zusätzlich kann, wie voranstehend beschrieben, dann, wenn das Ventilelement 29 von der ersten Sitzfläche 108 wegbewegt ist, Kraftstoff innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 an der ersten Sitzfläche 108 vorbei zum Niederdruckabfluss fließen, was bewirkt, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 verringert wird. Der Kraftstoffdruck innerhalb der Abgabekammer 13, der auf die Druckflächen 12a der Ventilnadel 12 einwirkt, bringt die Ventilnadel 12 und den Kolben 46 dazu, sich in Aufwärtsrichtung zu bewegen, so dass sich die Ventilnadel 12 weg von ihrem Sitz bewegt. Wenn die Verlängerung 46a des Kolbens 46 am Anschlagselement 19 angestoßen ist, wird das Anschlagselement 19 dazu gebracht, sich innerhalb der Bohrung 18 gegen die Kraft nach oben zu bewegen, die eine Folge des abgesunkenen Kraftstoffdrucks innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 ist. Demzufolge ist die Ventilnadel 12 in der Lage, sich um einen weiteren Betrag weg von ihrem Sitz zu bewegen, wobei die Bewegung der Ventilnadel 12 dann endet, wenn die obere Endfläche des Anschlagselements 19 am geschlossenen Ende der Bohrung 18 anstößt.
Während dieses Betriebszustands wird die Ventilnadel 12 um einen Betrag von ihrem Sitz angehoben, der ausreicht, um zu bewirken, dass die Stufe, die in der in der Ventilnadel 12 angeordneten Bohrung vorhanden ist, am vergrößerten Endbereich 14a der inneren Ventilnadel 14 anstößt. Die Bewegung der Ventilnadel 12 wird demzufolge auf die innere Ventilnadel 14 übertragen, so dass sich auch die innere Ventilnadel 14 weg von ihrem Sitz anhebt, was es möglich macht, dass Kraftstoff innerhalb der Abgabekammer 13 durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 9 fließen kann. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt dementsprechend durch sowohl den ersten als auch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 8, 9 und damit in erhöhtem Ausmaß. Es sollte daher klar sein, dass die Menge an eingespritztem Kraftstoff oder andere Kraftstoffeinspritz-Charakteristika in Abhängigkeit vom Ausmaß der Bewegung des Ventilelements 29 weg von der ersten Sitzfläche 108 variiert oder verändert werden kann.
Wie zuvor beschrieben, wird nachfolgend auf dieses Betriebsstadium zum Zwecke der Beendigung der Kraftstoffeinspritzung die Betätigungseinrichtung ab- oder heruntergeschaltet, so dass sich das Ventilelement 29 weg von der zweiten Sitzfläche 110 in Anlage mit der ersten Sitzfläche 108 bewegt, was zur Folge hat, dass die Verbindung zwischen der ersten Steuerungskammer 20 und dem Niederdruck-Abfluss unterbrochen wird. Der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerungskammer 20 steigt demzufolge an, und die Kraft, die aufgrund des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerungskammer 20 auf den Kolben 46 einwirkt, dient in Kombination mit der von der Feder 22 ausgehenden Kraft dazu, die Ventilnadel 12 in Abwärtsrichtung in Anlage mit ihrer Sitzfläche zu drücken, was die Kraftstoffeinspritzung beendet.
In einer alternativen Betriebsart kann das Ventilelement 29 zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110 hin- und herbewegt werden, um die Ventilnadel 12 in die zweite Kraftstoffeinspritzstellung zu bewegen, in der sowohl die Ventilnadel 12 als auch die innere Ventilnadel 14 weg von ihren jeweiligen Sitzen angehoben sind. Eine wiederholte Bewegung des Ventilelements 29 zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110 hat zur Folge, dass der Kraftstoffdruck innerhalb sowohl der ersten als auch der zweiten Steuerungskammer 20, 23 abfällt, so dass dann, wenn die Verlängerung 46a an der unteren Außenfläche des Anschlagselements 19 anstößt, sich das Anschlagselement 19 innerhalb der Bohrung 18 nach oben bewegt. Es sollte klar sein, dass in dieser Betriebsart das Ausmaß der Bewegung der Ventilnadel durch die wiederholte Bewegung des Ventilelements 29 gesteuert wird und nicht von der Geschwindigkeit der Bewegung des Ventilelements 29 bestimmt wird.
In einer weiteren alternativen Betriebsart kann das Ventilelement 29 so betrieben werden, dass es in einer Zwischenstellung zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110 gehalten wird, was zur Folge hat, dass der Kraftstoffdruck sowohl in der ersten als auch in der zweiten Steuerungskammer 20, 23 abfällt. Die Ventilnadel 12 kann sich demzufolge in ihre zweite Kraftstoffeinspritzstellung bewegen, in der das Anschlagselement 19 aufgrund des Angreifens der Verlängerung 46a des Kolbens 46 an der unteren Außenfläche des Anschlagselemens 19 in der Bohrung 18 nach oben bewegt wird. Es sollte daher klar sein, dass bei Verwendung einer Kombination von einer oder mehreren der vorgenannten Betriebsarten das Kraftstoffeinspritzventil so betrieben werden kann, dass Kraftstoff durch eine oder beide Sätze der Auslassöffnungen 8, 9 eingespritzt wird, in Abhängigkeit von den benötigten Krafteinspritz-Charakteristika.
In einer Anordnung, bei der es sich um eine Alternative zu der in den 7 und 8 gezeigten handelt, kann der Kanal 21 entfernt sein, wobei die erste Steuerungskammer 20 durch eine Leckage zwischen dem Gehäuse 47 und dem Abstandsstück 17 mit Kraftstoff versorgt wird.
Nun soll auf die 9 und 10 Bezug genommen werden. Darin ist ein alternatives Kraftstoffeinspritzventil abgebildet, in dem das Ventilelement 29 mit Hilfe einer piezoelektrischen Betätigungsanordnung betrieben wird, die einen piezoelektrischen Stapel 112 umfasst. Der piezoelektrische Stapel 112 wird von einer in einem Gehäuse 116 ausgebildeten Kammer 114 beherbergt und besitzt ein damit verbundenes Endplattenelement 118, das am Ventilelement 29 befestigt oder mit diesem verbunden ist. Der piezoelektrische Stapel 112 umfasst außerdem ein Kompensationselement 120 für thermische Expansion, das an seinem dem Endplattenelement 118 abgewandten Ende angeordnet ist. Das Element 120 besitzt einen höheren Koeffizient der thermischen Expansion als das piezoelektrische Material, das den Stapel 112 bildet, und dient zur Kompensation der thermischen Expansion des Gehäuses 116. Typischerweise kann das piezoelektrische Material Bleizirkonat-Titanat sein, das Element 120 kann aus Aluminium gebildet sein, und das Gehäuse 116 kann aus Stahl hergestellt sein. Das energetische Niveau des piezoelektrischen Stapels 112 und damit dessen Länge wird durch Anlegen einer geeigneten Spannung quer über den Stapel 112 hinweg gesteuert, wobei das Wegnehmen von Energie vom piezoelektrischen Stapel 112 eine Abnahme der Länge des Stapels 112 bewirkt, was dazu führt, dass sich das Ventilelement 29 weg von der ersten Sitzfläche 108 in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110 bewegt.
Das Ventilelement 29 erstreckt sich durch ein Hülsenelement 122 und kann mit diesem zusammen bewegt werden, wobei das Hülsenelement 122 innerhalb eines vergrößerten Bereichs 28b der im Ventilgehäuse 27 vorhandenen Bohrung 28 verschieblich angeordnet ist. Der Bereich 28b der Bohrung bildet außerdem eine Federkammer 124, die eine Druckfeder 126 beherbergt, wobei die Feder 126 so angeordnet ist, dass sie das Ventilelement 29 gegen die zweite Sitzfläche 110 drückt. Wenn der piezoelektrische Stapel 112 mit Energie beaufschlagt ist, nimmt das Ventilelement 29 eine Stellung ein, in der es an der ersten Sitzfläche 108 anliegt, während das Wegnehmen von Energie vom Stapel 112 dazu führt, dass sich das Ventilelement 29 unter der Wirkung der Feder 126 weg von der ersten Sitzfläche 108 in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110 bewegt. Die Kammer 124 steht mit dem Niederdruckabfluss in Verbindung, wobei ein Dichtungselement 128 im Bereich 28b der Bohrung angeordnet ist, um zu verhindern, dass Kraftstoff innerhalb der Kammer 124 in die Kammer 114 fließt und damit eine Schaden am piezoelektrischen Stapel 112 verursacht.
Um die Ventilnadel 12 um einen ersten, relativ kleinen Betrag in eine erste Kraftstoffeinspritzstellung zu bewegen, in der Kraftstoff nur durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 abgegeben wird, wird Energie in relativ hohem Ausmaß vom piezoelektrischen Stapel 112 weggenommen. Das Ventilelement 29 bewegt sich deshalb mit relativ hoher Geschwindigkeit weg von der ersten Sitzfläche 108 und in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110. Wie zuvor für das in den 7 und 8 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil beschrieben, bewirkt eine solche relativ schnelle Bewegung des Ventilelements 29, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 verringert wird, während ein hoher Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 im wesentlichen aufrechterhalten bleibt. Die Ventilnadel 12 wird deshalb weg von ihrem Sitz in die erste Kraftstoffeinspritzstellung bewegt, in der Kraftstoff nur durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 abgegeben wird, während die innere Ventilnadel 14 an ihrem Sitz anliegend verbleibt, so dass eine Kraftstoffabgabe durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen verhindert wird.
Das Kraftstoffeinspritzventil der 9 und 10 kann auch in jedem der voranstehend beschriebenen alternativen Betriebsarten betrieben werden, beispielsweise durch Verändern der Geschwindigkeit der Bewegung des Ventilelements 29, durch wiederholtes Rückwärts- und Vorwärtsbewegen des Ventilelements 29 zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110 oder durch Halten des Ventilelements 29 in einer Zwischenstellung zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110, was durch teilweises Wegnehmen der Energie vom piezoelektrischen Stapel auf ein mittleres Energieniveau bewirkt wird. Es sollte klar sein, dass zur Beendigung der Kraftstoffeinspritzung der piezoelektrische Stapel 112 mit Energie beaufschlagt wird, um zu bewirken, dass sich das Ventilelement 29 in Anlage mit der ersten Sitzfläche 108 bewegt, wodurch die Verbindung zwischen der ersten Steuerungskammer 20 und dem Niederdruckabfluss unterbrochen wird.
Unter Bezugnahme auf die 11 und 12 sei angemerkt, dass dort eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, in der die Bewegungsgeschwindigkeit der Ventilnadel 12 weg von ihrem Sitz gesteuert werden kann. In dieser Ausführungsform erstreckt sich der Kanal 49 (nur teilweise gezeigt), der sich in Verbindung mit der Kammer 48 befindet, durch die Gehäuse 47, 27 und steht mit dem Niederdruckabfluss in Verbindung. Der Kanal 49 steht auch mit einem Ende einer weiteren Drillbohrung 130 in Verbindung, die im Gehäuse 47 angeordnet ist, wobei das andere Ende der Drillbohrung 130 mit der Kammer 41 in Verbindung steht. Das Ventilgehäuse 27 ist außerdem mit einem verengten Kanal 132 ausgestattet, dessen eines Ende mit der Kammer 41 in Verbindung steht und dessen anderes Ende mit dem Kanal 49 in Verbindung steht, so dass Kraftstoff innerhalb der Kammer 41 zu niederem Druck fließen kann.
Die Druckfeder 126 ist so angeordnet, dass dann, wenn Energie vom piezoelektrischen Stapel 112 weggenommen wird, das Ventilelement 29 gegen die zweite Sitzfläche 110 gedrückt wird, um zu verhindern, dass Kraftstoff in der Steuerungskammer 20 zu niederem Druck entweichen kann. Wenn also der piezoelektrische Stapel 112 heruntergeschaltet ist und gleichzeitig der Steuerungskammer 20 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt wird, bleibt der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerungskammer 20 hoch und dient dazu, den Kolben 46 und die Ventilnadel 12 in Abwärtsrichtung zu drücken, so dass die Ventilnadel 12 gegen ihren Sitz sitzend verbleibt. Während dieses Betriebsstadiums findet keine Kraftstoffeinspritzung statt.
Um die Ventilnadel 12 relativ langsam weg von ihrem Sitz zu bewegen, wird der piezoelektrische Stapel 112 so mit Energie beaufschlagt, dass sich das Ventilelement 29 weg von der zweiten Sitzfläche 110 in Anlage mit der ersten Sitzfläche 108 bewegt.
Unter diesen Umständen kann Kraftstoff innerhalb der Steuerungskammer 20 durch den Kanal 31, vorbei an der zweiten Sitzfläche 110 und durch den verengten Kanal 132 zum Niederdruckabfluss fließen, was bewirkt, dass der Kraftstoffdruck in der Steuerungskammer 20 verringert wird. Eine anfängliche Bewegung des Ventilelements 29 weg von der zweiten Sitzfläche 110 ist ausreichend, um den Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerungskammer 20 auf einen Wert zu verringern, der ausreichend niedrig ist, damit der Kolben 46 und die Ventilnadel in Aufwärtsrichtung bewegt werden. Der Kraftstoff innerhalb der Abgabekammer 13 ist daher in der Lage, durch die Auslassöffnungen 8 zu fließen. Auf die anfängliche Einspritzung folgend wird die Geschwindigkeit, mit der sich die Ventilnadel bewegt, durch die Geschwindigkeit gesteuert, mit der Kraftstoff aus der Steuerungskammer 20 durch den verengten Kanal 132 zu niederem Druck entweichen kann, weil nach der Anlage des Ventilelements 29 an der ersten Sitzfläche 108 Kraftstoff nur durch den Kanal 132 zu niederem Druck entweichen kann. Da Kraftstoff nur in relativ geringem Ausmaß durch den verengten Kanal 132 entweichen kann, bewirkt dies eine relativ langsame Geschwindigkeit der Ventilnadelbewegung und damit eine relativ langsame Anstiegsrate der Kraftstoffeinspritzung durch die Auslassöffnungen 8.
Um eine höhere Geschwindigkeit der Öffnung durch die Ventilnadel zu erreichen, kann das Ventilelement 29 mit relativ langsamer Geschwindigkeit weg von der zweiten Sitzfläche 110 bewegt werden, so dass nach der anfänglichen Bewegung des Ventilelements 29 weg von der zweiten Sitzfläche 110 Kraftstoff für einen Zeitraum von relativ langer Dauer durch den Kanal 31, an der ersten Sitzfläche 108 vorbei zu niedrigem Druck fließen kann, bevor das Ventilelement 29 an der ersten Sitzfläche 108 zur Anlage gelangt. Es sollte klar sein, dass aufgrund der Abmessungen der Verengung 31a und des verengten Kanals 132 die mit relativ hohen Geschwindigkeiten erfolgende Bewegung der Ventilnadel durch die Abmessungen der Verengung 31a bestimmt wird, während die mit relativ geringen Geschwindigkeiten erfolgende Bewegung der Ventilnadel durch die Abmessungen des verengten Kanals 132 bestimmt wird. Indem also die Geschwindigkeit verändert wird, mit der das Ventilelement 29 zwischen den Sitzflächen 108, 110 bewegt wird, um die Betriebsart von einer solchen, in der die Geschwindigkeit der Bewegung der Ventilnadel von den Abmessungen der Verengung 31 bestimmt wird, in eine solche zu überführen, in der die Geschwindigkeit der Bewegung der Ventilnadel von den Abmessungen des verengten Kanals 132 bestimmt wird, ist es möglich, eine variable Einspritzrate (Geschwindigkeit, Menge pro Zeiteinheit) zu erzielen.
In einer alternativen Betriebsart kann zum Zwecke, eine Ventilnadel-Bewegung mit relativ hoher Geschwindigkeit zu erreichen, das Ventilelement 29 zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110 mit relativ hoher Geschwindigkeit zurück- und vorwärts bewegt werden. In einer weiteren alternativen Betriebsart kann zum Zwecke, eine Ventilnadel-Bewegung mit relativ hoher Geschwindigkeit zu erzielen, das Ventilelement 29 so gesteuert werden, dass es in einer Zwischenstellung zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110 verbleibt, was es ermöglicht, dass Kraftstoff innerhalb der Steuerungskammer 20 sowohl an der zweiten Sitzfläche 110 als auch an der ersten Sitzfläche 108 vorbei zu niedrigem Druck fließen kann.
Um die Einspritzung von Kraftstoff zu beenden, wird das Ventilelement 29 durch Herunterschalten des piezoelektrischen Stapels 112 gegen die zweite Sitzfläche 110 bewegt, so dass wieder ein hoher Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerungskammer 20 eingestellt wird. Der Kolben 46 und die Ventilnadel 12 werden deshalb in Abwärtsrichtung gedrückt, derart, dass die Ventilnadel 12 an ihrem Sitz zu liegen kommt, was die Verbindung zwischen der Abgabekammer 13 und den Auslassöffnungen 8 unterbricht.
Es sollte klar sein, dass die Ausgestaltung der Erfindung gemäß den 11 und 12 dafür eingesetzt werden kann, dass die Bewegung einer Ventilnadel eines Einspritzventils mit zwei- oder mehrstufiger Anhebung gesteuert werden kann, indem die Bewegung des Ventilelements 29 so gesteuert wird, dass die Rate, mit der Kraftstoff aus der Steuerungskammer 20 entweichen kann, ausreichend niedrig ist, um die Ventilnadel 12 für einen ausreichend langen Zeitraum in einer ersten Kraftstoffeinspritzstellung zu halten.
Unter Bezugnahme auf die 13 und 14 sei darauf verwiesen, dass dort eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist, in der das Kraftstoffeinspritzventil die Form eines sich nach außen öffnenden Einspritzventils annimmt. Teile, die mit den in den 1 und 12 gezeigten vergleichbar sind, sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden nachstehend nicht weiter detailliert beschrieben. Die Ventilnadel 12 ist innerhalb der Bohrung 11 nach außen bewegbar und umfasst an ihrem untersten Ende einen Bereich 12b mit vergrößertem Durchmesser, der an einem Sitz zur Anlage gelangen kann, um die Zufuhr von Kraftstoff aus dem Einspritzventil zu steuern. Die Ventilnadel 12 ist mit einer zentralen Bohrung 84, die über eine Drillbohrung 84a mit der Bohrung 11 in Verbindung steht, und mit ersten und zweiten Auslasskanälen 86 bzw. 88 versehen, wobei die ersten und zweiten Auslasskanäle auf der Ventilnadel 12 axial beabstandet sind. Nur zwei Auslasskanäle sind in jeder axialen Stellung gezeigt, aber es sollte klar sein, dass eine unterschiedliche Anzahl von Auslasskanälen vorgesehen sein kann.
Das obere Ende der Ventilnadel 12 ist mit einem Schraubgewinde (nicht gezeigt) versehen, das in ein entsprechendes, an der Innenseite eines ersten Federanlageelements 90 angeordnetes Gewinde eingreift. Das Federanlageelement 90 besitzt die Gestalt einer zylindrischen Hülse mit einem äußeren Durchmesser, der geringfügig kleiner als der Durchmesser des benachbarten Teils der Bohrung 11 ist. Die Bohrung 11 bildet eine Stufe 92, an der ein zweites Federanlageelement 94 zur Anlage gelangt. Eine Druckfeder 96 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Federanlageelement 90, 94 angeordnet, um die Ventilnadel 12 in Aufwärtsrichtung zu spannen und damit den vergrößerten Bereich 12b der Ventilnadel 12 in Anlage mit seinem Sitz zu spannen.
Das obere Ende der Ventilnadel 12 liegt an einem unteren Ende eines Schiebeelements 98 an, wobei das andere Ende des Schiebeelements 98 am Anschlagselement 19 anliegt. Das Schiebeelement 98 erstreckt sich mittig durch die erste Steuerungskammer 20 und ist innerhalb einer im Gehäuse 47 ausgebildeten Bohrung 136 verschiebbar. Ein zweites, ringförmiges Anschlagselement 138 wird von der ersten Steuerungskammer 20 beherbergt, wobei der innere Durchmesser des Anschlagselements 138 geringfügig größer als der Durchmesser des Schiebeelements 98 ist, so dass das Anschlagselement 138 eine enge Passung rund um das Schiebeelement 98 bildet. Eine Druckfeder 140 ist ebenfalls innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 angeordnet, wobei die Feder 140 dazu dient, das Anschlagselement 138 in Aufwärtsrichtung gegen einen Sitz 142 zu spannen, der von einem Teil der unteren Endfläche des Gehäuses 17 gebildet wird. Wenn sich das Anschlagselement 138 in seiner geschlossenen Stellung (in Anlage am Sitz) befindet, besteht eine im Wesentlichen flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen dem Abstandsstück 17 und dem Anschlagselement 138. Wie man am deutlichsten in 14 erkennen kann, bilden die untere Außenfläche des Anschlagselements 19 und die obere Außenfläche des Anschlagselements 138 zusammen einen ersten, engen Spalt 144 innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23, und die untere Außenfläche des Anschlagselements 138 und das Gehäuse 47 bilden zusammen einen zweiten, engen Spalt 146 innerhalb der ersten Steuerungskammer 20, wobei die engen Spalte 144, 146 dazu dienen, im Betrieb das Ausmaß der Bewegung der Ventilnadel 12 weg von ihrem Sitz zu begrenzen, was nachstehend beschrieben wird.
Die zweite Steuerungskammer 23 wird vom Abstandsstück 17, einem Teil des Schiebeelements 98, der unteren Außenfläche des Anschlagselements 19 und einem Teil der oberen Außenfläche des Anschlagselements 138 gebildet, wobei sich das Schiebeelement 98 mittig durch die zweite Steuerungskammer 23 erstreckt und am Anschlagselement 19 angreift. Im Betrieb wird Kraftstoff über eine im Anschlagselement 19 vorhandene Drillbohrung 148 an die zweite Steuerungskammer 23 abgegeben, wobei die Drillbohrung 148 mit der Bohrung 18 in Verbindung steht, in welcher das Anschlagselement 19 verschiebbar ist, um es zu ermöglichen, dass Kraftstoff, der der Bohrung 18 durch den Kanal 26 zugeführt wird, in die Steuerungskammer 23 fließen kann.
Im Betrieb befindet sich das Ventilelement 29 vor dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung in einer solchen Stellung, dass es sich im Sitz gegen die erste Sitzfläche 108 befindet. Durch den Versorgungskanal 15 zugeführter Kraftstoff fließt in die Bohrung 100 und demzufolge über die Drillbohrung 148 in die Steuerungskammer 23. Kraftstoff fließt auch durch den Kanal 21 in die erste Steuerungskammer 20. Der Düsenkörper 10 und die Ventilnadel 12 besitzen geeigneterweise solche Abmessungen, dass sichergestellt ist, dass unter solchen Umständen die Ventilnadel 12 aufgrund des Kraftstoffdrucks innerhalb der Bohrung 11 und aufgrund der Kraft der Feder 96 in Aufwärtsrichtung gespannt ist.
Um eine Kraftstoffeinspritzung in relativ geringem Maße zu beginnen, wird die Betätigungseinrichtung betätigt, um deren Anker 45 mit relativ hoher Geschwindigkeit in Aufwärtsrichtung zu bewegen, was bewirkt, dass sich das Ventilelement 29 mit relativ hoher Geschwindigkeit weg von der ersten Sitzfläche 108 in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110 bewegt. Kraftstoff in der zweiten Steuerungskammer 23 kann deshalb durch die Kanäle 40, 40a in die Kammer 39 und zu niederem Druck fließen. Der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 nimmt deshalb ab, wobei der Kanal 148 die Menge begrenzt, mit der Kraftstoff in die zweite Steuerungskammer 23 eintreten kann, so dass sich das Anschlagselement 19 infolge der durch Kraftstoffdruck im geschlossenen Ende der Bohrung 18 aufgebrachten Kraft in Abwärtsrichtung bewegt. Die Bewegung des Anschlagselements 19 wird über das Schiebeelement 98 auf die Ventilnadel 12 übertragen. Das Ausmaß, mit dem Kraftstoff aus der zweiten Steuerungskammer 23 zu niederem Druck fließt, wird durch die Abmessungen des engen Kanals 40a bestimmt.
Wenn sich das Anschlagselement 19 um einen Betrag in Abwärtsrichtung bewegt hat, der dem engen Spalt 144 entspricht, bewegt sich das Anschlagselement 19 in Anlage mit der oberen Außenfläche des Anschlagselements 138. Weil das Ventilelement 29 mit relativ hoher Geschwindigkeit weg von der ersten Sitzfläche 108 in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110 bewegt wird, wird der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 im wesentlichen aufrechterhalten, so dass das Anschlagselement 138 im Sitz gegen den Sitz 142 verbleibt. Obwohl sich das Anschlagselement 19 in Anlage mit dem Anschlagselement 138 bewegt, kann es deshalb dennoch keine ausreichende Kraft ausüben, um den Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 zu überkompensieren und das Anschlagselement 138 weg vom Sitz 142 zu bewegen. Der vergrößerte Bereich 12b der Ventilnadel 12 wird deshalb um einen ersten Betrag weg von seinem Sitz bewegt, so dass die ersten Auslasskanäle 86, aber nicht die zweiten Auslasskanäle 88 aufgedeckt werden. Kraftstoff wird deshalb ausschließlich durch die ersten Auslasskanäle 86 an den Motorzylinder abgegeben, und die Kraftstoffeinspritzung erfolgt in relativ geringem Ausmaß.
Um die Kraftstoffeinspritzung zu beenden, wird das Ventilelement 29 weg von der zweiten Sitzfläche 110 in Anlage mit der ersten Sitzfläche 108 bewegt, um innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 einen hohen Kraftstoffdruck wiederherzustellen, wodurch bewirkt wird, dass sich das Anschlagselement 19 aufgrund des Kraftstoffdrucks innerhalb der Bohrung 11, der auf die Druckflächen der Ventilnadel 12 einwirkt, in Aufwärtsrichtung bewegt. Der vergrößerte Bereich 12b der Ventilnadel 12 bewegt sich deshalb in Anlage mit seinem Sitz, und die Angabe von Kraftstoff durch die ersten Auslasskanäle 86 wird beendet.
Um Kraftstoff durch sowohl die ersten als auch die zweiten Auslasskanäle 86, 88 einzuspritzen, kann das Ventilelement 29 so betrieben werden, dass es sich mit relativ langsamer Geschwindigkeit in Aufwärtsrichtung weg von der ersten Sitzfläche 108 in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110 bewegt. Unter solchen Umständen ist Kraftstoff innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 in der Lage, durch die Kanäle 31, 31a an der ersten Sitzfläche 108 vorbei und zu niederem Druck zu fließen, was bewirkt, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerungskammer 20 verringert wird. Der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerungskammer 23 fällt ebenfalls ab, wie voranstehend beschrieben, so dass, weil sich das Anschlagselement 19 in Anlage mit dem Anschlagselement 138 bewegt, das Anschlagselement 138 in Abwärtsrichtung weg von dem Sitz 142 bewegt wird. Das Schiebeelement 98 bewegt sich deshalb um einen weiteren Betrag in Abwärtsrichtung, der durch den engen Spalt 144 und den engen Spalt 146 festgelegt ist, so dass der vergrößerte Bereich 12b der Ventilnadel 12 weg von seinem Sitz bewegt wird, was sowohl die ersten als auch die zweiten Auslasskanäle 86, 88 freilegt. Es sollte deshalb klar sein, dass sich das Ausmaß der Kraftstoffeinspritzung vergrößert.
Es sollte klar sein, dass das Kraftstoffeinspritzventil der 13 und 14 ebenfalls in einem der anderen voranstehend beschriebenen Betriebsarten betrieben werden kann. Beispielsweise kann das Ventilelement 29 wiederholt zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110 zurück- und vorwärts bewegt werden, oder es kann in einer Zwischenstellung zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110 gehalten werden, um es zu ermöglichen, dass das Ausmaß der Kraftstoffeinspritzung oder andere Kraftstoffeinspritzungs-Charakteristika des sich nach außen öffnenden Einspritzventils im Betrieb verändert werden können.
Es sollte klar sein, dass eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung oder eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung verwendet werden kann, um die Bewegung des Ventilelements, das einen Teil des sich nach außen öffnenden Einspritzventils darstellt, zu steuern.
In beiden der hier beschriebenen Ausführungsformen kann der Versorgungskanal 15 mit einer Verengung von relativ geringem Durchmesser ausgestattet sein, die vorgesehen ist, um die Menge zu begrenzen, mit der Kraftstoff an die Bohrung 11 und die Abgabekammer 13 abgegeben wird. Als Ergebnis des Vorhandenseins einer solchen Verengung wird der Kraftstoffdruck innerhalb der Abgabekammer 13 während der Kraftstoffeinspritzung abfallen, so dass die Größe der Kraft, die im Verlauf der Einspritzung auf die Ventilnadel 12 einwirkt, geringer als diejenige sein wird, die vor dem Beginn der Einspritzung vorhanden ist.
Es sollte klar sind, dass das Einspritzventil mit einer anderen Anzahl von Auslassöffnungen als derjenigen, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, ausgestattet sein kann, und/oder mit weiteren Sätzen von Auslassöffnungen versehen sein kann, die unterschiedliche axiale Stellungen am Düsenkörper einnehmen.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil, umfassend: eine Ventilnadel (10), die innerhalb einer ersten Bohrung (11) verschieblich angeordnet ist und mit einem Ventilnadel-Sitz in Anlage gelangen kann, um die Kraftstoffabgabe durch eine Auslassöffnung zu steuern, wobei eine mit der Ventilnadel (10) in Verbindung stehende Oberfläche dem Kraftstoffdruck innerhalb einer Steuerungskammer (20) ausgesetzt ist, und eine Steuerungsventilanordnung zum Steuern des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerungskammer (20), um die Bewegung der Ventilnadel (10) zu steuern, worin die Steuerungskammer mit ihr in Verbindung stehende erste und zweite Durchtrittsmittel (31, 31a, 132) besitzt, durch die Kraftstoff aus der Steuerungskammer (20) austreten kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsventilanordnung nur ein einziges bewegbares Ventilelement (29) aufweist, das zwischen einem ersten und einem zweiten Ventilsitz (108, 110) bewegbar ist und entweder in einem ersten Betriebsmodus, in dem das Ventilelement (29) gegen den ersten Ventilsitz (108) sitzt, derart, dass der Bewegungsbetrag der Ventilnadel von den Abmessungen des ersten, in einem Gehäuse angeordneten Durchtrittsmittels (132) abhängt,oder in einem zweiten Betriebsmodus, in dem das Ventilelement (29) einen Abstand sowohl zum ersten (108) als auch zum zweiten (110) Ventilsitz besitzt, derart, dass der Bewegungsbetrag der Ventilnadel von den Abmessungen des zweiten Durchtrittsmittels (31, 31a) bestimmt wird, betrieben werden kann, und worin das Verändern des Bewegungsbetrags oder der Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilelements (29) zwischen dem ersten (108) und dem zweiten (110) Ventilsitz im Betrieb eine Veränderung des Bewegungsbetrags oder der Bewegungsgeschwindigkeit der Ventilnadel weg vom Ventilnadelsitz erlaubt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, worin die Ventilnadel (10) vom sich nach innen öffnenden Typ ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, worin die Ventilnadel (10) vom sich nach außen öffnenden Typ ist.