EP1593839B1

EP1593839B1 - Kraftstoffinjektor für Verbrennungskraftmaschinen mit mehrstufigem Steuerventil

Info

Publication number: EP1593839B1
Application number: EP05101342A
Authority: EP
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: DE502005000640D1; DE102004022270A1; ES2285638T3; US7201149B2; US20050263133A1; EP1593839A1

Description

Technisches Gebiet

Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff können sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsysteme kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten auch Speichereinspritzsysteme (Common Rail) zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme ermöglichen in vorteilhafter Weise, den Einspritzdruck an Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen und zur Reduktion der Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ist generell ein möglichst hoher Einspritzdruck erforderlich.

Stand der Technik

DE 101 23 915.6 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Diese wird an einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine werden über Kraftstoffinjektoren jeweils mit Kraftstoff versorgt. Die Kraftstoffinjektoren werden über eine Hochdruckquelle beaufschlagt, ferner umfasst die Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der aus DE 101 23 915.6 bekannten Lösung einen Druckverstärker, der einen beweglichen Druckverstärkerkolben aufweist, welcher einen an die Hochdruckquelle anschließbaren Raum von einem mit dem Kraftstoffinjektor verbundenen Hochdruckraum trennt. Der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum lässt sich durch Befüllen eines Rückraums des Druckübersetzers mit Kraftstoff bzw. durch Entleeren dieses Rückraums von Kraftstoff variieren.
Der Kraftstoffinjektor umfasst einen beweglichen Schließkolben zum Öffnen bzw. Verschließen der dem Brennraum zuweisenden Einspritzöffnungen des Kraftstoffinjektors. Der Schließkolben ragt in einen Schließdruckraum hinein, so dass dieser mit Kraftstoffdruck beaufschlagbar ist. Dadurch wird eine den Schließkolben in Schließrichtung beaufschlagende Kraft erzielt. Der Schließdruckraum und ein weiterer Raum werden durch einen gemeinsamen Arbeitsraum gebildet, wobei sämtliche Teilbereiche des Arbeitsraums permanent zum Austausch von Kraftstoff miteinander verbunden sind.
Mit dieser Lösung kann durch Ansteuerung des Druckverstärkers über den Rückraum erreicht werden, dass die Ansteuerverluste im Kraftstoffhochdrucksystem im Vergleich zu einer Ansteuerung über einen zeitweise mit der Kraftstoffhochdruckquelle verbundenen Arbeitsraum klein gehalten werden kann. Ferner wird der Hochdruckraum nur bis auf das Druckniveau des Hochdruckspeicherraums entlastet und nicht bis auf Leckagedruckniveau. Dies verbessert einerseits den hydraulischen Wirkungsgrad, andererseits kann ein schnellerer Druckabbau bis auf das Systemdruckniveau erfolgen, so dass die zwischen den Einspritzphasen liegenden seitlichen Abstände verkürzt werden können. Bei druckgesteuerten Einspritzsystemen mit Druckverstärker tritt das Problem auf, dass die Stabilität der in den Brennraum einzuspritzenden Einspritzmengen, besonders die Darstellung sehr kleiner Einspritzmengen wie z.B. bei der Voreinspritzung gefordert, nicht gewährleistet werden kann. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass ein Einspritzventilglied bei druckgesteuerten Einspritzsystemen sehr schnell öffnet. Daher können sich sehr kleine Streuungen in der Ansteuerdauer des Steuerventils stark auf die Einspritzmenge auswirken. Man hat versucht, diesem Problem dadurch abzuhelfen, einen separaten Nadelhubdämpferkolben, der einen Dämpfungsraum begrenzt und in einer hochdruckdichten Spielpassung geführt werden muss, einzusetzen. Diese Lösung gestattet zwar eine Reduzierung der Nadelöffnungsgeschwindigkeit, andererseits werden durch diese Lösung der konstruktive Aufwand und damit die Kosten des Einspritzsystems sehr stark erhöht.
Aus DE 102 29 418 ist eine Einrichtung zur Dämpfung des Nadelhubs am Kraftstoffinjektor bekannt. Gemäß dieser Lösung umfasst die Kraftstoffeinspritzeinrichtung einen Hochdruckspeicherraum, einen Druckübersetzer und ein Zumessventil. Der Druckübersetzer umfasst einen Arbeitsraum und einen Steuerraum, die voneinander durch axial bewegbare Kolben getrennt sind. Eine Druckänderung im Steuerraum des Druckübersetzers hat eine Druckänderung in einem Kompressionsraum zur Folge, der über einen Kraftstoffzulauf einen Düsenraum beaufschlagt. Der Düsenraum umgibt ein Einspritzventilglied, welches zum Beispiel als Düsennadel ausgebildet sein kann. Ein das Einspritzventilglied beaufschlagender Düsenfederraum ist hochdruckseitig über eine eine Zulaufdrosselstelle enthaltene Leitung vom Kompressionsraum des Druckübersetzers befüllbar. Ablaufseitig ist der Düsenfederraum über eine eine Ablaufdrosselstelle enthaltende Leitung mit einem Raum des Druckübersetzers verbunden.
Aus DE 102 29 415 ist ebenfalls eine Einrichtung zur Nadelhubdämpfung an druckgesteuerten Kraftstoffinjektoren bekannt. Gemäß dieser Lösung umfasst eine Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff einen Kraftstoffinjektor, der über eine Hochdruckquelle mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagbar und über ein Zumessventil betätigbar ist. Dem Einspritzventilglied ist ein von diesem unabhängig bewegbares Dämpfungselement zugeordnet, welches einen Dämpfungsraum begrenzt. Das Dämpfungselement weist mindestens einen Überströmkanal zur Verbindung des Dämpfungsraums mit einem weiteren hydraulischen Raum auf.
Bei den aus DE 102 29 418 bzw. DE 102 29 415 bekannten Lösungen ist das Steuerventil als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet und steuert eine relativ große Rücklaufinenge des Druckverstärkers. Hierzu werden insbesondere Servoventile eingesetzt. Nachteilig an den dargestellten Ansteuervarianten von Kraftstoffinjektoren mit nur einem Ventil ist die fehlende Flexibilität hinsichtlich der Formung des Einspritzdruckverlaufs (Rateshaping) im Vergleich zu Kraftstoffinjektoren mit zwei voneinander unabhängigen Aktoren.

Darstellung der Erfindung

Zur Erhöhung der Flexibilität hinsichtlich der Formung des Einspritzdruckverlaufs (Rateshaping) von Kraftstoffinjektoren wird ein Servo-Steuerventil vorgeschlagen, welches durch unterschiedliche Öffnungsgeschwindigkeiten des Ventilglieds des Servo-Steuerventils eine Formung des Einspritzdruckverlaufs am Kraftstoffinjektor gestattet. Unterschiedliche Öffnungsgeschwindigkeiten des Ventilglieds, z.B. eines Servokolbens eines Servo-Steuerventils können über ein mehrstufiges Steuerventil innerhalb des Servokreises, so z.B. über ein 3/3-Magnetventil realisiert werden. Damit kann die jeweils in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge, d.h. die Einspritzrate über das Motorsteuergerät der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden. Die Flexibilität, d.h. die Formung des Einspritzdruckverlaufs (Rateshaping) kann dadurch erhöht werden und somit die Einspritzung optimal an die jeweiligen Erfordernisse an einer Verbrennungskraftmaschine angepasst werden.
Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zur Steuerung des Servokreises eines einen Kraftstoffinjektor betätigenden Servo-Steuerventils ein dreistufiges 3/3-Steuerventil einzusetzen. Je nach Schaltstellung des dreistufigen 3/3-Steuerventils können unterschiedliche Ablaufdrosselquerschnitte freigeben werden, über welche unterschiedliche Absteuervolumina abgeführt werden können, die unterschiedliche Öffnungsgeschwindigkeiten des Ventilglieds in Gestalt eines Servoventilkolbens ermöglichen.
Durch eine geeignete Auslegung von Steuerkanten des 3/2-Ventilglieds lässt sich mit diesen unterschiedlichen Öffnungsgeschwindigkeiten eine Formung des Einspritzdruckes darstellen. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird auch weiterhin nur jeweils ein Aktor so zum Beispiel ein Piezoaktor oder ein Magnetventil pro Kraftstoffinjektor eingesetzt, so dass sich der fertigungstechnische Aufwand in Grenzen hält. Ebenfalls bleibt der am Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine durchzuführende Modifikationsaufwand gering, da lediglich eine Endstufe pro Kraftstoffinjektor, die entsprechende Zylinderzahl der mit Kraftstoff zu versorgenden Zylinder der Verbrennungskrafmaschine vorgesehen sind, gering.
Als mehrstufige Steuerventile können dabei Magnetventile oder auch Piezoventile eingesetzt werden, ebenso wie Ventile, die eine kontinuierliche Querschnittssteuerung erlauben.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfmdung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Kraftstoffinjektors mit einem Servoventil, dessen Servokreis über ein 3/3-Magnetventil gesteuert wird,
Figur 2: Ansteuervarianten des 3/3-Magnetventils mit unterschiedlichen Ansteuerströmen,
Figur 3: sich gemäß des Ansteuerstromniveaus aus Figur 2 einstellende Hübe des Ventilglieds,
Figur 4: sich entsprechend der Hubverläufe einstellende Düsendrücke,
Figur 5: sich einstellende Hubbewegungen des Einspritzventilglieds und
Figur 6: eine weitere Ausführungsvariante des in Figur 1 dargestellten Kraftstoffinjektors, wobei das Magnetventil anstelle eines Schiebers mit einem Sitz-Sitz-Ventil versehen ist.

Ausführungsvarianten

Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante eines einen Druckverstärker enthaltenden Kraftstoffinjektors mit einem mehrstufig konfigurierten Ventil zur Ansteuerung.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist entnehmbar, dass ein einen Druckverstärker 5 enthaltender Kraftstoffinjektor 3 über eine Hochdruckleitung 2 mit einem Druckspeicher 1 (Common Rail) in Verbindung steht. Der Kraftstoffinjektor 3 umfasst ein vorzugsweise mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 4, in welchem ein Druckverstärker 5 aufgenommen ist. Der Druckverstärker 5 umfasst ein erstes Kolbenteil 6, welches durch eine Rückstellfeder 7 beaufschlagt ist. Die Rückstellfeder 7 stützt sich auf einen beispielsweise ringförmig konfigurierten Anschlag 10 ab, der in einem Arbeitsraum 8 des Druckverstärkers 5 aufgenommen ist. Der Arbeitsraum 8 des Druckverstärkers 5 steht permanent mit dem Druckspeicher 1 (Common Rail) in Verbindung und ist mit dem im Druckspeicher 1 herrschenden Systemdruckniveau beaufschlagt. Über das erste Kolbenteil 6 sind der Arbeitsraum 8 und ein Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 voneinander getrennt. Der Differenzdruckraum 9 ist über eine Steuerleitung 11 druckentlastbar.
Druckverstärker 5 umfasst darüber hinaus einen Kompressionsraum 12, der über eine Stimfläche 14 eines zweiten Kolbenteils 13 des Druckverstärkers 5 beaufschlagt ist. Entsprechend des Druckübersetzungsverhältnisses, welches sich je nach Auslegung des Druckverstärkers 5 einstellt, wird das im Kompressionsraum 12 aufgenommene Kraftstoffvolumen auf einen höheren Druck verdichtet. Vom Kompressionsraum 12 des Druckverstärkers 5 zweigt ein Düsenraumzulauf 23 ab, der einen Düsenraum 24 des Kraftstoffinjektors 3 mit einem entsprechend des Übersetzungsverhältnisses des Druckverstärkers 5 erreichbaren höheren Druckniveau beaufschlagt.
Vom Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 erstreckt sich eine Überströmleitung 15, in welcher eine erste Drosselstelle 16 ausgebildet ist zu einem Druckraum 17. Im Druckraum 17 befindet sich ein Dämpfungskolben 19, dessen eine Stirnseite eine gegenüber liegende Stirnseite eines beispielsweise einteilig ausbildbaren, als Düsennadel beschaffenen Einspritzventilglieds 18 beaufschlagt. Der Dämpfungskolben 19 umfasst eine Bohrung 20, in welchem eine zweite Drosselstelle 21 ausgebildet ist. Darüber hinaus ist der Dämpfungskolben 19 von einer Feder 22 beaufschlagt, die sich an einer Fläche des Druckraums 17 abstützt.
Der sich vom Kompressionsraum 12 des Druckverstärkers 5 zum Düsenraum 24 erstreckende Düsenraumzulauf 23 beaufschlagt den Düsenraum 24 mit einem unter erhöhtem Druck stehenden Kraftstoffvolumen. Innerhalb des Düsenraums 24, der das beispielsweise einteilig ausbildbare Einspritzventilglied 18 umschließt, ist an diesem eine Druckstufe 25 ausgebildet. Durch in den Düsenraum 24 einströmenden, unter erhöhtem Druckniveau stehenden Kraftstoff, wirkt an der Druckstufe 25 des beispielsweise einteilig ausbildbaren Einspritzventilglieds 18 eine dieses in Öffnungsrichtung beaufschlagende hydraulische Kraft. Vom Düsenraum 24 strömt der dort aufgenommene Kraftstoff über einen Ringspalt Einspritzöffnungen 26 zu, die bei in Öffnungsstellung gestelltem Einspritzventilglied 18 das Einspritzen einer Kraftstoffmenge in einen hier nicht dargestellten Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine freigeben. Die Steuerleitung 11 zur Druckentlastung des Differenzdruckraums 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 mündet in ein Steuerventil 32 eines mehrstufigen Ventils 30, welches im oberen Bereich des Kraftstoffinjektors 3 angeordnet ist. Die Steuerleitung 11 mündet in einen ersten hydraulischen Raum 33 des Steuerventils 32. Zum Verschließen des ersten hydraulischen Raums 33 des Steuerventils 32 ist an dessen Servoventilkolben 35 ein Flachsitz 38 ausgebildet. Der Flachsitz 38 im unteren Bereich des Servoventilkolbens 35 verschließt eine erste Steuerkante 36. Im Gehäuse 42 des Steuerventils 32 ist darüber hinaus eine zweite Steuerkante 37 ausgebildet. Oberhalb des ersten hydraulischen Raumes 33 befindet im Gehäuse 42 des Steuerventils 32 ein zweiter hydraulischer Raum 34, der mit einem Abzweig 40 der Hochdruckleitung 2 verbunden ist. Dadurch steht im zweiten hydraulischen Raum 34 stets das im Druckspeicher 1 (Common Rail) herrschende Systemdruckniveau an. Im oberen Bereich des Gehäuses 42 befindet sich ein Druckraum 39. Diesem ist eine dritte Drosselstelle 41 vorgeschaltet, die vom Abzweig 40 der Hochdruckleitung 2 wegführt. Darüber hinaus ist im Gehäuse 42 des Steuerventils 32 unterhalb der ersten Steuerkante 36 ein Niederdruckraum angeordnet, der durch den Servoventilkolben 35 entsprechend seiner Stellung freigegeben oder verschlossen ist. Von diesem Raum aus erstreckt sich ein erster Rücklauf 43 in den Niederdruckbereich eines hier nicht weiter dargestellten Kraftstoffeinspritzsystems.
Vom Druckraum 39 des Steuerventils 32 erstreckt sich eine Leitung, in der eine fünfte Drosselstelle 56 ausgebildet ist. Diese Leitung verläuft parallel zum Abzweig 40 von der Hochdruckleitung 2, die an einer vierten Steuerkante 54 im Gehäuse 50 des Betätigungsventils 31 mündet. Im Gehäuse 50 des Betätigungsventils 31 befindet sich ein in vertikale Richtung verfahrbares Ventilglied 51. An dessen unterem Ende ist ein weiterer Flachsitz 52 ausgebildet, der eine dritte Steuerkante 53 freigibt bzw. verschließt. Unterhalb des Flachsitzes 52 befindet sich ein niederdruckseitiger hydraulischer Raum, von dem ein Rücklauf 62 zu einem hier nicht näher dargestellten Niederdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems verläuft. Im Abzweig 40 von der Hochdruckleitung 2, die innerhalb des Gehäuses 50 des Steuerventils 31 verläuft, ist eine vierte Drosselstelle 55 ausgebildet. Das Gehäuse 50 des Steuerventils 31 umfasst weiterhin einen hydraulischen Raum 57, welcher über den weiteren Flachsitz 52 in Zusammenspiel mit der ersten Steuerkante 53 vom zweiten Rücklauf 62 getrennt ist.
Oberhalb des Gehäuses 50 des Steuerventils 31 ist ein Anker 58 vorgesehen, der mit einer Magnetspule 60 zusammenwirkt. Anstelle der Magnetanker/Magnetspulenanordnung 58, 60 kann das Betätigungsventil 31 auch über einen in Figur 1 nicht dargestellten Piezoaktor betätigt werden.
In der Darstellung gemäß Figur 1 ist der Anker 58 des Betätigungsventils 31 über eine Schließfeder 59 beaufschlagt. Parallel zur Schließfeder 59 erstreckt sich ein weiteres Federelement 61, welches einen Anschlag für den Anker 58 des Betätigungsventils 31 vorspannt und als Hubbegrenzung bzw. Dämpfungseinrichtung bei Bestromung der Magnetspule 60 zur Dämmung der Prellung des Ankers 58 dient.
Figur 2 sind voneinander verschiedene Bestromungsniveaus des Betätigungsventils 31 zu entnehmen.
Figur 2 zeigt den Hubweg 70 des Ventilglieds 51 des Betätigungsventils 31, aufgetragen über die Zeitachse bei unterschiedlicher Bestromung. Bei einem ersten Bestromungsniveau 71 stellt sich ein erster Hubweg des Ventilglieds 51 ein, beginnend zu einem Ansteuerzeitpunkt 73, bei welchem die Magnetspule 60 oder ein Piezoaktor des Betätigungsventils 31 bestromt wird. Der Hubweg, welchen das Ventilglied 51 des Betätigungsventils 31 bei einer Bestromung mit einem zweiten Bestromungsniveau 72 zurücklegt, ist ebenfalls dargestellt. Im letztgenannten Fall legt das Ventilglied 51 des Betätigungsventils 31 einen maximalen Hubweg zurück.
Bei der Bestromung der Magnetspule 60 mit einem ersten, relativ niedrigen Stromniveau 71, wird das Ventilglied 51 des Betätigungsventils 31 in eine erste, mittlere Schaltstellung gestellt. In diesem Zustand liegt der Magnetanker 58 an einem die Magnetspule 60 umgebenden, durch die weitere Feder 61 vorgespannten, beispielsweise ringförmig ausgebildeten Anschlag an. In dieser Schaltstellung ist die fünfte Drosselstelle 56 freigegeben, wobei die vierte Drosselstelle 55 verschlossen bleibt. Der weitere Flachsitz 52 steht offen, so dass das im hydraulischen Raum 57 enthaltene Kraftstoffvolumen in den zweiten Rücklauf in den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems abströmen kann. Dadurch erfolgt eine Druckentlastung des Druckraums 39 mittels Steuerventils 32. Der Servoventilkolben 35 fährt auf und gibt seinerseits den Flachsitz 38 frei. Dadurch strömt der im Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 enthaltene Kraftstoffvorrat über den zweiten hydraulischen Raum 33 in den ersten Rücklauf 43 auf die Niederdruckseite des Kraftstoffeinspritzsystems ab.
Der Servoventilkolben 35 öffnet langsam, so dass sich im Kompressionsraum 12 ein verzögerter, langsamer Druckaufbau einstellt, der über den Düsenraumzulauf 23 und den Düsenraum 24 ein langsames Öffnen des beispielsweise einteilig ausbildbaren Einspritzventilglieds 18 einstellt. Demzufolge werden die Einspritzöffnungen 26 in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine nur langsam geöffnet, so dass sich ein in Figur 4 dargestellter, mit Bezugszeichen 91 gekennzeichneter erster Druckanstieg während der Einspritzung an der Düse einstellt.
In Figur 3 ist der sich beim ersten Bestromungsniveau 71 einstellende Hub des Servoventilkolbens 35 des Ventils 32 sowie der sich beim zweiten Bestromungsniveau 72 einstellende Hub des Servoventils 35 wiedergegeben.
Wird wie in Figur 2 dargestellt, die Magnetspule 60 des Betätigungsventils 31 mit einem zweiten, höheren Stromniveau 72 beaufschlagt, so stellt sich ein Hubverlauf 95 des Ventilglieds 51 des Betätigungsventils 31 ein (vgl. Figur 5). In diesem Falle wird das Ventilglied 51 in eine weitere, zweite Schaltstellung gestellt, in der der Anker 58, der mit dem Ventilglied 51 verbunden ist, entgegen der Wirkung der Schließfeder 59 weiter in vertikale Richtung nach oben auffährt, so dass sowohl die vierte Drosselstelle 55 als auch die fünfte Drosselstelle 56 freigegeben werden. Die Freigabe der fünften Drosselstelle 56 erfolgt durch Öffnen des weiteren Flachsitzes 52 an der dritten Steuerkante 53, wohingegen die Freigabe der vierten Drosselstelle 55 durch ein in vertikale Richtung erfolgendes Auffahren des Ventilglieds 51 mit Ringnut des Betätigungsventils 31 erreicht wird. Dadurch strömt ein Steuervolumen über die beiden geöffneten, als Ablaufdrossel wirkenden Drosselstellen 55, 56 in den zweiten Rücklauf 62 auf die Niederdruckseite des Kraftstoffeinspritzsystems ab. Aufgrund dessen stellt sich im Druckraum 39 ein schnellerer Druckabbau ein, was zu einem schnelleren Öffnen des Servoventilkolbens 35 mit einer hohen Öffnungsgeschwindigkeit in den Druckraum 39 beiträgt. Aufgrund dessen ergibt sich eine schnellere Druckentlastung des Differenzdruckraums 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 und demzufolge ein schnellerer Druckaufbau im Kompressionsraum 12 und damit - über den Düsenraumzulauf 23 - im Düsenraum 24, der das Einspritzventilglied 18 umgibt. Das Einspritzventilglied 18 fährt schneller auf, so dass sich ein höherer Druck an den Einspritzöffnungen 26 einstellt, der zu dem in Figur 4 mit Bezugszeichen 92 identifizierten Druckanstieg an der Einspritzdüse führt.
Während in Figur 2 die Ansteuerstromniveaus des Ventilglieds 51 des Betätigungsventils 31 einander gegenübergestellt sind, die beide zum Ansteuerzeitpunkt 73 erfolgen, sind in Figur 3 Hubwege 80 des Servoventilkolbens 35 des Steuerventils 32 einander gegenübergestellt. Im Falle der Bestromung der Magnetspule 60 bzw. des Magnetaktors mit einem ersten niedrigeren Stromniveau 71 stellt sich ein durch Bezugszeichen 82 gekennzeichneter rampenförmig verlaufender Hub des Servoventilkolbens 35 ein, der durch eine erste Steigung 84 gekennzeichnet ist.
Bei Bestromung der Magnetspule 60 bzw. eines Piezoaktors des Betätigungsventils 31 mit einem zweiten Bestromungsniveau 72 stellt sich hingegen ein zweiter rampenförmiger Hub 83 ein, wie Figur 3 entnehmbar ist, der eine zweite Steigung 85 aufweist. Beide Hübe 82, 83 sind durch den maximalen Hubweg H_max begrenzt, welcher in der Darstellung gemäß Figur 3 durch ein Plateau 81 angedeutet ist, welches sich nur knapp unter dem maximalen Hubweg H_max des Servoventilkolbens 35 erstreckt.
Figur 4 zeigt den Druckverlauf an der Einspritzdüse.
Bei Bestromung der Magnetspule 60 bzw. des Piezoaktors des Betätigungsventils 31 mit einem ersten niedrigeren Stromniveau 71 stellt sich an der Einspritzdüse gemäß Figur 4 ein erster Druckanstieg 91 ein, während bei Bestromung der Magnetspule 60 bzw. eines Piezoaktors des Betätigungsventils 31 mit einem höheren Stromniveau (vgl. Figur 2, dort Bezugszeichen 72) sich an der Einspritzdüse am brennraumseitigen Ende ein zweiter Druckanstieg 92 einstellt.
Die sich ergebenden Hubverläufe 93 des Einspritzventilglieds 18 sind der Darstellung gemäß Figur 5 zu entnehmen. Der Hub des Einspritzventilglieds 18 bei Bestromung der Magnetspule 60 bzw. des Piezoaktors mit einem ersten, niedrigeren Stromniveau 71 ist durch Bezugszeichen 94 gekennzeichnet und weist einen im Vergleich zur Bestromung der Magnetspule 60 bzw. des Piezoaktors des Betätigungsventils 31 mit einem zweiten höheren Stromniveau 72, flacheren Anstieg auf. Der Hubverlauf des Einspritzventilglieds 18 bei Bestromung der Magnetspule 60 bzw. eines Piezoaktors des Betätigungsventils 31 mit dem zweiten Bestromungsniveau 72, ist in der Darstellung gemäß Figur 5 durch Bezugszeichen 95 angedeutet.
Im deaktivierten Ruhezustand ist das mehrstufige Ventil 30 geschlossen. Damit ist der Flachsitz 38 des Steuerventils 32 ebenfalls geschlossen, so dass der Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 und die Steuerleitung 11 vom ersten Rücklauf 43 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors getrennt sind. Druckverstärker 5 ist in diesem Zustand druckausgeglichen, so dass keine Druckverstärkung durch diesen stattfindet.
Zur Aktivierung des Druckverstärkers 5 wird der Differenzdruckraum 9 (Rückraum) durch das mehrstufige Ventil 30 druckentlastet. Dies erfolgt durch Bestromung der Magnetspule 60, woraufhin das Ventilglied 51 auffährt und den weiteren Flachsitz 52 freigibt. Über den geöffneten, weiteren Flachsitz 52 strömt Steuervolumen, welches über den Abzweig 40 und die vierte Drosselstelle 56 ansteht, in den zweiten niederdruckseitigen Rücklauf 62 ab. Aufgrund der sich ergebenden Druckentlastung des Druckraums 31 fährt der Servoventilkolben 35 auf und gibt den Flachsitz 38 frei, so dass Kraftstoff aus dem Differenzdruckraum 9 über die Steuerleitung 11 in den ersten Rücklauf 43 auf die Niederdruckseite des Kraftstoffeinspritzsystems abströmt. Dabei steigt der Druck im Kompressionsraum 12 stark an und wird entsprechend des Übersetzungsverhältnisses des Druckverstärkers 5 durch den Düsenraumzulauf 23 in den Düsenraum 24 geleitet. An der Druckstufe 25 des Einspritzventilglieds 18 baut sich eine in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft auf, so dass die Einspritzöffnungen 26 im brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 freigegeben werden und Kraftstoff in diesen eingespritzt werden kann.
Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird das Betätigungsventil 31 deaktiviert, d.h. die Bestromung der Magnetspule 60 bzw. eines Piezoaktors aufgehoben. Die Schließfeder 59 stellt das Ventilglied 51 in seine Schließstellung, so dass der weitere Flachsitz 52 verschlossen wird. Damit ist ein Druckaufbau im Druckraum 39 des Steuerventils 32 gewährleistet, so dass der Servoventilkolben 35 mit seinem Flachsitz 38 in seine Schließstellung gestellt wird. In diesem Zustand ist die erste Steuerkante 36 oberhalb des niederdruckseitigen hydraulischen Raums, aus dem der erste Rücklauf 43 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems gespeist wird, verschlossen und die Kolbenteile 6, 13 des Druckverstärkers 5 bewegen sich in ihre Ruhestellung zurück. Aufgrund dessen fällt der Druck im Druckraum 24 ab, die dort in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft bricht zusammen, so dass das Einspritzventilglied 18 durch die Druckentlastung des Druckraums 17 in seine Schließstellung fährt, unterstützt durch die Feder 22.
Die Wiederbefüllung des Kompressionsraums 12 des Druckverstärkers 5 erfolgt über ein Rückschlagventil, welches zwischen den Druckraum 17 oberhalb des Einspritzventilglieds 18 und dem Kompressionsraum 12 des Druckverstärkers 5 zwischengeschaltet ist.
Die sich über die unterschiedlichen Bestromungsniveaus 71, 72 der Magnetspule 60 bzw. eines Piezoaktors des Betätigungsventils 31 einstellenden erzielbaren Einspritzformen können über ein der Verbrennungskraftmaschine zugeordnetes Steuergerät innerhalb von Kennfeldern variiert werden. Damit lassen sich die Öffnungsgeschwindigkeiten des mehrstufigen Ventils 30 an die jeweiligen Einsatzbedingungen der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine anpassen. Ist eine langsame Bewegung des Servoventilkolbens 35 des Steuerventils 32 bzw. eine langsame Bewegung des Ventilglieds 51 des Betätigungsventils 31 gewährleistet, lassen sich insbesondere kleine Einspritzmengen reproduzierbar darstellen, die für Voreinspritzungen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine erforderlich sind.
Der Darstellung gemäß Figur 6 ist eine weitere Ausführungsvariante des in Figur 1 dargestellten Kraftstoffinjektors zu entnehmen.
Die Wirkungsweise des in Fig. 6 dargestellten Kraftstoffinjektors 3 entspricht im Wesentlichen der Wirkungsweise des in Figur 1 dargestellten Kraftstoffinjektors 3, worauf zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird.
Im Unterschied zur Darstellung gemäß Figur 1 weist das in Figur dargestellte mehrstufige Ventil 30 und insbesondere das Betätigungsventil 31 eine Modifikation auf. Während in der Ausführungsvariante gemäß Figur 1 das Ventilglied 51 eine die vierte Steuerkante 54 verschließende Schiebedichtung aufweist, ist in der Darstellung gemäß Figur 6 das Ventilglied 51 mit einem Ventilsitz 100 versehen. Der Ventilsitz 100, der gehäuseseitig am Gehäuse 50 des Betätigungsventils 31 ausgebildet sein kann, wirkt mit einer Kegelfläche 102 des Ventilglieds 51 zusammen. Die Kegelfläche 102 des Ventilglieds 51 wirkt mit einer Sitzkante 101 zusammen. Die Ausführungsvariante des Betätigungsventils 31 mit einem Ventil-Sitz 100 gestattet in vorteilhafter Weise die Erzielung einer hohen Dichtwirkung, die bei kleinen Hüben an einer Schieberdichtung - wie in Figur 1 dargestellt - nicht immer erzielbar ist. Mit Bezugszeichen 103 ist ein Niederdruckraum bezeichnet, von dem aus sich der Rücklauf 62 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems erstreckt.
In der in Figur 6 dargestellten Ausführungsvariante sind die Schaltfunktionen daher umgekehrt. In der mittleren Schaltstellung des Ventilglieds 51 sind die als Ablaufdrossel dienenden Drosselstellen 55 und 56 geöffnet, so dass der Servoventilkolben 35 schnell öffnet, wodurch sich ein schneller Druckaufbau zu Beginn der Einspritzung einstellt. Demgegenüber sind in der oberen Schaltstellung, d.h. bei einer Bestromung der Magnetspule 60 bzw. eines Piezoaktors des Betätigungsventils 31 mit einem höheren Stromniveau die fünfte Drosselstelle 56 geöffnet, wohingegen die vierte Drosselstelle 55 geschlossen ist. In diesem Falle öffnet der Servoventilkolben 35 des Steuerventils 33 langsamer, so dass sich ein verzögerter Druckaufbau zu Beginn der Einspritzung einstellt. Mit der in Figur 6 dargestellten Ausführungsvariante verhält es sich hinsichtlich der erzielbaren Öffnungsgeschwindigkeiten gerade umgekehrt, verglichen mit den im Zusammenhang mit Figur 1 gemachten Ausführungen zur Beeinflussung der Öffnungsgeschwindigkeit des mehrstufigen Ventils 30.

Bezugszeichenliste

1: Druckspeicher
2: Hochdruckleitung
3: Kraftstoffinjektor
4: Injektorgehäuse
5: Druckverstärker
6: 1. Kolbenteil
7: Rückstellfeder
8: Arbeitsraum
9: Differenzdruckraum (Rückraum)
10: Anschlag
11: Steuerleitung
12: Kompressionsraum
13: 2. Kolbenteil
14: Stirnfläche
15: Überströmleitung
16: 1. Drosselstelle
17: Druckraum
18: Einspritzventilglied
19: Dämpfungskolben
20: Bohrung
21: 2. Drosselstelle
22: Feder
23: Düsenraumzulauf
24: Düsenraum
25: Druckstufe
26: Einspritzöffnungen

30: mehrstufiges Ventil
31: Betätigungsventil
32: Steuerventil
33: 1. hydraulischer Raum
34: 2. hydraulischer Raum
35: Servoventilkolben
36: 1. Steuerkante
37: 2. Steuerkante
38: Flachsitz
39: Druckraum
40: Abzweig Hochdruckleitung
41: 3. Drosselstelle
42: Gehäuse
43: 1. Rücklauf (Niederdruck)

50: Gehäuse
51: Ventilglied
52: Flachsitz
53: 3. Steuerkante
54: 4. Steuerkante
55: 4. Drosselstelle
56: 5. Drosselstelle
57: hydraulischer Raum
58: Anker
59: Schließfeder
60: Magnetspule
61: weitere Feder
62: zweiter Rücklauf (Niederdruck)

70: Hubweg Ventilglied 51
71: 1. Bestromungsniveau
72: 2. Bestromungsniveau
73: Ansteuerzeitpunkt

80: Hubweg vom Servoventilkolben 35
81: Plateau
82: Anstiegsrampe bei 1. Bestromungsniveau 71
83: Anstiegsrampe bei 2. Bestromungsniveau 72
84: 1. Steigung
85: 2. Steigung

90: Düsendruckverlauf
91: 1. Druckanstieg
92: 2. Druckanstieg
93: Hub Einspritzventilglied
94: Hubverlauf bei 1. Bestromungsniveau 71
95: Hubverlauf bei 2. Bestromungsniveau 72

100: Ventilsitz
101: Sitzkante
102: Kegelfläche
103: Niederdruckraum

Claims

Kraftstoffinjektor (3) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen der Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Druckverstärker (5), der einen permanent mit einem Druckspeicher (1), wie z.B. Common Rail, in Verbindung stehenden Arbeitsraum (8) aufweist, der von einem Differenzdruckraum (9) durch ein Kolbenteil (6, 13) getrennt ist, wobei der Differenzdruckraum (9) des Druckverstärkers (5) über ein Ventil (30) entweder druckentlastbar oder druckbeaufschlagbar ist und mit einem Einspritzventilglied (18), dadurch gekennzeichnet, dass das den Differenzdruckraum (9) des Druckverstärkers (5) druckentlastende oder druckbeaufschlagende und das Einspritzventilglied (18) steuernde Ventil (30) ein einen Servoventilkolben (35) enthaltendes Steuerventil (32) sowie ein aktorbetätigtes, mehrstufiges Betätigungsventil (31) aufweist.
Kraftstoffeinspritzenrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (32) einen den Servoventilkolben (35) beaufschlagenden Druckraum (39) aufweist, der mit einem hydraulischen Raum (57) des Betätigungsventils (31) in Strömungsverbindung steht.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (32) und das Betätigungsventil (31) über einen von einer Hochdruckleitung (2) verlaufenden Abzweig (40) in Strömungsverbindung miteinander stehen.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zwischenstellung eines Ventilglieds (51) des Betätigungsventils (31) bei Bestromung eines Aktors (60) mit einem ersten Stromniveau (71), eine als Ablaufdrossel wirkende Drosselstelle (56) zur Druckentlastung des Druckraums (39) des Steuerventils (32) freigegeben ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bestromung des Aktors (60) des Betätigungsventils (31) mit einer zweiten, im Vergleich zum ersten Stromniveau (71) höheren, zweiten Stromniveau (72) zur Druckentlastung des Druckraums (39) ein die Drosselstelle (56) und eine weitere Drosselstelle (55) zur Druckentlastung des Druckraums (39) des Steuerventils (32) freigegeben sind.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Drosselstelle (55) des Betätigungsventils (31) durch eine durch das Ventilglied (51) dargestellte Schieberdichtung freigebbar oder verschließbar ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ventilglied (51) des Betätigungsventils (31) ein Ventilsitz (100) ausgebildet ist, welcher bei Bestromung des Aktors (60) des Betätigungsventils (31) mit dem zweiten, höheren Stromniveau (72) die weitere Drosselstelle (55) verschließt, so dass eine Druckentlastung des Druckraums (39) nur über die Drosselstelle (56) erfolgt und sich ein langsames Öffnen des Servoventilkolbens (35) einstellt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bestromung des Aktors (60) des Betätigungsventils (31), dessen Ventilglied (51) einen Ventilsitz (100) aufweist, in einer Zwischenstellung des Ventilglieds (51) sowohl die Drosselstelle (56) als auch die Drosselstelle (55) freigegeben sind, so dass eine schnelle Druckentlastung des Druckraums (39) des Steuerventils (32) erfolgt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des als Servoventil ausgebildeten Steuerventils (32) ein 3/3-Ventil eingesetzt wird.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Betätigungsventil (31) des Steuerventils (32) ein eine Magnetspulenanordnung (58, 60) aufweisendes Ventil oder ein einen Piezoaktor aufweisendes Betätigungsventil (31) eingesetzt wird.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch unterschiedliche Schaltstellungen des mehrstufigen Betätigungsventils (31) verschiedene Öffnungsgeschwindigkeiten des Servoventilkolbens (35) erreicht und der Einspritzdruckverlauf (90) variiert wird.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer langsameren Öffnungsgeschwindigkeit des Servoventilkolbens (35) eine Einspritzung mit einem ersten, langsameren Druckanstieg (91) und bei einer zweiten, schnelleren Öffnungsgeschwindigkeit des Servoventilkolbens (35) eine Einspritzung mit einem zweiten, schnelleren Druckaufbau (92) erfolgt.