Die Erfindung geht von der Gattung aus, wie im unabhängigen Anspruch 1 angegeben.
Ein solches Einspritzventil ist bekannt durch die Patentschrift EP 0 745 764 A. Ein anderes Einspritzventil ist bekannt aus der Patentschrift US 5,458,293. Konstruktiv kann sich ein Einspritzventil aus mehreren Funktionsgruppen zusammensetzen. Eine erste Funktionsgruppe enthält ein Zumeßventil für den Kraftstoff, mit Einspritzöffnungen und einem Ventilschaft. Eine weitere Funktionsgruppe enthält als Antrieb einen Aktor. Zwischen diesen beiden Funktionsgruppen kann eine dritte Funktionsgruppe angeordnet sein, die zur Servounterstützung dient und auch als Wegverstärker bezeichnet werden kann. Diese Funktionsgruppe weist einen Steuerraum auf, der über eine Primärdrossel (Zulaufdrossel) hydraulisch mit einem Hochdruckspeicher verbunden ist und über eine Sekundärdrossel (Ablaufdrossel) und ein Entlastungsventil entlastet werden kann.
Schließlich kann zwischen diese dritte Funktionsgruppe und den Aktor noch eine vierte Funktionsgruppe geschaltet sein, die für eine hydraulische Wegübersetzung sorgt. Ein Beispiel für ein Einspritzventil mit allen vier Funktionsgruppen gibt die Patentschrift DE 19 19 192 C1. Diese Patentschrift befaßt sich auch mit der Aufgabe, bei der sog. Voreinspritzung kleinste, reproduzierbare Voreinspritzmengen zu ermöglichen. Bei der Patentschrift US 5,458,293 dagegen geht es nicht um die Voreinspritzung, sondern um die Bereitstellung eines gestuften Einspritzmengenverlaufes mittels unterschiedlichen Öffungshüben des Schließgliedes eines Einspritzventils bei verschiedenen Förderdrücken bzw. Einspritzdrücken.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich - anders als die Patentschrift US 5,458,293 - mit der Funktionsgruppe, die zur Servounterstützung ein Steuerventil aufweist, und die Erfindung zielt darauf ab, die Eignung eines Einspritzventils für die Vor- und die Haupteinspritzung zu verbessern.
Der Anmeldungsgegenstand mit den Merkmalen des Anspruches 1 hat folgenden Vorteil:
Bei der Voreinspritzung lassen sich kurze Schaltzeiten am Steuerventil erzielen, und die Durchflußmenge durch das Steuerventil ist begrenzt. Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines Einspritzventils das von einem Piezo-Aktor gesteuert wird. Ein solches Einspritzventil ist beispielsweise als Common-Rail-Injektor geeignet.
Mit dem erfindungsgemäßen Einspritzventil können zwei Schaltstufen mit hoher Hubgenauigkeit realisiert werden. Der erste Axialhub für die Voreinspritzung kann stark reduziert werden. Damit reduziert sich auch die Schaltzeit, während es möglich wird, für die Haupteinspritzung einen großen Hub zu erzielen.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Merkmale auch, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden können.
Bei der Ausführung nach Anspruch 1 sind eine Druckfeder und eine Schraubenfeder hintereinander geschaltet. Es läßt sich eine kompakte Anordnung dadurch erzielen, daß ein Piezo-Aktor benutzt und die beiden Druckfedern im Bereich zwischen dem Piezo-Aktor und dem Kopf des Steuerventils angeordnet sind. Wenn das Zwischenstück auf dem Ventilstößel des Steuerventils geführt ist, lassen sich Flatterbewegungen gut vermeiden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung gezeigt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es ist dargestellt in
Bei dem Einspritzventil nach Figur 1 ist zwischen einem Einspritzventilglied 1 mit Ventilschaft 2 einerseits und einem Piezo-Aktor 3 andererseits eine Funktionsgruppe vorgesehen, deren Grundbestandteil ein Steuerventil 4 mit Ventilstößel 5 ist, auf welchen der Piezoaktor 3 einwirkt. Das Einspritzventilglied 1 hat am brennraumseitigen Ende eine kegelförmige Dichtfläche 43, die mit einem kegelförmigen Ventilsitz 40 zusammenwirkt, von dem aus Einspritzbohrungen 42 zum Brennraum der zugehörigen Brennkraftmaschine abführen.
Auf den Ventilstößel 5 aufgepreßt ist ein Ring 6, der oben als Flansch 7 ausgebildet ist. Zwischen diesem Flansch 7 und einer Stufe 8 im Gehäuse 9 des Einspritzventils ist eine erste Druckfeder 10 eingespannt. Sie belastet den Ventilstößel 5 in Schließrichtung des Steuerventils 4, dessen Ventilkopf 44 in geschlossenem Zustand des Steuerventils an einem Ventilsitz 11 anliegt.
Der Ventilschaft 2 begrenzt in einer ihn führenden Führungszylinder einen Steuerraum 12, von dem eine Entlastungsbohrung 14 abführt, in der das Steuerventil 4 angeordnet ist, das die Entlastung des Steuerraumes steuert. Zur Steuerung der Entlastungsrate bei geöffnetem Steuerventil 4 ist ferner in der Entlastungsbohrung eine Ablaufdrossel 13 vorgesehen. Auf der anderen Seite des Ventilkopfes 44 des Steuerventils 4 befindet sich ein Ringraum 15, von welchem Bohrungen 16 zu einem Ablaufring 17 führen. Dieser ist über eine schematisch dargestellt Ablaufleitung 18 mit einem Niederdruckflüssigkeitsbehälter 19 verbunden.
Der Steuerraum 12 dagegen ist über einen Zulauf 20 und eine zwischengeschaltete Zulaufdrossel 21 , die einen kleineren Querschnitt als die Ablaufdrossel 13 aufweist, mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher 22 verbunden, sodaß bei geschlossenem Steuerventil 4 sich im Steuerraum der hohe Kraftstoffdruck des Kraftstoffhochdruckspeichers einstellte, der das Einspritzventilglied 1 mit seiner Dichtfläche 43 auf den Ventilsitz 40 preßt, um in diesem Zustand eine Einspritzung zu verhindern. Auf dem Ventilstößel 5 ist axial beweglich ein Zwischenstück 30 geführt, das im dargestellten Ruhezustand von einer zweiten Druckfeder 31 gegen einen Gehäuseanschlag 32 gedrückt wird.
Das untere Ende des Ringes 6 ist als Mitnehmer 35 für das Zwischenstück 30 ausgebildet und weist einen Mitnehmeranschlag 36 auf. Dieser hat von der Oberseite des Zwischenstückes 30 einen als Primäranschlag 37 dienenden Abstand zur Festlegung eines ersten Axialhubs 46 für eine Steuerraumentlastung für die Voreinspritzung. Die Unterseite des Zwischenstückes 30 ist als Sekundäranschlag 38 bezeichnet. Dieser Sekundäranschlag 38 hat im dargestellten Ruhezustand einen Abstand entsprechend einem zweiten Axialhub 47 von einem gehäuseseitigen Endanschlag 39.
Für die Vor- und Haupteinspritzung muß das Einspritzventilglied 1 mehr oder weniger von seinem Ventilsitz 40 abgehoben werden, damit Kraftstoff, der über einem mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 22 verbundenen Ringraum 41 vor dem Ventilsitz ansteht, über die dann geöffneten Einspritzöffnungen 42 in den Brennraum austreten kann. Dazu muß der Druck im Steuerraum 12 entlastet werden. Der Druck vor dem Öffnen des Einspritzventilgliedes und solange das Steuerventil 4 geschlossen ist, entspricht dem des Hochdruckspeichers 22. Durch stufenweises Öffnen des Steuerventils 4 wird der Steuerraum 12 stufenweise druckentlastet, weil Flüssigkeit vom Steuerraum 12 in den Behälter 19 abfließen kann und das Nachfließen über die Drossel 21 beschränkt ist. Zur stufenweisen Öffnung des Einspritzventilglieds 1 muß also der Ventilkopf 44 des Steuerventils 4 stufenweise von seinem Ventilsitz 11 abgehoben werden. Dazu ist der Piezo-Aktor 3 vorgesehen, der auf den Ventilstößel 5 einwirkt. Bei entsprechender elektrischer Steuerung übt der Piezo-Aktor 3 eine mehr oder weniger große Aktor-Kraft auf den Ventilstößel 5 aus. Bei geringer Aktorkraft 45 wird zunächst die weiche erste Druckfeder 10 komprimiert, bis der Mitnehmeranschlag 36 den ersten Axialhub 46 für die Voreinspritzung überwunden hat und am Primäranschlag 37 des Zwischenstückes 30 anschlägt. Von nun ab ist eine größere Aktorkraft 45 erforderlich, denn die zweite Druckfeder 31 verlangt zu ihrer Kompression eine größere Kraft. Wird diese überwunden, so kann der mit dem Ring 6 fest verbundene Ventilstößel 5 einen zweiten Axialhub 47 ausführen, bis sich der Spalt zwischen dem Sekundäranschlag 38 am Zwischenstück 30 und dem gehäuseseitigen Endanschlag 39 schließt. Dann ist das Steuerventil 4 und damit auch das Einspritzventilglied 1 vollständig für die Haupteinspritzung geöffnet.
Zu dieser Funktionsweise tragen folgende Merkmale des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles bei:
Das Steuerventil 4 ist in Schließrichtung vorgespannt durch die vorgespannte erste Druckfeder 10, die zwischen dem Gehäuse 9 und dem Flansch 7 am Ventilstößel 5 eingespannt ist. Der starr mit dem Ventilstößel 5 verbundene Mitnehmer 35 hat im Ruhezustand einen Abstand entsprechend dem ersten Axialhub 46 vom Primäranschlag 37 des abgefederten Zwischenstückes 30. Das Zwischenstück 30 mit seinem Primäranschlag 37 ist über die zweite Druckfeder 31 am Gehäuse 9 (gegebenenfalls über einen Abstandsring 50) abgestützt. Das abgefederte Zwischenstück 30 hat im Ruhezustand einen Abstand entsprechend dem zweiten Axialhub 47 von dem gehäuseseitigen Endanschlag 39. Die zwreite Druckfeder 31 bringt im Ruhezustand des Steuerventils 4 eine größere Kraft auf, als die erste Druckfeder 10. Das Zwischenstück 30 liegt in diesem Ruhezustand am Gehäuse 9 an und hält die zweite Druckfeder 31 auf Vorspannung. Auch die erste Druckfeder 10 steht im Ruhezustand unter Vorspannung.
Es sind also zwei Federauflagen jeweils für eine gegen das Gehäuse 9 vorgespannte Feder 10 bzw. 31 vorgesehen. Die erste Federauflage (Flansch 7) ist starr mit dem Ventilstößel 5 verbunden. Der auf dem Ventilsitz 11 aufliegende Ventilkopf 44 begrenzt die Bewegungsfreiheit des Ventilstößels 5 nach oben und sorgt damit für die Vorspannung der Druckfeder 10. Die zweite Federauflage am Zwischenstück 30 ist in Richtung einer Vergrößerung der Federkraft der zweiten Druckfeder 31 von der Ruhelage ausgehend axial beweglich, wobei der Gehäuseanschlag 32 und das Gehäuse 9 (gegebenenfalls in Verbindung mit dem Abstandsring 50) für die Federvorspannung sorgen.
Die Vorspannung der ersten Druckfeder 10 kann beispielsweise 10 bis 20 N und die Vorspannung der zweiten Druckfeder 31 beispielsweise 80 bis 120 N betragen. Im Bereich zwischen 20 und 80 N wirkt dann also der Primmäranschlag 37 wie ein fester Anschlag. In diesem Bereich bleibt der erste Axialhub 46 für die Voreinspritzung überwunden. Nach Überwindung des zweiten Axialhubes 47, der sich zum ersten Axialhub addiert, wird die Haupteinspritzung durchgeführt.
Bei dem in Figur 2 im Ruhezustand dargestellten Ausführungsbeispiel weist die zweite Druckfeder 31' ebenfalls eine höhere Vorspannkraft auf, als die erste Druckfeder 10'. Mit dem Ventilstößel 5 ist starr ein Halter 51 verbunden, der den Bewegungsbereich des Zwischenstückes 30' in der Öffnungsrichtung 52 des Steuerventils begrenzt. Beim Öffnen wird zunächst mit Hilfe des Zwischenstückes 30' die erste Druckfeder 10' komprimiert, bis der erste Axialhub 46 überwunden ist. Bei größerem Kraftaufwand wird die zweite Druckfeder 31' komprimiert, bis die Summe der Axialhübe 46 und 47 überwunden ist, wenn der Mitnehmeranschlag 36 an den Endanschlag 39 stößt.
Während bei dem Ventil nach Figur 1 nach Überwindung des ersten Axialhubes 46 der ersten Druckfeder 10 die zweite Druckfeder 31 parallel geschaltet wird, liegt bei Figur 2 zunächst eine Hintereinanderschaltung der Federn vor, wobei aber die erste Druckfeder 10 nach Überwindung des ersten Axialhubes 46 wirkungslos wird. Dementsprechend sind die Zuordnungen zwischen dem Zwischenstück, dem Gehäuse, den Anschlägen und den Federn anders als bei Figur 1.
In Figur 2 wird die zweite Druckfeder 31' durch den Halter 51 und den Flansch 7 auf Vorspannung gehalten (unter Zwischenschaltung des Zwischenstückes 30'). Die erste Druckfeder 10' wird einerseits durch das Gehäuse 9 und andererseits duurch das Zwischenstück 30' auf Vorspannung gehalten, wobei letzteres im Ruhezustand durch die zweite Druckfeder 31' gegen den Halter 51 gedrückt wird. Der erste Axialhub 46 ist durch den Primäranschlag 37 und einen Gehäuseanschlag 53 begrenzt, während die Summe der Axialhübe 46 + 47 dem Abstand zwischen dem Mitnehmeranschlag 36 und dem Endanschlag 39 entspricht.