Die Erfindung geht von Kraftstoffeinspritzventilen aus, die zwei ineinander geführte Ventilnadeln aufweisen und sonst der Gattung des Patentanspruchs 1 entsprechen. Solche Kraftstoffeinspritzventile sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 41 15 477 Al bekannt. Die beiden Ventilnadeln steuern mit ihrem brennraumseitigen Ende die Öffnung von jeweils wenigstens einer Einspritzöffnung und lassen sich so ansteuern, dass entweder nur die äußere Ventilnadel einen Teil der Einspritzöffnungen aufsteuert, oder dass beide Ventilnadeln öffnen und sämtliche Einspritzöffnungen aufsteuern. Auf diese Weise lässt sich der Einspritzquerschnitt abhängig von der Last der Brennkraftmaschine optimal einstellen. Die Längsbewegung der Ventilnadeln in der Bohrung erfolgt durch das Verhältnis einer auf die Ventilnadeln wirkenden Öffnungskraft und jeweils einer entgegengerichteten Schließkraft. Die Öffnungskraft ergibt sich durch den hydraulischen Druck auf entsprechende Druckflächen an den Ventilnadeln, während die Schließkraft bei den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen entweder durch Federn oder ebenfalls durch hydraulische Kräfte erzeugt wird. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist hierbei den Nachteil auf, dass sich nicht die Öffnung beider Nadeln in Zeitpunkt und Dauer beliebig steuern lässt. Die äußere Ventilnadel öffnet druckgesteuert gegen die Kraft einer Schließfeder, während die innere Ventilnadel - zusätzlich zur Schließkraft einer Schließfeder - eine Kraft durch den hydraulischen Druck in einem Steuerraum erfährt. Durch ein Magnetventil lässt sich so jedoch nur steuern, ob die innere Ventilnadel bei einem Einspritzzyklus öffnet oder nicht. Die äußere Ventilnadel kann durch das Magnetventil in ihrem Öffnungsverhalten nicht beeinflusst werden. Dies setzt der Steuerung des exakten Einspritzzeitpunkts und der genauen Einspritzmenge eine Grenze, was natürlich auch die weitere Optimierung der Verbrennung erschwert.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch ein einziges Steuerventil Öffnungszeitpunkt und Öffnungsdauer sowohl der äußeren als auch der inneren Ventilnadel steuerbar ist. Hierzu weist das im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils angeordnete Steuerventil einen Ventilraum auf, in dem ein Ventilglied angeordnet ist. Das Ventilglied ist zwischen zwei Endpositionen beweglich, wobei das Ventilglied in der ersten Endposition bewirkt, dass sowohl der Steuerraum, als auch der Steuerdruckraum mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt sind, so dass sowohl die äußere Ventilnadel als auch die innere Ventilnadel in ihrer Schließstellung verharren. Fährt das Ventilglied schnell in seine zweite Endposition, so wird nur der Steuerraum in den Leckölraum druckentlastet, während der Steuerdruckraum seinen Druck praktisch beibehält. Hierdurch öffnet nur die äußere Ventilnadel, während die innere Ventilnadel in ihrer Schließstellung verharrt. Sollen beide Ventilnadeln, also sowohl die innere als auch die äußere Ventilnadel aufgesteuert werden, so fährt das Ventilglied etwas langsamer von seiner ersten in die zweite Endposition, wodurch jetzt auch der Druck im Steuerdruckraum so weit absinkt, dass zusätzlich zur äußeren Ventilnadel auch die innere Ventilnadel öffnet. Über die Schaltzeit des Steuerventils lässt sich also einstellen, ob der gesamte Einspritzquerschnitt oder nur ein Teil des Einspritzquerschnitts aufgesteuert wird. Es ist eine Steuerung der Koaxial-Variodüse mittels nur eines einzigen Steuerventils möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung wird das Ventilglied durch einen Aktor bewegt, der vorzugsweise elektrisch betrieben ist. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Aktors als Piezo-Aktor, da dieser den Vorzug aufweist, mit nahezu beliebiger Geschwindigkeit schaltbar zu sein. Das durch den Aktor bewegte Ventilglied lässt sich so mit unterschiedlicher Geschwindigkeit von der ersten Endposition in die zweite Endposition fahren, wobei sich durch die Schaltgeschwindigkeit der Einspritzquerschnitt einstellen lässt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Haltekörper 14, einen Steuerkörper 12, eine Zwischenscheibe 9, einen Zwischenkörper 7 und einen Ventilkörper 3 umfasst, die in dieser Reihenfolge aneinander anliegen. Die einzelnen Bauteile des Gehäuses 1 werden durch eine Spannmutter 5 gegeneinander gepresst und in ihrer Lage zueinander fixiert. Im Ventilkörper 3 ist eine Bohrung 16 ausgebildet, in der eine äußere Ventilnadel 20 längsverschiebbar angeordnet ist. Die äußere Ventilnadel 20 wird in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung 16 geführt und verjüngt sich dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 27. Die äußere Ventilnadel 20 erstreckt sich bis zu einer am brennraumseitigen Ende der Bohrung 16 ausgebildeten Sitzfläche 24, in welcher mehrere Einspritzöffnungen 30 ausgebildet sind, die die Sitzfläche 24 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbinden. Zwischen der äußeren Ventilnadel 20 und der Wand der Bohrung 16 ist ein Ringkanal 28 ausgebildet, der von der Sitzfläche 24 bis zur Höhe der Druckschulter 27 reicht. Auf Höhe der Druckschulter 27 erweitert sich der Ringkanal 28 zu einem Druckraum 26, in den ein im Ventilkörper 3, dem Zwischenkörper 7, der Zwischenscheibe 9, dem Steuerkörper 12 und dem Ventilhaltekörper 14 verlaufender Zulaufkanal 10 mündet. In den Druckraum 26 und damit auch in den Ringkanal 26 kann über den Zulaufkanal 10 Kraftstoff unter hohem Druck eingebracht werden. Die äußere Ventilnadel 20 weist eine Längsbohrung 21 auf, in der eine innere Ventilnadel 22 längsverschiebbar angeordnet ist. Zur Verdeutlichung der Steuerung der Einspritzöffnungen 30 durch die Ventilnadeln 20, 22 zeigt Figur 2 den mit II bezeichneten Ausschnitt von Figur 1 vergrößert. Die Sitzfläche 24 ist konisch ausgebildet und die Einspritzöffnungen 30 gruppieren sich in zwei Einspritzöffnungsreihen, nämlich in eine äußere Einspritzöffnungsreihe 130 und in eine innere Einspritzöffnungsreihe 230. Die äußere Ventilnadel 20 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische äußere Ventildichtfläche 32 auf, so dass eine Dichtkante 34 gebildet wird, mit der die äußere Ventilnadel 20 in ihrer Schließstellung an der Sitzfläche 24 zur Anlage kommt. Die äußere Einspritzöffnungsreihe 130, die aus wenigstens zwei Einspritzöffnungen 30 besteht, die bezüglich der Längsachse der Bohrung 16 in einer Radialebene liegen, sind stromabwärts dieser Dichtkante 34 angeordnet. Die innere Ventilnadel 22 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine innere Ventildichtfläche 36 und eine Konusfläche 38 auf, wobei an deren Übergang eine Dichtkante 37 ausgebildet ist, mit der die innere Ventilnadel 22 an der Sitzfläche 24 in ihrer Schrießstellung anliegt. Die innere Einspritzöffnungsreihe 230, die ebenfalls aus wenigstens zwei Einspritzöffnungen besteht, die in einer gemeinsamen Radialebene zur Längsachse der Bohrung 16 angeordnet sind, münden stromabwärts der Dichtkante 37 der inneren Ventilnadel 22 in die Sitzfläche 24.
Das Zusammenspiel der beiden Ventilnadeln 20, 22 zur Steuerung der Einspritzöffnungen 30 ist wie folgt: Soll nur durch die äußere Einspritzöffnungsreihe 130 Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Brennkraftmaschine in einem Teillastbereich betrieben werden soll, so hebt zur Einspritzung nur die äußere Ventilnadel 20 von der Sitzfläche 24 ab. Dadurch kann Kraftstoff, der im Ringkanal 28 unter hohem Druck anliegt, zwischen der äußeren Ventildichtfläche 32 und der Sitzfläche 24 zur äußeren Einspritzöffnungsreihe 130 strömen und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die innere Ventilnadel 22 bleibt hierbei in ihrer Schließstellung, d.h. in Anlage an der Sitzfläche 24, so dass die innere Einspritzöffnungsreihe 230 verschlossen bleibt. Soll durch sämtliche Einspritzöffnungen 30 eingespritzt werden, so hebt auch die innere Ventilnadel 22 von der Sitzfläche 24 ab, wodurch auch die innere Einspritzöffnungsreihe 230 freigegeben wird.
Zur Steuerung der beiden Ventilnadeln 20, 22 dienen die Vorrichtungen, die im Zwischenkörper 7, der Zwischenscheibe 9, dem Steuerkörper 12 und auch im Ventilhaltekörper 14 angeordnet sind. Dieser in Figur 1 mit III bezeichnete Ausschnitt ist in Figur 3 näher dargestellt. Im Zwischenkörper 7 ist koaxial zur Bohrung 16 eine Kolbenbohrung 45 ausgebildet, die im Durchmesser unter Bildung einer Anlagefläche 41 gestuft ausgebildet ist. In der Aufnahmebohrung 35 ist ein äußerer Druckkolben 40 angeordnet, der an der äußeren Ventilnadel 20 anliegt und sich synchron mit dieser in Längsrichtung bewegen kann. An der Außenseite des äußeren Druckkolbens 40 ist eine Ringfläche 39 angeordnet, zwischen der und der Anlagefläche 41 eine Schließfeder 44 unter Druckvorspannung angeordnet ist, die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist und den äußeren Druckkolben 40 umgibt. Durch die Stirnfläche 51 des äußeren Druckkolbens 40, die Zwischenscheibe 9 und die Wand der Kolbenbohrung 45 wird ein Steuerraum 50 begrenzt, der über eine Zulaufdrossel 70 mit dem Zulaufkanal 10 verbunden ist, der hier als Hochdruckraum dient, in dem stets Kraftstoff unter hohem Druck anliegt. Neben der Kraft der Schließfeder 44 wirkt also auf den äußeren Druckkolben 40 und damit auf die äußere Ventilnadel 20 die hydraulische Kraft auf die Stirnfläche 51, die durch den Druck im Steuerraum 50 ergibt beaufschlagt wird.
Der äußere Druckkolben 40 weist eine Führungsbohrung 47 auf, in der ein innerer Druckkolben 42 längsverschiebbar angeordnet ist. Der innere Druckkolben 42 liegt an der inneren Ventilnadel 22 an und bewegt sich stets synchron mit dieser. Durch die Führungsbohrung 47 und die Stirnfläche 53 des inneren Druckkolbens 42 ist ein Steuerdruckraum 52 begrenzt, durch dessen Druck sich eine hydraulische Kraftrauf den Druckkolben 42 und damit auch auf die innere Ventilnadel 22 in Richtung der Sitzfläche 24 ergibt.
Im Ventilhaltekörper 14 ist ein Aufnahmekörper 13 angeordnet, in welchem sich ein Aktor 46 und ein mit diesem verbundenes Druckstück 48 befindet. Durch den Aktor 46, der vorzugsweise als Piezo-Aktor ausgeführt ist, wird das Druckstück 48 in Längsrichtung entgegen oder in Richtung der Kraft einer Feder 49 bewegt, die zwischen dem Druckstück 48 und dem Aufnahmekörper 13 angeordnet ist. Das Druckstück 48 ist mit einem Ventilglied 60 verbunden, das in einem Ventilraum 68 angeordnet ist, welcher im Steuerkörper 12 ausgebildet ist und zusammen mit einem ersten Ventilsitz 62 und einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ventilsitz 64 ein Steuerventil 58 bildet. Das Ventilglied 60 ist im wesentlichen als Halbkugel ausgebildet, wobei die halbkugelförmige Ventildichtfläche 66 mit dem ersten Ventilsitz 62 zusammenwirkt, während die flache Seite des Ventilglieds 60 mit dem zweiten Ventilsitz 64 zusammenwirkt, der als Flachsitz ausgebildet ist. Der Ventilraum 68 weist eine Verbindung 59 zu einem im Ventilhaltekörper 14 ausgebildeten Leckölraum 78 auf, wobei die Verbindung 59 durch das Ventilglied 60 durch sein Zusammenwirken mit dem ersten Ventilsitz 62 geöffnet und geschlossen werden kann. Darüber hinaus weist der Ventilraum 68 eine Ablaufdrossel 72 auf, die den Ventilraum 68 mit dem Steuerraum 50 verbindet. Die Ablaufdrossel 72 bleibt hierbei stets offen, unabhängig von der Stellung des Ventilglieds 60. Durch das Zusammenspiel des Ventilglieds 60 mit dem zweiten Ventilsitz 64 wird ein Verbindungskanal 74 gesteuert, der eine Verbindung zwischen dem Ventilraum 68 und dem Steuerdruckraum 52 bildet. Der Verbindungskanal 74 reicht hierbei bis in den Zwischenkörper 7 und mündet seitlich in die Kolbenbohrung 45. Die Verbindung zum Steuerdruckraum 52 wird über eine Querbohrung 55 im äußeren Druckkolben 40 hergestellt. Diese Verbindung des Steuerdruckraums 52 zum Verbindungskanal 74 bleibt bei jeder Stellung des äußeren Druckkolbens 40 erhalten. Im Verbindungskanal 74 ist eine Drosselstelle 76 vorgesehen, die den möglichen Kraftstoffstrom durch den Verbindungskanal 74 begrenzen kann und die bei Bedarf auch entfallen kann.
Die Funktionsweise des Steuerventils 58 ist wie folgt. Zu Beginn des Einspritzzyklus ist das Ventilglied 60 in Anlage am ersten Ventilsitz 62, so dass die Verbindung 59 des Ventilraums 68 zum Leckölraum 78 verschlossen ist. Der Verbindungskanal 74 und die Ablaufdrossel 72 sind geöffnet, so dass der Steuerdruckraum 52 und der Steuerraum 50 hydraulisch mit dem Ventilraum 68 verbunden sind. Durch die Zulaufdrossel 70 herrscht im Steuerraum 50 der Einspritzdruck P0, der auch im Hochdruckkanal 10 herrscht. Derselbe Druck P0 ist aufgrund der offenen Verbindungen natürlich auch im Steuerdruckraum 52 vorhanden. Soll nur durch die äußere Einspritzöffnungsreihe 130 Kraftstoff eingespritzt werden, so schaltet der Aktor 46 über das Druckstück 48 das Ventilglied 60 sehr rasch vom ersten Ventilsitz 62 in Anlage an den zweiten Ventilsitz 64. Dadurch wird die Verbindung des Ventilraums 68 zum Leckölraum 78 geöffnet und der Verbindungskanal 74 verschlossen. Da dieser Schaltvorgang sehr schnell geschieht, fällt der Druck im Steuerdruckraum 52 nur unwesentlich ab. Durch die jetzt vorhandene Verbindung des Ventilraums 68 zum Leckölraum 78, in welchem stets ein sehr niedriger Kraftstoffdruck herrscht, sinkt der Druck im Druckraum 50, da die Zulaufdrossel 70 und die Ablaufdrossel 72 so aufeinander abgestimmt sind, dass über die Ablaufdrossel 72 mehr Kraftstoff aus dem Steuerraum 50 abfließt als über die Zulaufdrossel 70 aus dem Hochdruckkanal 10 nachfließen kann. Hierdurch erniedrigt sich die hydraulische Kraft auf die Stirnfläche 51 des äußeren Druckkolbens 40, so dass die auf die Druckschulter 27 wirkenden hydraulischen Kräfte im Druckraum 26 die äußere Ventilnadel 20 von der Sitzfläche 24 abhebt, so dass die äußere Einspritzöffnungsreihe 130 freigegeben wird. Die Bewegung der äußeren Ventilnadel 20 und des äußeren Ventilkolbens 40 wird so lange fortgesetzt, bis die Stirnseite 51 des äußeren Ventilkolbens 40 an der Zwischenscheibe 9 zur Anlage kommt. Durch die Bewegung des äußeren Ventilkolbens bezüglich des inneren Ventilkolbens 42, der ortsfest bleibt, vergrößert sich zwar das Volumen des Steuerdruckraums 52 geringfügig, jedoch fällt aufgrund des großen Volumens von Steuerdruckraum 52 und Verbindungskanal 74 auch hierdurch der Druck im Steuerdruckraum nicht wesentlich ab.
Der zeitliche Verlauf des Ventilgliedweges V, des Drucks p im Steuerdruckraum 52 und des Hubs h der äußeren Ventilnadel 20 und der inneren Ventilnadel 22 ist in Figur 4 dargestellt. Das obere Diagramm der Figur 4 zeigt die Bewegung des Ventilglieds 60, die zu einem Zeitpunkt t0 einsetzt und die zum Zeitpunkt t1 am zweiten Ventilsitz 64 zur Anlage kommt. Das mittlere Diagramm gibt den Druck p im Steuerdruckraum 52 wieder, und es zeigt sich ein Druckabfall vom Einspritzdruck p0 bis zu einem Druckniveau, das oberhalb des Drucks p1 liegt, wobei der Druck p1 den Druck bezeichnet, bei dem die innere Ventilnadel 22, angetrieben durch die hydraulische Kraft auf die innere Ventildichtfläche 36, von der Sitzfläche 24 abhebt. Die äußere Ventilnadel 20, deren Hub h im unteren Diagramm der Figur 4 dargestellt ist, beginnt ihre Bewegung kurz nach dem Zeitpunkt t0 und setzt die Bewegung fort, bis sie ihren Maximalhub erreicht hat. Zum Zeitpunkt t2 schaltet das Steuerventil 58 erneut und das Ventilglied 60 erreicht zum Zeitpunkt t3 wieder seine Ausgangsposition am ersten Ventilsitz 62. Der Steuerraum 50 befüllt sich über die Zulaufdrossel 70 mit dem Einspritzdruck des Hochdruckkanals 10 und über den Verbindungskanal 74 baut sich auch im Steuerdruckraum 52 wieder der Druck p0 auf. Durch den ansteigenden Druck im Steuerraum 50 wird die äußere Ventilnadel 20 zurück in ihre Schließstellung gedrückt.
Soll durch sämtliche Einspritzöffnungen 30 eingespritzt werden, so schaltet das Steuerventil 58 langsamer als bei der eben geschilderten Einspritzung durch die äußere Einspritzöffnungsreihe 130. Durch die relativ langsame Bewegung des Ventilglieds 60 bleibt für eine gewisse Zeit, wenn sich das Ventilglied 60 zwischen dem ersten Ventilsitz 62 und dem zweiten Ventilsitz 64 befindet, sowohl der Verbindungskanal 74 als auch die Verbindung zum Leckölraum 78 geöffnet, so dass der Druck im Steuerdruckraum 52 unter den Öffnungsdruck der inneren Ventilnadel 22, den Druck p1, abfällt. Dadurch bewegt sich in der oben beschriebenen Art und Weise der äußere Druckkolben 40 und auch der innere Druckkolben 42, so dass sowohl die äußere Ventilnadel 20 als auch die innere Ventilnadel 22 von der Sitzfläche 24 abheben und sämtliche Einspritzöffnungen 30 freigeben. In Figur 5 ist in der selben Art und Weise wie in Figur 4 der zeitliche Verlauf der maßgebenden Größen dargestellt. Es zeigt das obere Diagramm der Figur 5 den langsameren Verlauf der Bewegung des Ventilglieds 60, wobei die Bewegung zurück in die Ausgangsposition am ersten Ventilsitz 62 mit der gleichen Geschwindigkeit wie bei Einspritzung im Teillastbereich erfolgen kann. Der Druckverlauf des Drucks p im Steuerdruckraum 52 zeigt einen Abfall des Drucks unter den Druck p1, so dass die innere Ventilnadel 22 ihre Hubbewegung zum Zeitpunkt t1 beginnt. Dies ist im unteren Diagramm der Figur 5 durch die gestrichelte Linie dargestellt. Das Schließen des Kraftstoffeinspritzventil erfolgt analog zum Teillastbereich durch den Wiederaufbau des Drucks im Steuerraum 50 und im Steuerdruckraum 52.
Als Aktor 46 eignet sich vorzugsweise ein Piezo-Aktor, der einen Hub abhängig von der angelegten Spannung ausführt. Durch eine einfache Spannungsregelung lässt sich so nahezu jeder zeitliche Verlauf bei der Bewegung des Ventilglieds 60 realisieren. Neben einem Piezo-Aktor kommen auch andere Aktoren in Betracht, beispielsweise schnell schaltende Magnetaktoren, deren Schaltgeschwindigkeit abhängig von der Magnetfeldstärke gesteuert werden kann.