Verfahren und Vorrichtung zur Formung des Einspritzdruckes an einem Kraftstoffinjektor

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors (3). Zur Betätigung des Kraftstoffinjektors (3) sind ein Schaltventil (29) sowie ein dieses betätigendes Steuerventil (37) vorgesehen. Der Kraftstoffinjektor (3) umfasst einen Druckverstärker (5), dessen Kolbenteile (6, 10) einen Arbeitsraum (8) und einen Differenzdruckraum (9) voneinander trennen. Über einen Kompressionsraum (11) des Druckverstärkers (5) ist ein Düsenraum (23) des Kraftstoffinjektors (3) mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagbar. Der Arbeitsraum (8) des Druckverstärkers (5) steht permanent mit einem Hochdruckspeicher (Common Rail) in Verbindung. Während der Haupteinspritzphase von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine wird das das Schaltventil (29) betätigende Steuerventil (37) ein- oder mehrfach angesteuert, so dass das maximal am brennraumseitigen Ende eines ein- oder mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes (21, 22) sich einstellende Druckniveau unterhalb des maximal erreichbaren Druckniveaus absenkt.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen 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 zum Beispiel ermöglichen in vorteilhafter Weise, den Einspritzdruck an Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen und zur Reduktion der Emissionen ist generell ein möglichst hoher Einspritzdruck erforderlich.

Stand der Technik

[0002] DE 101 23 910.6 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Diese wird an einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine werden über Kraftstoffinjektoren mit Kraftstoff versorgt. Die Kraftstoffinjektoren werden über eine Hochdruckquelle beaufschlagt, ferner umfasst die Kraftstoffeinspritzeinrichtung einen Druckverstärker, der einen beweglichen Druckverstärkerkolben aufweist. Dieser trennt einen an die Hochdruckquelle anschließbaren Raum von einem mit dem Kraftstoffinjektor verbundenen Hochdruckraum. Der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum lässt sich durch Befüllen eines Rückraumes (Differenzdruckraum) des Druckverstärkers mit Kraftstoff bzw. durch Entleeren des Rückraumes (Differenzdruckraum) des Druckverstärkers von Kraftstoff variieren. Der Kraftstoffinjektor umfasst einen beweglichen Schließkolben zum Öffnen bzw. Schließen von Einspritzöffnungen. Der Schließkolben ragt in einen Schließdruckraum hinein, so dass der Schließkolben mit Kraftstoffdruck beaufschlagbar ist. Dadurch wird eine den Schließkolben in Schließrichtung beaufschlagende Kraft erzeugt. Der Schließdruckraum und ein weiterer Raum werden durch einen gemeinsamen Arbeitsraum gebildet, wobei sämtliche Teilbereiche des Arbeitsraumes permanent zum Austausch von Kraftstoff miteinander verbunden sind.

[0003] 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 deutlich kleiner gehalten werden können. Ferner wird der Hochdruckraum nur bis auf das Druckniveau des Hochdruckspeicherraumes entlastet und nicht bis auf Leckagedruckniveau. Dies verbessert einerseits den hydraulischen Wirkungsgrad, andererseits kann ein schnellerer Druckaufbau bis auf das Spitzendruckniveau erfolgen, so dass die zwischen den Einspritzphasen liegenden zeitlichen Abstände verkürzt werden können. Gemäß der aus DE 101 23 93913 bekannten Lösung wird die Steuerung des Druckverstärkers und der Einspritzdüse über nur ein Ventil dargestellt, so dass ein kostengünstiger Kraftstoffinjektor mit nur geringen Bauraumanforderungen verwirklicht werden kann. Dieser Kraftstoffinjektor erlaubt einen sehr hohen maximalen Einspritzdruck und zeichnet sich durch einen variablen hydraulischen Düsenöffnungsdruck aus, so dass auch bei kleinen Einspritzmengen ein hoher Einspritzdruck erreicht werden kann und das Nadelschließen erheblich verbessert wird.

[0004] Aus DE 102 29 417 A1 ist ein Speichereinspritzsystem mit Variodüse und Druckübersetzungseinrichtung bekannt. Über eine Kraftstoffhochdruckquelle wird ein Kraftstoffinjektor mit Kraftstoff versorgt. Zwischen einem Einspritzventil und der Kraftstoffhochdruckquelle ist ein Druckverstärker angeordnet. Der Druckverstärker weist einen Übersetzerkolben auf, welcher einen an die Kraftstoffhochdruckquelle anschließbaren Druckraum von einem einen Düsenraum des Kraftstoffinjektors beaufschlagenden Hochdruckraum trennt. Das Einspritzventil des Kraftstoffinjektors umfasst eine Düsennadel, mit welcher einem Brennraum zuweisende Einspritzöffnungen freigebbar oder verschließbar sind. Die Düsennadel umfasst ein erstes Düsennadelteil und einen weiteren, zweiten Düsennadelteil, die beide druckabhängig angesteuert, verschiedene Einspritzquerschnitte an einer Einspritzdüse freigeben bzw. verschließen. Die beiden Düsennadelteile der Düsennadel sind ineinander geführt, und weisen eine hydraulische Betätigung ermöglichende Fläche auf. Dazu weist das erste Düsennadelteil eine Druckschulter auf, welche über den in einem Düsenraum eintretenden, unter hohem Druck stehenden Kraftstoff betätigbar ist. Das zweite Düsennadelteil umfasst eine Druckschulter, welche am brennraumseitigen Ende des zweiten Düsennadelteiles angeordnet ist.

[0005] Durch die aus DE 102 29 417 A1 bekannte Lösung kann die Einspritzung noch besser an die Bedürfnisse der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden. Das Öffnungsdruckniveau des innenliegenden Nadelteiles des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes kann bei Federunterstützung auf ein konstantes, hohes Niveau eingestellt werden, um ein Öffnen im Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine zu verhindern.

[0006] Es hat sich erwiesen, dass die Einstellung des Öffnungsdruckes des innenliegenden, zweiten Düsennadelteiles eines mehrteiligen Einspritzventilgliedes sehr toleranzempfindlich ist. Ein unkontrolliertes Öffnen des zweiten, innenliegenden Nadelteiles eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes führt zu einem Mengensprung in der Einspritzmenge. Fertigungsbedingte auftretende Exemplarstreuungen hinsichtlich der herstellbaren Toleranzen schlagen demzufolge besonders negativ hinsichtlich der in den Verbrennungsraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingetragenen Kraftstoff durch.

[0007] Hinsichtlich der in einem Hochdruckspeicherraum (common rail) eines Kraftstoffeinspritzsystems auftretenden Druckschwankungen ist daher der Öffnungsdruck des innenliegenden, zweiten Nadelteiles eines mehrteiligen Einspritzventilgliedes sehr problematisch. In Bezug auf den Öffnungsdruck des zweiten, innenliegenden Nadelteiles eines mehrteiligen Einspritzventilgliedes ergibt sich ein im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auftretender kritischer Druckbereich, innerhalb dessen aufgrund vorhandener Exemplarsteuerungen der Kraftstoffinjektoren und Ungenauigkeiten bei der Druckerfassung im Hochdruckspeicherraum (common rail) ein undefiniertes Öffnen des zweiten, innenliegenden Nadelteiles des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes auftreten kann, was zu einer undefinierten Einspritzmenge in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine führen kann.

Darstellung der Erfindung

[0008] Angesichts des vorstehend skizzierten technischen Problems wird zu dessen Lösung ein Ansteuerverfahren zur Beeinflussung des Einspritzdruckes von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine durch eine Mehrfachansteuerung eines den Kraftstoffinjektor betätigenden Schaltventiles während der Haupteinspritzphase vorgeschlagen. Das Schaltventil, welches beispielsweise als ein Servoventil ausgestaltet sein kann, wird nach dem vorgeschlagenen Ansteuerverfahren zeitweise in einen Teilöffnungszustand versetzt. Dadurch kann erreicht werden, dass in einem kritischen Druckbereich im Hochdruckspeicherraum (common rail) der Einspritzdruck an den Nadelteilen eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes verringert werden kann und insbesondere ein ungewolltes Öffnen des zweiten, innenliegenden Nadelteiles des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes sicher verhindert werden kann.

[0009] Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ansteuerverfahren folgend, wird nach dem Ansteuerbeginn der Haupteinspritzphase, der eine Voreinspritzphase zur Konditionierung des Brennraumes vorgeschaltet sein kann, das den Kraftstoffinjektor betätigende Schaltventil, bevor an dem mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglied der maximale Einspritzdruck erreicht ist, wieder für eine kurze Zeitspanne deaktiviert. Die Deaktivierung des den Kraftstoffinjektor betätigenden Schaltventiles kann auch mehrfach hintereinander erfolgen. Während der Deaktivierung des den Kraftstoffinjektor betätigenden Schaltventiles, schließt dieses nicht vollständig, sondern führt lediglich eine Teilschließbewegung aus, so dass ein vollständiges Schließen des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes unterbleibt.

[0010] Dadurch lässt sich erreichen, dass sich am brennraumseitigen Ende des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes während der Haupteinspritzphase der sich dort einstellende maximal erreichbare Einspritzdruck abgesenkt werden kann. Dies wiederum hat zur Folge, dass sich in einem toleranzkritischen Druckbereich in Bezug auf den Hochdruckspeicherraum (common rail) ein Öffnen des zweiten, innenliegenden Nadelteiles des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes sicher vermeiden lässt. Ist schließlich ein Druckbereich in Bezug auf den Hochdruckspeicherraum (common rail) erreicht, bei dem ein Öffnen des zweiten, innenliegenden Nadelteiles des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes für alle an der Verbrennungskraftmaschine eingesetzten Kraftstoffinjektoren erreicht ist - unter Berücksichtigung der vorhandenen Exemplarsteuerungen - wird auf eine EinfachBestromung umgestellt. Im Rahmen der Einfachbestromung wird eine einmalige Ansteuerung des Schaltventiles vorgenommen. Die Einfachbestromung des Schaltventils kann durchaus auch Phasen unterschiedlich hoher Anstellströme bzw. unterschiedlich hoher Ansteuerspannungen umfassen. So wird z.B. bei Magnetventilen eine erste kurze Anzugstromphase mit einem höheren Strom und weitere Haltestromphase mit niedrigerem Stromniveau verwendet.

[0011] Dadurch ist der Zuschaltzeitpunkt, d.h. der Öffnungszeitpunkt des zweiten, innenliegenden Nadelteiles des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventiles, exakt bekannt und aufgrund ermittelter Kennfelder lässt sich die korrekte Einspritzmenge von Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine ermitteln.

[0012] Die mittels des vorgeschlagenen Ansteuerungsverfahrens betätigten Kraftstoffinjektoren sind in vorteilhafter Weise derart ausgelegt, dass diese ein ausgeprägtes Druckmaximum am Beginn der Haupteinspritzphase aufweisen. Dies erlaubt eine besonders gute Beeinflussbarkeit des maximal auftretenden Einspritzdruckes durch eine Mehrfachansteuerung des ein Servoventil eines Kraftstoffinjektors betätigenden beispielsweise als Magnetventil ausbildbaren Steuerventils und dadurch ein frühes Zuschalten des zweiten, innenliegenden Nadelteiles eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes.

[0013] In vorteilhafter Weise wird beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ansteuerverfahren als Schaltventil ein Servoventil eingesetzt, da dieses ein nahezu linear verlaufende Öffnungs-und Schließbewegung des Servoventilkolbens aufweist. Zudem lässt sich die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit eines Ventilkolbens in einem als Servoventil ausgebildeten Schaltventils in idealer Weise den Erfordernissen anpassen. Das das als Servoventil ausgebildete Schaltventil betätigende Steuerventil durchläuft bei dessen Mehrfachbestromung immer den kompletten Hubbereich, wodurch sichergestellt ist, dass das Steuerventil stets außerhalb des toleranzempfindlichen, ballistischen Bereiches, d.h. zwischen seinen Anschlägen betrieben wird.

[0014] Die Beeinflussung des Einspritz-/Druckverlaufes durch Mehrfachansteuerung des Einschaltventils wie beispielsweise eines Servoventils betätigenden Steuerventils kann auch bei einem Kraftstoffinjektor eingesetzt werden, welcher ein einteilig ausgebildetes Einspritzventilglied aufweist, um den Einspritzdruckverlauf in optimaler Weise auf unterschiedliche Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Damit lässt sich der jeweilige Einspritzdruckverlauf der Verbrennungskraftmaschine an Kennfeldanforderungen anpassen, ohne dass Modifikationen an den an der Verbrennungskraftmaschine bauartbedingt jeweils eingesetzten Grundauslegungen der Kraftstoffinjektoren erforderlich wären.

Zeichnungen

[0015] Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

[0016] Es zeigt:

Figur 1

ein hydraulisches Schaltschema eines Kraftstoffinjektors mit Druckverstärker, der mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren betreibbar ist,

Figur 2

den Hubverlauf eines Einschaltventil betätigenden Steuerventils, aufgetragen über die Zeit,

Figur 3

den Hubverlauf eines Ventilkolbens des Schaltventiles, aufgetragen über die Zeit,

Figur 4

den Druckverlauf an einem mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglied,

Figur 5

den Hubweg eines ersten, äußeren Nadelteiles eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes und

Figur 6

den Hubverlauf eines zweiten, innenliegenden Nadelteiles eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes.

Ausführungsvarianten

[0017] Der Darstellung gemäß Figur 1 ist ein hydraulisches Schaltschema eines mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ansteuerverfahren ansteuerbaren Kraftstoffinjektors zu entnehmen. Ein Druckspeicher 1 (common rail) ist mit einer Hochdruckleitung 2 und einem Kraftstoffinjektor 3 verbunden. Der Kraftstoffinjektor 3 umfasst einen Injektorkörper 4, der zur leichteren Montage der einzelnen Komponenten mehrteilig ausgebildet ist. Im Injektorkörper 4 ist ein Druckverstärker 5 aufgenommen. Der Druckverstärker 5 umfasst einen ersten Druckverstärker-Kolbenteil 6 sowie einen zweiten Druckverstärker-Kolbenteil 10. Über den ersten Druckverstärker-Kolbenteil 6 sind ein Arbeitsraum 8 und ein Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 voneinander getrennt. Im Arbeitsraum 8 ist eine Rückstellfeder 7 aufgenommen. Der Arbeitsraum 8 des Druckverstärkers 5 wird über die Hochdruckleitung 2 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Das Druckniveau, mit welchem der Arbeitsraum 8 des Druckverstärkers 5 beaufschlagt wird, hängt von dem Druckniveau ab, welches im Druckspeicher 1 (common rail) herrscht (Systemdruck).

[0018] Der zweite Druckverstärker-Kolbenteil 10 beaufschlagt mit seiner Stirnfläche 12 einen Kompressionsraum 11 des Druckverstärkers 5. Vom Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 verläuft eine Steuerleitung 13 zu einem Rückraum 14, welcher ein mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied beaufschlagt. In der Steuerleitung 13 ist eine erste Drosselstelle 15 vorgesehen. Im Rückraum 14 zur Beaufschlagung des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes sind ein erstes Federelement 16 und ein zweites Federelement 17 aufgenommen. Das erste Federelement 16 beaufschlagt einen ersten, außenliegenden Nadelteil 21 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes, während das zweite Federelement 17 einen zweiten, innenliegenden Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes beaufschlagt. Im Rückraum 14 zur Beaufschlagung des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes befindet sich ein ringförmig ausgebildeter Anschlag 19 sowie ein Zapfen 18, an welche eine in den Rückraum 14 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes hineinragende Stirnfläche des zweiten, innenliegenden Nadelteils 22 anschlägt. Zwischen dem Rückraum 14 zur Beaufschlagung des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes und dem Kompressionsraum 11 des Druckverstärkers 5 ist ein Rückschlagventil 20 integriert, welches zur Wiederbefüllung des Kompressionsraumes 11 des Druckverstärkers 5 dient.

[0019] Im vorzugsweise mehrteilig ausgebildeten Injektorkörper 4 ist ein Düsenraum 23 ausgebildet. Das äußere, erste Nadelteil 21 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes umfasst eine Druckstufe 24, welche innerhalb des Düsenraumes 23 liegt. Am zweiten, innenliegenden Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes befindet sich am brennraumseitigen Ende eine Druckstufe 25.

[0020] Durch das erste, außenliegende Nadelteil 21 werden erste Einspritzöffnungen 26 freigegeben bzw. verschlossen, während durch das innenliegende, zweite Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes zweite Einspritzöffnungen 27 entweder freigegeben oder verschlossen werden. Durch die ersten Einspritzöffnungen 26 wird mit einer ersten Einspritzrate in einen in Figur 1 nicht näher dargestellten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt, während bei zusätzlich durch das innenliegende, zweite Nadelteil 22 freigegebenen zweiten Einspritzöffnungen 27 mit einer größeren Einspritzrate in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann. Vom Kompressionsraum 11 des Druckverstärkers 5 erstreckt sich ein Düsenraumzulauf 28 zum Düsenraum 23. Der im Kompressionsraum 11 verdichtete Kraftstoff wird über den Düsenraumzulauf 28 in den Düsenraum 23 eingeleitet und erzeugt dort an der Druckstufe 24 des außenliegenden, ersten Nadelteiles 21 eine dieses in Öffnungsrichtung beaufschlagende hydraulische Kraft.

[0021] Vom Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 aus erstreckt sich eine Entlastungsleitung, die in einem ersten hydraulischen Raum 30 eines als Schaltventil 29 dienenden Servoventils mündet.

[0022] Das Schaltventil 29, welches bevorzugtermaßen als Servoventil ausgebildet ist, umfasst neben dem ersten hydraulischen Raum 30 einen zweiten hydraulischen Raum 31. Diese sind über eine Ausnehmung 40 in einem Ventilkolben 32 miteinander verbunden. Im Ventilkolben 32 ist eine zweite Drosselstelle 33 unterhalb einer Stirnfläche 34 des Ventilkolbens 32 ausgebildet. Der Ventilkolben 32 wird an der Stirnseite 34 über einen Druckraum 35 beaufschlagt. Von Druckraum 35 aus erstreckt sich eine Leitung, in welcher eine dritte Drosselstelle 36 integriert ist, zu einem bevorzugt als Magnetventil ausgebildeten Steuerventil 37. Das Steuerventil 37 verbindet den Druckraum 35 des Schaltventiles 29 mit einem niederdruckseitigen Rücklauf 38. Das bevorzugt als Magnetventil ausgebildete Steuerventil 37 umfasst einen über einen Elektromagneten betätigbaren Ventilkolben, mit welchem ein Ventilsitz 39 des Steuerventils 37 verschlossen bzw. vollständig geöffnet werden kann.

[0023] Das bevorzugt als Servoventil ausbildbare Schaltventil 29 umfasst an seinem der Stirnfläche 35 gegenüberliegenden Ende einen Flachsitz, mit welchem ein Niederdruckraum verschließbar ist, der mit einem niederdruckseitigen Rücklauf 41 verbunden ist.

[0024] Im deaktivierten Ruhezustand ist der Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 über das Schaltventil 29 mit dem selben Druckniveau (Systemdruck) wie der Arbeitsraum 8 des Druckverstärkers 5 beaufschlagt. In diesem Betriebszustand des Kraftstoffinjektors 3 ist die Verbindung über den Rücklauf 41 zum Niederdruckbereich geschlossen. Daher ist der Druckverstärker 5 druckausgeglichen und es findet keine Druckverstärkung statt; die beiden Düsennadelteile 21, 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes befinden sich im deaktivierten Zustand des Druckverstärkers 5 im geschlossenen Zustand.

[0025] Zur Aktivierung des Kraftstoffinjektors 3 wird der Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 druckentlastet. Zu diesem Zweck wird der Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 über das Schaltventil 29 von der Druckquelle, d.h. dem Druckspeicher 1 (common rail), abgekoppelt und der Differenzdruckraum 9 wird über die Entlastungsleitung in den Niederdruckbereichdruck druckentlastet. Dadurch steigt der Druck im Kompressionsraum 11 des Druckverstärkers 5 an, was entsprechend des Übersetzungsverhältnisses des Druckverstärkers 5 erfolgt. Über den Düsenraumzulauf 28 wird dieser erhöhte Druck an die Einspritzdüse, d.h. in den Düsenraum 23 weitergeleitet. Durch die an der Druckstufe 24 des ersten Nadelteiles 21 angreifende hydraulische Kraft, öffnet das erste Nadelteil 21 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes und gibt die ersten Einspritzöffnungen 26 in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine frei. Der Rückraum 14 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes wird ebenfalls druckentlastet. Der Öffnungsdruck, der auf das zweite, innenliegende Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes wirkt, ist über das zweite Federelement 17 eingestellt. Steigt der Druck an der Spitze, d.h. am brennraumseitigen Ende des zweiten Nadelteiles 22 und überschreitet den Öffnungsdruck, so öffnet auch das zweite, innenliegende Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 21, 22. Der Druckaufbau erfolgt innerhalb eines Druckraumes 42, welcher durch die Druckstufe 25, dem düsenkörper und die Stirnfläche des ersten, außenliegenden Nadelteiles 21 begrenzt ist.

[0026] Zur Beendigung der Einspritzung wird über das Schaltventil 29 der Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 vom weiteren Rücklauf 41 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 3 getrennt und mit dem Systemdruck, der im Druckspeicher 1 (common rail) herrscht, verbunden. Dadurch baut sich der Systemdruck im Differenzdruckraum 9 (Rückraum) des Druckverstärkers 5 sowie in der Steuerleitung 13 und im Kompressionsraum 11 auf. Gleichzeitig fällt der Druck im Düsenraum 23 auf Systemdruckniveau ab, so dass die beiden Nadelteile 21, 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes schließen.

[0027] In der Figurensequenz der Figuren 2-6 sind die Hübe des Schaltventiles 29 des Ventilkolbens 32, der Druckverlauf an der Einspritzdüse sowie die Hübe des ersten Nadelteiles 21 sowie des zweiten Nadelteiles 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes jeweils über die Zeitachse aufgetragen.

[0028] Zur Vermeidung eines unbeabsichtigten Öffnens des zweiten, innenliegenden Nadelteils 22 innerhalb eines kritischen Systemdruckbereiches im Druckspeicher 1 kann eine Mehrfachansteuerung des Schaltventils 29 erfolgen.

[0029] Nach Ansteuerbeginn der Haupteinspritzphase, der eine Voreinspritzphase von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine vorgeschaltet sein kann, und vor Erreichen des maximalen Einspritzdruckniveaus am brennraumseitigen Ende des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventils, wird das Steuerventil 37 für eine kurze Ansteuerpause 52 deaktiviert. Die Ansteuerpause 52, die in Figur 2 dargestellt ist, kann sich auch in mehrfacher Abfolge an die erste Ansteuerphase 51 des Steuerventiles 37 anschließen. Der Ansteuerpause 52 folgt eine zweite Ansteuerphase 52. Der Beginn der Ansteuerung erfolgt hinsichtlich der ersten Ansteuerphase 51 zu einem ersten Ansteuerzeitpunkt 54 und hinsichtlich der zweiten Ansteuerphase 53 zu einem zweiten Ansteuerzeitpunkt 55, wie der Darstellung gemäß Figur 2 entnommen werden kann.

[0030] Dadurch führt der Ventilkolben 32 eine Teilschließbewegung 61 aus. Der Hubweg des Schaltventiles ist durch Bezugszeichen 60 angedeutet. Die Teilschließbewegung 61 ist so bemessen, dass es zu keinem starken Druckabbau und demzufolge zu keinem vollständigen Schließen eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventiles 21, 22 kommt. Der Ventilkolben 32 des Schaltventils 29 verweilt in einer Zwischenstellung 62, die in Figur 3 dargestellt ist. Diese Zwischenstellung 62 nimmt der Ventilkolben 32 des Steuerventils 29 während der Ansteuerpause 52 an. Dadurch stellt sich am mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglied 21, 22 während der Haupteinspritzphase ein geringerer Druck ein, der unterhalb des maximal erreichbaren Spitzendruckniveaus liegt. Im toleranzkritischen Druckbereich des Druckspeichers 1 ist somit ein Öffnen des zweiten, innenliegenden Nadelteiles 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes unterbunden. Der Toleranzbereich des Öffnungsdruckes PÖ, NZ der das Öffnen des zweiten, innenliegenden Nadelteiles 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes bestimmt, ist in Figur 4 durch Bezugszeichen 71 gekennzeichnet. Der Verlauf des Düsendruckes 70 ist durch ein Plateau 72 darstellbar, dem in gestrichelten Linien eine Drucküberhöhung 73 überlagert ist.

[0031] Nach Erreichen eines Druckniveaus innerhalb des Druckspeichers 1 (common rail), bei dem ein Öffnen des zweiten, innenliegenden Nadelteiles 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes an allen Kraftstoffinjektoren 3 unter Berücksichtigung der vorhandenen Exemplarstreuungen gewährleistet ist, wird auf eine Einfachbestromung umgestellt. Eine Einfachbestromung, d.h. eine Einfachansteuerung des Schaltventiles kann durchaus auch Phasen unterschiedlich hoher Ansteuerströme oder Ansteuerspannungen aufweisen. Bei als Magnetventilen ausgebildeten Schaltventilen wird typischerweise beispielsweise eine erste kurze Anzugsstromphase mit höheren Stromniveau und eine weitere, sich daran anschließende Haltestromphase mit niedrigem Stromniveau verwendet.

[0032] Ein Zuschaltzeitpunkt 93, bei dem das zweite, innenliegende Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes öffnet, ist somit exakt bekannt, so dass sich unter Berücksichtigung von entsprechenden, die Einspritzmenge berücksichtigender Kennfelder die korrekte Einspritzmenge von Kraftstoff ergibt.

[0033] Aus den Figuren 5 und 6 sind die Hubverläufe wie die Hubwege 80 bzw. 90 eines ersten Nadelteiles 21 bzw. eines zweiten Nadelteiles 22 zu entnehmen. Bezugszeichen 81 emittiert den Öffnungszeitpunkt des ersten Nadelteiles 21, während durch Bezugszeichen 92 der Öffnungszeitpunkt des zweiten innenliegenden Nadelteiles, an dem die Druckfläche 25 ausgebildet ist, angedeutet wird. Der Öffnungsbeginn 92 des zweiten Nadelteiles 22 ist mit dessen Zuschaltzeitpunkt 93 identisch. Ab dem Zuschaltzeitpunkt 93 wird mithin Kraftstoff sowohl über die ersten Einspritzöffnungen 26 als auch über die zweiten Einspritzöffnungen 27 in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.

[0034] Der Druckverlauf 70 bei einer Einspritzung ist in Figur 5 in gestrichelter Darstellung durch eine Drucküberhöhung 73 angedeutet. Das sich dabei einstellende Öffnen des zweiten, innenliegenden Nadelteiles 22 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes ist in Figur 6 gestrichelt angedeutet.

[0035] Das skizzierte Ansteuerverfahren einer Mehrfachansteuerung des Steuerventiles 37 zur Betätigung des Schaltventiles 27 lässt sich besonders vorteilhaft an Kraftstoffinjektoren 3 einsetzen, deren Grundauslegung durch ein ausgeprägtes Druckmaximum zu Beginn der Einspritzung gekennzeichnet ist. Aufgrund dessen ergibt sich eine gute Beeinflussbarkeit des Maximaldruckes aufgrund der Mehrfachansteuerung und ein früher Zuschaltzeitpunkt 93 des zweiten, innenliegenden Nadelteiles 22. Hat das zweite, innenliegende Nadelteil 22 seine Öffnungsbewegung begonnen, setzt das zweite, innenliegende Nadelteil 22 die Öffnungsbewegung durch die zusätzliche Druckkraft, erzeugt durch eine Druckstufe 25 am brennraumseitigen Ende des zweiten, innenliegenden Nadelteiles 22, fort, auch wenn der Düsendruck 70 nochmals unterhalb des Öffnungsdruckes abfällt.

Bezugszeichenliste

[0036] 

1

Druckspeicher (common rail)

2

Hochdruckzuleitung

3

Kraftstoffinjektor

4

Injektorkörper

5

Druckverstärker

6

erstes Druckverstärker-Kolbenteil

7

Rückstellfeder

8

Arbeitsraum

9

Differenzdruckraum (Rückraum)

10

zweites Druckverstärker-Kolbenteil

11

Kompressionsraum

12

Stirnfläche

13

Steuerleitung

14

Rückraum Einspritzventilglied

15

erste Drosselstelle

16

erstes Federelement

17

zweites Federelement

18

Zapfen

19

Anschlag

20

Rückschlagventil (Wiederbefüllung)

21

erstes Nadelteil (außenliegend)

22

zweites Nadelteil (innenliegend)

23

Düsenraum

24

Druckstufe

25

Druckstufe zweites Nadelteil

26

erste Einspritzöffnungen

27

zweite Einspritzöffnungen

28

Düsenraumzulauf

29

Schaltventil (Servoventil)

30

erster hydraulischer Raum Schaltventil

31

zweiter hydraulischer Raum Schaltventil

32

Ventilkolben

33

zweite Drosselstelle

34

Stirnfläche Ventilkolben 32

35

Druckraum Schaltventil 29

36

dritte Drosselstelle

37

Steuerventil (Magnetventil)

38

Rücklauf Niederdruck

39

Ventilsitz

40

Ausnehmung

41

weiterer Rücklauf (Niederdruck)

42

Druckraum (spitzes Einspritzventilglied)

50

Hub Steuerventil

h_max

Maximalhub

51

erste Ansteuerphase

52

Ansteuerpause

53

zweite Ansteuerphase

54

erster Ansteuerzeitpunkt

55

zweiter Ansteuerzeitpunkt

60

Hub Schaltventil

61

Teilschließbewegung Ventilkolben 32

62

Zwischenstellung Ventilkolben 32

70

Verlauf Düsendruck

71

Toleranzbereich p_öffnung; innenliegende Nadel

72

Plateau

73

Drucküberhöhung

80

Hubweg erstes Nadelteil

81

Öffnungszeitpunkt erstes Nadelteil

90

Hubweg zweites Nadelteil

92

Öffnungsbeginn zweites Nadelteil

93

Zuschaltzeitpunkt zweites Nadelteil

Ansprüche

1. Verfahren zur Formung des Einspritzverlaufes eines Kraftstoffinjektors (3), welcher über ein mittels eines Steuerventils (37) betätigbaren Schaltventils (29) ansteuerbar ist und welcher einen Druckverstärker (5) zur Erhöhung des Druckniveaus von in einen Brennraum einzuspritzenden Kraftstoff aufweist, wobei der Kraftstoffinjektor (3) ein einteilig oder ein mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied (21, 22) aufweist und der Druckverstärker (5) durch Druckentlastung oder Druckbeaufschlagung eines Differenzdruckraumes (9) betätigbar ist, wobei ein Arbeitsraum (8) des Druckverstärkers (5) permanent mit der Hochdruckquelle (1) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass während der Haupteinspritzphase von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine das das Schaltventil (29) ansteuernde Steuerventil (37) zur Beeinflussung des Einspritzdruckverlaufes ein- oder mehrfach angesteuert wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, zwischen einer ersten Ansteuerphase (51) des Steuerventils (37) und einer weiteren Ansteuerphase (53) des Steuerventils (37) mindestens eine Ansteuerpause (52) zwischengeschaltet ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ansteuerpause (52) des Steuerventils (37) ein Ventilkolben (32) des Schaltventils (29) eine Zwischenstellung (62) zwischen seiner Öffnungs- und seiner Schließposition einnimmt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ansteuerpause (52) des den Kraftstoffinjektor (3) betätigenden Schaltventiles (29) das Spitzendruckniveau am brennraumseitigen Ende eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes (21, 22) unter das maximale Druckniveau absinkt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Mehrfachansteuerung des das Schaltventil (29) betätigenden Steuerventils (37) dieses seinen vollständigen Hubweg durchläuft und außerhalb des ballistischen Bereiches zwischen seiner Öffnungs- und seiner Schließstellung (39) betätigt wird.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor 1 ein als Schaltventil (29) ausgebildetes Servoventil aufweist, welches über ein ein- oder mehrfach betätigbares Steuerventil (37) angesteuert wird, welches bei Ein- oder Mehrfachansteuerung außerhalb des ballistischen Bereiches betrieben wird.

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (29) einen Ventilkolben (32) aufweist, welcher eine eine zweite Drosselstelle (33) enthaltenden Ventilkolben (32) aufweist, über welche ein zweiter hydraulischer Raum (31) und ein Druckraum (35) des Schaltventiles (35) hydraulisch miteinander in Verbindung stehen.

8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilkolben (32) des als Servoventil ausbildbaren Schaltventils (29) eine einen zweiten hydraulischen Raum (30) und einen ersten hydraulischen Raum (31) verbindende Ausnehmung (40) aufweist, über welche in einer Teilschließposition des Servoventilkolbens (32) ein Kraftstoffvolumen abströmt.

9. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Differenzdruckraum (9) des Druckverstärkers (5) entlastende Leitung im ersten hydraulischen Raum (30) des Schaltventils (29) mündet.

10. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein niederdruckseitiger Rücklauf (41) des Schaltventils (29) über einen der Stirnfläche (34) des Servoventilkolbens (32) gegenüberliegenden Flachsitz freigebbar oder verschließbar ist.

11. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein einteilig ausgebildetes Einspritzventilglied (21, 22) umfasst.

12. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein mehrteiliges ausgebildetes Einspritzventilglied (21, 22) umfasst.

Zeichnung