KRAFTSTOFF-EINSPRITZVORRICHTUNG FÜR EINE BRENNKRAFTMASCHINE

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft zunächst eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens zwei Ventilelementen, welche jeweils eine in Schließrichtung wirkende hydraulische Steuerfläche aufweisen, denen ein hydraulischer Steuerraum zugeordnet ist, mit einem Steuerventil, welches den Druck in dem Steuerraum beeinflusst, und mit Beaufschlagungseinrichtungen, welche in Öffnungsrichtung der Ventilelemente wirken können, wobei die im Steuerraum herrschenden hydraulischen Öffnungsdrücke der Ventilelemente unterschiedlich sind.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.

[0003] Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 101 22 241 A1 bekannt. Diese zeigt eine Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit zwei koaxial angeordneten Ventilelementen. Beide Ventilelemente sind hubgesteuert, das heißt, sie öffnen, wenn der Druck eines Hydraulikfluids in einem Steuerraum abgesenkt wird. Die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft der Ventilelemente wird durch einen an einer entsprechenden Druckfläche angreifenden Einspritzdruck bereitgestellt. Dabei öffnet das äußere Ventilelement zuerst und dann das innere Ventilelement. Soll nur das äußere Ventilelement geöffnet werden, muss die Druckabsenkung im Steuerraum rechtzeitig beendet und der Druck wieder erhöht werden.

[0004] Die Gründe für die Realisierung von Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen mit mehreren Ventilelementen sind folgende:

[0005] Insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen ist zur Senkung der Emissionen und zur Steigerung des Wirkungsgrads erforderlich, den Kraftstoff möglichst fein zerstäubt in die entsprechenden Brennräume der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Einspritzdruck, mit dem der Kraftstoff in die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gelangt, hoch ist.

[0006] Durch die Verwendung von mehreren Ventilelementen, welche jeweils eine gewisse Anzahl von Kraftstoff-Austrittsöffnungen freigeben, kann auch dann, wenn nur eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt werden soll, eine ausreichend lange Einspritzdauer bei guter Zerstäubungsqualität erzielt werden, ohne gleichzeitig in jenem Fall, in dem eine große Kraftstoffmenge eingespritzt werden soll, eine übermäßig lange Einspritzdauer und/oder einen übermäßig hohen Einspritzdruck in Kauf nehmen zu müssen.

[0007] US 5,899,389 beschreibt eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit zwei Ventilelementen, die durch eine Änderung des Drucks, der an einer in Öffnungsrichtung wirkenden Druckfläche anliegt, sequenziell geöffnet werden können.

[0008] Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie möglichst einfach angesteuert werden kann und dennoch zuverlässig arbeitet. Gleichzeitig soll bei ihrem Einsatz an der entsprechenden Brennkraftmaschine ein gutes Emissions- und Verbrauchsverhalten erzielt werden können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auch, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass auch dann, wenn nur ein Ventilelement betätigt werden soll, dies erforderlichenfalls möglichst schnell geschieht.

[0009] Die erstgenannte Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass durch das Steuerventil im Steuerraum mindestens drei unterschiedliche Druckniveaus eingestellt werden können, wobei bei einem vergleichsweise hohen Druckniveau alle Ventilelemente geschlossen, bei einem mittleren Druckniveau ein Ventilelement geöffnet, und bei einem vergleichsweise niedrigen Druckniveau alle Ventilelemente geöffnet sind.

[0010] Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die zweitgenannte Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der obigen Art zum Öffnen nur eines Ventilelements zunächst der Steuerraum mit einem Hochdruckanschluss und dann gleichzeitig mit dem Hochdruckanschluss und einem Niederdruckanschluss verbunden wird.

Vorteile der Erfindung

[0011] Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung kann ein zusätzliches mittleres Druckniveau im Steuerraum eingestellt werden, bei dem das eine Ventilelement bereits geöffnet ist, bei dem das andere Ventilelement aber geschlossen bleibt. Auf diese Weise können auch längere Einspitzdauern mit nur einem geöffneten Ventilelement realisiert werden, was besonders im Teillastbetrieb zu einem günstigen Emissions- und Verbrauchsverhalten einer Brennkraftmaschine führt, in die die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorricbtung eingebaut ist. Gleichzeitig baut die Vorrichtung einfach, da keine getrennten Ansteuerungen für die Ventilelemente mit voneinander getrennten Steuerräumen erforderlich ist. Gegebenenfalls kann die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auch nur einen einzigen Steuerraum umfassen.

[0012] Der Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, dass durch die Verbindung des Steuerraums mit dem Niederdruckanschluss und zusätzlich mit dem Hochdruckanschluss die Druckabsenkung begrenzt wird, nämlich auf das Niveau eines entsprechenden Zwischendrucks.

[0013] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

[0014] Zunächst wird vorgeschlagen, dass der Steuerraum über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckanschluss verbunden ist, dass das Steuerventil einerseits mit dem Steuerraum und andererseits mit einem Niederdruckanschluss verbunden ist. Bei einer derartigen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung kann mit nur zwei Druckanschlüssen, nämlich einem Hochdruckanschluss und einem Niederdruckanschluss, und einem einfachen Steuerventil die Kraftstoffeinspritzung komplett gesteuert werden. Diese Ausgestaltung ist daher preiswert und arbeitet im Betrieb zuverlässig.

[0015] In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Steuerventil eine Schaltkammer mit einem Schaltelement aufweist, welches in einer ersten Schaltstellung an einem zum Niederdruckanschluss führenden ersten Ventilsitz anliegt, in einer zweiten Schaltstellung an einem zu einem Bypasskanal führenden zweiten Ventilsitz anliegt, wobei der Bypasskanal mit dem Hochdruckanschluss verbunden ist, und in einer dritten Schaltstellung weder am ersten Ventilsitz noch am zweiten Ventilsitz anliegt. Ein solches Steuerventil baut einfach und ist daher preiswert.

[0016] Durch den Bypasskanal kann in der Schaltkammer ein hoher, ein mittlerer, oder ein niedriger Fluiddruck eingestellt werden. Entsprechend ergeben sich die jeweiligen Enddrücke im Steuerraum, und entsprechend ergeben sich auch die Geschwindigkeiten, mit denen der Druck im Steuerraum abfällt. Darüber hinaus kann durch die Verbindung der Schaltkammer mit dem Hochdruckanschluss am Ende einer Einspritzung der Steuerraum auch über die Schaltkammer mit dem Hochdruckanschluss verbunden werden, so dass der Druck im Steuerraum sehr schnell ansteigt und die Ventilelemente schnell schließen. Dies ist im Hinblick auf das Emissionsverhalten besonders vorteilhaft.

[0017] In nochmaliger Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Steuerventil in der dritten Schaltstellung zum Niederdruckanschluss hin eine Drosselstelle bildet. Dies ermöglicht eine Begrenzung des Kraftstoffstroms vom Hochdruckanschluss direkt zum Niederdruckanschluss hin. In der Folge muss weniger Kraftstoff gefördert werden, und es kann eine kleinere Kraftstoffpumpe zum Einsatz kommen.

[0018] Möglich ist auch, dass der Steuerraum mit dem Hochdruckanschluss verbunden ist, dass das Steuerventil über mindestens zwei Steuerkanäle mit dem Steuerraum verbunden ist, und dass das Steuerventil in einer ersten Schaltstellung alle Steuerkanäle von einem Niederdruckanschluss trennt, in einer zweiten Schaltstellung einen Steuerkanal mit dem Niederdruckanschluss verbindet, und in einer dritten Schaltstellung alle Steuerkanäle mit dem Niederdruckanschluss verbindet..

[0019] Da der maximale Zustrom von Kraftstoff vom Hochdruckanschluss in den Steuerraum hinein begrenzt ist, stellt sich je nach Abströmquerschnitt, der durch die Anzahl der ausgewählten Steuerkanäle eingestellt wird, ein höheres oder niedrigeres Druckniveau im Steuerraum ein. Dies ermöglicht es, einen beliebigen Öffnungszeitpunkt des anderen Ventilelements einstellen zu können. Insbesondere können bei Volllast beide Ventilelemente direkt bei Einspritzbeginn geöffnet werden. Damit wird eine maximale Einspritzmenge bei gegebener Einspritzdauer erreicht.

[0020] Diese Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist technisch einfach zu realisieren und daher besonders preiswert. Grundsätzlich ist denkbar, dass die Steuerkanäle identisch sind und daher bei einer Verdopplung der Anzahl von Steuerkanälen ein doppelter Abströmguerschnitt zur Verfügung steht. Man kann die Steuerkanäle aber auch unterschiedlich ausgestalten mit einem jedem Steuerkanal zugeordneten ganz bestimmten Drosselverhalten. Auf diese Weise können die im Steuerraum herrschenden Druckniveaus sehr präzise eingestellt werden.

[0021] Eine weitere, einfach zu realisierende Möglichkeit, unterschiedliche Druckniveaus im Steuerraum zu realisieren, besteht darin, dass der Steuerraum mit einem Hochdruckanschluss verbunden ist, dass das Steuerventil den Steuerraum in einer ersten Schaltstellung mit einem Niederdruckanschluss verbindet und in einer zweiten Schaltstellung von diesem trennt, und dass das Steuerventil fortgesetzt von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und zurück steuerbar ist.

[0022] Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist für die Einstellung der unterschiedlichen Druckniveaus im Steuerraum nur ein einfaches 2/2-Schaltventil erforderlich. Im einfachsten Fall wird das Ventil wieder geschlossen, kurz bevor das als zweites öffnende Ventilelement seine Öffnungsbewegung beginnt (vorzugsweise, bevor das zuerst öffnende Ventilelement seine geöffnete Endstellung erreicht), und es wird wieder geöffnet, kurz bevor das zuerst öffnende Ventilelement so stark schließt, dass der austretende Kraftstoffstrom in unzulässiger Weise gedrosselt wird. Bei dem mittleren Druckniveau handelt es sich also um einen Mittelwert eines pulsierenden Druckverlaufs, welcher durch das Öffnen und Schließen des Steuerventils verursacht wird. Durch ein schnell aufeinanderfolgendes Öffnen und Schließen, beispielsweise durch eine getaktete oder gepulste Ansteuerung, kann alternativ ein konstantes mittleres Druckniveau eingestellt werden.

[0023] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sieht vor, dass die Ventilelemente koaxial sind und eine axiale Begrenzungsfläche des Steuerraums einen umlaufenden Dichtbereich aufweist, welcher in einer geöffneten Endstellung des äußeren Ventilelements den Steuerraum in einen äußeren, mit dem Hochdruckanschluss verbundenen Bereich, und einen inneren, mit dem Steuerventil verbundenen Bereich unterteilt. Durch die koaxiale Bauweise baut die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sehr kompakt. Durch den Dichtbereich wird in der geöffneten Endstellung des äußeren Ventilelements der der Steuerfläche des inneren Ventilelements zugeordnete Steuerraumbereich vom Zustrom unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs getrennt. Der Druck in diesem Steuerraumbereich fällt daher besonders schnell ab, so dass das innere Ventilelement entsprechend schnell öffnet. Dies verringert die Emissionen.

[0024] Bei allen oben angegebenen Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen ist es wünschenswert, dass das Steuerventil sehr schnell schaltet. Dies kann dann auf einfache Art und Weise realisiert werden, wenn das Steuerventil einen Piezoaktor umfasst.

[0025] In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Steuerventil einen Ventilkörper umfasst, der hydraulisch mit dem Piezoaktor gekoppelt ist, wobei als Hydraulikfluid Leckagekraftstoff verwendet wird, welcher an einer Führung mindestens eines Ventilelements auftritt. Durch die hydraulische Kopplung kann der vergleichsweise geringe Hub des Piezoaktors im Sinne einer hydraulischen Übersetzung verstärkt werden. Ein entsprechender Ventilkörper des Steuerventils kann daher beim Öffnen einen ausreichenden Strömungsquerschnitt freigeben, ohne große Abmessungen aufzuweisen. Durch die Verwendung des ohnehin vorhandenen Leckagekraftstoffs für die hydraulische Kopplung kann auf eine zusätzliche Fluidversorgung verzichtet werden. Diese Kraftstoff-Einspritzvorrichtung baut daher dennoch kompakt und vergleichsweise preiswert.

[0026] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ventilelement einen in Öffnungsrichtung auf das andere Ventilelement wirkenden Mitnehmer aufweist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das später öffnende Ventilelement genau dann öffnet, wenn das zuerst öffnende Ventilelement einen bestimmten Hub gemacht hat. Bei bestimmten Last-/Drehzahlsituationen der Brennkraftmaschine führt dies zu einem Einspritzverlauf, bei dem besonders geringe Emissionen auftreten. Je nach Druck im Steuerraum kann es aber auch sein, dass die Kraft, die der Mitnehmer auf das später öffnende Ventilelement ausübt, nicht ausreicht, um dieses zu öffnen. In diesem Fall wirkt der Mitnehmer als Anschlag, der den Hub des zuerst öffnenden Ventilelements begrenzt. Dies gestattet die Einspritzung äußerst kleiner Kraftstoffmengen.

[0027] In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der Mitnehmer so ausgebildet ist, dass er erst kurz vor Erreichen des Maximalhubs des einen Ventilelements an das andere Ventilelement anstößt. Hierdurch wird sichergestellt, dass einerseits nur ein Ventilelement geöffnet sein kann, solange dieses seinen Maximalhub nicht erreicht, und dass andererseits das zweite Ventilelement sicher öffnet, indem das erste Ventilelement bis zum Maximalhub gebracht wird.

[0028] Besonders bevorzugt ist dabei jene Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, bei welcher die in Öffnungsrichtung des anderen Ventilelements wirkende Beaufschlagungseinrichtung und die hydraulische Steuerfläche des anderen Ventilelements so abgestimmt sind, dass dieses Ventilelement erst öffnet, wenn zusätzlich vom Mitnehmer des einen Ventilelements eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft ausgeübt wird. Damit das zweite Ventilelement öffnet, ist daher nicht nur eine Absenkung des Drucks im Steuerraum erforderlich, sondern zusätzlich die Mitnahme durch das zuerst öffnende Ventilelement. Dies ermöglicht eine Auslegung der Steuerflächen und der Beaufschlagungseinrichtungen so, dass die Öffnungsdrücke der Ventilelemente sich sehr deutlich unterscheiden, was die Zuverlässigkeit im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung erhöht.

Zeichnung

[0029] Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1

eine teilweise geschnittene Darstellung von Bereichen eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit zwei koaxialen Ventilelementen;

Figur 2

eine schematische Darstellung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von Figur 1 bei geschlossenen Ventilelementen;

Figur 3

eine schematische Darstellung ähnlich Figur 2 während eines Öffnungsvorgangs zum Öffnen beider Ventilelemente;

Figur 4

eine schematische Darstellung ähnlich Figur 2 mit geöffneten Ventilelementen;

Figur 5

eine schematische Darstellung ähnlich Figur 2 mit nur einem geöffneten Ventilelement;

Figur 6

ein Diagramm, in dem ein Druckverlauf in einem Steuerraum der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von Figur 2 während des in den Figuren 3 und 4 gezeigten Öffnungs- und Schließvorgangs aufgetragen ist;

Figur 7

ein Diagramm ähnlich Figur 6 für den in Figur 5 gezeigten Fall;

Figur 8

ein Diagramm, in dem der Verlauf der Schaltstellungen der Ventilelemente für den in Figur 6 gezeigten Druckverlauf aufgetragen ist;

Figur 9

ein Diagramm ähnlich Figur 8 für den in Figur 7 aufgetragenen Druckverlauf;

Figur 10

eine schematische Darstellung ähnlich Figur 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;

Figur 11

ein Diagramm, in dem die Stellung eines Steuerventils und eines äußeren Ventilelements über der Zeit bei einer ersten Ansteuervariante aufgetragen ist;

Figur 12

ein Diagramm, in dem die Stellung eines Steuerventils und eines äußeren Ventilelements über der Zeit bei einer zweiten Ansteuervariante aufgetragen ist;

Figur 13

einen teilweise schematischen Teilschnitt durch einen Bereich eines dritten Ausführungsbeispiels einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;

Figur 14

ein Teilbereich einer abgewandelten Ausführungsform der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von Figur 13; und

Figur 15

ein Teilbereich einer nochmals abgewandelten Ausführungsform der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von Figur 13.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0030] In Figur 1 trägt eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Gehäuse 12, welches wiederum unter anderem aus einem Düsenkörper 14 besteht. In diesem sind zwei zueinander koaxiale Ventilelemente 16 und 18 angeordnet. Beide Ventilelemente 16 und 18 weisen an ihrem in Figur 1 unteren Ende jeweils eine konische Druckfläche 20 beziehungsweise 22 auf, die bei geschlossenem Ventilelement 16 beziehungsweise 18 an einer entsprechenden gehäuseseitigen Dichtkante 24 beziehungsweise 26 anliegt. Von einem zwischen den beiden Dichtkanten 24 und 26 vorhandenen Ringraum (ohne Bezugszeichen) führen mehrere über den Umfang des Düsenkörpers 14 verteilt angeordnete Kraftstoff-Austrittskanäle 28 nach außen. Ferner führen von einem im Düsenkörper 14 an dessen unterem Ende vorhandenen Sackloch (ohne Bezugszeichen) ebenfalls über den Umfang des Düsenkörpers 14 verteilt angeordnete Kraftstoff-Austrittskanäle 30 nach außen.

[0031] Das in Figur 1 obere Ende des inneren Ventilelements 16 ist als Druckstange mit einer kreisförmigen Steuerfläche 32 ausgebildet. Wenn beide Ventilelemente 16 beziehungsweise 18 an den entsprechenden Dichtkanten 24 und 26 anliegen, liegt in etwa auf gleicher Höhe wie die Steuerfläche 32 des inneren Ventilelements 16 eine entsprechende ringförmige Steuerfläche 34 einer Druckstange des äußeren Ventilelements 18. Ein Teil der ringförmigen Steuerfläche 34 ist konisch und wird nach radial innen von einem Dichtbereich 36 begrenzt, dessen Funktion weiter unten genauer erläutert wird. Die Steuerflächen 32 und 34 begrenzen einen gemeinsamen hydraulischen Steuerraum 38, der ferner vom Düsenkörper 14 und einem Gegenstück 40 umschlossen wird. Eine Ventilfeder 41 beaufschlagt das äußere Ventilelement 18 in Schließrichtung.

[0032] Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 weist ferner einen in Figur 1 nur symbolisch dargestellten Hochdruckanschluss 42 auf, der im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 üblicherweise an eine Kraftstoff-Sammelleitung (nicht dargestellt) eines Common-Rail-Einspritzsystems angeschlossen ist. Vom Hochdruckanschluss 42 führt ein insgesamt in Längsrichtung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 verlaufender Kanal 44 bis zu einem ringförmigen Druckraum 46 am unteren Ende der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10, der bei geschlossenem äußeren Ventilelement 18 von dem radial auswärts von der Dichtkante 26 liegenden Bereich der Druckfläche 22 des äußeren Ventilelements 18 begrenzt wird.

[0033] In einem in Figur 1 oberhalb des Gegenstücks 40 angeordneten Gehäusestück 48 ist in die zum Gegenstück 40 weisende Stirnfläche eine Ringnut 50 eingebracht, die über einen Stichkanal 52 mit dem Kanal 44 verbunden ist. Im Gegenstück 40 ist ein Hochdruckkanal 54 ausgebildet, welcher die Ringnut 50 mit dem Steuerraum 38 verbindet. Der Hochdruckkanal 54 umfasst eine Zulaufdrossel 56.

[0034] Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 weist ferner einen in Figur 1 ebenfalls nur schematisch dargestellten Niederdruckanschluss 58 auf. Dieser ist im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 üblicherweise mit einer Rücklaufleitung (nicht dargestellt) verbunden, die zu einem Kraftstoffbehälter zurückführt. Am Niederdruckanschluss 58 herrscht daher im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 in etwa Umgebungsdruck, wohingegen am Hochdruckanschluss 42 ein sehr hoher Druck von bis zu 2000 bar anliegt.

[0035] Der Niederdruckanschluss 58 führt zu einer Schaltkammer 60, auf die weiter unten im Detail eingegangen werden wird. Von der Schaltkammer 60 führt im Gegenstück 40 ein Steuerkanal 62 zum Steuerraum 38. Im Steuerkanal 62 ist eine Abströmdrossel 64 vorhanden. Von der Schaltkammer 60 führt ferner über eine Drosselstelle 66 ein Bypasskanal 68 zur Ringnut 50, die mit dem Hochdruckanschluss 42 in Verbindung steht. Der Bypasskanal 68 ist durch zwei in einem Winkel zueinander stehende Bohrungsabschnitte 68a und 68b realisiert.

[0036] In der Schaltkammer 60 ist ein zylindrisches Schaltelement 70 eines 3/3-Schaltventils 72 angeordnet. Das Schaltelement 70 wird von einer Ventilfeder 74 gegen einen ersten Ventilsitz 76 gedrückt, der in der Schaltkammer 60 zum Niederdruckanschluss 58 hin ausgebildet ist. Das Schaltelement 70 ist an eine Betätigungsstange 78 gekoppelt, welche von einem Piezoaktor 80 betätigt werden kann. Auf diese Weise kann das Schaltelement 70 gegen die Kraft der Ventilfeder 74 gegen einen zweiten Ventilsitz 82 gedrückt werden, der in der Schaltkammer 60 zum Bypasskanal 68 hin ausgebildet ist.

[0037] Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 arbeitet folgendermaßen:

In den Figuren 1 und 2 ist ein Betriebszustand der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 dargestellt, in dem das 3/3-Schaltventil 72 sich in einer ersten Schaltstellung 84 befindet, in der das Schaltelement 70 am ersten Ventilsitz 76 anliegt und vom zweiten Ventilsitz 82 abgehoben ist. In diesem Fall wird der am Hochdruckanschluss 42 anliegende Kraftstoff-Hochdruck einerseits über den Hochdruckkanal 54 und andererseits aber auch über die Ringnut 50, den Bypasskanal 68, die Schaltkammer 60, und den Steuerkanal 62 in den Steuerraum 38 übertragen. Im Steuerraum 38 herrscht daher der auch am Hochdruckanschluss 42 anliegende hohe Kraftstoffdruck. Entsprechend wirken an den Steuerflächen 32 und 34 in Schließrichtung der Ventilelemente 16 und 18 wirkende hydraulische Kräfte. Zusätzlich wird das äußere Ventilelement 18 noch von der Ventilfeder 41 in Schließrichtung beaufschlagt. Die Steuerflächen 32 und 34 sind dabei so bemessen, dass das innere Ventilelement 16 gegen den Brennraumdruck und das äußere Ventilelement 18 gegen den Brennraumdruck und den an der Druckfläche 22 angreifenden hohen Kraftstoffdruck sicher in der geschlossenen Position gehalten wird.

[0038] Nun wird die Vorgehensweise beschrieben, mit der ein Öffnen beider Ventilelemente 16 und 18 bewirkt wird (vgl. Figuren 3 und 4 sowie 6 und 8):

Hierzu wird das 3/3-Schaltventil 72 in eine zweite Schaltstellung 86 gebracht, in der es am zweiten Ventilsitz 82 anliegt. Hierdurch wird die Verbindung von der Schaltkammer 60 zum Hochdruckanschluss 42 hin unterbrochen, und stattdessen werden die Schaltkammer 60 und hierdurch auch der Steuerkanal 62 mit dem Niederdruckanschluss 58 verbunden. Daher kann nun Kraftstoff aus dem Steuerraum 38 über die Abströmdrossel 64 zum Niederdruckanschluss 58 hin abströmen.

[0039] Aufgrund des Vorhandenseins der Zulaufdrossel 56 ergibt sich hierdurch ein Druckabfall im Steuerraum 38. Dieser ist in Figur 6 durch das Bezugszeichen 88 gekennzeichnet. Sobald der Öffnungsdruck des äußeren Ventilelements 18 unterschritten wird - dieser liegt bei der vorliegenden Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 höher als der Öffnungsdruck des inneren Ventilelements 16 - hebt das äußere Ventilelement 18 aufgrund der an der Druckfläche 22 angreifenden hydraulischen Kraft gegen die Kraft der Ventilfeder 41 von der Dichtkante 26 ab (Bezugszeichen 89 in Figur 8), so dass der Kraftstoff vom Druckraum 46 über die Kraftstoff-Austrittskanäle 28 austreten kann.

[0040] Wenn das Ventilelement 18 mit dem Dichtbereich 36 am Gegenstück 40 in Anlage kommt (Bezugszeichen 90 in Figur 6), wird der innerhalb der Dichtkante 36 liegende Bereich des Steuerraums 38 vom Zustrom neuen Kraftstoffs über den Hochdruckkanal 54 getrennt, bzw. dieser Zustrom wird zumindest gedrosselt. Der Druck in diesem radial innen liegenden Bereich des Steuerraums 38, der über den Steuerkanal 62 weiterhin mit dem Niederdruckanschluss 58 verbunden ist, sinkt daher weiter, bis auch das innere Ventilelement 16 mit seiner Druckfläche 20 von der Dichtkante 24 abhebt (Bezugszeichen 92 in Figur 6 bzw. 93 in Figur 8). Nun kann Kraftstoff auch aus den Kraftstoff-Austrittskanälen 30 austreten. Dies ist in Figur 4 dargestellt.

[0041] Aus Figur 6 erkennt man, dass der Druck im Steuerraum 38 insgesamt auf ungefähr ein Drittel seines ursprünglichen Wertes absinkt. Dieser Wert wird durch eine entsprechende Dimensionierung der Zulaufdrossel 56 und der Abströmdrossel 64 eingestellt. Dabei bleibt das äußere Ventilelement 18 weiterhin sicher in der geöffneten Stellung, da der Dichtbereich bzw. die Dichtkante 36 vom radial inneren Rand der Steuerfläche 34 etwas beabstandet ist, so dass an dem radial innerhalb von der Dichtkante 36 liegenden Bereich der Steuerfläche 34 weiterhin ein sehr niedriger Steuerdruck anliegt. Darüber hinaus kann die Dichtkante 36 so ausgestaltet werden, dass die Abdichtung zwischen dem radial äußeren und dem radial inneren Bereich des Steuerraums 38 nicht absolut ist, also weiterhin Kraftstoff aus dem radial äußeren Bereich des Steuerraums 38 abströmen kann und dort für eine entsprechende Druckabsenkung sorgt.

[0042] Die Einspritzung wird beendet, indem das Schaltelement 70 wieder in Anlage an den ersten Ventilsitz 76 gebracht wird (Schaltstellung 84). Hierdurch wird die Schaltkammer 60 vom Niederdruckanschluss 58 getrennt und über den Bypasskanal 68 wieder mit dem Hochdruckanschluss 42 verbunden. Der Steuerraum 38 ist über den Steuerkanal 62 und den Hochdruckkanal 54 wieder mit dem Hochdruckanschluss 42 verbunden, was zu einem sehr schnellen Druckanstieg (Bezugszeichen 94) im Steuerraum 38 führt. Beide Ventilelemente 16 und 18 schließen in der Folge beinahe gleichzeitig (Bezugszeichen 96 und 98 in Figur 8).

[0043] Wenn nur das äußere Ventilelement 18 öffnen soll, wird folgendermaßen vorgegangen (Figur 5):

Das 3/3-Schaltventil 72 wird in eine dritte Schaltstellung 100 gebracht, in der sich sein Schaltelement 70 in einer Zwischenposition zwischen dem ersten Ventilsitz 76 und dem zweiten Ventilsitz 82 befindet. Es liegt also an keinem der beiden Ventilsitze 76 und 82 an. In diesem Schaltzustand 100 des 3/3-Schaltventils ist die Schaltkammer 60 einerseits mit dem Niederdruckanschluss 58 und andererseits über den Bypasskanal 68 auch mit dem Hochdruckanschluss 42 verbunden. In der Schaltkammer 60 stellt sich daher ein Druck ein, der unterhalb des hohen Kraftstoffdrucks am Hochdruckanschluss 42, jedoch oberhalb jenes Druckes liegt, der bei der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Schaltstellung des 3/3-Schaltventils 72 in der Schaltkammer 60 herrscht.

[0044] Durch die Verbindung der Schaltkammer 60 mit dem Steuerraum 38 über den Steuerkanal 62 sinkt auch im Steuerraum 38 der Druck (Bezugszeichen 88 in Figur 7), jedoch ebenfalls nicht so stark, wie bei der in den Figuren 3 und 4 bzw. 6 und 8 gezeigten zweiten Schaltstellung 86 des 3/3-Schaltventils. Der entsprechende Bereich der Druckkurve trägt in Figur 7 das Bezugszeichen 102. Man erkennt, dass der Druck ungefähr auf die Hälfte des Ausgangsdrucks absinkt. Die Druckabsenkung im Steuerraum 38 ist jedoch so ausreichend stark, dass das äußere Ventilelement 18 aufgrund der an der Druckfläche 22 angreifenden hydraulischen Kraft von der Dichtkante 26 abhebt (Bezugszeichen 89 in Figur 9), so dass der Kraftstoff vom Druckraum 46 zu den Kraftstoff-Austrittskanälen 28 strömen und aus diesen austreten kann. Auch hier bewegt sich das Ventilelement 18 so weit, bis es mit der Dichtkante 36 am Gegenstück 40 in Anlage kommt (Bezugszeichen 90 in Figur 7), was eine nochmalige Druckabsenkung im Steuerraum 38 bewirkt, welche jedoch nicht so stark ist, dass das innere Ventilelement 16 öffnet.

[0045] Um das Öffnen des äußeren Ventilelements 18 zu beschleunigen, kann das 3/3-Schaltventil 72 auch zunächst in die zweite Schaltstellung 86 gebracht werden, in welcher das Schaltelement 70 am zweiten Ventilsitz 82 anliegt. Noch bevor das äußere Ventilelement 18 mit dem Dichtbereich 36 am Gegenstück 40 in Anlage kommt, wird dann das 3/3-Schaltventil 72 in die dritte Schaltstellung 100 gebracht, wodurch verhindert wird, dass der Druck im Steuerraum 38 zu stark abfällt.

[0046] Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Einstellung des "Zwischendrucks", welcher in der Schaltkammer 60 herrscht, wenn sich das Schaltelement 70 in der Zwischenposition 100 zwischen erstem Ventilsitz 76 und zweitem Ventilsitz 82 befindet, auch durch den Spalt zwischen dem Schaltelement 70 und dem ersten Ventilsitz 76 eingestellt wird. Dieser Spalt stellt eine Strömungsdrossel von der Schaltkammer 60 zum Niederdruckanschluss 58 hin dar.

[0047] Eine abgewandelte Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist in Figur 10 dargestellt. Dabei tragen hier und in den nachfolgenden Figuren solche Elemente und Bereiche, die äquivalente Funktionen zu in den vorhergehenden Figuren gezeigten Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im Detail erläutert.

[0048] Die in Figur 10 gezeigte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nur durch die Ausgestaltung des Schaltventils 72: Dieses ist nicht als 3/3-Schaltventil, sondern als 3/2-Schaltventil ausgebildet. Als solches kann es in einer ersten Schaltstellung 84 den Hochdruckanschluss 42 über die Ringnut 50 und den Bypasskanal 68 sowie den Steuerkanal 62 direkt mit dem Steuerraum 38 verbinden. In dieser Schaltstellung herrscht im Steuerraum 38 also der maximale Druck, der dem am Hochdruckanschluss 42 herrschenden Druck entspricht. In der zweiten Schaltstellung 86 wird der Steuerraum 38 dagegen über die Abströmdrossel 64 und den Steuerkanal 62 mit dem Niederdruckanschluss 58 verbunden. In dieser Schaltstellung herrscht im Steuerraum 38 daher ein vergleichsweise niedriger Druck, der sich aus der Auslegung der Abströmdrossel 64 und der Zuströmdrossel 56 ergibt.

[0049] Wie bereits im Zusammenhang mit dem in den Figuren 1 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgeführt wurde, sind bei hohem Druck im Steuerraum 38 beide Ventilelemente 16 und 18 geschlossen. Bei niedrigem Druck sind beide Ventilelemente 16 und 18 geöffnet. Soll nur das äußere Ventilelement 18 geöffnet sein, muss im Steuerraum 38 ein mittleres Druckniveau eingestellt werden. Bei der in Figur 10 gezeigten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 wird ein solches mittleres Druckniveau durch ein aufeinanderfolgendes und fortgesetztes Öffnen und Schließen des Schaltventils 72 bewirkt.

[0050] Wie auch aus den Figuren 11 und 12 hervorgeht, bedeutet dies, dass zunächst das Schaltventil 72 in die geöffnete Schaltstellung 86 gebracht wird (Kurve 96 in Figur 11), so dass der Druck im Steuerraum 38 absinkt, was zunächst zum Öffnen der äußeren Nadel 18 führt (Kurve 98 in Figur 11). Kurz bevor oder gerade wenn das äußere Ventilelement 18 seine geöffnete Endstellung erreicht, in der es am Gegenstück 40 in Anlage kommt (gestrichelte horizontale Linie in Figur 11), wird das Schaltventil 72 wieder in die geschlossene Schaltstellung 84 gebracht. Hierdurch steigt der Druck im Steuerraum 38 wieder und das äußere Ventilelement 18 beginnt mit einer Schließbewegung. Bevor jedoch das äußere Ventilelement 18 so weit geschlossen ist, dass die Strömung zwischen der Dichtkante 26 und der Druckfläche 22 (vgl. Figur 1) gedrosselt wird, wird das Schaltventil 72 wieder in die geöffnete Schaltstellung 86 gebracht. Auf diese Weise stellt sich im Steuerraum 38 ein mittleres Druckniveau ein, bei dem das äußere Ventilelement 18 geöffnet, das innere Ventilelement 16 jedoch noch geschlossen ist.

[0051] In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel wird anstelle des in Figur 10 gezeigten 3/2-Schaltventils 72 ein 2/2-Schaltventil eingesetzt. Bei der entsprechenden Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist dann kein Bypasskanal vorhanden, so dass in der geschlossenen Schaltstellung des 2/2-Schaltventils der Steuerkanal 62 einfach gesperrt ist.

[0052] Wie aus Figur 12 hervorgeht, ist es ferner möglich, dass das Schaltventil 72 mit einer sehr schnellen Schaltfrequenz geöffnet und geschlossen wird (Kurve 96 in Figur 12), beispielsweise bei einer gepulsten oder getakteten Ansteuerung. Dem kann die Strömung nicht so schnell folgen, so dass sich im Steuerraum kein stark schwankender Steuerdruck, sondern ein relativ konstanter mittlerer Druck einstellt. Entsprechend nimmt das äußere Ventilelement eine relativ konstante mittlere Position (Kurve 98) knapp vor dem Anschlag (horizontale gestrichelte Linie) ein.

[0053] Eine weitere mögliche Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist in Figur 13 dargestellt. Bei dieser ist ebenfalls ein 3/3-Schaltventil 72 vorhanden, jedoch fehlt ein Bypasskanal. Stattdessen führen von der Schaltkammer 60 zwei parallele Steuerkanäle 62a und 62b zum Steuerraum 38. Der eine Steuerkanal 62a mündet in die Schaltkammer 60 am zweiten Ventilsitz 82. Bei geöffnetem Schaltventil 72 ist dieser Steuerkanal 62a also verschlossen. Der zweite Steuerkanal 62b mündet seitlich neben dem Schaltelement 70 in die Schaltkammer 60. Beide Steuerkanäle 62a und 62b umfassen Abströmdrosseln 64a und 64b, deren Drosselwirkung unterschiedlich ist.

[0054] Bei der in Figur 13 gezeigten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist das Schaltelement 70 ferner nicht direkt mit dem Piezoaktor 80 gekoppelt, sondern mittels eines hydraulischen Übersetzers 104. Dieser umfasst eine Übersetzerkammer 106, in die auf der einen Seite ein zylindrisches Übersetzerelement 108 ragt, welches über die Betätigungsstange 78 mit dem Schaltelement 70 verbunden ist. Ein mit dem Piezoaktor 80 gekoppelter Übersetzungskörper 110 ragt ebenfalls in die Übersetzerkammer 106. Der Durchmesser des Übersetzungskörpers 110 ist größer als jener des Übersetzerelements 109.

[0055] Die Übersetzerkammer 106 ist mit Kraftstoff gefüllt. Hierzu ist die Übersetzerkammer 106 über eine Stichleitung 112, in der ein Rückschlagventil 114 angeordnet ist, an eine Leckageleitung 116 angeschlossen. Diese führt zum Niederdruckanschluss 58. Eine entsprechende Stichleitung 118 führt auch zum Schaltventil 72 sowie zu einem Ringraum 120, in dem die Druckfeder 41 angeordnet ist, und in den, über einen Leckagekanal 122, Leckagefluid gelangen kann, welches vom Steuerraum 38 durch den Spalt zwischen den oberen Bereichen der beiden Ventilelemente 16 und 18 hindurchtritt. Auf diese Weise wird die Übersetzerkammer 106 mit dem vom Steuerventil 72 und vom Ringraum 120 abströmenden Leckagefluid gespeist.

[0056] Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser des Übersetzerelements 108 und des Übersetzungskörpers 110 führt eine Längenänderung des Piezoaktors 80 zu einem Hub des Schaltelements 70, der größer ist als die Längenänderung des Piezoaktors 80. Liegt das Schaltelement 70 am ersten Ventilsitz 76 an, sind die beiden Steuerkanäle 62a und 62b vom Niederdruckanschluss 58 getrennt. Im Steuerraum 38 herrscht daher ein hoher Druck, und die beiden Ventilelemente 16 und 18 sind geschlossen.

[0057] Wird das Schaltventil 72 so geöffnet, dass das Schaltelement 70 zwischen dem ersten Ventilsitz 76 und dem zweiten Ventilsitz 82 positioniert ist, kann Kraftstoff aus dem Steuerraum 38 über beide Steuerkanäle 62a und 62b zum Niederdruckanschluss 58 hin abströmen. Der Druck im Steuerraum 38 sinkt daher stark ab, so dass beide Ventilelemente 16 und 18 öffnen.

[0058] Wird das Schaltelement 70 dagegen in eine Position gebracht, in welcher es am zweiten Ventilsitz 82 anliegt, ist der Steuerkanal 62a verschlossen. Kraftstoff kann aus dem Steuerraum 38 zum Niederdruckanschluss 58 hin nur über den Steuerkanal 62b abströmen. Die Abströmdrossel 64b und die Zuströmdrossel 56 sind so aufeinander abgestimmt, dass sich in diesem Fall ein mittleres Druckniveau im Steuerraum 38 einstellt, bei dem zwar das äußere Ventilelement 18 öffnet, das innere Ventilelement 16 jedoch geschlossen bleibt.

[0059] Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform ist in Figur 14 gezeigt. Die Unterschiede betreffen dabei die Endbereiche der Ventilelemente 16 und 18. Man erkennt, dass am inneren Ventilelement 16 ein Ringbund 124 ausgebildet ist, der in einer Ausnehmung 126 im Endbereich des äußeren Ventilelements 118 positioniert ist. In Ruheposition, wenn beide Ventilelemente 16 und 18 geschlossen sind, sind die axialen Endflächen der Ausnehmung 126 vom Ringbund etwas beabstandet.

[0060] Die in Figur 14 gezeigte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung arbeitet ähnlich wie jene von Figur 13. Wird jedoch das äußere Ventilelement 18 geöffnet, kommt die in Figur 14 untere Randfläche der Ausnehmung 126 in Anlage an den Ringbund 124. Die hierdurch vom äußeren Ventilelement 18 auf das innere Ventilelement 16 zusätzlich ausgeübte und in Öffnungsrichtung wirkende Kraft führt dazu, dass nun auch das innere Ventilelement 16 öffnet. Die in Figur 14 untere Begrenzungsfläche der Ausnehmung 126 im äußeren Ventilelement 18 wirkt daher wie ein Mitnehmer für das innere Ventilelement 16.

[0061] Die axiale Lage des Ringbunds 124 und der Ausnehmung 126 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der untere Rand der Ausnehmung 126 erst kurz vor Erreichen des Maximalhubs des äußeren Ventilelements 18 an dem Ringbund 124 des inneren Ventilelements 16 anstößt. Hierdurch kann eine gestufte Einspritzrate ("Bootinjection") erreicht werden, die eine Reduktion der Emissionen der Brennkraftmaschine, bei der die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 eingesetzt wird, ermöglicht. Die Steuerfläche 32 des inneren Ventilelements 16 ist ferner so ausgelegt, dass auch dann, wenn beide Steuerkanäle 62a und 62b "aktiviert" sind, wenn also im Steuerraum 38 der minimal mögliche Druck herrscht, das innere Ventilelement 16 erst dann öffnet, wenn die Ausnehmung 126 am Ringbund 124 anstößt.

[0062] Eine nochmals abgeänderte Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist in Figur 15 gezeigt: Bei dieser sind die Ventilelemente 16 und 18 einteilig ausgeführt. Der Steuerraum 38 wird radial nicht durch das Gehäuse 12, sondern durch eine Hülse 128 begrenzt, welche an ihrem in Figur 15 oberen Rand eine Dichtkante (ohne Bezugszeichen) aufweist. Diese Dichtkante wird von der Druckfeder 41 gegen die den Steuerflächen 32 und 34 der Ventilelemente 16 und 18 gegenüberliegende Gehäusefläche (ohne Bezugszeichen) gedrückt.

Ansprüche

1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens zwei Ventilelementen (16, 18), welche jeweils eine in Schließrichtung wirkende hydraulische Steuerfläche (32, 34) aufweisen, denen ein hydraulischer Steuerraum (38) zugeordnet ist, mit einem Steuerventil (72), welches den Druck in dem Steuerraum (38) beeinflusst, und mit Beaufschlagungseinrichtungen (20, 22), welche in Öffnungsrichtung der Ventilelemente (16, 18) wirken können, wobei die im Steuerraum (38) herrschenden hydraulischen Öffnungsdrücke der Ventilelemente (16, 18) unterschiedlich sind, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuerventil (72) im Steuerraum (38) mindestens drei unterschiedliche Druckniveaus eingestellt werden können, wobei bei einem vergleichsweise hohen Druckniveau alle Ventilelemente (16, 18) geschlossen, bei einem mittleren Druckniveau ein Ventilelement (18) geöffnet, und bei einem vergleichsweise niedrigen Druckniveau alle Ventilelemente (16, 18) geöffnet sind.

2. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (38) über eine Zulaufdrossel (56) mit einem Hochdruckanschluss (42) verbunden ist, und dass das Steuerventil (72) einerseits mit dem Steuerraum (38) und andererseits mit einem Niederdruckanschluss (58) verbunden ist.

3. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (72) eine Schaltkammer (60) mit einem Schaltelement (70) aufweist, welches in einer ersten Schaltstellung (84) an einem zum Niederdruckanschluss (58) führenden ersten Ventilsitz (76) anliegt, in einer zweiten Schaltstellung (86) an einem zu einem Bypasskanal (68) führenden zweiten Ventilsitz (82) anliegt, wobei der Bypasskanal (68) mit dem Hochdruckanschluss (42) verbunden ist, und in einer dritten Schaltstellung (100) weder am ersten Ventilsitz (76) noch am zweiten Ventilsitz (82) anliegt.

4. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (72) in der dritten Schaltstellung (100) zum Niederdruckanschluss (42) hin eine Drosselstelle bildet.

5. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (38) mit dem Hochdruckanschluss (42) verbunden ist, dass das Steuerventil (72) über mindestens zwei Steuerkanäle (62a, 62b) mit dem Steuerraum (38) verbunden ist, und dass das Steuerventil (72) in einer ersten Schaltstellung (76) alle Steuerkanäle (62a, 62b) von einem Niederdruckanschluss (58) trennt, in einer zweiten Schaltstellung (82) einen Steuerkanal (62b) mit dem Niederdruckanschluss (58) verbindet, und in einer dritten Schaltstellung alle Steuerkanäle (62a, 62b) mit dem Niederdruckanschluss (58) verbindet.

6. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (38) mit einem Hochdruckanschluss (42) verbunden ist, dass das Steuerventil (72) den Steuerraum (38) in einer ersten Schaltstellung (86) mit einem Niederdruckanschluss (58) verbindet und in einer zweiten Schaltstellung (100) von diesem trennt, und dass das Steuerventil (72) fortgesetzt von der ersten Schaltstellung (86) in die zweite Schaltstellung (100) und zurück steuerbar ist.

7. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (72) so ansteuerbar ist, dass durch den fortgesetzten Wechsel der Druck im Steuerraum (38) um ein mittleres Druckniveau schwankt.

8. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (72) so schnell ansteuerbar ist, dass sich durch den fortgesetzten Wechsel ein konstantes mittleres Druckniveau einstellt.

9. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelemente (16, 18) koaxial sind und eine axiale Begrenzungsfläche des Steuerraums (38) einen Dichtbereich (36) aufweist, welcher in einer geöffneten Endstellung des äußeren Ventilelements (18) den Steuerraum (38) in einen äußeren, mit dem Hochdruckanschluss (42) verbundenen Bereich, und einen inneren, mit dem Steuerventil (72) verbundenen Bereich unterteilt.

10. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (72) einen Piezoaktor (80) umfasst.

11. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil einen Ventilkörper (70) umfasst, der hydraulisch mit dem Piezoaktor (80) gekoppelt ist, wobei als Hydraulikfluid Leckagekraftstoff verwendet wird, welcher an einer Führung mindestens eines Ventilelements (16) auftritt.

12. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilelement (18) einen in Öffnungsrichtung auf das andere Ventilelement (16) wirkenden Mitnehmer (126) aufweist.

13. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (126) so ausgebildet ist, dass er erst kurz vor Erreichen des Maximalhubs des einen Ventilelements (18) an das andere Ventilelement (16) anstößt.

14. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die in Öffnungsrichtung des anderen Ventilelements (16) wirkende Beaufschlagungseinrichtung (20) und die hydraulische Steuerfläche (32) des anderen Ventilelements (16) so abgestimmt sind, dass dieses Ventilelement (16) erst öffnet, wenn zusätzlich vom Mitnehmer (124) des einen Ventilelements (18) eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft ausgeübt wird.

15. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Öffnen nur eines Ventilelements (18) zunächst der Steuerraum (38) mit einem Hochdruckanschluss (58) und dann gleichzeitig mit dem Hochdruckanschluss (58) und einem Niederdruckanschluss (42) verbunden wird.

16. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 6 zum Öffuen nur eines Ventilelements (18) das Schaltventil (72) in die zweite Schaltstellung gebracht wird, kurz bevor der Druck im Steuerraum (38) soweit abgesunken ist, dass das innere Ventilelement (16) öffnet, und wieder in die erste Schaltstellung gebracht wird, kurz bevor das äußere Ventilelement (18) schließt.

Claims

1. Fuel injection device (10) for an internal combustion engine, having at least two valve elements (16, 18) which have in each case one hydraulic control surface (32, 34) which acts in a closing direction and to which is assigned a hydraulic control chamber (38), having a control valve (72) which influences the pressure in the control chamber (38), and having load exertion devices (20, 22) which can act in an opening direction of the valve elements (16, 18), wherein the hydraulic opening pressures, which prevail in the control chamber (38), of the valve elements (16, 18) differ, characterized in that at least three different pressure levels can be set in the control chamber (38) by the control valve (72), wherein at a relatively high pressure level, all of the valve elements (16, 18) are closed, at a medium pressure level, one valve element (18) is open, and at a relatively low pressure level, all of the valve elements (16, 18) are open.

2. Fuel injection device (10) according to Claim 1, characterized in that the control chamber (38) is connected via an inlet throttle (56) to a high-pressure port (42), and in that the control valve (72) is connected at one side to the control chamber (38) and at the other side to a low-pressure port (58).

3. Fuel injection device (10) according to Claim 2, characterized in that the control valve (72) has a switching chamber (60) with a switching element (70) which, in a first switching position (84), bears against a first valve seat (76) leading to the low-pressure port (58), in a second switching position (86), bears against a second valve seat (82) leading to a bypass duct (68), wherein the bypass duct (68) is connected to the high-pressure port (42), and in a third switching position (100), bears neither against the first valve seat (76) nor against the second valve seat (82).

4. Fuel injection device (10) according to Claim 3, characterized in that the control valve (72), in the third switching position (100), forms a throttle point in the direction of the low-pressure port (42).

5. Fuel injection device (10) according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the control chamber (38) is connected to the high-pressure port (42), in that the control valve (72) is connected via at least two control ducts (62a, 62b) to the control chamber (38), and in that the control valve (72), in a first switching position (76), separates all of the control ducts (62a, 62b) from a low-pressure port (58), in a second switching position (82), connects a control duct (62b) to the low-pressure port (58), and in a third switching position, connects all of the control ducts (62a, 62b) to the low-pressure port (58).

6. Fuel injection device (10) according to Claim 2, characterized in that the control chamber (38) is connected to a high-pressure port (42), in that the control valve (72), in a first switching position (86), connects the control chamber (38) to a low-pressure port (58) and, in a second switching position (100), separates said control chamber from said low-pressure port, and in that the control valve (72) can be moved continuously in controlled fashion from the first switching position (86) into the second switching position (100) and back.

7. Fuel injection device (10) according to Claim 6, characterized in that the control valve (72) can be actuated in such a way that, as a result of the continuous alternation, the pressure in the control chamber (38) fluctuates about a mean pressure level.

8. Fuel injection device (10) according to Claim 6, characterized in that the control valve (72) can be actuated so quickly that, as a result of the continuous alternation, a constant mean pressure level is set.

9. Fuel injection device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the valve elements (16, 18) are coaxial and an axial delimiting surface of the control chamber (38) has a sealing region (36) which, when the outer valve element (18) is in an open end position, divides the control chamber (38) into an outer region, which is connected to the high-pressure port (42), and an inner region, which is connected to the control valve (72).

10. Fuel injection device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the control valve (72) comprises a piezo actuator (80).

11. Fuel injection device according to Claim 10, characterized in that the control valve comprises a valve body (70) which is hydraulically coupled to the piezo actuator (80), wherein as hydraulic fluid, use is made of fuel arising from fuel leakage at a guide of at least one valve element (16).

12. Fuel injection device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that one valve element (18) has a driver (126) which acts in the opening direction on the other valve element (16).

13. Fuel injection device (10) according to Claim 12, characterized in that the driver (126) is designed such that it abuts against the other valve element (16) only shortly before the former valve element (18) reaches its maximum stroke.

14. Fuel injection device (10) according to either of Claims 12 and 13, characterized in that the load exertion device (20) which acts in the opening direction of the other valve element (16) and the hydraulic control surface (32) of the other valve element (16) are coordinated such that said valve element (16) opens only when a force acting in the opening direction is additionally imparted by the driver (124) of the former valve element (18).

15. Method for operating a fuel injection device (10), characterized in that, in a fuel injection device (10) according to one of Claims 1 to 4, to open only one valve element (18), the control chamber (38) is connected firstly to a high-pressure port (58) and then simultaneously to the high-pressure port (58) and a low-pressure port (42).

16. Method for operating a fuel injection device, characterized in that, in a fuel injection device according to Claim 6, to open only one valve element (18), the switching valve (72) is placed into the second switching position shortly before the pressure in the control chamber (38) has fallen to such an extent that the inner valve element (16) opens, and is placed into the first switching position again shortly before the outer valve element (18) closes.

Revendications

1. Dispositif d'injection de carburant (10) pour un moteur à combustion interne, comprenant au moins deux éléments de soupape (16, 18) qui présentent chacun une surface de commande hydraulique (32, 34) agissant dans le sens de la fermeture, auxquelles est associé un espace de commande hydraulique (38), une soupape de commande (72), qui influence la pression dans l'espace de commande (38), et des dispositifs de sollicitation (20, 22), qui peuvent agir dans le sens de l'ouverture des éléments de soupape (16, 18), les pressions d'ouverture hydrauliques des éléments de soupape (16, 18) régnant dans l'espace de commande (38) étant différentes, caractérisé en ce qu'au moins trois niveaux de pression différents peuvent être ajustés par la soupape de commande (72) dans l'espace de commande (38), pour un niveau de pression relativement élevé, tous les éléments de soupape (16, 18) étant fermés, pour un niveau de pression moyen, un élément de soupape (18) étant ouvert, et pour un niveau de pression relativement bas, tous les éléments de soupape (16, 18) étant ouverts.

2. Dispositif d'injection de carburant (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace de commande (38) est raccordé par le biais d'un étranglement d'entrée (56) à un raccord haute pression (42), et en ce que la soupape de commande (72) est raccordée d'une part à l'espace de commande (38) et d'autre part à un raccord basse pression (58).

3. Dispositif d'injection de carburant (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la soupape de commande (72) présente une chambre de commutation (60) avec un élément de commutation (70) qui s'applique dans une première position de commutation (84) contre un premier siège de soupape (76) conduisant au raccord basse pression (58), dans une deuxième position de commutation (86) contre un deuxième siège de soupape (82) conduisant à un canal de dérivation (68), le canal de dérivation (68) étant raccordé au raccord haute pression (42), et dans une troisième position de commutation (100), ne s'appliquant ni contre le premier siège de soupape (76) ni contre le deuxième siège de soupape (82).

4. Dispositif d'injection de carburant (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la soupape de commande (72) forme, dans la troisième position de commutation (100), un point d'étranglement vers le raccord basse pression (42).

5. Dispositif d'injection de carburant (10) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'espace de commande (38) est raccordé au raccord haute pression (42), en ce que la soupape de commande (72) est raccordée par le biais d'au moins deux canaux de commande (62a, 62b) à l'espace de commande (38), et en ce que la soupape de commande (72), dans une première position de commutation (84), sépare tous les canaux de commande (62a, 62b) d'un raccord basse pression (58), dans une deuxième position de commutation (86) relie un canal de commande (62b) au raccord basse pression (58), et dans une troisième position de commutation, relie tous les canaux de commande (62a, 62b) au raccord basse pression (58).

6. Dispositif d'injection de carburant (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'espace de commande (38) est raccordé à un raccord haute pression (42), en ce que la soupape de commande (72) relie l'espace de commande (38) dans une première position de commutation (84) à un raccord basse pression (58) et dans une deuxième position de commutation (86) le sépare de celui-ci, et en ce que la soupape de commande (72) peut être commandée de manière continue depuis la première position de commutation (84) dans la deuxième position de commutation (86) et inversement.

7. Dispositif d'injection de carburant (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la soupape de commande (72) peut être commandée de telle sorte que du fait de l'échange continu, la pression dans l'espace de commande (38) oscille autour d'un niveau de pression moyen.

8. Dispositif d'injection de carburant (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la soupape de commande (72) peut être commandée si rapidement qu'un niveau de pression moyen constant s'établisse du fait de l'échange constant.

9. Dispositif d'injection de carburant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de soupape (16, 18) sont coaxiaux et une surface de limitation axiale de l'espace de commande (38) présente une région d'étanchéité (36) qui, dans une position d'extrémité ouverte de l'élément de soupape extérieur (18), divise l'espace de commande (38) en une région extérieure raccordée au raccord haute pression (42) et en une région intérieure raccordée à la soupape de commande (72).

10. Dispositif d'injection de carburant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la soupape de commande (72) comprend un actionneur piézoélectrique (80).

11. Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 10, caractérisé en ce que la soupape de commande comprend un corps de soupape (70) qui est accouplé hydrauliquement à l'actionneur piézoélectrique (80), une fuite de carburant se produisant au niveau d'une conduite d'au moins un élément de soupape (16) étant utilisée en tant que fluide hydraulique.

12. Dispositif d'injection de carburant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un élément de soupape (18) présente un dispositif d'entraînement (126) agissant dans le sens de l'ouverture sur l'autre élément de soupape (16).

13. Dispositif d'injection de carburant (10) selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif d'entraînement (126) est réalisé de telle sorte qu'il bute juste avant d'atteindre la course maximale de l'un des éléments de soupape (18) contre l'autre élément de soupape (16).

14. Dispositif d'injection de carburant (10) selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que le dispositif de sollicitation (20) agissant dans le sens de l'ouverture de l'autre élément de soupape (16) et la surface de commande hydraulique (32) de l'autre élément de soupape (16) sont adaptés l'un à l'autre de telle sorte que cet élément de soupape (16) ne s'ouvre que lorsqu'une force agissant dans le sens de l'ouverture est exercée en outre par le dispositif d'entraînement (124) du premier élément de soupape (18).

15. Procédé pour faire fonctionner un dispositif d'injection de carburant (10), caractérisé en ce que dans le cas d'un dispositif d'injection de carburant (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour l'ouverture de seulement un élément de soupape (18), d'abord l'espace de commande (38) est raccordé à un raccord haute pression (58) et ensuite, simultanément au raccord haute pression (58) et à un raccord basse pression (42).

16. Procédé pour faire fonctionner un dispositif d'injection de carburant, caractérisé en ce que dans le cas d'un dispositif d'injection de carburant selon la revendication 6 pour l'ouverture de seulement un élément de soupape (18), la soupape de commutation (72) est amenée dans la deuxième position de commutation, juste avant que la pression dans l'espace de commande (38) soit abaissée dans une mesure telle que l'élément de soupape interne (16) s'ouvre, et est à nouveau ramenée dans la première position de commutation juste avant que l'élément de soupape externe (18) ne se ferme.

Zeichnung