DE10305508A1

DE10305508A1 - Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10305508A1
Application number: DE10305508A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Es wird ein Kraftstoffeinspritzventil 22 vorgeschlagen, bei welchem eine innere Variodüse 62 mit einer koaxial dazu angeordneten äußeren Spritzlochdüsennadel 40 kombiniert wird, um die Vorteile beider Düsenbauarten in verschiedenen Betriebsbereichen optimal nutzen zu können.

Description

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der nicht vorveröffentlichten DE 102 05 970 der gleichen Anmelderin bekannt.

In einem Gehäuse befindet sich eine äußere Düsennadel und eine darin geführte innere Düsennadel. Beide Düsennadeln wirken mit ihrem brennraumseitigen Ende mit einer Ventilsitzfläche zusammen, in der zwei Reihen von Einspritzöffnungen ausgebildet sind. Die äußere Einspritzöffnungsreihe wird hierbei von der äußeren Düsennadel gesteuert und die innere Einspritzöffnungsreihe von der inneren Düsennadel. Durch einen im Gehäuse ausgebildeten Hochdruckkanal wird den Einspritzöffnungen Kraftstoff unter hohem Druck zugeleitet, der gesteuert von den Düsennadeln, durch die Einspritzöffnungen austritt und von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Dabei sind sowohl die äußere Düsennadel als auch die innere Düsennadel als Sitzloch-Düsennadeln ausgeführt.

Aus der DE 199 47 196 A1 ist eine sogenannte "Vario-Registerdüse" gezeigt. Diese nach außen öffnende Düse ("A-Düse") umfasst ein Ventilelement, in dem an unterschiedlichen axialen Positionen Reihen von Kraftstoff-Austrittsöffnungen vorhanden sind. Je nach Hub des Ventilelements werden nur eine oder mehrere Reihen von Kraftstoff-Austrittsöffnungen freigegeben. Der Hub des Ventilelements erfolgt druckgesteuert.

Unter einer solchen "Drucksteuerung" versteht man, dass die Bewegung des Ventilelements von einer Druckerhöhung oder Druckabsenkung in einem Steuerraum abhängt, der von einer Druckfläche begrenzt wird, die mit dem Ventilelement gekoppelt ist. Je nach Druck öffnet das Ventilelement mehr oder weniger gegen die Kraft einer Vorspanneinrichtung. Der Druck in dem Steuerraum entspricht auch dem Einspritzdruck an den Kraftstoff-Austrittsöffnungen. Bei einem druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzventil wird also auch ein ganz bestimmter Druckverlauf des eingespritzten Kraftstoffes realisiert. Ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzventil hat Vorteile vor allem bei niedriger und mittlerer Last der Brennkraftmaschine.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoffeinspritzventil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie den Kraftstoff in möglichst vielen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine optimal einspritzt und so zu einer der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs beiträgt.

Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse, mit einer in dem Gehäuse vorhandenen Ausnehmung, mit einer in der Ausnehmung geführten äußeren Düsennadel, welche mit einem gehäuseseitigen ersten Ventilsitz zusammenarbeitet, und mit einer in der äußeren Düsennadel geführten inneren Düsennadel, welche mit einem gehäuseseitigen zweiten Ventilsitz zusammenarbeitet, mit einem kraftstoffgefüllten ersten Steuerraum, durch dessen Druck eine Schließkraft auf die innere Düsennadel ausgeübt wird, mit einem kraftstoffgefüllten zweiten Steuerraum, durch dessen Druck eine Schließkraft auf die äußere Düsennadel ausgeübt wird, dadurch gelöst, dass die äußere Düsennadel als Sitzloch-Düsennadel ausgebildet ist, und dass die innere Düsennadel als Vario-Düsennadel ausgebildet ist.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil werden die Vorteile von Vario-Düsennadeln mit denen von Sitzloch-Düsennadeln kombiniert. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann so die für den Kraftstoffverbrauch und das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine optimale Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils gewählt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Weitere Ergänzungen der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung sehen vor, dass der erste Steuerraum über eine erste Zulaufdrossel mit einem Common Rail hydraulisch in Verbindung steht, dass der zweite Steuerraum über eine zweite Zulaufdrossel mit dem Common Rail hydraulisch in Verbindung steht und dass sowohl der erste Steuerraum über eine erste Ablaufdrossel als auch der zweite Steuerraum über eine zweite Ablaufdrossel mit einer Rücklaufleitung hydraulisch verbindbar sind, wobei die erste Ablaufdrossel und die zweite Ablaufdrossel durch ein Steuerventil verschließbar sind.

Durch diese Ausgestaltung wird einerseits erreicht, dass mit Hilfe eines einzigen 3/3-Wege-Steuerventils beide Düsennadeln gesteuert werden können. Durch die verschiedenen Ablauf- und Zulaufdrosseln für die innere und die äußere Düsennadel wird erreicht, dass das Ansprechverhalten der inneren Düsennadel und der äußeren Düsennadel verschieden ist, obwohl beide mit einem Steuerventil angesteuert werden. Dadurch ergibt sich ein in sehr weiten Grenzen steuerbares Einspritzverhalten der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Je nach Bedarf können entweder nur die innere Düsennadel oder beide Düsennadeln nacheinander geöffnet werden.

Eine besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen 3/3-Wege-Steuerventils sieht vor, dass das Steuerventil einen mit dem ersten Steuerraum und mit dem zweiten Steuerraum verbundenen Ventilraum und einen durch einen Aktor steuerbares Ventilglied aufweist, wobei das Ventilglied des Steuerventils durch einen elektrischen Aktor, insbesondere einen Piezzoaktor, bewegt wird. Durch diese Ausführung wird ein sehr schnelles Ansprechen des Steuerventils erreicht, was die Präzision der Kraftstoffzumessung und der Einspritzverlaufsformung erhöht. Auch dadurch ergibt sich ein verbessertes Verbrauchs- und Emissionsverhalten der mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung ausgerüsteten Brennkraftmaschinen.

In einer ersten Schaltstellung des erfindungsgemäßen Steuerventils wirkt das Ventilglied mit einem Ventilsitz und in einer zweiten Schaltstellung mit einem zweiten Ventilsitz zusammen, wobei der Ventilraum in der ersten Schaltstellung gegen die Rücklaufleitung abgedichtet ist und in der zweiten Schaltstellung mit der Rücklaufleitung verbunden ist. Dadurch wird in der erst in der zweiten Schaltstellung der Druck im zweiten Steuerraum abgesenkt, so dass die innere Düsennadel, welche als Variodüsennadel ausgeführt ist, öffnet und somit im Teil- und Mittellastbereich eine optimale Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum vorgenommen werden kann.

Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass das Ventilglied bei seiner Anlage am zweiten Ventilsitz die erste Ablaufdrossel verschließt, während die zweite Ablaufdrossel geöffnet ist.

Um sowohl die äußere Düsennadel als auch die innere Düsennadel zu öffnen, wird das Ventilglied in eine Mittelstellung (dritte Schaltstellung) gebracht, so dass das Ventilglied weder am ersten Ventilsitz noch am zweiten Ventilsitz anliegt. Diese Schaltstellung ist insbesondere bei Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine sinnvoll, da in dieser Schaltstellung die Vorteile einer Sitzlochdüsennadel voll zum Tragen kommen. Durch eine geeignete Abstimmung von erster Zulaufdrossel und erster Ablaufdrossel einerseits sowie der zweiten Zulaufdrossel und der zweiten Ablaufdrossel andererseits kann erreicht werden, dass Kraftstoff nahezu ausschließlich durch die äußere Düsennadel, welche als Sitzlochdüsennadel ausgebildet ist, eingespritzt wird. dadurch können die bekannten Vorteile von Sitzlochdüsennadeln im Volllastbetrieb auch bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil realisiert werden.

Die Ausbildung der äußeren Düsennadel als Sitzlochdüsennadel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die äußere Ventilnadel in einer Schließposition an einem am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordneten ersten Ventilsitzes zur Anlage kommt und durch eine Längsbewegung in einer Öffnungsrichtung mindestens ein im Gehäuse vorhandenes Spritzloch aufsteuert.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der inneren Düsennadel als Vario-Düsennadel wird dadurch erreicht, dass die innere Düsennadel an einem zweiten Ventilsitz in einer Schließposition anliegt und durch eine Längsbewegung in einer Öffnungsrichtung Einspritzöffnungen aufsteuert, die in der inneren Düsennadel angeordnet sind, wobei das mindestens eine Spritzloch und die Einspritzöffnungen in aufgesteuertem Zustand der Düsennadeln Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzen.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Steuerraum in axialer Richtung zum Einen von dem Gehäuse und zum Anderen von einer Stirnfläche der äußeren Düsennadel begrenzt wird, wobei die Stirnfläche an der dem Brennraum abgewandten Ende der äußeren Düsennadel angeordnet ist. In radialer Richtung wird der erste Steuerraum von einer die äußere Düsennadel dichtend umgebenden ersten Hülse begrenzt, wobei die erste Hülse durch eine erste Spannfeder, welche sich einenends gegen die äußere Düsennadel und anderenends gegen die erste Hülse abstützt, gegen das Gehäuse gepresst wird. Dadurch wird auch fertigungstechnisch auf vergleichsweise einfache Weise der erste Steuerraum ausgebildet, wobei die konstruktiven Freiheiten bezüglich Abmessungen des Steuerraums sehr groß sind. Durch die Abmessungen des ersten Steuerraums kann das Ansprechverhalten der äußeren Düsennadel auch beeinflusst werden, was sich positiv auf das Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils auswirken kann.

In weiterer Ergänzung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzyentils ist vorgesehen, dass der zweite Steuerraum in axialer Richtung zum Einen von dem Gehäuse und zum Anderen von einem Absatz der äußeren Düsennadel begrenzt wird, wobei der zweite Steuerraum in radialer Richtung von einer die innere Düsennadel dichtend umgebenden zweiten Hülse begrenzt wird, und wobei die zweite Hülse durch eine zweite Spannfeder, welche sich einenends gegen die innere Düsennadel und anderenends gegen die zweite Hülse abstützt, gegen das Gehäuse gepresst wird.

Dieser Aufbau, welcher in seiner Struktur dem Aufbau des ersten Steuerraums weitgehend entspricht, weist demzufolge naturgemäß auf die im Zusammenhang mit dem ersten Steuerraum angesprochenen Vorteile auf.

Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kraftstoffeinspritzventilen;
2 einen teilweisen Schnitt durch eines der Kraftstoffeinspritzventile von 1; und
3 ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine und insbesondere zum Ansteuern des Kraftstoffeinspritzventils von 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 trägt ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 14 Kraftstoff in eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 16 fördert. Diese führt zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18. Bei der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 handelt es sich um eine Kolbenpumpe, welche von einer Nockenwelle (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine (im Detail ebenfalls nicht dargestellt), zu welcher das Kraftstoffsystem 10 gehört, angetrieben wird. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 bringt den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn zu einer Kraftstoff-Sammelleitung 20. Diese wird auch als "Common-Rail" bezeichnet. In ihr ist der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert. Der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung (Common-Rail) 20 wird durch ein Drucksteuerventil 21 eingestellt.
An die Kraftstoff-Sammelleitung 20 sind mehrere Kraftstoffeinspritzventile 22 angeschlossen. Hierzu verfügen diese über Hochdruckanschlüsse 24. Die Kraftstoffeinspritzventile 22 spritzen den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 26 der Brennkraftmaschine ein. Die Kraftstoffeinspritzventile 22 verfügen jeweils auch über einen Niederdruckanschluss 28, von dem eine Rücklaufleitung 30 zurück zum Kraftstoffhahälter 12 führt.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine, des Kraftstoffsystems 10 und insbesondere der Kraftstoffeinspritzventile 22 und des Drucksteuerventils 21 wird von einem Steuer- und Regelgerät 32 gesteuert bzw. geregelt. Hierzu ist dieses über Leitungen (ohne Bezugszeichen) mit den Kraftstoffeinspritzventilen 22 verbunden. Auch ein Drucksensor 33, der den Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 erfasst, ist mit dem Steuer- und Regelgerät 32 verbunden.
Der Aufbau der Kraftstoffeinspritzventile 22 wird nun unter Bezugnahme auf 2 im Detail erläutert: Das Kraftstoffeinspritzventil 22 umfasst ein Gehäuse mit einem Unterteil 34, mehreren Mittelteilen 35a–c und einem Oberteil 36. Im Unterteil 34 ist eine stufenförmige Ausnehmung 38 vorhanden, in der eine äußere Düsennadel 40 angeordnet ist.
Die äußere Düsennadel 40 wird von einer ersten Spannfeder 42 gegen eine erste Dichtfläche 44, welche im Unterteil 34 ausgebildet ist, gepresst. Der Durchmesser, der zwischen äußeren Düsennadel 40 und erster Dichtfläche 44 gebildeten Dichtlinie ist in 2 mit D₁ bezeichnet. Der Zwischenraum 46 zwischen Ausnehmung 38 und äußerer Ventilnadel 40 ist mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff (nicht dargestellt) gefüllt. Dieser Kraftstoff wird durch den Hochdruckanschluss 24 geliefert, welcher mit dem Common Rail 20 (siehe 1) in Verbindung steht.
Im Unterteil 34 sind im Bereich der ersten Dichtfläche 44 Spritzlöcher 48 vorgesehen, die mit dem Zwischenraum 45 hydraulisch nicht in Verbindung stehen, wenn, wie in 2 dargestellt, die äußere Düsennadel 40 auf der ersten Dichtfläche 44 aufliegt, weil der Durchmesser D₁ größer ist als der Durchmesser, an dem die Spritzlöcher 48 in die erste Dichtfläche 44 münden.
Die erste Spannfeder 42 stützt sich einenends über einen Absatz 50 der äußeren Düsennadel 40 und einen auf dem Absatz 50 aufliegendem Ring 52 ab. Anderenends stützt sich die erste Spannfeder 42 gegen eine erste Hülse 54 ab. Die erste Hülse 54 umschließt die äußere Düsennadel 40 dichtend, wobei jedoch die äußere Düsennadel 40 in ihrer Längsrichtung relativ zur ersten Hülse 54 verschiebbar ist. Die Passung zwischen erster Hülse 54 und äußerer Düsennadel 40 ist so gewählt, dass einerseits ein möglichst leichtgängiger Schiebesitz erreicht wird, und andererseits eine hydraulische Trennung des Zwischenraums 46 von einem ersten Steuerraum 56 erzielt wird. Die erste Hülse 54 stützt sich über eine Beißkante 58 am Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils ab; bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel stützt sich die erste Hülse 54 am Mittelteil 35a ab.
Der erste Steuerraum 56 wird somit in axialer Richtung von dem Gehäuse, hier dem Mittelteil 35a, und einer Stirnfläche 60 der äußeren Düsennadel 40 begrenzt. In radialer Richtung wird der erste Steuerraum 56 durch die erste Hülse 54 und eine innere Düsennadel 62 begrenzt. Die äußere Düsennadel 40 wird von der inneren Düsennadel geführt.
Der erste Steuerraum 56 wird durch eine erste Zulaufdrossel 64 mit Kraftstoff aus dem Hochdruckanschluss 24 in an sich bekannter Weise versorgt. Über einen ersten Kanal 66 und eine erste Ablaufdrossel 68 steht der erste Steuerraum 56 mit einem Steuerventil 70, welches als 3/3-Wege-Steuerventil ausgeführt ist, hydraulisch in Verbindung.
Da der Außendurchmesser D₂ der äußeren Düsennadel 40 größer als der Durchmesser D₁ der Dichtlinie zwischen äußerer Düsennadel 40 und erster Dichtfläche 44 ist, verursacht der im Zwischenraum 46 befindliche Kraftstoff eine hydraulische Kraft, welche die äußere Düsennadel 40 von der ersten Dichtfläche 44 abheben will. Dieser Öffnungskraft entgegengesetzt gerichtet ist eine auf die Stirnfläche 60 vom ersten Steuerraum 56 auswirkende Schließkraft. Diese Schließkraft ist, gleiche Drücke im Zwischenraum 46 und im ersten Steuerraum 56 vorausgesetzt, größer als die Öffnungskraft, da die Stirnfläche 60 der äußeren Düsennadel 40 größer ist als die von den Durchmessern D₁ und D₂ begrenzte Ringfläche.
Die innere Düsennadel 62 umfasst einen vergleichsweise langen kreiszylindrischen Abschnitt 72, einen kürzeren sich an diesen anschließenden eingeschnürten Abschnitt 74, einen sich wiederum an diesen anschließenden kreiszylindrischen Dichtabschnitt 76 und schließlich einen Kopfabschnitt 78. Der Durchmesser D₄ des Dichtabschnitts 46 ist größer als der Durchmesser D₃ des kreiszylindrischen Abschnitts 42. Der Kopfabschnitt 78 der inneren Düsennadel 62 ist außerhalb des Gehäuses 34 angeordnet. Mit dem kreiszylindrischen Abschnitt 72 wird die innere Düsennadel 62 in den Mittelteilen 35a und 35b dichtend geführt.
Im Übergang zwischen Kopfabschnitt 78 und Dichtabschnitt 76 ist eine Dichtlinie vorhanden, die mit einem gehäuseseitigen Ventilsitz 80 zusammen wirkt. Zwischen dem eingeschnürten Abschnitt 74 und dem Dichtabschnitt 76 ist eine Druckschulter 82 vorhanden. Der eingeschnürte Abschnitt 74 und die äußere Düsennadel 40 begrenzen einen Druckraum 84. Über Bohrungen 86 in der äußeren Düsennadel 40 wird der Druckraum 84 mit Kraftstoff aus dem Zwischenraum 46 versorgt.
Vom Druckraum 84 ausgehend ist in dem Dichtabschnitt 76 der inneren Düsennadel 52 eine in etwa axial verlaufende zentrische Sacklochbohrung 88 angeordnet von der eine oder mehrere in etwa radial verlaufende Einspritzöffnungen 90 ausgehen. Diese Einspritzöffnungen 90 befinden sich also in der Mantelfläche des Dichtabschnitts 76 der inneren Düsennadel 62. Im Bereich des Dichtabschnitts 46 bilden die Ausnehmung 38 und die innere Düsennadel 62 einen fluiddichten Schiebesitz.
In der in 2 dargestellten Position der inneren Düsennadel 62 sind die Einspritzöffnungen 90 also von der Innenwand der Ausnehmung 38 verschlossen.
Am Brennraum abgewandten Ende der inneren Düsennadel 62 ist ein ringartiges Teil 92 aufgeschoben. Das ringartige Teil 92 ist an der inneren Düsennadel 62 durch einen Federring 94, welcher in einer Nut 96 der inneren Düsennadel 62 montiert ist, in axialer Richtung fixiert. Alternativ könnte das ringartige Teil 92 auch mit der inneren Düsennadel 62 verpresst, verschweißt oder auf andere Weise verbunden werden.
Das ringartige Teil 92 bildet, ausgehend vom Durchmesser D₅ des kreiszylindrischen Abschnitts 72, einen Absatz 98. Der Absatz 98 und das Gehäuse, hier das Mittelteil 35b, begrenzen in axialer Richtung einen zweiten Steuerraum 100. In radialer Richtung wird der zweite Steuerraum 100 vom kreiszylindrischen Abschnitt 72 der inneren Düsennadel 62 und von einer zweiten Hülse 102, welche das ringartige Teil 92 dichtend aber längsverschiebbar umschließt, begrenzt.
Die zweite Hülse 102 wird durch eine zweite Spannfeder 104, weiche Sich einerseits gegen das ringartige Teil 92 und andererseits gegen die zweite Hülse 102 abstützt, gegen das Gehäuse, hier das Mittelteil 35b, gepresst. An dem dem Mittelteil 35b zugewandten Ende der zweiten Hülse ist eine Beißkante 106 ausgebildet, so dass zwischen der zweiten Hülse 102 und dem Mittelteil 35b eine Abdichtung des zweiten Steuerraums 100 gegeben ist.
Alternativ zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das ringartige Teil 92 auch einstückig mit der inneren Düsennadel 62 ausgeführt werden. Welcher Variante der Vorzug zu geben ist, hängt von den wirtschaftlichen und fertigungstechnischen Rahmenbedingungen ab. Die erfindungsgemäßen Vorteile werden mit beiden Ausführungsvarianten in vollem Umfang erzielt.
Der zweite Steuerraum 100 wird über eine zweite Zulaufdrossel 108 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aus dem Hochdruckanschluss 24 versorgt. Über einen zweiten Kanal 110 und eine zweite Ablaufdrossel 112 ist der zweite Steuerraum 100 mit dem Steuerventil 70 hydraulisch verbunden. Der Außendurchmesser des zweiten Steuerraums 100, der durch den Absatz 98 des ringartigen Teils 92 und den Innendurchmesser der zweiten Hülse 102 vorgegeben wird, ist in 2 mit D₅ bezeichnet. Die durch den Durchmesser D₅ und den Durchmesser D₂ begrenzte Kreisringfläche des Absatzes 98 des ringartigen Teils 92 ist größer als die durch den Durchmesser D₃ und den Durchmesser D₄ begrenzte Kreisringfläche. Deshalb wird, gleiche Drücke im zweiten Steuerraum 100 und im Druckraum 84 vorausgesetzt, die innere Düsennadel in die in 2 gezeigte Schließstellung gezogen, wenn sich das Steuerventil 70 in der in 2 gezeigten ersten Schaltstellung befindet.
Das Steuerventil 70 ist als 3/3-Wege-Ventil ausgebildet mit einem halbkugelförmigen Ventilelement 114. Das Ventilelement 114 wird von einem Piezoaktor (nicht dargestelit) betätigt, welcher wiederum vom Steuer- und Regelgerät 32 angesteuert wird. Das Ventilelement 114 befindet sich in einer Schaltkammer 116 und arbeitet mit einem in 2 oberen Ventilsitz 118 und einem in 2 unteren Ventilsitz 122 zusammen. Wenn das Ventilelement 114 am oberen Ventilsitz 118 anliegt, ist die Fluidverbindung von der Schaltkammer 116 zum Niederdruckanschluss 28 unterbrochen. Liegt es dagegen am unteren Ventilsitz 120 an, ist die Verbindung der Schaltkammer 116 zum ersten Steuerraum 56 unterbrochen. Im Fluidweg zwischen erstem Steuerraum 56 und Schaltkammer 116 ist, wie bereits erwähnt, eine erste Ablaufdrossel 68 vorhanden.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil 22 arbeitet folgendermaßen:
In der ersten, in 2 dargestellten Schaltstellung liegt das Ventilelement 114 des 3/3-Wege-Steuerventils 70 am oberen Ventilsitz 118 an. Somit herrscht im ersten Steuerraum 56 ebenso wie im zweiten Steuerraum 100 ebenso wie im Druckraum 84 und im Zwischenraum 46 der gleiche Druck, welcher dem Druck im Hochdruckanschluss 24 entspricht. Aufgrund der Durchmesserverhältnisse D₁, D₂, D₃, D₄ und D₅ wird sowohl die äußere Düsennadel 40 gegen die erste Dichtfläche 44 gepresst, so dass die Spritzlöcher 48 im Gehäuse verschlossen sind, und die innere Düsennadel 62 in ihre Schließstellung gezogen, so dass die Einspritzöffnungen 90 ebenfalls verschlossen sind. Dies bedeutet, dass kein Kraftstoff in den Brennraum 26 der Brennkraftmaschine einspeist wird.
Wenn das Steuerventil 70 in seine zweite Schaltstellung gesteuert wird, so dass Ventilglied 114 an seinem zweiten Ventilsitz 120 aufliegt, wird die hydraulische Verbindung zwischen erstem Steuerraum 56 und Schaltkammer 116 unterbrochen. Dies bedeutet, dass der Druck im ersten Steuerraum 56 aufrecht erhalten bleibt und somit die äußere Düsennadel 40 geschlossen bleibt. Gleichzeitig wird durch das Bewegen des Ventilglieds 114 in die zweite Schaltstellung eine hydraulische Verbindung zwischen dem Niederdruckanschluss 28 und dem zweiten Steuerraum über die zweite Ablaufdrossel 112 hergestellt. In Folge dessen sinkt der Druck im zweiten Steuerraum 100 ab, so dass die vom zweiten Steuerraum 100 auf die innere Düsennadel 52 ausgeübte Schließkraft abnimmt. Sobald die Schließkraft kleiner ist als die auf die Druckschulter 82 der inneren Düsennadel 62 wirkende Öffnungskraft, hebt die innere Düsennadel 62 von ihrer Dichtfläche 80 ab. Wenn die Einspritzöffnungen 90 nicht mehr von der Ausnehmung 38 verschlossen werden, spritzt Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 90 in den Brennraum der Brennkraftmaschine ein.
Die zweite Schaltstellung des Steuerventils 70 wird angesteuert, wenn die Brennkraftmaschine im Teil- und Mittellastbereich betrieben werden oder eine Voreinspritzung erfolgen soll, da dann die Vorteile einer Variodüse in diesem Lastbereich der Brennkraftmaschine voll zum Tragen kommen.
Wenn die Brennkraftmaschine mit Volllast betrieben werden soll, wird während der Einspritzung das Ventilglied 114 in eine dritte Schaltstellung bewegt, in der es weder am oberen Ventilsitz 118 noch am unteren Ventilsitz 120 aufliegt. In Folge dessen ist eine hydraulische Verbindung zwischen dem Niederdruckanschluss 28 und dem ersten Steuerraum 56 sowie dem zweiten Steuerraum 100 gegeben. In Folge dessen kommt es einer Druckabsenkung sowohl im ersten Steuerraum 56 als auch im zweiten Steuerraum 100. Sobald die hydraulische Kraft, welche vom ersten Steuerraum 56 auf die Stirnfläche 60 der äußeren Düsennadel 40 ausgeübt wird, kleiner ist als die von dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff im Zwischenraum 46 ist, hebt die äußere Düsennadel 40 von der ersten Dichtfläche 44 ab und ermöglicht die Einspritzung von Kraftstoff über die Spritzlöcher 48. Gleichzeitig oder, je nach Abstimmung, zeitlich versetzt dazu, öffnet auch die innere Düsennadel 62 aufgrund des Druckabfalls im zweiten Steuerraum 100. Von der Wirkung her ist jedoch im Volllastbetrieb die Wirkung der äußeren Düsennadel 40 vorherrschend, so dass das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine wie eine aus dem Stand der Technik bekannte Spritzlocheinspritzdüse wirkt und die hinlänglich bekannten Vorteile einer solchen Einspritzdüse im Volllastbetrieb aufweist.
Selbstverständlich kann die zweite Schaltstellung auch für eine Voreinspritzung benutzt werden. Durch das Vertauschen des ersten Kanals 66 mit dem zweiten Kanal 110 kann auch erreicht werden, dass in der zweiten Schaltstellung nur die äußere Düsennadel öffnet, während die innere Düsennadel geschlossen bleibt. Dies kann in manchen Einsatzfällen vorteilhaft sein.
Das Kraftstoffeinspritzventil 22 wird gemäß dem in 3 dargestellten Verfahren betrieben. Nach einem Startblock 122 wird zunächst in einem Block 110 geprüft, ob an der Brennkraftmaschine eine geringe bzw. mittlere Last anliegt. Ist dies der Fall, wird im Block 126 das 3/3-Wege-Steuerventil 70 so gesteuert, dass das Ventilglied 114 in Anlage an den unteren Ventilsitz 120 kommt. Wie oben erläutert, wird dadurch ein Öffnen der inneren Düsennadel 62 bewirkt.
Ist die Antwort im Block 124 dagegen „nein", wird im Block 128 geprüft, ob überhaupt eine Last an der Brennkraftmaschine anliegt, d.h., ob möglicherweise die Brennkraftmaschine noch gar nicht eingeschaltet oder bereits ausgeschaltet ist. Ist die Antwort im Block 128 „ja", wird das Ventilglied 114 des 3/3-Wege-Steuerventils 70 in Anlage an den oberen Ventilsitz 118 gebracht (Block 130), wodurch ein Druckanstieg im ersten Steuerraum 56 und im zweiten Steuerraum 100 ermöglicht wird, da der Abfluss von Kraftstoff aus dem ersten Steuerraum 56 und aus dem zweiten Steuerraum 100 in den Niederdruckanschluss 28 unmöglich wird. In Folge dessen schließen sowohl die erste die äußere Düsennadel 40 als auch die innere Düsennadel 62, sofern sie nicht bereits in ihrer Schließstellung sind. Kraftstoff wird in dieser Schaltstellung nicht in die Brennräume 26 eingespritzt.
Ist die Antwort im Block 128 „nein", kann man davon ausgehen, dass eine hohe Last an der Brennkraftmaschine anliegt. In diesem Fall wird im Block 132 das 3/3-Wege-Steuerventil 70 so angesteuert, dass sein Ventilglied 114 in die mittlere Schaltstellung kommt, sich also zwischen oberem Ventilsitz 118 und unterem Ventilsitz 120 befindet. In dieser dritten Schaltstellung des Steuerventils 70, öffnen sowohl die innere Düsennadel 62 als auch die äußere Düsennadel 40.
Das Verfahren endet in einem Endblock 120.
Es versteht sich, dass die Dauer einer Einspritzung durch den Zeitraum bestimmt wird, während dem sich das Ventilglied 114 in Anlage am zweiten Ventilsitz 120 bzw. zwischen den beiden Ventilsitzen 118 und 120 befindet. Zur Beendigung einer Einspritzung wird das Ventilglied 114 wieder in Anlage an den oberen Ventilsitz 118 gebracht. Möglich ist aber auch, dass nach einer Einspritzung durch beide Düsennadeln 62 und 40 noch eine Einspritzung ausschließlich durch die innere Düsennadel 62 erfolgt. In diesem Fall würde das Ventilglied 114 aus der mittleren Stellung heraus zunächst gegen den zweiten Ventilsitz 120 und anschließend an den ersten Ventilsitz 118 bewegt werden.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil (22) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse (34, 35, 36), mit einer in dem Gehäuse (34) vorhandenen Ausnehmung (38), mit einer in der Ausnehmung (38) angeordneten äußeren Düsennadel (40), welche mit einer gehäuseseitigen ersten Dichtfläche(44) zusammenarbeitet, und mit einer in der äußeren Düsennadel (40) geführten inneren Düsennadel (62), welche mit einem gehäuseseitigen zweiten Dichtfläche (80) zusammenarbeitet, mit einem kraftstoffgefüllten ersten Steuerraum (56), durch dessen Druck eine Schließkraft auf die innere Düsennadel (62) ausgeübt wird, mit einem kraftstoffgefüllten zweiten Steuerraum (100), durch dessen Druck eine Schließkraft auf die äußere Düsennadel (40) ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Düsennadel (40) als Sitzloch-Düsennadel ausgebildet ist, und dass die innere Düsennadel (62) als Vario-Düsennadel ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steuerraum (56) über eine erste Zulaufdrossel (64) mit einem Common-Rail (20) hydraulisch in Verbindung steht, und dass der zweite Steuerraum (100) über eine zweite Zulaufdrossel (108) mit dem Common-Rail (20) hydraulisch in Verbindung steht.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steuerraum (56) über eine erste Ablaufdrossel (68) mit einer Rücklaufleitung (30) hydraulisch verbindbar ist, dass der zweite Steuerraum (100) über eine zweite Ablaufdrossel (112) mit der Rücklaufleitung (30) hydraulisch verbindbar ist, wobei die erste Ablaufdrossel (68) und die zweite Ablaufdrossel (112) durch ein Steuerventil (70) verschließbar sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (70) als 3/3-Wege-Steuerventil ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (70) einen mit dem ersten Steuerraum (56) und mit dem zweiten Steuerraum (100) verbundene Schaltkammer (116) und ein durch einen Aktor steuerbares Ventilglied (114) aufweist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (114) des Steuerventils (70) durch einen elektrischen Aktor bewegt wird.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Aktor ein Piezo-Aktor ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (114) in einer ersten Schaltstellung mit einem ersten Ventilsitz (118) und in einer zweiten Schaltstellung mit einem zweiten Ventilsitz (120) zusammenwirkt, wobei die Schaltkammer (116) in der ersten Schaltstellung gegen einen Niederdruckanschluß (28) abgedichtet ist und in der zweiten Schaltstellung mit dem Niederdruckanschluß (28) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (114) bei seiner Anlage am zweiten Ventilsitz (120) die erste Ablaufdrossel (68) verschließt, während die zweite Ablaufdrossel (112) geöffnet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Ventilglied (114) in eine Mittelstellung bringen lässt, so dass das Ventilglied (114) weder am ersten Ventilsitz (118) noch am zweiten Ventilsitz (120) anliegt.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Niederdruckanschluß (28) stets ein gegenüber dem Einspritzdruck deutlich niedrigerer Druck herrscht, vorzugsweise Atmosphärendruck.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Düsennadel (40) in einer Schließposition an einem am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordneten ersten Dichtfläche (44) in Anlage kommt und durch eine Längsbewegung in einer Öffnungsrichtung mindestens ein im Gehäuse (34) vorhandenes Spritzloch (48) aufsteuert, dass die innere Düsennadel (62) an einer zweiten Dichtfläche (80) in einer Schließposition anliegt und durch eine Längsbewegung in einer Öffnungsrichtung Einspritzöffnungen (90) aufsteuert, die in der inneren Düsennadel (62) angeordnet sind, wobei das mindestens eine Spritzloch (48) und die Einspritzöffnungen (90) in aufgesteuertem Zustand der Düsennadeln (40, 62) Kraftstoff in den Brennraum (26) der Brennkraftmaschine einspritzen.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steuerraum (56)in axialer Richtung zum Einen von dem Gehäuse (36) und zum Anderen von einer Stirnfläche (60) der äußeren Düsennadel (40) begrenzt wird.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steuerraum (56) in radialer Richtung von einer die äußere Düsennadel (40) dichtend umgebenden ersten Hülse (54) begrenzt wird, und dass die erste Hülse (54) durch eine erste Spannfeder (42), welche sich einenends gegen die äußere Düsennadel (40) und anderenends gegen die erste Hülse (54) abstützt, gegen das Gehäuse (36) gepresst wird.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Steuerraum (100) in axialer Richtung zum Einen von dem Gehäuse (36) und zum Anderen von einem Absatz (98) der äußeren Düsennadel (40) begrenzt wird.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Steuerraum (100) in radialer Richtung von einer die innere Düsennadel (62) dichtend umgebenden zweiten Hülse (102) begrenzt wird, und dass die zweite Hülse (102) durch eine zweite Spannfeder (104), welche sich einenends gegen die innere Düsennadel (62) und anderenends gegen die zweite Hülse (102) abstützt, gegen das Gehäuse (36) gepresst wird.