Kraftausgeglichenes Steuerventil am Steuerraum eines Kraftstoffinjektors Technisches Gebiet Bei Einspritzsystemen zur Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume direkt einsprit- zender Verbrennungskraftmaschinen wird die Freigabe bzw. das Verschließen eines Dü- senzulaufes zur Einspritzdüse durch einen in ein Gehäuse bewegbares, elektrisch ansteuer- bares Steuerelement herbeigeführt. Durch ein oberhalb des Steuerelementes im Gehäuse vorgesehenen Steuerraum wird die Bewegung des Steuerelementes ausgelöst. Der Steuer- raum steht einerseits über eine Zulaufdrossel ständig mit der Hochdruckquelle, beispiels- weise einem Hochdrucksammelraum (Common Rail) in Verbindung, so daß stets ein aus- reichendes Kraftstoffvolumen im Steuerraum vorliegt. Der Steuerraum ist andererseits über ein ansteuerbares Absteuerelement druckentlastbar, so daß durch seine Druckentlastung ein Einfahren des Steuerelementes in diesen möglich und die Verbindung des Düsenzulaufs der Einspritzdüse mit dem Zulauf vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) herstellbar ist.

Stand der Technik DE 196 24 001 AI bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftma- schinen. Es wird eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen vorgeschla- gen, bei dem ein Kraftstoffeinspritzventil einen von einem Einspritzventilglied betätigen- den Stößel aufweist, der einen Steuerraum begrenzt. Dieser wird ständig über eine Drossel vom Kraftstoffhochdruck versorgt und kann über ein Steuerventil und einen Abflußkanal entlastet werden. Das Steuerventil weist dazu ein Ventilglied auf, daß von einem Pie- zosteller derart betätigt wird, daß das Ventilglied beim Öffnen des Abflußkanales zum Steuerraum hin bewegt wird. In Schließstellung wird das Ventilglied durch den Druck im Steuerraum in Schließrichtung beaufschlagt.

Aus DE 197 27 896 Al ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt geworden. Dieses weist einen nach innen, entgegen der Kraftstoffaustrittsrichtung öffnendes Ventilglied auf, daß eine eine Einspritzöffnung steuernde Dichtfläche umfaßt. An diese schließt sich stromauf- wärts ein Druckraum an, der ständig mit einer Kraftstoffhochdruckquelle verbunden ist und von einer Druckschulter am Ventilglied begrenzt ist. Diese ist durch den Druck im Druck- raum entgegen einer Schließkraft in Öffnungsrichtung beaufschlagt. Ferner ist eine Druck-

fläche, die zur Betätigung des Ventilgliedes in Schließrichtung entgegen aufgebrachten Öffnungskräften dient, vorgesehen. Diese Druckfläche ist einem zwischen einem Arbeits- druck oder einem Entlastungsdruck veränderbaren Steuerdruck in einem Steuerdruckraum ausgesetzt, wobei bei einem dort eingestellten Entlastungsdruck die Öffnungskräfte am Ventilglied überwiegen. Es ist ferner ein auf das Ventilglied wirkende Ausgleichsdruckflä- che vorgesehen, die einen hydraulischen Raum einerseits begrenzt, der andererseits von einer ersten Kolbenfläche eines Kolbens begrenzt ist. Der Kolben hat eine der ersten Kol- benfläche abgewandte zweite Kolbenfläche, die von einem Referenzdruck, vorzugsweise einem konstanten Druck in Schließrichtung des Ventilgliedes beaufschlagt ist.

Vorteile der Erfindung Mit dem erfindungsgemäß ausgeführten, einem Steuerraum eines Injektors zum Einsprit- zen von Kraftstoff zugeordneten Steuerventil läßt sich das Kraftniveau, auf welchem das den Steuerraumdruck entlastende Steuerventil betätigbar ist, drastisch absenken. Dadurch wiederum lassen sich zur Druckentlastung eines Steuerraums in einem Hochdruckinjektor sehr schnelle, extrem klein bauende und schnellschaltende Magnetventile einsetzen. Wäh- rend bei bisherigen Ansteuerungselementen zur Druckentlastung des Steuerraumes Kräfte in der Größenordnung von 1200 bis 2000 N aufzubringen waren, sind beim Einsatz des erfindungsgemäß ausgebildeten Steuerventiles zur Entlastung des Steuerraumes Kräfte im Bereich von maximal 100 N notwendig, die von kleinen, schnell schaltenden Magnetven- tilen aufgebracht werden können.

Die Kraftausgeglichenheit des Steuerkolbens läßt sich durch Anordnen eines Ausgleichs- raumes oberhalb des Steuerkolbens erzielen. An der oberen Stirnfläche liegt ein als Ma- gnetanker dienendes Druckelement an und durchsetzt dabei den oberhalb des Steuerkol- bens vorgesehenen Ausgleichsraum. Das Quadrat des Durchmessers im Führungsbereich des Steuerkolbens entspricht der Differenz zwischen den Quadraten des Steuerkolben- durchmessers und des Magnetankerzapfendurchmessers. Dadurch wird die Kraftausgegli- chenheit des Steuerkolbens herbeigeführt, was geringste Stellkräfte bei der Betätigung des den Steuerraum druckentlastenden Steuerventiles zuläßt. Der Druckausgleich zwischen druckentlastbarem Steuerraum zur Bewegung eines Ventilkörpers innerhalb eines Kraft- stoffinjektors und dem Ausgleichsraum erfolgt in einfacher Weise über eine sich durch den Steuerkolben erstreckende Ausgleichsbohrung.

Von dieser kann in die kompakte Bauweise des Steuerventiles begünstigender Weise eine Ablaufdrossel abzweigen, die als Bohrung in den Steuerkolben integriert werden kann.

Neben einer kompakt bauenden Form des erfindungsgemäß konfigurierten Steuerventiles läßt sich auch eine gestreckte Bauform des Steuerventiles oberhalb eines druckentlastbaren Steuerraumes realisieren. Steht mehr Bauraum zur Verfügung läßt sich die Ablaufdrossel aus dem Steuerkolben unmittelbar in das Gehäuse oberhalb des druckentlastbaren Steuer- raumes integrieren, was die Fertigungskosten günstig beeinflußt.

Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.

Es zeigt : Figur 1 Ein einem Steuerraum eines Ventilkolbens des Injektors zugeordnetes Steuerventil in kompakter Bauform.

Figur 2 ein einem Steuerraum eines Ventilkolben des Injektors zugeordnetes Steuerventil in gestreckter Bauform.

Ausführungsvarianten Der Darstellung gemäß Figur 1 ist ein einen Steuerraum eines Ventilkolbens eines Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine zugeord- netes Steuerventil in kompakter Bauform entnehmbar.

Das Gehäuse eines Injektors zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine ist entlang einer Trennfuge 2 in ein erstes Gehäuseteil 1 und ein an diesem anliegendes zweites Gehäuseteil 23 geteilt. Im er- sten Gehäuseteil 1 ist ein Steuerelement 3 aufgenommen. Das Steuerelement 3 gemäß der Darstellung in Figur 1 kann insbesondere als schnell schaltendes Magnetventil beschaffen sein. Dazu ist in das erste Gehäuseteil 1 eine Magnetspule 5 integriert, welche einen hül- senartigen Einsatz 4 umgibt. Der hülsenartige Einsatz 4 seinerseits umschließt ein Fe- derelement 6, und bildet durch eine Umlaufkante eine Anschlagfläche für das umschlosse- ne Federelment 6. Am gegenüberliegenden Ende des Federelementes 6 liegt diese auf ei- nem tellerförmig ausgebildeten Magnetanker 7 an. Der Magnetanker 7 ist im ersten Gehäu- seteil 1 innerhalb eines Hohlraumes in vertikale Richtung bewegbar. Am Magnetanker 7 ist ein in einem ersten Durchmesser 8 (dl) ausgeführter Zapfen angebracht, der über die Trennfuge 2 zwischen erstem Gehäuseteil 1 und zweitem Gehäuseteil 23 hinausragt.

Im an der Trennfuge mit dem ersten Gehäuseteil 1 in Verbindung stehenden zweiten Ge- häuseteil 23 ist oberhalb eines Steuerventiles 12 ein Ausgleichsraum 10 vorgesehen. Der Ausgleichsraum 10 ist einerseits durch eine Wandung des ersten Gehäuseteiles 1 begrenzt und andererseits von einer Stirnseite eines Steuerkolbens 14 des Steuerventiles 12. In den Ausgleichsraum 10 oberhalb des Steuerkolbens 14 ragt der Zapfen des Magnetankers 7 hinein, wobei der Zapfen in einem ersten Durchmesser dr ausgebildet ist. Der von einer Bohrung 13 im zweiten Gehäuseteil 23 umschlossene Steuerkolben 14 ist im zweiten Durchmesser 15 (d2) ausgeführt. Der Steuerkolben 14 des Steuerventiles 12 ist gemäß der Darstellung in Figur 1 von einer Ausgleichsbohrung 16 durchzogen, von der aus Gründen der Platz-und Bauraumersparnis eine Ablaufdrossel 22 als schrägliegende Bohrung ab- zweigt. Über die Ausgleichsbohrung 16 sind der Ausgleichsraum 10 oberhalb des Steuer- kolbens 14 und ein druckentlastbarer Steuerraum 24 miteinander verbunden.

Der Steuerkolben 14 des Steuerventiles 12 ist etwa mittig von einem Ringraum 17 umge- ben, von dem an einer Mündung 18 eine Leckölbohrung 11 abzweigt. Die Leckölbohrung 11 verläuft bis zur Trennfuge 2 durch das zweite Gehäuseteil 23 und im ersten Gehäuseteil 1 bis in den Bereich des Hohlraumes, welcher den tellerförmig konfigurierten Magnetanker 7 umgibt. Im unteren Bereich des den Steuerkolben 14 umschließenden Ringraumes 17 ist im zweiten Gehäuseteil 23 ein gehäuseseitiger Sitz ausgebildet, welcher durch einen am Steuerkolben 14 ausgebildeten Sitzdurchmesser 32 verschließbar ist. An den Sitzdurch- messer 32 schließt sich am Steuerkolben 14 eine Einschnürstelle 19 an, in der der Steuer- kolben 14 eine Durchmesserverjüngung aufweist. Innerhalb der Einschnürstelle 19 mündet die von der Ausgleichsbohrung 16 abzweigende Ablaufdrossel 22.

Mit einem sich an die Einschnürstelle 19 anschließenden Führungsabschnitt 20 ist der Steuerkolben 14 des Steuerventiles 12 im zweiten Gehäuseteil 23 geführt. Der Führungsab- schnitt 20 ist in einem dritten Durchmesser 21 (d3) ausgeführt. Zur Erzielung der Kraftaus- geglichenheit des Steuerkolbens 14 des Steuerventiles 12 muß die nachfolgend wiederge- gebene Beziehung erfüllt sein : d32 = d22 dl2 Da, bedingt durch die Ausgleichsbohrung 16, welche den Steuerkolben 14 durchzieht, im Ausgleichsraum 10 und im druckentlastbaren Steuerraum 24 der gleiche Druck herrscht, kann durch diese Durchmesserauslegung eine Kraftausgeglichenheit des Steuerkolbens 14 des Steuerventiles 12 erzielt werden, so daß durch das Steuerelement 3 geringste Stellkräfte zur Verfügung zu stellen sind, die eine Betätigung, d. h. eine Druckentlastung des Steuer- raumes 24 zulassen.

Der druckentlastbare Steuerraum 24 wird über eine im zweiten Gehäuseteil 23 vorgesehene Zulaufdrossel 28 stets mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Die Zu- laufdrossel 28 ist zwischen dem druckentlastbaren Steuerraum 24 und einem Zulauf 30 vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) vorgesehen. Über den Zulauf 30 vom Hoch- drucksammelraum (Common Rail) steht ebenfalls unter Hochdruck stehender Kraftstoff an einem hier nicht dargestellten Ventilraum des Injektors an. Der druckentlastbare Steuer- raum 24 wird einerseits durch eine Wandung des zweiten Gehäuseteiles 23 begrenzt sowie durch Steuerraumseitenwände 27 im zweiten Gehäuseteil 23. Ferner ragt in den druckent- lastbaren Steuerraum 24 eine Stirnfläche 25 eines Ventilkolbens 26 hinein, dessen Verti- kalbewegung eine Verbindung zwischen einem hier nicht dargestellten Düsenraum, der eine Düsennadel des Injektors umgibt und den Zulauf 30 vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) entweder freigibt oder verschließt.

An der oberen Begrenzungswandung des druckentlastbaren Steuerraumes 24 im zweiten Gehäuseteil 23 ist ein hydraulischer Hubanschlag 31 ausgebildet, an welchen bei maxima- ler Druckentlastung des Steuerraumes 24 durch Aufsteuerung des Steuerventiles 12 die Stirnfläche 25 des Ventilkolbens 26 anschlägt. Über die Ausgleichsbohrung 16, welche den Steuerkolben 14 des Steuerventiles 12 durchsetzt, steht der im druckentlastbaren Steuer- raum 24 anstehende Hochdruck auch im Ausgleichsraum 10 oberhalb des Steuerkolbens 14 an, so daß sich durch die Auslegung der Durchmesser gemäß der oben stehenden Bezie- hung eine Kraftausgeglichenheit am Steuerkolben 14 des Steuerventiles 12 einstellt. Waren bisher die Betätigungskräfte zur Druckentlastung des druckentlastbaren Steuerraumes 24 im Bereich zwischen 1200 und 2000 N notwendig, reduzieren sich diese bei einer Konfigu- ration des den druckentlastbaren Steuerraum 24 entlastenden Steuerventiles 12 auf Kräfte in der Größenordnung von ca. 100 N.

Die extrem kompakt bauende Form 33 eines den druckentlastbaren Steuerraum 24 entla- stenden Steuerventiles 12 ist einerseits durch eine Integration eines Federelementes 6 in ein Steuerelement 3 ermöglicht und andererseits durch eine Integration des das Abströmen des Steuerraumvolumens im druckentlastbaren Steuerraum 24 kontrollierenden Ablaufdrosse- lelementes 22 in den Steuerkolben 14 des Steuerventils 12. Der Umstand, daß der mittels des Steuerelements 3 betätigbare Steuerkolben 14 des Steuerventiles 12 kraftausgeglichen ist, erlaubt ferner den Einsatz eines relativ klein bauenden Federelementes 6, da zur Betäti- gung des kraftausgeglichen gestalteten Steuerkolbens 14 des Steuerventiles 12 lediglich geringe Kräfte erforderlich sind.

Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht ein einen Steuerraum eines Ventilkolbens eines Injektors zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff druckentlastendes Steuerventil in gestreckter Bauform näher hervor.

Die Ausführungsvariante, die in der Darstellung gemäß Figur 2 wiedergegeben ist, unter- scheidet sich von der in Figur 1 wiedergegebenen Ausführungsvariante dadurch, daß der tellerförmig konfigurierte Magnetanker 7 mittels eines die Magnetspule 5 stempelartig durchsetzenden Elementes erfolgt, dessen Tellerfläche seinerseits über ein Federelement 6 beaufschlagt wird. Im Unterschied zur Darstellung gemäß Figur 1 ist das Federelement 6 gemäß der Ausführungsvariante in Figur 2 nicht in die Magnetspule 5 des Steuerelementes 3 integriert. Dadurch ergibt sich eine höher bauende, gestreckte Bauform 34 des einen druckentlastbaren Steuerraum 24 betätigenden Steuerventiles 12.

Bei der Ausführungsvariante des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens gemäß Fi- gur 2 ist ferner die die Durchflußbegrenzung des Steuerventiles 12 steuernde Ablaufdrossel 22 nicht als schräg verlaufende Bohrung-von der Ausgleichsbohrung 16 des Steuerkol- bens 14 abzweigende Bohrung in den Steuerkolben integriert, sondern gehäusefest ausge- führt. Die Ablaufdrossel 22 liegt vielmehr oberhalb des hydraulischen Hubanschlages 31, der auch hier an der oberen Steuerraumbegrenzungswand innerhalb des zweiten Gehäuse- teils 23 ausgebildeten ist.

Auch gemäß dieser Ausführungsvariante wird der druckentlastbare Steuerraum 24 durch einen Zulauf 30 vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) mit einem unter hohem Druck stehenden Kraftstoffvolumen beaufschlagt, wobei zwischen einer seitlichen Steuer- raumbegrenzungswand 27 und dem Zulauf 30 vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) eine Zulaufdrossel 28 aufgenommen ist. Ferner zweigt vom Zulauf 30 vom Hoch- drucksammelraum (Common Rail) ein Düsenzulauf 29, ab über welchen ein hier nicht dar- gestellter gehäuseseitiger Ventilraum mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoffvolumen beaufschlagt wird, der durch das hier gemäß der Darstellung in Figur 2 nicht vollständig wiedergegebene Ventilkolbenelement 26 freigebbar bzw. verschließbar ist.

Neben der einen hydraulischen Hubanschlag 31 aufweisenden, im Gehäuse des Injektors im wesentlichen horizontal orientierten Wand sowie den im zweiten Gehäuseteil 23 vorge- sehenen Steuerraumseitenwänden 27 ist der mittels des Steuerventiles 12 druckentlastbare Steuerram 24 von einer Stirnfläche 25 des Ventilkolbens 26 begrenzt. Die Druckentlastung des Steuerraumes 24 mittels des Steuerventiles 12 bewirkt eine Abnahme des Druckes in diesem, wodurch der Ventilkolben 26 nach oben in Richtung auf den hydraulischen Hu- banschlag 31 hinzufährt und den Zulauf 30 vom Hochdrucksammelraum (Common Rail)

mit einem hier nicht dargestellten Düsenraum verbindet, der eine im Injektorgehäuse be- wegbare Düsennadel umschließt.

Im Unterschied zur Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung gemäß Figur 1 ist am Steuerkolben 14 unterhalb der der Ablaufdrossel 22 zuweisenden Stirnseite kein Füh- rungsabschnitt 20 ausgebildet, sondern dort befindet sich ein Hohlraum über den das durch die Ablaufdrossel 22 aus dem druckentlastbaren Steuerraum 24 austretende Kraftstoffvo- lumen einströmt und über die Ausgleichsbohrung 16 in den hydraulischen Ausgleichsraum 10 einströmt. Die Durchmesserverhältnisse der Durchmesser 8 des Sitzdurchmessers 32 sowie des Durchmessers 15 des Steuerkolbens 14 sind identisch mit den gemäß der Aus- führungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung nach Figur l. Daher ist auch der Steuer- kolben 14 des Steuerventiles 12 gemäß der in Figur 2 wiedergegebenen Ausführungsvari- ante kraftausgeglichen, so daß über das Steuerelement 3 ebenfalls lediglich kleine Betäti- gungskräfte in der Größenordnung von ca. 100 N aufzubringen sind, um den kraftausgegli- chenen Steuerkolben 14 des Steuerventiles 12 oberhalb der Ablaufdrossel 22 zu betätigen.

Über die Dimensionierung der Ablaufdrossel 22 wird das aus dem Druck entlastbaren Steuerraum 24 abströmende Steuerraumvolumen seiner Durchflußmenge begrenzt. Beim Aufsteuern des Steuerkolbens 14 des Steuerventiles 12 gelangt lediglich eine durch die Ablaufdrossel 22 begrenzte Durchflußmenge bei geöffnetem Steuerkolben 14 durch den diesen umgebenden Ringraum 17 in die dort mündende Leckölbohrung 11.

Mit den Ausführungsvarianten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung nach den Figuren 1 und 2 steht zur Druckentlastung eines druckentlastbaren Steuerraumes 24 in ei- nem Kraftstoff einspritzenden Injektor ein Steuerventil 12 zur Verfügung, dessen Steuer- kolben 14 druckausgeglichen ist. Das macht den Einsatz schnell schaltender kleiner Ma- gnetventile möglich, da lediglich Stellkräfte in der Größenordnung von 100 N aufzubrin- gen sind. Bisherige Druckentlastungsorgane von Steuerräumen an Hochdrucksammelraum- Injektoren benötigten zur Betätigung jeweils Betätigungskräfte in der Größenordnung zwi- schen 1200 N und 2000 N.