Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein bekannter CR-Injektor mit KVD-Düse der Anmelderin wird über ein 2/3- Wege-Ventil und eine Ablaufsteuerung gesteuert. Die KVD -Düse (KVD = Koaxial- Vario-Düse) hat eine so genannte erste Ventilnadel oder äußere Ventilnadel, die im wesentlichen die Form eines kreiszylindrischen Hohlzylinders hat und koaxial eine so genannte zweite Ventilnadel oder innere Ventilnadel umgibt, die im wesentlichen bolzenförmig ist und mit ihrem im wesentlichen kegelförmigen unteren Endbereich Einspritzöffnungen für in einen Verbrennungsmotor einzuspritzenden Kraftstoff öffnet beziehungsweise verschließt. Die äußere Ventilnadel dient zur Steuerung des an die innere Ventilnadel gelangenden Drucks des Kraftstoffs. Die zylindrische Außenfläche der inneren Ventilnadel und die zylindrische Innenfläche der äußeren Ventilnadel berühren sich. Die oberen Endflächen der beiden Ventilnadeln bilden Kolbenflächen, die in eine gemeinsame Steuerkammer eingreifen. Die Steuerkammer wird vom CR- Druck her gefüllt (CR-Druck = Common-Rail-Druck). Bei hohem Druck in der Steuerkammer sind die beiden Ventilnadeln in ihrer unteren Endstellung und geschlossen. Wenn der Druck in der Steuerkammer abnimmt, so bewegt sich auf Grund des Flächenverhältnisses der Kolbenflächen der Ventilnadeln in der Steuerkammer und der Flächen der Druckstufen am jeweiligen unteren Ende (unter Berücksichtigung etwa vorhandener, auf die Ventilnadeln wirkender Federn) die äußere Ventilnadel zuerst nach oben und gibt den Druck des Kraftstoffs frei, der somit zu diesem Zeitpunkt zunächst noch von einer Dichtkante der inneren Ventilnadel aufgenommen wird, so dass zunächst noch keine Einspritzung erfolgt. Wenn der Druck in der Steuerkammer weiter abnimmt, so öffnet sich die innere Ventilnadel. Die Steuerung des Drucks in der Steuerkammer erfolgt durch ein Steuerventil, das den Druck in der Steuerkammer durch Ablassen von Kraftstoff über eine Abflussdrossel (A-Drossel) steuert. Das Steuerventil ist bei der bekannten Anordnung ein 2/3-Wege-Ventil.

Bei der bekannten Anordnung wird eine Mehrfachansteuerung für die Eiπspritzvorrichtuπg benötigt, um zu verhindern, dass bei einer längeren Aπsteuerdauer für eine einzige Zylinderfüllung die innere Ventilnadel zu unerwünschten Zeiten öffnet. Mit der Mehrfachansteuerung wird das Druckniveau in der Steuerkammer künstlich hoch gehalten, so dass die Ventilnadel nicht öffnet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gestattet es durch die Verwendung eines 3/3-Wege-Ventils und einer Reihenschaltung von Drosseln, die zwei Ventilnadeln gestuft mit einer einzigen Ansteuerung zu öffnen.

Die Ausführungsform nach Anspruch 2 hat eine einfache zuverlässige Konstruktion.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung, und Fig. 2 eine Abwandlung des Steuerventils von Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 ist nicht maßstäblich. Insbesondere können die Außendurchmesser der beiden Ventilnadeln in der Praxis relativ zueinander andere Größen haben. Die in Fig. 1 gezeigte Einspritzvorrichtung 1 wird im Betrieb von einem Hochdruckspeicher (Common Rail) 3 über eine Hochdruckleitung 5 mit Kraftstoff unter hohem Druck versorgt. Die Einspritzvorrichtung 1 weist ein Einspritzventil 8 auf. Dieses enthält in einem Gehäuse 9 einen mit der Hochdruckleitung 10 verbundenen ringförmigen Raum 10, und radial innerhalb von diesem eine so genannte äußere Ventilnadel 11 (auch erste Ventilnadel genannt), die im wesentlichen als Hohlzylinder mit rundem Querschnitt ausgebildet ist. In ihrem unteren (d. h. den Einspritzöffnungen 12 zugewandten) Bereich ist die äußere Ventilnadel 11 zunächst bei 14 relativ steil kegelstumpfförmig verjüngt und geht bei einem eine Dichtkante 15 bildenden Knick in einen schwächer geneigten kegelförmigen Abschnitt.16 über. Der Abschnitt 14 bildet bei geschlossener äußerer Ventilnadel 11 eine Druckstufe. Eine innere Ventilnadel 20 ist großenteils als runder Vollzylinder ausgebildet und in ihrem unteren Endbereich zunächst bei 22 steiler kegelstumpfförmig verjüngt und schließlich bei 24 mit schwächerer Neigung kegelförmig verjüngt. Der Übergang zwischen den verjüngten Teil 22 und 24 bildet eine Dichtkante 26, mit der die innere Ventilnadel 20 in geschlossenen Zustand an einer gegenüberliegenden Fläche des Gehäuses 9 dichtend anliegt.

Das Gehäuse 9 ist von einer Kanalplatte 30 abgedeckt, in der verschiedene Kanäle untergebracht sind. An der Außenfläche der äußeren Ventilnadel 11 ist eine Hülse 32 verschiebbar geführt, die durch eine an der äußeren Ventilnadel 11 abgestützte Druckfeder 33 nach oben vorgespannt ist und an der Unterseite der Kanalplatte 30 mit einer scharfen Kante (Beißkante) dichtend anliegt. Der Raum, der von der Hülse 32 umschlossen ist und mit der Unterseite 34 der Kanalplatte 30 in Verbindung steht, bildet eine Steuerkammer 35. Diese wird von der Hochdruckleitung 5 her gefüllt und durch ein Steuerventil 40 von Druck entlastet. Dieses wird mittels eines Aktors 38 über eine Schubstange 39 betätigt. Der Kraftstoff in der Hochdruckleitung 5 ist bei geöffneter äußerer Ventilnadel 11 und geschlossener innerer Ventilnadel 20 mit der Dichtkante 26 in Verbindung. Ist die äußere Ventilπadel 1 1 geschlossen, so gelang der Kraftstoff unter hohem Druck aus der Leitung 5 nur bis zur Dichtkante 15.

Der Öffnungsdruck der inneren Ventilnadel 20 liegt deutlich unter dem Öffnungsdruck der äußeren Ventilnadel 11. Durch die Verhältnisse der Querschnittsflächen der äußeren Ventilnadel 11 und der inneren Ventilnadel 20 sowie der Druckstufen 14 und 22 ist dafür gesorgt, dass die äußere Ventilnadel 1 1 sich bei einer relativ kleinen Druckdifferenz zwischen den Drücken an ihrem unteren Endbereich und in der Steuerkammer 35 nach oben bewegt. Wird der Druck in der Steuerkammer 35 noch weiter abgesenkt, so bewegt sich die innere Ventilnadel 20 nach oben und gibt den Weg für den Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen 12 frei. Bei der gezeigten Konstruktion nehmen die Ventilnadeln stets eine der zwei möglichen Endstellungen ein.

Das Steuerventil 40 enthält ein bewegliches Ventilelement 42, das einen Ventilteller 43 und einen mit diesem fest verbundenen Ventilschaft 44 aufweist. Das Ventilteil 42 ist durch eine Feder 46 in Richtung auf einen ersten Ventilsitz 47 vorgespannt. An dem Ventilsitz 47 liegt der Ventilteller 42 dann dichtend an, wenn der Aktor 38 nicht bestromt ist. Der Aktor 38 ist im Beispiel ein Piezoaktor, der nur im bestromten, Zustand auf die Schubstange 39 eine nach unten gerichtete Kraft ausübt. Bei stromlosem Aktor 38 ist wegen der soeben geschilderten Anlage am Ventilsitz 47 der Weg für Kraftstoff aus einem Innenraum 50 des Steuerventils 40 zu einem ersten Anschluss 51 des Steuerventils 40 versperrt. Vom ersten Aπschluss 51 führt ein gedrosselter Abflusskanal 52 zu einem Leckageanschluss 53, allgemein zu einem Bereich niedrigen Drucks.

Der Ventilschaft 44 enthält eine in ihm verlaufende Bohrung, die von einer ebenen Unterseite 54 des Ventilschafts zur zylindrischen Seitenwand des Ventilschafts verläuft und in der eine Drossel 55 (A2-Drossel, Abflussdrossel) angeordnet ist. Wenn der Ventilschaft 44 nicht an der Unterseite 56 des Innenraums 50 anliegt, ist die Drossel 55 wirkungslos, da dann ihre beiden Enden mit dem Innenraum 50 unmittelbar verbunden sind.

Zusätzlich weist das Steuerventil 40 an seiner Unterseite einen zweiten Aπschluss 65 auf, der über eine Drossel 66 (Abflussdrossel, A-Drossel) und einen im Inneren der Kanalplatte 30 angeordneten Kanal 67 mit der Steuerkammer 35 verbunden ist. Der Querschnitt der Drossel 55 ist im Beispiel kleiner als jener der Drossel 66.

Die Wirkungsweise ist wie folgt: Das Steuerventil 40 wird über den Aktor 38 angesteuert. Mit dem Steuerventil sollen die zwei Ventilnadeln 11 und 20 der Einspritzvorrichtung gesteuert werden. Bei geschlossenen Ventilnadeln herrscht in der Steuerkammer 35 CR-Druck (Hochdruck, Common-Rail-Druck). Es wird nämlich bei gesperrtem Steuerventil (Ventilteller 43 abdichtend am Ventilsitz 47) von der Hochdruckleitung 5 über eine in der Kanalplatte 30 enthaltene Drossel 61 Kraftstoff in die Steuerkammer 35 geführt. Zum Steuern der Ventilnadeln in Öffnungsrichtung muss in der Steuerkammer 35 der CR-Druck so weit abgesenkt werden, dass die Ventilnadeln mit ihrer jeweiligen Druckstufe 14 bzw. 22 öffnen. Die Druckstufen sind so ausgelegt, dass die äußere Ventilnadel 11 mit einer kleineren Druckdifferenz öffnet als die innere Ventilnadel 20.

Soll der Druck in der Steuerkammer 35 nur so weit abgesenkt werden, dass die äußere Ventilnadel 11 öffnet, so wird durch entsprechende Ansteuerung mittels des Aktors 38 der Ventilschaft 44 zum Anschlag mit der Unterseite 56 des Innenraums 50 gebracht und nun ist die Steuerkammer 35 mit dem Anschluss 51 des Steuerventils 40 über die in Serie geschalteten zwei A-Drosseln 66, 55 in Verbindung. Daher sinkt der Druck in der Steuerkammer 35 nun auf einen Wert ab, der dem CR-Druck multipliziert mit dem Verhältnis des Widerstands der Drossel 61 zum Widerstand der Serienschaltung der Drosseln 66 und 55 etwa gleich ist. (Der Strömungswiderstand des Abflusskanals 52 wäre noch zu berücksichtigen.)

Soll auch die äußere Ventilnadel 20 geöffnet werden, so wird das Ventilteil 42 des Steuerventils in eine Mittelstellung gebracht, in der weder der Ventilteller 43 am Sitz 47 noch die Unterseite 54 des Ventilschafts 44 an der Unterseite 56 des Innenraums 50 anliegt. Auf diese Weise ist neben der unverändert wirksamen Z- Drossel 61 nur die A-Drossel 66 wirksam, und der Druck in der Steuerkammer 35 ist gegenüber dem CR-Druck wegen des nun kleineren Abflusswiderstands stärker abgesenkt, so, dass die innere Ventilnadel 20 öffnet. Durch den ersten Anschluss 51 fließt im Beispiel Kraftstoff gedrosselt ab; der Druck im Inπenraum 50 kann nicht auf Leckagedruck absinken. Die Anordnung wäre auch bei praktisch widerstandslosem Abflusskanal 52 gut funktionsfähig; eine andere Ausführungsform der Erfindung hat daher einen Abflusskanal ohne merkliche Drosselwirkung.

Zum Schließen beider Ventilnadeln wird das Ventil 42 nach oben geschlossen, wo es am Ventilsitz 47 schließt.

Anstatt des in Figur 1 gezeigten Steuerventils mit 2 Ventilsitzen (Sitzventil) kann auch jede geeignete andere Konstruktion vorgesehen werden.

Beispielsweise zeigt Figur 2 ein modifiziertes Steuerventil 140. Mit Fig. 1 ähnliche Komponenten haben ein um 100 höheres Bezugszeichen. Das Steuerventil 140 unterscheidet sich von dem Steuerventil 40 im Wesentlichen dadurch, dass der Ventilschaft 144 in seinem unteren Bereich durch eine von einer Druckfeder 146 nach unten vorgespannte Dichthülse 177 seitlich abgedichtet wird, und dass zwischen dem Anschluss 160 und dem Innenraum 150 des Ventils 140 bei bestimmten Ventilstellungen eine nicht gedrosselte Verbindung besteht. Diese ist durch eine in Längsrichtung über einen Teil der Zylinderwand des Ventilschafts 144 verlaufende Längsnut 180 gebildet. Die Verbindung ist wirksam, wenn sich das Ventil in der geschlossenen Stellung (Ventilteller 143 in Anschlag an dem Ventilsitz 147 befindet, und auch wenn der Ventilteller gegenüber dieser Stellung etwas abgesenkt worden ist. Wird der Ventilteller 143 noch weiter abgesenkt, so wird die Längsπut 180 in ihrem oberen Bereich durch die Dichthülse 177 verschlossen und dadurch wird die Drossel 155 in den Weg des Kraftstoffs vom Anschluss 160 zum Leckageanschluss 153 eingeschaltet.

Somit kann mit der beschriebenen Einspritzvorrichtung ohne Mehrfachansteuerung, das heißt mit einer einzigen konstanten Ansteuerung eines als 3/3-Wege-Ventils ausgebildeten Steuerventils die äußere Ventilnadel 11 geöffnet werden, bei einer anderen Ansteuerung zusätzlich die innere Ventilnadel 20. Mit der Erfindung kann daher ein KVD-Ventil ohne Mehrfachansteuerung gesteuert werden. Bei den Teilen der Einspritzvorrichtung, die sich unterhalb der Kanalplatte 30 befinden, handelt es sich im Wesentlichen um von dem eingangs genannten KVD- Ventil bekannte Elemente.