Zum besseren Verständnis der Beschreibung und der Patentansprüche werden nachfolgend einige Begriffe eriäutert : Die Kraftstoffeinspritzung gemäß der Erfindung kann sowohl hubgesteuert ais auch druckgesteuert durchgeführt werden. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer hubaesteuerten Kraftstoffeinspritzung verstanden, daß das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung mit Hilfe eines verschieblichen Ventilglieds aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsenraum und in einem Steuerraum erfolgt. Eine Druckabsenkung innerhalb ces Steuerraums bewirkt einen Hub

des Ventilglieds. Alternativ kann das Ausienken des Ventilgiieds durch ein Steligiied (Aktor, Aktuator) erfolgen. Bei einer druckaesteuerten Kraftstoffeinspritzung gemäß der Erfindung wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck das Ventilglied gegen die Wirkung einer Schließkraft (Feder) bewegt, so daß die Einspritzöffnung für eine Einspritzung des Kraftstoffs aus dem Düsenraum in den Zylinder freigegeben wird. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet, während unter einem Svstemdruck der Druck verstanden wird, unter dem Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Verfügung steht bzw. bevorratet ist. Kraftstoffzumessuna bedeutet, eine definierte Kraftstoffmenge zur Einspritzung bereitzustellen. Unter Leckaqe ist eine Menge an Kraftstoff zu verstehen, die beim Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung entsteht (z. B. eine Führungsleckage), nicht zur Einspritzung verwendet und zum Kraftstofftank zurückgefördert wird. Das Druckniveau dieser Leckage kann einen Standdruck aufweisen, wobei der Kraftstoff anschließend auf das Druckniveau des Kraftstofftanks entspannt wird.

Eine hubgesteuerte Einspritzung ist beispielsweise durch die DE 196 19 523 A1 bekanntgeworden. Der erreichbare Einspritzdruck ist hier durch den Druckspeicherraum (rail) und die Hochdruckpumpe auf ca. 1600 bis 1800 bar begrenzt.

Zur Erhöhung des Einspritzdruckes ist eine Druckübersetzungseinheit möglich, wie sie beispielsweise aus der US 5,143,291 oder der US 5,522,545 bekannt ist. Der Nachteii dieser druckübersetzten Systeme liegt in einer mangelnden Flexibilität der Einspritzung und einer schlechten Mengentoleranz bei der Zumessung kleiner Kraftstoffmengen.

Bei einer in der JP 08277762 A beschriebenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind zur Erhöhung der Flexibilität der Einspritzung und der Zumeßgenauigkeit der Voreinspritzung zwei Druckspeicherräume mit unterschiediichen Drücken vorgesehen. Diese beiden Druckspeicherräume erfordern einen hohen Fertigungsaufwand und hohe Herstellungskosten, wobei der maximale Einspritzdruck weiterhin durch die Kraftstoffpumpe und den Druckspeicherraum begrenzt ist.

Vorteile der Erfindung Zur besseren Dosiermögiichkeit der Einspritzung und Durchführung schneller Schaltzeiten wird erfindungsgemäß ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10 vorgeschlagen. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den

Patentansprüchen 2 bis 9 enthalten. Die Vor-und Nacheinspritzung mit einem gegenüber der Haupteinspritzung geringerem Einspritzdruck kann reproduzierbar durchgeführt werden.

Es ist ein hoher Einspritzdruck bei einem geringen Druck im zentralen Druckspeicherraum realisierbar. Die Hochdruckerzeugung des Kraftstoff findet direkt im Bereich der Einspritzung (Zumessung) statt so daß sich der Wirkungsgrad in Folge eines kleineren Hochdruckvolumens erhöht. Die Verwendung von Motoröl zur Ansteuerung der Druckübersetzungseinheit einer Ausführungsform gewährleistet eine erhöhte Sicherheit bei der Durchführung des Verfahrens. Der Einspritzdruck kann bei einer anderen Ausführungsform hydraulisch erzeugt werden, während der mechanisch mittels einer Hochdruckpumpe erzeugte Anteil im Druckspeicherraum gespeichert und nicht zur Einspritzung verwendet wird. Es kommt auf Grund des geringen Drucks zu einer reduzierten Belastung der Hochdruckpumpe, weil diese nur zur Befüllung des Druckspeicherraums nicht aber zur Einspritzung an sich herangezogen wird.

Zeichnung Acht Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine erste hubgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung : Fig. 2 eine zweite hubgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung ; Fig. 3 eine dritte hubgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Verwendung eines separaten Druckfiuids ; Fig. 4 eine vierte hubgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Verwendung einer Druckbegrenzung in der Druckübersetzungseinheit ; Fig. 5 eine erste druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung ; Fig. 6 eine zweite druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung ; Fig. 7 eine dritte druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Verwendung eines separaten Druckfluids ;

Fig. 8 eine vierte druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Verwendung einer Druckbegrenzung in der Druckübersetzungseinheit.

Fig. 9 eine fünfte druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer Vario- Einspritzdüse Beschreibung der Ausführungsbeispiete Bei dem in der Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 fördert eine mengengeregelte Kraftstoffpumpe 2 Kraftstoff 3 aus einem Vorratsbehälter 4 über eine Förderleitung 5 in einen zentralen Druckspeicherraum 6 (Common-Rail). Ausgehend von dem Druckspeicherraum 6 führen mehrere, der Anzahl einzelner Zylinder entsprechende Druckleitungen 7 zu den einzelnen Injektoren 8. Innerhalb jedem der in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Injektoren 8 (Einspritzvorrichtung)-In der Fig. 1 ist lediglich einer der lnjektoren 8 eingezeichnet-ist eine Druckübersetzungseinheit 9 angeordnet. Die Druckleitung 11 kann mit Hilfe einer Ventileinheit 10 zur Druckübersetzungsansteuerung (3/2-Wege-Ventil) entweder an die Druckleitung 7 angeschlossen werden oder mit einer Leckageleitung 12 verbunden werden. In dem Druckspeicherraum 6 kann ein Systemdruck von ca. 200 bar bis 1000 bar gespeichert werden, der mittels der Druckübersetzungseinheit 9 weiter verstärkt wird.

Das Druckmittel 17 kann mit Hilfe der Ventileinheit 10 und der Druckleitung 7 einenends druckbeaufschlagt werden. Ein Differenzraum 17'ist mittels der Leckageieitung 15 druckentlastet, so daß das Druckmittel 17 zur Verringerung des Volumes einer Druckkammer 13 verschoben werden kann. Das Druckmittel 17 wird in Kompressionsrichtung bewegt, so daß in der Druckkammer 13 verdichteter Kraftstoff (erster Einspritzdruck) einem Steuerraum 19 und einem Düsenraum 20 zugeführt werden kann. Ein Rückschlagventil 14 verhindert den Rückfluß komprimierten Kraftstoffs in den Druckspeicherraum 6. Mittels eines geeigneten Flächenverhältnisses in einer Primärkammer 13'und der Druckkammer 13 kann auf diese Weise ein zweiter höherer Druck erzeugt werden. Wird die Primärkammer 13'mit Hilfe der Ventileinheit 10 an die Leckageleitung 12 angeschlossen, so erfolgt die Rückstellung des Druckmittels 17 und die Wiederbefüllung der Druckkammer 13. Aufgrund der Druckverhältnisse in der Druckkammer 13 und der Primärkammer 13'öffnet das Rückschlagventil 14, so daß die Druckkammer 13 unter

Raildruck (Druck des Druckspeicherraums 6) steht und das Druckmittel 17 hydraulisch können eine oder mehrere Federn in den Rumen 13.13'und 17'angeordnet sein.

Durch Drosselung innerhalb eines der Ventile 10 oder 29 kann ein während der Einspritzung variabler Einspritzdruck und somit eine Formung des Einspritzverlaufs durch eine Querschnittssteuerung erreicht werden, wobei der Druck im Steuerraum 19 bei einer Steuerung des Querschnitts des Ventils 29 beeinflußt wird, und somit eine Drosselung des Einspritzdrucks an der Ventiidichtfiäche 22 über das Ventilglied 21 erreicht wird. Zur Realisierung einer kontinuierfichen Querschnittssteuerung sind sowohl Piezoaktoren als auch schnelle Magnetaktoren denkbar. Durch Ausführung mehrstufiger Ventile können statt einer kontinuierlichen Formung des Einspritzdrucks mehrere unterschiedliche Einspritzdruckniveaus während der Einspritzung durch verschiedene Drosselstellungen erzeugt werden.

In einer mit der Druckkammer 13 in Verbindung stehenden Druckleitung 18 baut sich ein Druck auf, der auch im Steuerraum 19 und im Düsenraum 20 ansteht. Die Einspritzung erfolgt über eine Kraftstoff-Zumessung mit Hilfe eines in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren kolbenförmigen Ventilglieds 21 mit einer konischen Ventildichtfläche 22 an seinem einen Ende, mit der es mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse der Injektoreinheit 8 zusammenwirkt. An der Ventilsitzfläche des tnjektorgehäuses sind Einspritzöffnungen vorgesehen. Innerhalb des Düsenraums 20 ist eine in Öffnungsrichtung des Ventilglieds 21 weisende Druckflache dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, der über die Druckleitung 18 dem Düsenraum 20 zugeführt wird. Koaxial zu einer Ventilfeder 23 greift ferner an dem Ventilglied 21 ein Druckstück 24 an, das mit seiner der Ventildichtfläche 22 abgewandten Stirnseite 25 den Steuerraum 19 begrenzt. Der Steuerraum 19 hat vom Kraftstoffdruckanschluß her einen Zulauf mit einer ersten Drossel 26 und einen Ablauf zu einer Druckentlastungsleitung 27 mit einer zweiten Drossel 28, die durch ein 2/2-Wege- Ventil 29 gesteuert wird.

Der Düsenraum 20 setzt sich über einen Ringspait zwischen dem Ventilglied 21 und der Führungsbohrung bis an die Ventiisitzfiäche des Injektorgehäuses fort. Über den Druck im Steuerraum 19 wird das Druckstück 24 in Schließrichtung druckbeaufschlagt.

Bei Betätigung (Öffnen) des 2/2-Wege-Ventils 29 kann der Druck im Steuerraum 19 abgebaut werden, so daß in der Folge die in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied 21 wirkende Druckkraft im Düsenraum 20 die in Schiießrichtung auf das Ventilglied 20 wirkende Druckkraft übersteigt. Die Ventildichtfiäche 22 hebt von der Ventilsitzfläche ab und Kraftstoff

wird eingespritzt. Dabei läßt sich der Druckentlastungsvorgang des Steuerraums 19 und somit die Hubsteuerung des Ventilalieds 21 über die Dimensionierung der Drossel 26 und der Drosse ! 28 beeinfiussen.

Das Ende der Einspritzung wird durch erneutes Betatigen (Schiießen) des 2/2-Wege-Ventiis 29 eingeleitet, das den Steuerraum 19 wieder von der Druckentlastungsleitung 27 abkoppelt, so daß sich im Steuerraum 19 wieder ein Druck aufbaut, der das Druckstück 24 in Schließrichtung bewegen kann.

Die Ventileinheiten werden von Elektromagneten zum Öffnen oder Schließen bzw.

Umschalten betätigt. Die Elektromagnete werden von einem Steuergerät angesteuert, das verschiedene Betriebsparameter (Motordrehzahl,....) der zu versorgenden Brennkraftmaschine überwachen und verarbeiten kann.

An Stelle der magnetgesteuerten Ventileinheiten können auch Piezostellelemente (Aktuator, Aktor) verwendet werden, die einen notwendigen Temperaturausgleich und evtl. eine erforderXiche Kraft-bzw. Wegübersetzung besitzen.

Nachfolgend werden in der Beschreibung zu den Figuren 2 bis 8 lediglich Unterschiede zur Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Figur 1 behandelt. Identische Bauteile werden nicht näher erläutert.

Aus der Figur 2 ist ersichtlich, daß die Druckübersetzungseinheit 9 bei einer Abänderung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 außerhalb des Injektors 8 und nunmehr im Bereich des Druckspeicherraums 6 angeordnet ist. Die Baugröße des Injektors 8 verringert sich. Das Ventil 10 kann am Druckspeicherraum und die Druckübersetzungseinheit kann am Injektor angeordnet sein.

Bei der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Figur 3 wird der Druckspeicherraum 6 zur Ansteuerung der Druckübersetzungseinheit 9 über die Förderleitung 45 und die Pumpe 42 mit Motoröl oder einem anderen geeigneten Druckfluid 43 aus einem Vorratsbehälter 44 befülit. Die Niederdruckseite 16 des Druckmittels 17 kann entweder über die Druckleitung 47 druckbeaufschlagt werden oder an eine Leckageleitung 48 angeschlossen werden. Die Umschaltung ist durch das 3/2-Wege-Ventil 10 erreichbar.

Die Druckkammer 13 ist über das Rückschlagventil 14 mit Kraftstoff aus einem weiteren Vorratsbehälter befüllbar oder kann mit Hilfe einer Vorförderpumpe-wie dargestellt-mit

einem geringen Vorförderdruck erfolgen. Die Einspritzung erfolgt wie zu Figur 1 beschrieben.

Alternativ zur Drosselung des Kraftstoff im Bereich der Kraftstoffzumessung kann der zweite Systemdruck unter Verwendung eines Druckbegrenzungsventils in Gestalt eines Rückschlagventils 50 im Bereich der Druckübersetzungseinheit erzeugt werden (Figur 4).

Das Rückschlagventil 50 öffnet bei einem Druck von ca. 300 bar. Die Druckkammer 13 wird mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe aus einem Vorratsbehälter über das Ruckschiagventil 14 mit Kraftstoff befüllt. Hier bleibt die Druckkammer 13 bei geringem Hub des zunächst zurück gestellten und dann in Richtung des Bodens der Druckkammer 13 bewegten Druckmittels 17 mit dem Rücksch ! agventi ! 50 verbunden, so daß der Druck in der Druckkammer 13 auf 300 bar begrenzt wird, um Kraftstoff dieses Druckes dem Druckraum 20 und dem Steuerraum 19 zuzuleiten. Das Rückschlagventil 14 verhindert den Rückfluß von verdichtetem Kraftstoff in Richtung Kraftstoffpumpe 2.

Bei größerem Hub des Druckmittels 17 infolge der Druckbeaufschlagung des Druckmittels 17 mit einem Fluid aus dem Druckspeicherraum 6 wird der Zugang der Druckkammer 13 zur Leckageleitung 49 verschlossen, so daß ein höherer Einspritzdruck erreicht wird. Bei der Haupteinspritzung täßt sich damit eine sog."Boot-injection"durchfuhren, sowie eine Voreinspritzung bei geringem Druck.

In Abwandlung der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ist in der Figur 5 eine druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 51 dargestellt. Wiederum fördert eine Hochdruckpumpe 52 Kraftstoff 53 aus einem Vorratsbehälter 54 über eine Förderleitung 55 in einen den Kraftstoff 53 mit einem Druck von 300 bis 800 bar speichernden Druckspeicherraum 56, der über einzelne Druckleitungen 57 mit einzelnen Injektoren 58 verbunden ist. Ausgehend von dem Druckspeicherraum 56 wird der Einspritzdruck jedes Injektors 58 durch eine innerhalb jedes Injektors 58 angeordnete Druckübersetzungseinheit 59 erzeugt. Mittels einer Ventileinheit 60 (3/2-Wege-Ventils) wird die Einspritzung druckgesteuert realisiert. Ein Ventilglied 61 kann sich gegen die Schließkraft einer Druckfeder 62 von der Ventiisitzfläche 63 des Injektorgehäuses weg bewegen, wenn ein Düsenraum 64 mit unter entsprechendem Druck stehendem Kraftstoff befüllt ist. Im unbestromten Zustand der Ventileinheit 60 ist die Druckübersetzungseinheit 59 an eine Leckageleitung 66 angeschlossen. Eine Druckkammer 67 kann über ein Rückschlagventil 68 befüllt werden.

Durch eine kontinuierliche Querschnittssteuerung des Ventils 60 kann (wie bei Fig. 1) eine Einspritzverlaufsformung realisiert werden. Bei Verwendung mehrstufiger Ventile können ebenfalls durch unterschiedliche Drosselstellungen verschiedene Einspritzdruckniveaus erreicht werden. Als Aktoren sind hier ebenfalls Piezosteller oder Magnetaktoren denkbar.

In der Figur 6 befinden sich die Druckübersetzungseinheit 59 und die Ventileinheit 60 bei einer druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 51 außerhalb des Injektors 58 im Bereich des Druckspeicherraums 56.

Bei dem Ausführungsbeispiel einer druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 71 gemäß Figur 7 wird die Druckerzeugung und Verstärkung des aus einem Vorratsbehälter zugeführten Kraftstoffs 74 mit einem Motoröl als Druckfiuid 72 reaiisiert. Die Druckübersetzungseinheit 73 wirkt als Kopplungselement zwischen der Kraftstoffzuführung und der Druckfluidzuführung. Ein zweiter Systemdruck wird über eine Drosselung innerhalb eines Ventilquerschnitts einer Ventileinheit 75 erreicht (siehe auch die Beschreibung zu den Fign. 1 bis 6).

Figur 8 zeigt eine druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 81 mit einer Verwendung einer Druckbegrenzung des in der Druckkammer 82 verdichteten Kraftstoffs (siehe auch die analoge hubgesteuerte Variante der Figur 4). Bei geringem Hub des Druckmittels 83 wird der Druck in der Druckkammer 82 der Druckübersetzungseinheit 84 auf ca. 300 bar begrenzt, weil die Druckkammer 82 über ein Rückschlagventil mit einer Leckageleitung 87 verbunden ist. Bei weiterer Bewegung des Druckmittels 83 in Pfeiirichtung 85 schließt dieser Druckbegrenzungspfad, und es wird der volle Einspritzdruck erzeugt.

Dies ermöglicht eine Voreinspritzung mit geringem Druck durch eine separate Betätigung einer Ventileinheit 86. Bei einer Haupteinspritzung faßt sich zusätzlich eine Boot-lnjektion erzeugen. Die Ventileinheit 86 kann durch Magnetaktuatoren (bei Drosselung im Bereich der Ventilsitzfläche muß eine Wegsteuerung des Magnetventils ausgebildet sein) direkt oder hydraulisch unterstützt bzw. angesteuert werden (Steuerkolben und Steuerraum). Auch durch die Verwendung eines Piezo-Aktors kann eine Einspritzverlaufsformung (Bootinjektion) bei der Haupteinspritzung realisiert werden. Dies gilt ebenso für sämtliche Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 9 betrifft eine druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 91 mit einer zu den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen geänderten Einspritzdüse. Wiederum wird über eine Kraftstoffpumpe Kraftstoff oder alternativ Motoröl in einen Druckspeicherraum mit einem

Druck von ca. 300 bis ca. 800 bar gefördert. Ausgehend von diesem Druckspeicherraum wird lokal für jeden Zylinder der Einspritzdruck über eine Druckübersetzungseinheit erzeugt.

Bei Motoröl als Betriebsstoff wirkt die Druckübersetzungseinheit auch als Koppler. Über ein 3/2-Wege-Ventil 92 mit einer Querschnittssteuerung oder einen Piezoaktor wird die Einspritzung druckgesteuert realisiert. Im unbestromten Zustand liegt die Niederdruckseite der Druckübersetzungseinheit auf Lecköl und kann über ein Rückschlagventil 93 befüllt werden. Mittels einer Drosselung im Ventilsitz des Ventils 92 läßt sich ein zweiter Einspritzdruck ausbilden. An Stelle der bereits in den vorhergehenden Figuren gezeigten Sacktoch-oder Sitziochdüsen wird eine Vario-oder Vario-Registerdüse verwendet. Dabei ist der zur Verfügung stehende Öffnungsquerschnitt der Düseniöcher variabel. Der Einspritzverlauf kann noch besser an die Erfordernisse des Motors angepaßt werden. Bei einer Vario-Registerdüse können stufenweise mehrere Düsenlochreihen geöffnet werden.

Die Ansteuerung für den hydraulischen Hubanschlag 94 der Düse kann sowohl innerhalb des Injektors 95 ais auch zentral für aile Injektoren gleichzeitig erfolgen.

Zusätzlich zu den gezeigten Ausführungsbeispielen wäre auch die Verwendung eines Ausweichkolbens ähnlich einer Pumpen-Düse-Einheit (PDE) denkbar.