Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil für einen Verbrennungs ^¬ motor

Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventile der zugrundeliegenden Art werden eingesetzt zum mengenmäßig und zeitlich definier ^¬ ten Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors, sowohl bei Diesel- als auch bei Benzinmo- toren. Hier haben sich zwischenzeitlich elektronisch angesteuerte, sowohl elektromagnetisch als auch piezoelektrisch betätigte Einspritzventile durchgesetzt.

Der Kraftstoff wird dabei mittels einer Hochdruckpumpe in ei- nem Hochdruckspeicher, dem Common Rail, auf einen hohen

Druck, derzeit bis zu 2000 bar, gebracht und steht mit diesem Druck an den einzelnen Einspritzventilen an. Durch das gesteuerte Öffnen eines Ventils wird der Kraftstoff dann mit diesem hohen Druck durch die Einspritzdüse in den Verbren- nungsraum dosiert und dabei zerstäubt. Je höher der anstehen ^¬ de Druck ist desto größer wird die dosierte KraftStoffmenge bei gleicher Öffnungszeit des Einspritzventils. Das heißt, mit steigendem Systemdruck steigt auch die Anforderung an die Schaltgeschwindigkeit und Schaltgenauigkeit des Einsprit zven- tils. Dazu kommt, dass zur Gestaltung des Verbrennungsprozes ^¬ ses, pro Verbrennungsvorgang mehrere Einzeleinsprit zungen mit unterschiedlichen, zum Teil sehr kleinen Einspritzmengen, durchgeführt werden müssen. Die Genauigkeit der Einspritzung nimmt Einfluss auf die Gestaltung des Verbrennungsprozesses und damit nicht nur auf die Laufruhe des Motors sondern kann auch den Verbrauch und den Schadstoffausstoß wesentlich beeinflussen .

Die bekannten Piezo-In ektoren werden mittels Piezo- Aktuatoren betätigt und ermöglichen eine sehr schnelle und genaue Dosierung der KraftStoffmenge und sind beispielsweise in dem Fachbuch „Diesel- und Benzindirekteinspritzung", Prof. Dr . -Ing . Helmut Tschöke u. a., Expert Verlag 2001, beschrie- ben. Die im Vergleich zu bisherigen Systemen vier mal schnellere Schaltzeit der Piezo-Einsprit zventile erlauben kurze und variable Abstände zwischen den Einzel-Einspritzungen, wie zum Beispiel Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung. Es sind sehr kur- ze Schaltzeiten möglich. Dadurch kann die eingespritzte

KraftStoffmenge sehr genau gesteuert und dosiert werden. Wei ^¬ terhin ist eine hervorragende Wiederholbarkeit gewährleistet. Da jedoch die mit den Piezo-Aktuatoren erzeugbaren Stellbewegungen sehr klein und die ggf. zu überwindenden Druckkräfte sehr groß sind erfolgt das Öffnen und Schließen eines solchen Einspritzventils hydraulisch, unter Nutzung des Kraftstoff ^¬ druckes, wobei der Piezo-Aktuator lediglich dazu dient ein Steuerventil zu schalten und dadurch die jeweils erforderli ^¬ che Druckdifferenz zu schaffen.

In einer bekannten Ausführungsform weist ein solches Hoch- druck-Einsprit zventil im Wesentlichen folgende Funktionsein ^¬ heiten auf :

- Einen Piezoaktuator mit einem Hubverstärker und einem Steuerventilkolben,

- einen zylinderförmigen Ventilschaft mit einem Steuerraum, einem Servosteuerventil , einem Steuerstößel und einem Schließfederraum und

- eine Ventilspitze mit Spritzlöchern, einem Nadelsitz, einer Hochdruckringkammer und einer Düsennadel.

Der KraftStoff-Hochdruck des Common-Rail steht dabei am hinteren Ende des Steuerstößels im Steuerraum und in einer Hochdruck-Ringkammer an einer Druckschulter der Düsennadel an. Durch die bauartbedingten Ringspalte zwischen Steuerstößel und der zugehörigen Aufnahmebohrung im Ventilschaft sowie zwischen Düsennadel und zugehöriger Aufnahmebohrung in der Ventilspitze entsteht ein ständiger, als Dauerleckage be ^¬ zeichneter, KraftStoff-Verlustström.

Diese, bei steigendem Systemdruck sich immer stärker auswirkende, Dauerleckage stellt für die Einspritzsysteme der Zu- kunft ein immer größer werdendes Problem dar, weil dadurch eine immer leistungsfähigere Hochdruckpumpe benötigt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hochdruck-Einspritzventil anzugeben, das bei hoher Präzi ^¬ sion und Geschwindigkeit der Einspritzung gleichermaßen eine stark reduzierte Dauerleckage aufweist. Dadurch soll, auch bei weiter steigenden Systemdrücken, die Leistungsanforderung an die Hochdruckpumpe in vertretbaren Grenzen gehalten wer- den.

Diese Aufgabe wird durch ein Hochdruck-Kraftstoff- Einsprit zventil mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Das erfindungsgemäße Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil für einen Verbrennungsmotor weist dazu einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Ventilschaft und eine sich daran an ^¬ schließende Ventilspitze sowie eine Düsennadel und einen Steuerkolben auf. Weiterhin weist das Hochdruck-Kraftstoff- Einsprit zventil ein Steuerventil mit einem Betätigungsaktua- tor und einen KraftStoff-Hochdruckanschluss sowie einen

KraftStoff-Niederdruckanschluss auf. Im Ventilschaft und der Ventilspitze ist ein sich entlang der Längsachse erstreckender Aufnahmeraum vorgesehen, in dem der Steuerkolben und die Düsennadel in Längsachsrichtung hintereinander angeordnet und in Längsachsrichtung beweglich geführt sind. Die Düsennadel ist auf der der Düsenspitze zugewandten Seite des Steuerkol ^¬ bens angeordnet und wirkt mit einem Dichtsitz in der Düsen ^¬ spitze zusammen, wobei der Aufnahmeraum auf der der Düsenspitze abgewandten Seite des Steuerkolbens einen Schließ- Steuerraum bildet, der von einer oberen Steuerkolbenfläche begrenzt wird und der über eine erste Zulaufdrossel mit den KraftStoff-Hochdruckanschluss und über eine erste Rücklauf ^¬ drossel mit dem KraftStoff-Niederdruckanschluss hydraulisch in Verbindung steht. Das erfindungsgemäße Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventil ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum auf der der Düsenspitze zugewandten Seite des Steuerkolbens einen Öffnungs-Steuerraum bildet, der von einer unteren Steuerkolbenfläche begrenzt wird und der über eine zweite Zulaufdrossel mit dem Kraftstoff-

Hochdruckanschluss und über eine zweite Rücklaufdrossel mit dem KraftStoff-Niederdruckanschluss hydraulisch in Verbindung steht und dass das Steuerventil angeordnet ist, zum betriebs ^¬ abhängigen Öffnen und Verschließen der hydraulischen Verbin- dung zwischen den Rücklaufdrosseln und dem Kraftstoff- Niederdruckanschlusses. Der Innendurchmesser des Aufnahmerau ^¬ mes und der Außendurchmesser des Steuerkolbens sind dabei so auf einander abgestimmt, dass der Sitz des Steuerkolbens hyd ^¬ raulisch möglichst dicht ist und somit möglichst wenig Kraft- Stoff unkontrolliert vom Schließ-Steuerraum in den Öffnungs- Steuerraum oder umgekehrt fließen kann.

Der Hauptvorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass keine Dauerleckage auftritt, solange das Ventil nicht zum Öffnen angesteuert wird und somit der Leckage-Verlustström insgesamt reduziert wird. Dies ermöglicht nicht nur eine kostensparende Auslegung der Hochdruckpumpe, sondern erhöht gleichzeitig den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und reduziert somit schädliche Emissionen. Die niedrigere erforderliche Förder- leistung der Hochdruckpumpe ist insbesondere im Hinblick auf steigende Systemdrücke sehr positiv zu bewerten. Weitere zu ^¬ sätzliche Vorteile sind kleinere Totzeiten zwischen Ansteue- rung und dem Einspritzvorgang, kürzere Öffnungs- und Schließ ^¬ zeiten der Düsennadel und eine geringere Empfindlichkeit auf KraftStoff-Druckwellen im Nadelbereich sowie eine gezielt einstellbare Dämpfung der Düsennadelbewegung beim Öffnen und Schließen. Insgesamt ermöglicht dies eine stabilere Mehrfach ^¬ einspritzung, was sich zusätzlich positiv auf den Verbrauch und die Emissionen auswirkt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventils werden in den Unteransprüchen of ^¬ fenbart . In einer besonders einfachen Ausgestaltung des Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventils schließt die Düsennadel unmittel ^¬ bar, ohne Zwischenschaltung einer zusätzlichen Übertragungsmechanik an die untere Steuerkolbenfläche an. Dies reduziert die Anzahl der Einzelteile und den entsprechenden Monatageaufwand bei der Herstellung.

Schließt die Düsennadel unmittelbar an den Steuerkolben an, so ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Düsennadel im Über- gangsbereich zum Steuerkolben eine kleinere Querschnittsflä ^¬ che als die untere Steuerkolbenfläche aufweist. Dies redu ^¬ ziert die druckbeaufschlagte Steuerkolbenfläche im Öffnungs- Steuerraum gegenüber der druckbeaufschlagten Steuerkolbenfläche im Schließ-Steuerraum. Dadurch wird bei gleichem Druckni- veau in Öffnungs- und Schließ-Steuerraum, also im Ruhezustand des Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventils, gewährleistet, dass die Schließkraft größer ist als die Öffnungskraft und somit das Ventil sicher geschlossen bleibt. In einer weiteren Ausgestaltung des Hochdruck-Kraftstoff-

Einsprit zventil ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Steuer ^¬ kolben und die Düsennadel mechanisch starr miteinander verbunden oder gar einstückig ausgeführt sind. Dies ermöglicht eine direkte und verzögerungsfreie Hubübertragung von dem Steuerkolben auf die Düsennadel sowohl in Öffnungs- als auch in Schließrichtung der Düsennadel und vereinfacht gleichzei ^¬ tig den mechanischen Aufbau der Ventileinheit.

Um ein sicheres und schnelles Öffnen des Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventils zu gewährleisten ist es von Vor ^¬ teil, wenn die erste Rücklaufdrossel einen größeren Durch ^¬ flusswert aufweist als die zweite Rücklaufdrossel . Wird dann das Steuerventil so angesteuert, dass es öffnet, so baut sich der Steuerdruck im Schließ-Steuerraum schneller ab als im Öffnungs-Steuerraum. Dadurch reduziert sich die auf den Steuerkolben wirkende Schließkraft schneller als die entgegen wirkende Öffnungskraft, bis die daraus resultierende Kraft am Steuerkolben sich schließlich umkehrt und das Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventil öffnet, indem sie die Düsennadel aus dem Nadelsitz in der Ventilspitze hebt. Dabei gilt, je größer die Differenz der Durchflusswerte der beiden Rücklauf ^¬ drosseln, desto schneller erfolgt das Öffnen des Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventils, sprich die Öffnungszeit verkürzt sich .

Um ein sicheres und schnelles Schließen des Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventils zu gewährleisten ist es von Vor- teil, wenn die erste Zulaufdrossel einen größeren Durchfluss ^¬ wert aufweist als die zweite Zulaufdrossel . Wird dann das Steuerventil so angesteuert, dass es schließt, so baut sich der Steuerdruck im Schließ-Steuerraum schneller auf als im Öffnungs-Steuerraum, bis die daraus resultierende Kraft am Steuerkolben sich wiederum umkehrt und das Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventil schließt, indem sie die Düsennadel wieder in den Nadelsitz in der Ventilspitze drückt. Hier gilt analog dem Öffnungsvorgang, dass, je größer die Differenz der Durchflusswerte der beiden Zulaufdrosseln ist, desto schnel- 1er erfolgt das Schließen des Hochdruck-Kraftstoff-

Einspritzventils, sprich die Schließzeit verkürzt sich.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn zumindest eine der beiden Rücklaufdrosseln einen im Betrieb veränderbaren Durchfluss- wert aufweist. Durch gezielte Veränderung des Durchflusswertes einer oder beider Rücklaufdrosseln lässt sich die Differenz der Durchflusswerte der Rücklaufdrosseln und somit die Öffnungszeit des Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventils in Ab ^¬ hängigkeit vom Betriebmodus des Verbrennungsmotors einstel- len. Auf diese Weise kann Einfluss genommen werden auf den

Einspritzratenverlauf und somit auf den Verbrennungsvorgang.

In ähnlicher Weise ergeben sich Vorteile, wenn zumindest eine der beiden Zulaufdrosseln einen im Betrieb veränderbaren Durchflusswert aufweist. Auch hier lässt sich durch gezielte Veränderung des Durchflusswertes einer oder beider Zulauf ^¬ drosseln die Differenz der Durchflusswerte der Rücklaufdros ^¬ seln und somit die Schließzeit des Hochdruck-Kraftstoff- Einspritzventils in Abhängigkeit vom Betriebmodus des Ver ^¬ brennungsmotors einstellen. Auch dadurch kann Einfluss genommen werden auf den Einspritzratenverlauf und somit auf den Verbrennungsvorgang .

Die Zusätzliche Anordnung eines Ausgleichskanals, der den Schließ-Steuerraum und der Öffnungs-Steuerraum hydraulisch miteinander verbindet, sowie die Anordnung einer Ausgleichs- drossel in diesem Kanal stellt eine weitere Möglichkeit der Gestaltung des Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventils dar. Der Ausgleichskanal und die Ausgleichsdrossel können sowohl im Steuerkolben als auch im Ventilschaft angeordnet sein. Durch diese Verbindung findet ein mehr oder weniger verzögerter Druckausgleich zwischen Schließ- und Öffnungs-Steuerraum statt. Dadurch kann eine mehr oder weniger starke Dämpfung der Dynamik der Öffnungs- bzw. Schließvorgänge erzielt wer ^¬ den. Diese Ausgleichsverbindung kann konstruktiv auch durch den Ringspalt zwischen Steuerkolben und Innenwand des Aufnahmeraums, in dem der Steuerkolben in Längsrichtung beweglich geführt gelagert ist, dargestellt werden.

Im Schließ-Steuerraum des Hochdruck-Kraftsoff-Einspritzventils kann eine als Druckfeder ausgebildete Schließfeder angeordnete sein, durch die der Steuerkolben mit einer zusätz- liehen Schließkraft in Richtung auf den Nadelsitz beaufschlagt ist. Dies hat den Vorteil, dass auch im drucklosen Ruhezustand des Einspritzsystems und während des Startvorgan ^¬ ges des Verbrennungsmotors, wenn der Systemdruck zunächst aufgebaut werden muss, das Hochdruck-Kraftstoff- Einspritzventil geschlossen gehalten wird, was einen schnel ^¬ leren Druckaufbau gewährleistet.

Der Betätigungsaktuator des Steuerventils kann als Elektro- magnetaktuator oder als Piezoaktuator ausgebildet sein. In beiden Fällen ist eine hohe Schaltgeschwindigkeit erzielbar, die sehr kleine Einzel-Einspritzmengen und mehrere Einzeleinspritzungen während eines Verbrennungszyklus im jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors ermöglicht.

Den Kern der Erfindung zusammenfassend formuliert, weist das Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil ein Steuerventil mit ei- nem Betätigungsaktuator und einen KraftStoff-Hochdruck-an- schluss sowie einen KraftStoff-Niederdruckanschluss auf. Im Ventilschaft und der Ventilspitze ist ein Steuerkolben und die Düsennadel in Längsachsrichtung hintereinander angeordnet und beweglich geführt. Der Aufnahmeraum des Steuerkolbens bildet mit dem Steuerkolben einen Schließ-Steuerraum, der von der oberen Steuerkolbenfläche begrenzt wird, und einen Öff- nungs-Steuerraum, der von der unteren Steuerkolbenfläche begrenzt wird. Die beiden Steuerräume sind jeweils über eine Zulaufdrossel mit dem KraftStoff-Hochdruckanschluss und je- weils über eine Rücklaufdrossel mit dem KraftStoff-Nieder ^¬ druckanschluss hydraulisch verbunden. Das Steuerventil ist angeordnet zum betriebsabhängigen Öffnen und Verschließen des Kraftstoffrücklaufs zwischen den Rücklaufdrosseln und dem KraftStoff-Niederdruckanschluss . Die Durchflusswerte der Zu- laufdrosseln und der Rücklaufdrosseln sind so gewählt, dass bei Ansteuerung des Steuerventils das Hochdruck-Kraftstoff- Einsprit zventil öffnet und bei Rücknahme der Ansteuerung wie ^¬ der schließt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventils tritt keine Leckagever- lust auf, während das Ventil nicht zum Öffnen angesteuert ist .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines konventionellen Ein- sprit zventils gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Hoch- druck-Kraftstoff-Einsprit zsystems mit einem erfin ^¬ dungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil .

Fig. 3 das Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzsystem wie in Fig. 2 mit zusätzlichen bzw. alternativen Funktionseinheiten. Fig. 4 ein Diagramm der Steuerdruckverläufe in Schließ- und

Öffnungs-Steuerraum ,

Fig. 5 ein Einspritzraten-Diagramm zum Vergleich zwischen

konventionellem und erfindungsgemäßen Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventil.

Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Einen Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil nach dem Stand der Technik zeigt Figur 1. In der bekannten Ausführungsform weist ein solches Einspritzventil im Wesentlichen folgende Funkti ^¬ onseinheiten auf :

- Einen Piezoaktuator 1 mit einem Steuerventilkolben 2, - einen zylinderförmigen Ventilschaft 8 mit einem Steuerraum 6, einem Servosteuerventil 21, einem Steuerstößel 7 und einem Schließfederraum 10 und

- eine Ventilspitze 12 mit Spritzlöchern 15, einem Nadel ^¬ sitz 16, einer Hochdruckringkammer 18 und einer Düsenna- del 13.

Am bzw. im Kopfende des Ventilschafts 8 ist der Kraftstoff- Hochdruckanschluss 4 sowie der Kraftstoff-

Niederdruckanschluss (22) und der Steuerraum 6 sowie das Ser- vosteuerventil 21 angeordnet. Über einen Steuerzulaufkanal 3 und eine darin angeordnete Zulaufdrossel 5 steht der Steuer ^¬ raum 6 mit dem KraftStoff-Hochdruckanschluss 4 in hydrauli ^¬ scher Verbindung. Das Servosteuerventil 21 öffnet bzw.

schließt einen Steuerrücklaufkanal 23, der den Steuerraum 6 mit dem KraftStoff-Niederdruckanschluss 22 hydraulisch ver ^¬ bindet. Zwischen Steuerraum 6 und Servosteuerventil 21 ist im Steuerrücklaufkanal 23 eine Rücklaufdrossel 20 angeordnet.

Im gegenüberliegenden Fußende des Ventilschafts 8 ist der Schließfederraum 10 angeordnet.

Der Steuerstößel 7 ist in einer längs durch den Ventilschaft 8 verlaufenden Aufnahmebohrung in Längsrichtung verschiebbar geführt angeordnet und ragt im Kopfende des Ventilschafts 8 1

in den Steuerraum 6 und am Fußende des Ventilschafts 8 in den Schließfederraum 10. Die Durchmesser der Aufnahmebohrung und des Steuerstößels 7 sind dabei so auf einander abgestimmt, dass der Sitz des Steuerstößels 7 hydraulisch möglichst dicht ist, um den Leckagestrom aus dem Steuerraum 6 möglichst klein zu halten.

Die Ventilspitze 12 ist am Fußende des Ventilschafts 8 an ^¬ geordnet und schließt so den Schließfederraum 10 ab. In axia- 1er Verlängerung zu der Aufnahmebohrung des Steuerstößels 7 ist eine Führungsbohrung für die Düsennadel 13 in der Ventil ^¬ spitze 12 angeordnet, die an ihrem, dem Ventilschaft 8 abge ^¬ wandten Ende in ein Sackloch 14 mündet. Im Übergang zwischen der Führungsbohrung und dem Sackloch 14 befindet sich der Na- delsitz 16 für die Nadelspitze der Düsennadel 13 und unter ^¬ halb des Nadelsitzes 16, ausgehend von dem Sackloch 14, durchdringen die Spritzlöcher 15 die Sacklochwand und stellen so eine Verbindung zwischen dem Sackloch-Innenraum und dem Außenbereich der Ventilspitze 12 her. In der Führungsbohrung ist die Düsennadel 13 angeordnet und sitzt mit ihrer Nadel ^¬ spitze im Nadelsitz 16 der Ventilspitze 12.

Das der Nadelspitze gegenüberliegende Ende der Düsennadel 13 ragt in den Schließfederraum 10 im Übergangsbereich zwischen Ventilspitze 12 und Ventilschaft 8 und steht dort in Berüh ^¬ rungskontakt mit dem Steuerstößel 7. Eine als Spiral- Druckfeder ausgebildete Schließfeder 11 ist im Schließfederraum 10 konzentrisch um den Steuerstößel 7 angeordnet, stütz sich am Ventilschaft 8 ab und beaufschlagt die Düsennadel 13 mit einer Druckkraft die die Nadelspitze in den Nadelsitz 16 drückt und so das Einspritzventil geschlossen hält.

Ungefähr in ihrer Mitte weist die Düsennadel 13 einen Durchmessersprung auf und bildet so eine Druckschulter 17 aus. In dem korrespondierenden Bereich der Führungsbohrung der Ventilspitze 12 ist eine Hochdruckringkammer 18 angeordnet, die als ringförmig um die Düsennadel 13 herum verlaufende Ausspa ^¬ rung in der Führungsbohrung ausgebildet ist. Die Hochdruck- ringkammer 18 steht über einen Zulaufkanal in der Ventilspit ^¬ ze 12 und einem korrespondierenden Zulaufkanal 9 im Ventilschaft 8 mit dem KraftStoff-Hochdruckanschluss in hydrauli ^¬ scher Verbindung. Zwischen Hochdruckringkammer 18 und dem Schließfederraum 10 sind die Durchmesser der Führungsbohrung und der Düsennadel 13 so auf einander abgestimmt, dass der Sitz der Düsennadel 13 hydraulisch möglichst dicht ist, um den Leckagestrom aus der Hochdruckringkammer 18 möglichst gering zu halten. Zwischen Hochdruckringkammer 18 und der Na- delspitze ist zwischen dem in diesem Bereich reduzierten Durchmesser der Düsennadel 13 und der Führungsbohrung ein Ringspalt ausgebildet, durch den der Kraftstoff von der Hoch ^¬ druckringkammer 18 zum Sackloch 14 strömen kann. Der Schließfederraum 10 steht über einen Rücklaufkanal 19 im Ventilschaft 8 direkt mit dem KraftStoff-Niederdruckanschluss 22 in hydraulischer Verbindung.

Der von dem Common-Rail kommende KraftStoffhochdruck gelangt über den Steuerzulaufkanal 3 des Ventilschafts 8 in den Steu ^¬ erraum 6 und parallel dazu über einen Zulaufkanal 9 im Ven ^¬ tilschaft 8 und der Ventilspitze 12 in die Hochdruckringkam ^¬ mer 18 der Ventilspitze 12. In dem durch das Servosteuerven- til 21 geschlossenen Steuerraum 6 wirkt der Druck in Schließ- richtung der Düsennadel 13 auf den Steuerstößel 7, der in der Aufnahmebohrung des Ventilschafts 8 in Längsrichtung verschiebbar geführt ist und mit seinem anderen Ende im Schließ ^¬ federraum 10 seinerseits, parallel zur Schließfeder 11, auf die Düsennadel 13 wirkt. Dadurch wird die Düsennadel 13 in Ihren Nadelsitz 16 an der Düsenspitze 12 gedrückt und das Einspritzventil auf diese Weise geschlossen gehalten.

In der Hochdruckringkammer 18 wirkt der Druck auf die Druckschulter 17 der Düsennadel 13 in Öffnungsrichtung der Düsen- nadel 13 entgegen der durch die Schließfeder und den Steuerstößel 7 ausgeübten Schließkraft. Bei geschlossenem Servos- teuerventil 21 wirkt die resultierende Kraft, aufgrund der größeren Fläche des Steuerstößels 7 gegenüber der Druckschul- 1

ter 17 der Düsennadel 13 und der zusätzlichen Kraft der

Schließfeder 11, in Schließrichtung auf die Düsennadel 13 und hält diese in ihrem Nadelsitz 16 und somit das Einspritzventil geschlossen.

Der Druck im Steuerraum 6 wird durch das Servosteuerventil 21, die im Steuerzulaufkanal 3 angeordnete Zulaufdrossel 5 und die im Steuerrücklaufkanal 23 angeordnete Rücklaufdrossel 20 eingestellt. Wenn nun das Servosteuerventil 21 durch den Piezoaktuator 1 geöffnet wird, strömt Kraftstoff aus dem

Steuerraum 6 über die Rücklaufdrossel 20 und das Servosteuer- ventil 21 in den Steuerrücklaufkanal 23 in Richtung Krafs- toff-Niederdruckanschluss 22. Zulauf- und Rücklaufdrossel 5/20 sind dabei so kalibriert, dass mehr Kraftstoff in den Steuerrücklaufkanal 23 abfließt als über den Steuerzulaufka ^¬ nal 3 nachströmen kann. Dadurch sinkt der Druck im Steuerraum 6 so weit ab, dass letztlich die resultierende Kraft auf die Düsennadel 13 sich umkehrt, die Düsennadel 13 aus ihrem Sitz hebt und somit das Einspritzventil öffnet.

Die Schließfeder 11 kann die Düsennadel 13 nur bis zu einem Druck von ungefähr 100bar auf ihrem Nadelsitz 16 halten und soll bei druckloser Anlage und beim Motorstart das Eindringen von Verbrennungsgasen in den Injektor verhindern. Außerdem beschleunigt diese den Schließvorgang, der durch Schließen des Servosteuerventils 21 eingeleitet wird. Der Druck im Steuerraum 6 steigt wieder bis auf den Speicherdruck des Com- mon-Rail. Sobald die resultierende Kraft auf die Düsennadel 13 sich dabei wieder umkehrt, wird die Düsennadel 13 wieder in ihren Nadelsitz 16 gepresst und das Eisprit zventil ge ^¬ schlossen .

Zum Öffnen und Schließen des Einspritzventils müssen also so ^¬ wohl der Steuerstößel 7 als auch die Düsennadel 13 in Längs- richtung beweglich in ihrer jeweiligen Führungsbohrung im Ventilschaft 8 und der Ventilspitze 12 gelagert sein. Dies erfordert, wenn auch nur ein sehr kleines, aber immerhin, ein gewisses Spaltmaß zwischen Steuerstößel 7 bzw. Düsennadel 13 ₁

und der jeweiligen Führungsbohrung. Über diesen Spalt findet ein permanenter KraftStoffverlust in Richtung auf den

Schließfederraum 10, also die Niederdruckseite, statt. Die ^¬ ser, als Dauerleckage bezeichnete, Verluststrom fließt stän- dig, egal ob das Einspritzventil gerade geöffnet oder ge ^¬ schlossen ist und wird über den Rücklaufkanal 19 auf der Nie ^¬ derdruckseite abgeführt und erneut in den KraftStoffkreislauf eingespeist .

Figur 2 zeigt eine vereinfachte schematisierte Darstellung eines Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzsystems bestehend aus dem Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil 100, einem Kraftstoff- Hochdruckspeicher 40, einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 50 und einem Kraftstofftank 60.

An den KraftStoff-Hochdruckspeicher 40, der auch als „Common Rail" bezeichnet wird, sind die Hochdruck-Kraftstoff-Ein ^¬ sprit zventile 100 jeweils über einen KraftStoff-Hochdruckan- schluss 4 angeschlossen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hier nur ein Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil darges ^¬ tellt. Weitere Anschlüsse sind durch Pfeile lediglich ange ^¬ deutet. Der KraftStoff-Hochdruckspeicher 40 wird über die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 50 mit Kraftstoff gespeist, der durch die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 50 aus dem Kraftstofftank 60 entnommen wird. Über eine Niederdruck-Rückführleitung 70 werden die im System entstehenden KraftStoff-Leckageströme in den Kraftstofftank 60 zurückgeführt.

Das Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil 100 selbst weist ei ^¬ nen Ventilschaft 8, eine Ventilspitze 12 und ein Steuerventil 80 auf. Das Steuerventil 80 wird durch einen elektrisch an ^¬ gesteuerten Aktuator betätigt, der alternativ als Elektromag- netaktuator oder als Piezoaktuator ausgeführt sein kann.

Im Ventilschaft 8 ist ein zylindrischer Aufnahmeraum für den Steuerkolben 34 vorgesehen, der im Folgenden als Zylinderraum 30 bezeichnet wird. Der Steuerkolben 34 ist in diesem Zylinderraum 30 so eingepasst, dass er darin in Längsrichtung verschiebbar geführt gelagert ist und mit der Zylinderraumwand möglichst hydraulisch dicht abschließt. Der Zylinderraum 30 ist dabei in Achsrichtung länger ausgebildet als der Steuerkolben 34, so dass auf der der Düsenspitze 12 abgewandten Seite des Steuerkolbens 34 ein Schließ- Steuerraum 31 gebildet wird, der von der oberen Steuerkolben- fläche begrenzt wird. Der Schließ-Steuerraum 31 steht über eine erste Zulaufdrossel ZD1 im Schließ-Steuerraum-Zulauf 32 mit den KraftStoff-Hochdruckanschluss 4 und über eine erste Rücklaufdrossel RD1 im Schließ-Steuerraum-Rücklauf 33 und das Steurventil 80 mit dem KraftStoff-Niederdruckanschluss 22 hydraulisch in Verbindung.

Auf der der Düsenspitze ( 12 ) zugewandten Seite des Steuerkolbens (34) wird ein Öffnungs-Steuerraum (35) gebildet, der von der unteren Steuerkolbenfläche begrenzt wird. Der Öffnungs- Steuerraum steht über einen Zulaufkanal 9 und eine zweite Zu ^¬ laufdrossel (ZD2) im Öffnungs-Steuerraum-Zulauf 36 mit dem KraftStoff-Hochdruckanschluss (4) und über eine zweite Rück ^¬ laufdrossel (RD2) im Öffnungs-Steuerraum-Rücklauf 37, den Rücklaufkanal 19 und das Steuerventil 80 mit dem Kraftstoff- Niederdruckanschluss (22) hydraulisch in Verbindung.

Über den KraftStoff-Hochdruckanschluss 4 ist das Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventil 100 an den Hochdruckspeicher 40 angeschlossen. Über den KraftStoff-Niederdruckanschluss 22 und die Niederdruck-Rückführleitung 70 steh das Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventil 100 mit dem Kraftstofftank 60 in hydraulischer Verbindung.

Auf der der Ventilspitze 12 zugewandten Seite des Steuerkol- bens 34 ist die Düsennadel 13 in einer entsprechenden Aufnahmebohrung der Ventilspitze 12 in achsialer Verlängerung des Steuerkolbens 34 angeordnet. Diese Aufnahmebohrung endet an ihrem, dem Ventilschaft 8 abgewandten Ende in ein Sackloch 14. Im Übergang zwischen der Führungsbohrung und dem Sackloch 14 befindet sich der Nadelsitz 16 für die Nadelspitze der Dü ^¬ sennadel 13 und unterhalb des Nadelsitzes 16, ausgehend von dem Sackloch 14, durchdringen die Spritzlöcher 15 die Sacklochwand und stellen so eine Verbindung zwischen dem Sack- loch-Innenraum und dem Außenbereich der Ventilspitze 12 her. Die Düsennadel 13 sitzt mit ihrer Nadelspitze im Nadelsitz 16 der Ventilspitze 12 und ist an ihrem gegenüberliegenden Ende fest mit dem Steuerkolben gekoppelt oder kann auch einstückig mit diesem ausgebildet sein. Der Durchmesser der Düsennadel 13 ist deutlich kleiner als der Durchmesser des Steuerkolbens 34. Die druckbeaufschlagbare untere Steuerkolbenfläche wird so um die Querschnittsfläche der Düsennadel im Übergangsbe ^¬ reich zwischen Düsennadel 13 und Steuerkolben 34 reduziert.

Zwischen der Düsennadel 13 und ihrer Aufnahmebohrung in der Ventilspitze 12 ist ein Ringspalt ausgebildet, in dem der unter Hochdruck stehende Kraftstoff vom Öffnungs-Steuerraum 35 zum Sackloch 14 strömen kann. In geschlossenem Zustand des Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventils 100 sitzt die Düsenna ^¬ del 13 mit ihrer Nadelspitze dichtend im Nadelsitz 16 und dichtet so das Sackloch 14 gegenüber dem Ringspalt ab, so dass kein Kraftstoff über die Spritzlöcher 15 aus der Ventil ^¬ spitze 12 austreten kann.

Figur 3 zeigt im Prinzip den gleichen Systemaufbau eines Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzsystems wie Figur 2, jedoch sind hier zusätzlich die Zulaufdrosseln ZD1, ZD2 sowie die Rücklaufdrosseln RD1, RD2 durch verstellbare Drosseln er- setzt. Dies ermöglicht eine optimierende Kalibrierung der

Drosseln oder sogar die Optimierung der jeweiligen Drosselverhältnisse im Betrieb im Hinblick auf unterschiedliche Be ^¬ triebssituationen .

Weiterhin ist in Figur 3 im Schließ-Steuerraum 31 eine zu- sätzliche, als Spiraldruckfeder ausgebildete Schließferder 11 vorgesehen. Diese stellt sicher, dass das Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventil 100 auch im drucklosen Zustand ge ^¬ schlossen gehalten wird. Dies ist vor allem in der Startphase des Verbrennungsmotors von Vorteil.

Zusätzlich weist das Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventils

100 in Figur 3 einen Ausgleichskanal 38 mit einer Ausgleichs ^¬ drossel ADK im Steuerkolben oder alternativ dazu, gestrichelt dargestellt, einen Ausgleichskanal 39 mit einer Ausgleichs- 1

drossel ADS im Ventilschaft 8 auf. Beide Varianten stellen eine hydraulische Verbindung zwischen dem Schließ-Steuerraum 31 und dem Öffnungs-Steuerraum 35 her. Dies ermöglicht einen definierten Druckausgleich zwischen den beiden Steuerräumen 31, 35 und hat eine, je nach Dimensionierung der Drossel ADK, ADS, mehr oder weniger gedämpfte Dynamik der Schaltvorgange zum Ergebnis .

Im unbetätigten Ruhezustand, wenn das Steuerventil 80 ge ^¬ schlossen ist, steht das Druckniveau PR des Hochdruckspei ^¬ chers in gleicher Höhe im Schließ-Steuerraum 31 und im Öff- nungs-Steuerraum 35 an. Da die druckbeaufschlagbare Fläche des Steuerkolbens 34 im Schließ-Steuerraum 31 größer ist als die druckbeaufschlagbare Fläche des Steuerkolbens 34 im Öff ^¬ nung-Steuerraum 35, wirkt eine resultierende Kraft auf den Steuerkolben 34 in Schließrichtung der Düsennadel 13, die die Nadelspitze in ihren Nadelsitz 16 drückt und somit das Sack ^¬ loch 14 abdichtet.

Wird nun das Steuerventil 80 betätigt strömt Kraftstoff so ^¬ wohl aus dem Schließ-Steuerraum 31 als auch aus dem Öffnungs- Steuerraum 35 ab und das jeweilige Druckniveau PS, PO fällt ab. Durch entsprechende Dimensionierung der Zu- und Rücklauf- drosseln ZD1, ZD2, RD1, RD2 kann nun Einfluss genommen werden sowohl auf die Geschwindigkeit des Druckabbaus als auch auf das sich einstellende Druckniveau PS, PO bei geöffnetem Steu ^¬ erventil 80 im Öffnungs-Steuerraum 35 und im Schließ- Steuerraum 31. Das Druckniveau PS, PO hängt dabei ab vom Drosselverhältnis D, also von dem Verhältnis der Durchfluss ^¬ werte der jeweiligen Zulaufdrossel ZD1, ZD2 zu dem der Rücklaufdrossel RD1, RD2. Je größer dieser Wert ist, sprich je größer der Durchflusswert zum Beispiel der ersten Zulaufdros ^¬ sel ZD1 im Verhältnis zu dem Durchflusswert der ersten Rück- laufdrossel RD1, desto höher wird das sich einstellende

Druckniveau PS im Schließsteuerraum 31 sein. Je größer wiederum der Durchflusswert der Rücklaufdrossel RD1 selbst, desto schneller wird der Druck abfallen. Um nun die Düsennadel 13 mit Ihrer Spitze aus dem Nadelsitz 16 abzuheben, also den Kraftstoffzufluss in das Sackloch 14 freizugeben, um Kraftstoff in den Verbrennungsraum des Ver- brennungsmotors einzuspritzen, muss das Druckniveau PO im Öffnungs-Steuerraum 35 um so viel gegenüber dem Druckniveau PS im Schließ-Steuerraum 31 höher liegen, dass trotz kleinerer Steuerkolbenfläche FO im Öffnungs-Steuerraum gegenüber der Steuerkolbenfläche FS im Schließ-Steuerraum, die Öff- nungskraft am Steuerkolben 34 überweigt.

Kurz: (PO x FO)>(PS x FS)

Um eine sichere und schnelle Öffnung des Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventils 100 zu erzielen muss das Drossel ^¬ verhältnis DS der ersten Zulaufdrossel ZD1 zur ersten Rück- laufdrossel RD1, also das Druckniveau PS im Schließ- Steuerraum wesentlich kleiner sein als das Drosselverhältnis DO der zweiten Zulaufdrossel ZD2 zur zweiten Rücklaufdrossel RD2, also das Druckniveau PO im Öffnungs-Steuerraum.

Kurz: DS << DO oder (ZD1/RD1) << (ZD2/RD2) Gleichzeitig sollte für einen schnellen Abfall des Druckni ^¬ veaus PS im Schließ-Steuerraum 31 gegenüber dem Abfall des Druckniveaus PO im Öffnungssteuerraum 35 der Durchflusswert der ersten Rücklaufdrossel RD1 groß sein gegenüber dem Durchflusswert der zweiten Rücklaufdrossel RD2.

Um das Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil 100 wieder schnell zu schließen, wird das Steuerventil 80 geschlossen. Nun bauen sich die Druckniveaus PO, PS in Schließ-Steuerraum 31 und Öffnungs-Steuerraum 35 wieder auf, bis sie das Druck- niveau PR des Hochdruckspeichers wieder erreicht haben. Die

Geschwindigkeit, mit der sich die Druckniveaus aufbauen hängt dabei alleine von den Durchflusswerten der Zulaufdrosseln ZD1, ZD2 ab. Je größer dabei der Durchflusswert, desto schneller steigt das Druckniveau. Um ein schnelles Schließen der Düsennadel 13 zu erzielen ist es vorteilhaft, wenn das

Druckniveau PS im Schließ-Steuerraum 31 schneller steigt als das Druckniveau PO im Öffnungs-Steuerraum, also der Durch- 1

flusswert der ersten Zulaufdrossel ZD1 größer ist als der Durchflusswert der Zulaufdrossel ZD2.

Kurz: ZD1 > ZD2

Werden, wie in Figur 3 dargestellt, im Betrieb verstellbare Drosseln eingesetzt, deren Durchflusswerte kontinuierlich oder ggf. auch nur in verschiedenen Stufen variiert werden können, so eröffnen sich weitere Möglichkeiten im Betrieb. So ist zum Beispiel bei betätigtem Steuerventil 80, durch weites Öffnen der zweiten Rücklaufdrossel RD2 und vergleichsweise kleiner Öffnung der Zulaufdrossel ZD2 und der Rücklaufdrossel RD1 ein „Spülbetrieb" möglich, bei dem das Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventils 100 geschlossen bleibt jedoch durch Abfließen des Kraftstoffes aus dem System zurück in den Kraftstofftank 60 der Druck im Hochdruckspeicher 40 verrin- gert oder gar ganz abgebaut werden kann, zum Beispiel nach Abschalten des Verbrennungsmotors.

Mögliche Verläufe der Druckniveaus PO, PS in Bezug auf das Druckniveau PR des Hochdruckspeichers 40 sind in dem Diagramm in Figur 4 dargestellt, in dem der Druck P über der Zeit t aufgetragen ist. Bis zum Zeitpunkt tl ist das Steuerventil 80 geschlossen, beide Druckniveaus PO und PS befinden sich in gleicher Höhe wie das Druckniveau PR des Hochdruckspeichers 40. Zum Zeitpunkt tl wird nun das Steuerventil 80 geöffnet. In der Folge fallen nun die Druckniveaus PO und PS mit unter ^¬ schiedlichen Gradienten ab, wobei das Druckniveau PS im

Schließsteuerraum 31 steiler abfällt. Zum Zeitpunkt t2 hat sich nun jeweils ein Gleichgewicht auf unterschiedlichen Druckniveaus eingestellt. Das Druckniveau PS in Schließ- Steuerraum 31 liegt dabei wesentlich unter dem Druckniveau PO im Öffnungs-Steuerraum 35. Angenommen die Druckniveaudifferenz ist groß genug, dass die Öffnungskraft am Steuerkolben 34 die Schließkraft überwiegt, so ist nun das Hochdruck- Kraftstoff-Einspritzventil 100 geöffnet.

Zum Zeitpunkt t3 wird nun wieder das Steuerventil 80 ge ^¬ schlossen. Ab diesem Zeitpunkt erhöhen sich die beiden Druckniveaus wieder mit unterschiedlichen Gradienten, so dass das Druckniveau PS im Schließ-Steuerraum wesentlich schneller 1

ansteigt und bereits zum Zeitpunkt t4 wieder das Druckniveau PR des Hochdruckspeichers erreicht. Das Druckniveau PO im Öffnungs-Steuerraum 35 steigt dagegen wesentlich langsamer, so dass die Schließkraft am Steuerkolben 34 sehr schnell wie- der überwiegt und das Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzventil 100 schließt. Erst zu dem späteren Zeitpunkt t5 ist auch im Öffnungs-Steuerraum 35 wieder das Druckniveau PR des Hochdruckspeichers 40 erreicht. Die Druckverläufe sind hier ver ^¬ einfacht dargestellt und geben die überlagernden Einflüsse des durch die Spritzlöcher 15 abfließenden Kraftstoffs und der Bewegung des Steuerkolbens sowie Druckschwankungen am Hochdruckspeicher 40 nicht wieder.

Figur 5 zeigt, welche Vorteile ein erfindungsgemäßes Hoch- druck-Kraftstoff-Einsprit zventil gegenüber einem konventio ^¬ nellen Einspritzventil aufweist anhand des Einspritzratenver ^¬ laufs. Der Einspritzratenverlauf kennnzeichnet die pro Zeit ^¬ einheit in den Verbrennungsraum eingepritzte KraftStoffmenge über die Zeit und sagt so etwas aus über Öffnugs- und

Schließverhalten des Einspritzventils.

Im vorliegenden Diagramm ist die Einspritzrate über der Zeitachse aufgetragen. Der durch eine durchgehende Linie gekennzeichnete Einspritzratenverlauf EVI entspricht dabei demjeni ^¬ gen eines konventionellen Hochdruck-Kraftstoff- Einspritzventils und der durch Strichlinie gekennzeichnete

Einspritzratenverlauf EV2 kennzeichnet den Einspritzratenver ^¬ lauf des erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoff- Einsprit zventils . Es ist gut zu erkennen, dass der Einspritz ^¬ ratenverlauf EV2 durch schnellere und exaktere Öffnungs- und Schließvorgänge gekennzeichnet ist und auch während der Öff ^¬ nungszeit den Einspritzratenverlauf EV2 konstanter hält. Dies resultiert in einem zeitlich als auch mengenmäßig genaueren Eisprit zvorgang und wirkt sich so sowohl auf das Leistungs ^¬ verhalten als auch auf das Emissionsverhalten des Verbren- nungsmotors aus.