Einspritzeinrichtung und Verfahren zum Einspritzen von Fluid Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung mit einem Steuerventil, einem Stellelement zum Betätigen des Steuer- ventils und einer Einspritzdüse, welche von dem Steuerventil über Druckaufbau bzw. Druckabbau in einem Steuerraum steuer- bar ist, wobei das Steuerventil mindestens zwei Schaltzu- stände hat und sich in einem ersten Schaltzustand des Steuerventils ein erster Druck in dem Steuerraum einstellt, bei dem die Einspritzdüse geschlossen ist, und sich in einem zweiten Schaltzustand des Steuerventils ein zweiter Druck in dem Steuerraum einstellt, bei dem die Einspritzdüse geöffnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ein- spritzen von Fluid, bei dem ein Stellelement elektrisch an- gesteuert wird, das Stellelement ein Steuerventil betatigt, durch die Betatigung des Steuerventils ein Druck in einem Steuerraum aufgebaut oder abgebaut wird und die Einspritz- düse abhängig von dem Druck in dem Steuerraum öffnet oder schließt.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Ver- fahren sind bekannt und kommen bevorzugt bei Speicherein-

spritzsystemen ("Common-Rail") zum Einsatz. Bei der Spei- chereinspritzung sind Druckerzeugung und Einspritzung ent- koppelt. Der Einspritzdruck wird unabhängig von der Mo- tordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt und steht im "Rail" (Kraftstoffspeicher) für die Einspritzung bereit.

Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge werden in einem elek- tronischen Steuergerat berechnet und von der Einspritzein- richtung an jedem Motorzylinder über ein angesteuertes Stellelement umgesetzt. Als Stellelemente werden im allge- meinen Magnetventile und Piezoaktoren eingesetzt. Die Ein- spritzeinrichtung kann somit praktisch kontinuierlich mit dem Druck aus dem Common-Rail von zum Beispiel 1000 bis 2000 bar versorgt werden. Dieser hohe Druck des Fluids wird dann einerseits dazu benutzt, eine Einspritzung mit hohem Ein- spritzdruck vorzunehmen, wobei ein hoher Druck einen positi- ven Einfluß auf die Schadstoffemissionen und den Kraftstoff- verbrauch hat. Zum anderen wird das Fluid auch für den hub- gesteuerten Betrieb des Systems genutzt.

Grundsätzlich ist es nicht zu vermeiden, daß bei hubgesteuerten Einspritzsystemen ein gewisser Anteil des Fluids in ein Lecksystem abgeführt werden muß. Dieses Leck- system steht dann im allgemeinen mit einem Kraftstofftank in Verbindung, so daß die Leckmenge aus der Einspritzeinrich- tung in den Kraftstofftank zurückgeführt werden kann. Im allgemeinen ist es erwünscht die auftretenden Leckmengen zu reduzieren, da diese den Wirkungsgrad des Einspritzsystems verringern und weitere Nachteile, zum Beispiel im Hinblick auf die Leistungsanforderungen der Hochdruckpumpe, mit sich bringen.

Bei der gattungsgemaßen Einspritzeinrichtung treten Leckmen- gen an mehreren Stellen und wahrend mehrerer Funktionszu- stande des Systems auf. Beispielsweise steht die Druckkammer

der Einspritzdüse unter anderem über die Führung der Druck- stange der Einspritzdüse mit dem vorzugsweise unmittelbar an die Druckstange angrenzenden Steuerraum der Einspritzein- richtung in Verbindung. Wird nun der Druck in dem Steuerraum abgebaut, um die Druckstange zu entlasten und ein Öffnen der Einspritzduse zu ermöglichen, kommt es zu einer großen Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum, welcher zur Ent- lastung mit einem Lecksystem in Verbindung steht, und der Druckkammer der Einspritzduse, in welchem der Druck des Com- mon-Rail vorliegt. Es kommt also zu einem Überströmen von Kraftstoff aus der Druckkammer der Einspritzdüse in den Steuerraum und letztlich in das Lecksystem. Die Führungen der Druckstange wirken wie eine Zulaufdrossel (Z-Drossel), was im druckentlasteten Zustand des Steuerraums ein uner- wunschter Nebeneffekt ist. Insbesondere sind für schnelle Schaltvorgänge ohnehin Drosseln (sowohl Zulaufdrosseln als auch Ablaufdrosseln) erforderlich. Hierdurch ist es beson- ders wunschenswert, die Leckmenge wahrend des geöffneten Zu- standes des Steuerventils zu verringern.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Einspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1 baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, daß das Steuer- ventil mindestens einen dritten Schaltzustand hat, in dem sich ein dritter Druck in dem Steuerraum einstellt, welcher zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck liegt und bei dem die Einspritzdüse geöffnet ist. Auf diese Weise wird den Nachteilen des Standes der Technik entgegengetreten.

Wird der Steuerraum durch die Betatigung des Steuerventils druckentlastet, so liegt eine hohe Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum und der Druckkammer der Einspritzduse vor.

Diese ist einerseits erwunscht, damit die Einspritzdüse

schnell öffnet, andererseits bringt sie den Nachteil mit sich, daß große Kraftstoffmengen von der Druckkammer über die Führung der Druckstange der Einspritzdüse in den Steuer- raum und letztlich in das Lecksystem überströmen. Mit der Erfindung ist es nun möglich, einerseits für ein schnelles Offnen der Einspritzdüse zu sorgen, indem nämlich der Steuerraum in der üblichen Weise schnell entlastet wird, dann aber wiederum für einen gewissen Druckaufbau in dem Steuerraum zu sorgen. Dieser Druckaufbau im Steuerraum ver- ringert einerseits die Druckdifferenz zwischen dem Steuer- raum und der Druckkammer der Einspritzdüse und folglich das Überströmen von Fluid in den Steuerraum und in das Leck- system, andererseits kann der Druck jedoch so gewählt wer- den, daß die Einspritzdüse in ihrem geöffneten Zustand bleibt. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß bereits vor dem Schließen der Einspritzdüse ein gewisser Druckaufbau in dem Steuerraum stattgefunden hat, so daß der nachfolgende Druck- aufbau, welcher zum Schließen der Einspritzdüse fuhrt, nur eine geringere Druckdifferenz überwinden muß, was zu einem schnelleren Schließen der Einspritzdüse aufgrund der verrin- gerten Schaltverzögerung fuhrt.

Vorzugsweise ist das Stellelement ein Piezoaktor, welcher durch elektrische Ansteuerung eine Längenänderung erfahrt.

Piezoaktoren haben sich beim Einsatz in Einspritzeinrichtun- gen bewahrt, insbesondere aufgrund ihrer kleinen Bauform und ihrer zuverlassigen Arbeitsweise. Im vorliegenden Fall ist der Einsatz von Piezoaktoren besonders nutzlich, da ihre Längenänderung durch die Parameter der elektrischen An- steuerung (zum Beispiel Spannung, Impulsdauer) in einfacher Weise beeinflußbar ist.

Vorzugsweise hat das Steuerventil einen vierten Schaltzu- stand, in dem sich ein Druck in dem Steuerraum einstellt,

bei dem die Einspritzdüse geschlossen ist. Dies kann die zyklische Arbeitsweise des Steuerventils erleichtern, ins- besondere im Hinblick auf eine Einspritzverlaufsformung und eine Voreinspritzung.

Die Erfindung bringt bei einer solchen Einspritzeinrichtung besondere Vorteile mit sich, bei der der Steuerraum teil- weise von einer Stirnflache einer Druckstange der Einspritz- duse begrenzt ist. Der Steuerraum grenzt also unmittelbar an die Druckstange an, was das Übertreten von Fluid aus der Druckkammer in den Steuerraum bei vorliegender Druckdiffe- renz begünstigt. Die Verringerung der Druckdifferenz hat also bei einem solchen System eine besonders starke Wirkung.

Vorzugsweise ist die Druckstange von elastischen Mitteln mit Kraft beaufschlagt. Diese elastischen Mittel, vorzugsweise eine Spiralfeder, halten die Einspritzdüse sicher in einem definierten Zustand.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung be- steht darin, daß sich das Steuerventil in dem ersten Schalt- zustand in einem ersten Ventilsitz befindet, so daß der Steuerraum von einem Lecksystem getrennt ist, daß sich das Steuerventil in dem zweiten Schaltzustand nicht in einem Ventilsitz befindet, so daß der Steuerraum mit einem Leck- system über einen ersten Strömungsquerschnitt verbunden ist und daß sich das Steuerventil in dem dritten Schaltzustand nicht in einem Ventilsitz befindet, so daß der Steuerraum mit einem Lecksystem über einen zweiten Strömungsquerschnitt verbunden ist, wobei der erste Strömungsquerschnitt größer ist als der zweite Strömungsquerschnitt. Durch die geeignete Wahl der Strömungsquerschnitte des Steuerventils kann in be- sonders einfacher Weise der Druckaufbau in dem Steuerraum gewahlt werden. Beispielsweise kann der erste Stromungsquer-

schnitt der maximal mögliche Strömungsquerschnitt des Steuerventils sein, das heißt, das Steuerventil ist voll- ständig geöffnet. Der zweite Strömungsquerschnitt ist dann kontinuierlich zwischen dem geschlossenen Zustand des Steuerventils (Strömungsquerschnitt 0) und dem vollständig geöffneten Zustand mit maximalem Strömungsquerschnitt ein- stellbar. Der richtige Druckaufbau im zweiten Schaltzustand des Steuerventils läßt sich also über die Charakteristik des Steuerventils ermitteln.

Es kann vorteilhaft sein, wenn sich das Steuerventil in ei- nem vierten Schaltzustand in einem zweiten Ventilsitz be- findet, so daß der Steuerraum von einem Lecksystem getrennt ist. Der Druckaufbau in dem Steuerraum zum Schließen der Einspritzdüse erfolgt also auch bei dieser Variante durch das Schließen des Steuerventils, allerdings über einen zwei- ten Ventilsitz. Bei geeigneter Anordnung des zweiten Ventil- sitzes kann ein Offnen und nachfolgendes Schließen der Ein- spritzduse also durch eine ausschließliche Ausdehnung des Stellelementes erfolgen. Ein nachfolgender (Teil-) Zyklus erfolgt dann durch eine ausschließliche Längenverkürzung.

Vorzugsweise wird der Einspritzdruck von einem Common-Rail erzeugt. Gerade bei diesem System, wo praktisch in der Druckkammer der Einspritzdüse kontinuierlich ein hoher Druck vorliegt ist die Erfindung nützlich. Der hohe Druck in der Druckkammer der Einspritzdüse zieht eine hohe Druckdifferenz zwischen der Druckkammer und dem Steuerraum nach sich. Eine Verminderung dieser Druckdifferenz durch eine Anderung des Druckes im Steuerraum kann die Nachteile aufgrund zu großer auftretender Leckmengen zumindest teilweise beseitigen.

Die Erfindung baut gemaß Anspruch 9 auf dem gattungsgemäßen Vefahren dadurch auf, daß durch das Ansteuern des Stellele-

mentes das Steuerventil zunachst von einem ersten Schaltzu- stand in einen zweiten Schaltzustand von mindestens drei Schaltzuständen gebracht wird, wodurch der Druck in dem Steuerraum abgebaut wird und die Einspritzdüse öffnet, daß durch weitergehendes Ansteuern das Stellelement das Steuer- ventil in einen dritten Schaltzustand von mindestens drei Schaltzuständen gebracht wird, wodurch ein Druck in dem Steuerraum aufgebaut wird und die Einspritzdüse in geoffne- tem Zustand bleibt und daß durch weitergehendes Ansteuern des Stellelementes das Steuerventil in einen weiteren Schaltzustand gebracht wird, in dem ein Druck in dem Steuer- raum weitergehend aufgebaut wird, wodurch die Einspritzdüse schließt. Auf diese Weise wird also nach dem Offnen der Ein- spritzduse, was durch eine Entlastung des Steuerraums er- folgt, der Druck in dem Steuerraum wieder teilweise aufge- baut, ohne daß die Einspritzdüse schließt. Es kann also ei- nerseits der schnelle Druckabbau erfolgen, welcher ein schnelles Offnen der Einspritzdüse ermöglicht ; andererseits wird die Druckdifferenz zwischen der Druckkammer der Ein- spritzduse und dem Steuerraum und somit auch die Leckmenge reduziert.

Es kann bevorzugt sein, daß sich das Steuerventil in dem er- sten Schaltzustand in einem ersten Ventilsitz befindet und daß der weitere Schaltzustand dem ersten Schaltzustand ent- spricht. Das Steuerventil kehrt also zur Beendigung des Ein- spritzvorgangs in seine Ausgangsstellung im ersten Ventil- sitz zurück.

Vorzugsweise befindet sich das Steuerventil in dem weiteren Schaltzustand in einem zweiten Ventilsitz. Somit können durch die Hin-und Herbewegung des Steuerventils zwischen einem ersten und einem zweiten Ventilsitz und eine entspre- chende zwischenzeitliche Positionierung des Steuerventils in

einen teilweise geöffneten Zustand die erfindungsgemäßen Vorteile verwirklicht-werden.

Es ist bevorzugt, daß in dem ersten Schaltzustand des Steuerventils und dem weiteren Schaltzustand des Steuerven- tils der Steuerraum von einem Lecksystem getrennt wird und daß in dem zweiten Schaltzustand des Steuerventils und dem dritten Schaltzustand des Steuerventils der Steuerraum mit dem Lecksystem verbunden wird. Die Druckentlastung des Steuerraums erfolgt also durch die Verbindung des Steuer- raums mit einem Lecksystem, wahrend der Druckaufbau durch eine Entkopplung des Steuerraums von dem Lecksystem statt- findet.

Dabei ist besonders bevorzugt, daß der Strömungsquerschnitt durch das Steuerventil in dem zweiten Schaltzustand des Steuerventils größer ist als in dem dritten Schaltzustand des Steuerventils. Die variable Druckeinstellung in dem Steuerraum wird also über den Strömungsquerschnitt des Steuerventils eingestellt.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß sich die Leckmenge eines Einspritzsystems über die Ver- anderung des Druckes in dem Steuerraum während der Offnungs- phase der Einspritzdüse verringern läßt. Es ist erkannt wor- den, daß der Druck in dem Steuerraum in betrachtlichem Maße dem Common-Rail-Druck in der Druckkammer der Einspritzdüse angeglichen werden kann, so daß zwar einerseits ein Schlie- ßen der Einspritzdüse noch nicht erfolgt, andererseits aber eine wesentlich geringere Strömung von Fluid aus der Druck- kammer in den Steuerraum vorliegt.

Zeichnung Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnung anhand einer speziellen Ausführungsform beispielhaft erlautert.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung in teilweise geschnittener Darstellung ; Figur 2 zeigt drei Diagramme zur Erlauterung des erfindungs- gemäßen Verfahrens ; Figur 3 zeigt ein Diagramm zur Erlauterung der Erfindung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Einspritzeinrichtung teilweise dargestellt. Ein Steuerventil 2 ist von einem nicht dargestellten Stellelement betatigbar, welches ober- halb des Steuerventils 2 angeordnet ist. Das Steuerventil 2 hat einen ersten Ventilsitz 4 und einen zweiten Ventilsitz 6. Das Steuerventil 2 kommuniziert mit einem Steuerraum 8, welcher teilweise von der Druckstange 10 einer Einspritzdüse begrenzt ist. Die Druckstange 10 wird ferner von einer Feder 12 mit Kraft beaufschlagt, um der Einspritzdüse eine defi- nierte geschlossene Position zu vermitteln. In dem darge- stellten Zustand befindet sich das Steuerventil 2 in seinem ersten Ventilsitz 4, so daß der Steuerraum 8 von einem sche- matisch durch eine Leitung angedeuteten Lecksystem 14 ge- trennt ist. Da der Steuerraum 8 mit dem ebenfalls schema- tisch durch eine Leitung angedeuteten Common-Rail 16 in Ver- bindung steht, kann sich in dem dargestellten Zustand des Steuerventils 2 der Common-Rail-Druck in dem Steuerraum 8 ausbilden. Folglich werden die Druckstange 10 und somit die

Einspritzdüse nach unten gedrückt, was die Einspritzdüse in einem geschlossenen Zustand hält. Verläßt nun das Steuerven- til 2 durch eine Betätigung durch das Stellelement seinen ersten Ventilsitz 4, so wird der Steuerraum 8 entlastet.

Folglich kann sich die Druckstange 10 der Einspritzdüse nach oben bewegen. Daher öffnet die Einspritzdüse.

In der nicht dargestellten Druckkammer der Einspritzdüse herrscht praktisch standig Common-Rail-Druck, so auch wah- rend des Einspritzvorganges. Da während des Einspritzvorgan- ges der Steuerraum 8 aber druckentlastet ist, liegt in die- ser Phase eine besonders hohe Druckdifferenz zwischen der Druckkammer und dem Steuerraum 8 vor. Somit kann Fluid über die Führung der Druckstange 10 in den Steuerraum 8 gelangen und das Lecksystem 14 zusätzlich belasten. Diesem Effekt tritt die Erfindung entgegen. Wenn der Steuerraum 8 ent- lastet ist und sich die Druckstange 10 folglich nach oben bewegt hat, wird das Steuerventil 2 teilweise geschlossen, so daß sich zwar in dem Steuerraum 8 der Druck wieder er- hoht, dieser aber unter dem Schließdruck der Einspritzdüse bleibt. Der von der Druckdifferenz begünstigte Leckstrom wird demzufolge vermindert.

Die Hub-und Druckverhältnisse in dem erfindungsgemäßen Ein- spritzsystem werden anhand der Figur 2 naher erlautert. In dem oberen Diagramm (a) ist der Hub des Steuerventils HSTV gegen die Zeit t aufgetragen. In dem mittleren Diagramm (b) ist der Düsenhub HD ebenfalls gegen die Zeit t aufgetragen.

Im unteren Diagramm (c) ist der Druck im Steuerraum PSTR ge- gen die Zeit t aufgetragen. Die drei Diagramme (a), (b) und (c) sind so übereinander angeordnet, daß sich ihre Zeit- achsen t entsprechen.

Vor dem Zeitpunkt ti befindet sich das Steuerventil in sei- nem Sitz. Der Hub des Steuerventils betragt Null. Folglich baut sich in dem Steuerraum ein hoher Druck auf, was dazu fuhrt, daß ebenfalls der Düsenhub Null beträgt. Im Zeitpunkt t, wird nun das Steuerventil betatigt, so daß sein Hub von Null verschieden wird. Dementsprechend wird der Steuerraum entlastet. Nach einer gewissen Zeitverzögerung öffnet eben- falls die Düse. Zum Zeitpunkt t befindet sich die Düse in ihrem vollständig geöffneten Zustand, und es liegt eine weitgehende Entlastung des Steuerraums vor.

In dem oberen Diagramm (a) der Figur 2 ist durch die Kurve (i) dargestellt, wie sich der Hub des Steuerventils gemäß dem Stand der Technik weiterhin verhalt. Das Steuerventil wird schlicht bei seinem maximalen Hub festgehalten, was dazu führt, daß auch der Druck gemäß der Kurve (i) im unte- ren Diagramm (c) aus Figur 2 bei dem eingezeichneten niedri- gen Wert bleibt. Folglich liegt gemaß dem Stand der Technik eine große Druckdifferenz zwischen dem Druckraum der Ein- spritzduse und dem Steuerraum vor.

Der Verlauf des Hubs des Steuerventils gemäß der Erfindung ist in Figur 2a durch die Kurve (ii) dargestellt. Nach dem Zeitpunkt t wird der Hub des Steuerventils verringert, so daß sich der Druck im Steuerraum gemäß der Figur 2c und der dort eingezeichneten Kurve (ii) erhöht. Diese Druckerhöhung erfolgt jedoch nur bis zu einem Druck pc-Ap, wobei pc der Schließdruck der Einspritzdüse ist. Folglich andert sich der Düsenhub aufgrund der Druckerhöhung im Steuerraum nicht, was anhand von Figur 2b zu erkennen ist. Nachfolgend wird der Hub des Steuerventils wieder auf Null zurückgeführt, der Druck im Steuerraum übersteigt den Schließdruck p der Düse,

und der Düsenhub gent folglich auch wieder auf den Wert Null.

Bei der Darstellung in Figur 2 ist zu beachten, daß in Figur 2a tatsachlich der relative Hub des Steuerventils bezuglich seiner Ventilsitze dargestellt ist. Wird beispielsweise ein Steuerventil mit zwei Ventilsitzen verwendet, so kann die erste abfallende Flanke der Kurve (ii) durch eine weitere Bewegung des Steuerventils in die ursprüngliche Richtung oder auch durch eine Bewegungsumkehr herbeigeführt werden.

Diese Zusammenhänge sind nochmals in Figur 3 naher erlau- tert, in welcher der Strömungsquerschnitt Q gegen den abso- luten Hub H'sTV dargestellt ist. Die Größe H'srv ist somit der tatsachliche Hub des Steuerventils aus seinem ersten Ventil- sitz (Sitz 1) und nicht, wie bei Figur 2a, der Relativhub bezuglich eines beliebigen Ventilsitzes. In Figur 3 ist er- kennbar, daß der Strömungsquerschnitt Q durch einen geeignet gewählten Hub H'STV zwischen Null und einem Maximalwert ein- gestellt werden kann. Durch geeignete Ansteuerung des Stell- elementes und entsprechende Längenänderung kann also ein ge- eigneter Hub H'STV und somit auch ein geeigneter Stromungs- querschnitt Q eingestellt werden. Die Einstellung eines re- duzierten Strömungsquerschnittes, beispielsweise Ql, fuhrt dann zu der erfindungsgemäß vorteilhaften Druckerhöhung im Steuerraum gemäß Figur 2c.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele ge- maß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschrankung der Erfindung.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Anderungen und Mo- difikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Aquivalente zu verlassen.