Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein doppeltschaltendes Steuerventil für einen Injektor eines Kraftstoffeinspritzsystems bereitzustellen, welches die Bemessung kleinster Voreinspritzmengen erlaubt sowie einfach und kompakt aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein

Steuerventil für den Injektor eines Kraftstoffeinspritzsystems für Brennkraftmaschinen mit einem von einem Aktor betätigten Stellglied, wobei das Stellglied und eine Bohrung eines Gehäuses einen radial begrenzten Ringraum bilden, der an seinen Enden eine erste Ausnehmung und eine zweite Ausnehmung aufweist, wobei das Stellglied mittels eines in einer ersten Führungsbohrung geführten Stößels axial verschiebbar ist und Mittel zum Abdichten des Ringraums von der ersten Ausnehmung sowie Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ausnehmung aufweist und wobei der Stößel mittels eines hydraulischen Übersetzers von dem Aktor betätigt wird.

Das erfindungsgemäße Steuerventil hat den Vorteil, dass der hydraulische Übersetzer die Schaltzeiten verkürzt. Der Steuerdruck des Injektors baut eine Vorspannung gegen die Betätigungsrichtung des Aktors auf, so dass der hydraulische Übersetzer erst wirksam wird, wenn er einen entsprechenden Gegendruck aufgebaut hat und sich bereits in Bewegung befindet. In Folge der sehr kurzen Schaltzeiten können auch sehr kleine Voreinspritzmengen bemessen werden.

Außerdem ist das erfindungsgemäße Steuerventil einfach und in Folge dessen kompakt aufgebaut.

Varianten der Erfindung sehen vor, dass die erste Ausnehmung mit einem Kraftstoffrücklauf in Verbindung steht, und dass die zweite Ausnehmung mit einem Steuerraum in Verbindung steht, so dass der Bedarf an Antriebsenergie für den Aktor gering ist, da er nur während der Voreinspritzung Arbeit gegen die auf das Stellglied wirkenden hydraulischen Kräfte verrichten muss. Außerdem wird der Aktor nur auf Druck beansprucht, was insbesondere bei der Verwendung von Piezo-Aktoren von Vorteil ist.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung begrenzen die dem Stellglied abgewandte Stirnseite des Stößels und ein von

dem Aktor betätigter Kolben einen flüssigkeitsgefüllten Druckraum des hydraulischen Übersetzers begrenzen, so dass die Weg-oder Kraftübersetzung einfach und verlustarm erfolgt.

Eine andere Variante sieht vor, dass eine Schließfeder vorhanden ist, die auf das Stellglied entgegen der Betätigungsrichtung des Aktors einwirkt, so dass auch bei fehlendem Druck im Steuerraum das Steuerventil stets eine definierte Schaltstellung und die Dichtwirkung in der Schaltstellung zwischen der Haupteinspritzung und der Voreinspritzung verbessert wird.

In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass dass die Schließfeder in der zweiten Ausnehmung angeordnet ist und sich gegen einen Absatz im Gehäuse und das Stellglied abstützt, so dass der Bauaufwand gering ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Schließfeder in einer an den Steuerraum anschließenden dritten Ausnehmung angeordnet und stützt sich über eine in einer zweiten Führungsbohrung geführte Druckstange gegen das Stellglied und einen in einer Ringnut in der dritten Ausnehmung angeordneten Seeger-Ring ab, so dass die zweite Ausnehmung und der Durchmesser des zweiten Dichtsitzes klein gehalten werden können.

Bei einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass die Schließfeder in einer an den Steuerraum anschließenden dritten Ausnehmung angeordnet ist und sich über eine in einer zweiten Führungsbohrung geführte Druckstange gegen das Stellglied und einen in den Steuerraum ragenden Steuerkolben abstützt, so dass eine Schließfeder mit kleiner Federrate und geringem Durchmesser einsetzbar ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Druckstange mindestens eine in Längsrichtung verlaufende Nut,

Längsbohrung oder sich im Wesentlichen über die Länge der Druckstange erstreckende Abflachung auf, so dass eine hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum und zweiter Ausnehmung besteht. Außerdem kann durch geeignete Dimensionierung der Nut, Längsbohrung oder Abflachung die Funktion der Ablaufdrossel in die Druckstange integriert werden.

Bei einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stellglied einen koaxial zur Längsachse des Stößels angeordneten Bund aufweist, und dass die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ausnehmung und/oder die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der ersten Ausnehmung einen koaxial zur Längsachse des Stößels angeordneten kegelstumpfförmigen Dichtkegel aufweisen, so dass über die gesamte Lebensdauer des Steuerventils eine gute Dichtwirkung erzielt wird.

In Ergänzung der Erfindung ist der zweite Dichtkegel Teil einer koaxial zur Längsachse des Stellglieds angeordneten Hülse sind, so dass die Montage erleichtert und die Hülse auch vom Stößel zentriert wird.

Eine Variante sieht vor, dass die dem Stellglied zugewandte Stirnfläche der Hülse eben ist, und dass die der Hülse zugewandte Stirnfläche des Stellglieds eben ist, so dass die Hülse nicht durch den Steuerkolben, sondern durch den zweiten Dichtsitz zentriert wird und der Dichtkegel der Hülse bestmöglich auf der Dichtfläche im Gehäuse anliegt. Außerdem dichten o. g. Stirnflächen den Ringraum gegen den Steuerraum ab.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dem Steuerkolben zugewandte Stirnfläche der Hülse und die der Hülse zugewandte Stirnfläche des Steuerkolbens kegelstumpfförmig sind, so dass die Hülse von dem Stößel

zentriert wird. Außerdem dichten o. g. Stirnflächen den Ringraum gegen den Steuerraum ab.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Hülse lösbar mit dem Stellglied verbunden ist, so das die Montage vereinfacht wird und auf eine Teilung des Gehäuses verzichtet werden kann.

Eine andere Variante sieht vor, dass das Stellglied kugelförmig ausgebildet ist, und dass die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ausnehmung und/oder die Mittel zum Abdichten des Ringraums von der ersten Ausnehmung auf der Kugeloberfläche verlaufende Dichtlinien sind, so dass ein besonders kompakter und einfacher Aufbau erreicht wird. Außerdem müssen erste Führungsbohrung sowie erster und zweiter Dichtsitz nicht genau fluchten, da sich das kugelförmige Ventilglied selbst zentriert.

Zusätzlich sind zwischen der Bohrung sowie der ersten und der zweiten Ausnehmung Dichtflächen ausgebildet, die mit den Mitteln zum Abdichten des Ringraums von der ersten Ausnehmung und/oder den Mitteln zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ausnehmung zusammenwirken, so dass eine weiter verbesserte Abdichtung erreicht wird.

In Ergänzung der erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse einteilig ausgeführt ist, so dass die Zahl der Dichtflächen verringert wird.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Steuerventil als 2/3-Steuerventil betrieben, so dass die Bemessung kleinster Voreinspritzmengen verbessert wird und gleichzeitig große Haupteinspritzmengen möglich sind.

Bei einer Variante der Erfindung ist der Aktor ein Piezo- Aktor, so dass große Kräfte und ein schnelles Ansprechen

gewährleistet sind.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einspritzsystem ein Common-Rail-Einspritzsystem ist, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Steuerventils auch diesen Einspritzsystemen zugute kommen.

. Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem von einem Steuerventil gesteuerten Steuerraum, wobei das Steuerventil ein von einem Aktor betätigtes Stellglied aufweist, wobei das Stellglied und eine Bohrung eines Gehäuses einen radial begrenzten Ringraum bilden, der an seinen Enden eine erste Ausnehmung und eine zweite Ausnehmung aufweist, wobei das Stellglied mittels eines in einer ersten Führungsbohrung geführten Stößels axial verschiebbar ist und Mittel zum Abdichten des Ringraums von der ersten Ausnehmung sowie Mittel zum Abdichten des Ringraums von der zweiten Ausnehmung aufweist und wobei der Stößel mittels eines hydraulischen Übersetzers von dem Aktor betätigt wird.

Der erfindungsgemäße Injektor hat den Vorteil verkürzter Schaltzeiten. Der Steuerdruck des Injektors baut eine Vorspannung gegen die Betätigungsrichtung des Aktors auf, so dass der hydraulische Übersetzer erst wirksam wird, wenn er einen entsprechenden Gegendruck aufgebaut hat und sich bereits in Bewegung befindet. In Folge der sehr kurzen Schaltzeiten können auch sehr kleine Voreinspritzmengen bemessen werden. Außerdem ist der erfindungsgemäße Injektor einfach und in Folge dessen kompakt aufgebaut.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Es zeigen :

Fig. 1 : einen Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem schematisiert dargestellten Steuerventil ; Fig. 2 : eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils im Schnitt ; Fig. 3 : eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils im Schnitt ; Fig. 4 : eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils im Schnitt ; sowie Fig. 5 : ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs einer Einspritzung.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor dargestellt.

Über einen Hochdruckanschluss 1 wird Kraftstoff über einen Zulaufkanal 5 zu einer Einspritzdüse 7 sowie über eine Zulaufdrossel 9 in einen Steuerraum 11 geführt. Der Steuerraum 11 ist über einen Abflusskanal 12 und eine Ablaufdrossel 13, die durch ein Steuerventil 15 geöffnet werden kann, mit einem Kraftstoffrücklauf 17 verbunden.

Der Steuerraum 11 wird von einem Steuerkolben 19 begrenzt.

An den Ventilkolben 19 schließt eine Düsennadel 21 an, die verhindert, dass der unter Druck stehende Kraftstoff zwischen den Einspritzungen in den nicht dargestellten Brennraum fließt. Die Düsennadel 21 weist eine Querschnittsänderung 23 von einem größeren Durchmesser 25 auf einen kleineren Durchmesser 27 auf. Mit ihrem größeren Durchmesser 25 ist die Düsennadel 21 in einem Gehäuse 29 geführt. Die Querschnittsänderung 23 begrenzt einen Druckraum 31 der Einspritzdüse 7 Bei geschlossener Ablaufdrossel 13 ist die auf eine

Stirnfläche 33 des Ventilkolbens 19 wirkende hydraulische Kraft größer als die auf die Querschnittsänderung 23 wirkende hydraulische Kraft, weil die Stirnfläche 33 des Ventilkolbens 19 größer als die Ringfläche der Querschnittsänderung 23 ist. In Folge dessen wird die Düsennadel 21 in einen Düsennadelsitz 35 gepresst und dichtet den Zulaufkanal 5 zum nicht dargestellten Brennraum ab.

Wenn die nicht dargestellte Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems nicht angetrieben wird, weil der Motor steht, dann schließt eine auf einen Absatz 37 der Düsennadel 21 wirkende Düsenfeder 39 die Einspritzdüse 7 bzw. den Injektor.

Wenn die Ablaufdrossel 13 bzw. das Steuerventil 15 geöffnet wird, sinkt der Druck im Steuerraum 11 und damit die auf die Stirnfläche 33 des Steuerkolbens 19 wirkende hydraulische Kraft. Sobald diese hydraulische Kraft kleiner ist als die auf die Querschnittsänderung 23 wirkende hydraulische Kraft, öffnet die Düsennadel 21, so dass der Kraftstoff 3 durch die nicht dargestellten Spritzlöcher in den Brennraum gelangen kann. Diese indirekte Ansteuerung der Düsennadel 21 über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem ist notwendig, weil die zu einem schnellen Öffnen der Düsennadel 21 benötigten Kräfte mit dem Steuerventil 15 nicht direkt erzeugt werden können. Die dabei zusätzlich zu der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge benötigte sogenannte"Steuermenge"gelangt über die Zulaufdrossel 9, den Steuerraum 11 und das Steuerventil 15 in den Kraftstoffrücklauf 17.

Zusätzlich zur Steuermenge entsteht auch noch an der Düsennadelführung und der Ventilkolbenführung eine Leckage.

Die Steuer-und die Leckagemengen können bis zu 50 mm3/Hub betragen. Sie werden über den Kraftstoffrücklauf 17 wieder

in den nicht dargestellten Kraftstoffbehälter zurückgeführt. Zwischen den Einspritzungen wird die Ablaufdrossel 13 durch das Steuerventil 15 verschlossen.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils. In dem Gehäuse 29 ist eine Bohrung 41 vorgesehen. Koaxial zur Bohrung 41 ist eine erste Führungsbohrung 43 vorhanden. Die Bohrung 41 weist an ihren Enden eine erste Ausnehmung 45 und eine zweite Ausnehmung 47 auf. Das Stellglied 49 weist einen Bund 50 sowie einen ersten Dichtkegel 51 und einen zweiten Dichtkegel 53 auf. Die Bohrung 41 und der Bund 50 bilden einen Ringraum 54.

In der ersten Führungsbohrung 43 ist ein Stößel 55 geführt, der mit dem Stellglied 49 verbunden ist.

Die Bohrung 41 hat einen kleineren Durchmesser als die erste Führungsbohrung 43. Den Übergang zwischen Stößel 55 und Bund 50 bildet ein als erster Dichtkegel 51 ausgeführter Kegelstumpf. Zwischen der Bohrung 41 und der ersten Ausnehmung 50 ist in dem Gehäuse 29 ein erster Dichtsitz 57 ausgebildet, der mit dem ersten Dichtkegel 51 den Ringraum 54 von der ersten Ausnehmung 50 hydraulisch trennen kann. Der zweite Dichtkegel 53 kann zusammen mit einem zwischen Bohrung 41 und zweiter Ausnehmung 51 angeordneten zweiten Dichtsitz 59, den Ringraum 54 von der zweiten Ausnehmung 51 trennen.

Der zweite Dichtkegel 53 ist Teil einer Hülse 61. Die Hülse 61 kann über eine Schweißnaht 62 über einen Zapfen 63 mit dem Bund 50 verbunden sein. Alternativ kann die Hülse 61 auch mit dem Bund durch Schrauben oder eine Nut im Zapfen 63 und einen Seeger-Ring verbunden sein.

In der dargestellten Ausführungsform sind die Stirnfläche

des Bunds 50 und eine entsprechende Stirnfläche 67 der Hülse 61 kegelstumpfförmig, so dass die Hülse zentriert wird. Gleichzeitig findet eine Abdichtung zwischen Hülse 61 und dem den Ringraum 54 bildenden Abschnitt des Stellglieds 47 statt.

Alternativ kann, insbesondere wenn die Hülse 61 mit dem Bund 50 verschraubt ist, die Dichtfläche eben sein, so dass die Hülse 61 nicht von dem Bund 50, sondern von dem zweiten Dichtsitz 59 zentriert wird. Dies wird erleichtert, wenn zwischen dem Zapfen 63 und einer Mittenbohrung 64 der Hülse 61 Spiel vorhanden ist.

In Fig. 2 ist auch zu erkennen, dass die erste Ausnehmung über einen Abflusskanal 12 und eine Ablaufdrossel 13 mit dem Steuerraum 11 in Verbindung steht, und dass die zweite Ausnehmung 51 mit dem Kraftstoffrücklauf 17 in Verbindung steht. Alternativ kann durch eine geeignete Dimensionierung der Ringraum 54 die Funktion der Ablaufdrossel 13 übernehmen.

Betätigt wird das Steuerventil durch einen nicht dargestellten Aktor, der auf den Stößel 55 über einen hydraulischen Übersetzer 69 einwirkt. Der Aktor ist mit einem Kolben 71 verbunden, der Druck auf die in dem Druckraum 73 des Übersetzers 69 befindliche Flüssigkeit ausübt. Wenn der Aktor kann ein Piezo-Aktor ist, kann der Aktor große Kräfte über einen kleine Weg aufbringen. In diesem Fall ist die gezeigte Konstellation des Übersetzer sinnvoll, in der der Kolben 71 eine größeren Durchmesser als der Stößel 55 hat. Wenn der Aktor z. B. elektro- magnetisch wirkt, dass können kleine Kräfte über einen großen Weg übertragen werden. In diesem Fall empfiehlt es sich, den Durchmesser des Kolbens 71 kleiner als den des Stößels 55 zu wählen.

Eine in der ersten Ausnehmung 45 angeordnete Schließfeder 75 stützt sich auf der einen Seite gegen einen Absatz 77 des Gehäuses 29 und auf der anderen Seite gegen die Hülse 61 ab. Durch die SchlieGfeder 75 ist sichergestellt, dass das Stellglied 49 auch bei fehlendem Druck im Steuerraum 11 in die erste Schaltstellung a gebracht wird. Außerdem ist der Aktor nur auf Druck belastet, was insbesondere bei der Verwendung von Piezo-Aktoren wichtig ist, da diese Aktoren nur zuverlässig auf Druck arbeiten.

Das erfindungsgemäße Steuerventil wird idR als 2/3- Steuerventil eingesetzt. In der ersten Schaltstellung a wird die zweite Ausnehmung 47 von dem Ringraum 54 hydraulisch getrennt. In der zweiten Schaltstellung b wird die erste Ausnehmung 45 von dem Ringraum 54 hydraulisch getrennt.

In beiden Schaltstellungen a und b ist der Steuerraum 11 von dem Kraftstoffrücklauf 17 getrennt ; d. h. die Einspritzdüse 7 ist geschlossen. Beim Übergang von erster Schaltstellung a zu zweiter Schaltstellung b ist für kurze Zeit eine hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum 11 und Kraftstoffrücklauf 17 vorhanden ; d. h. der Druck im Steuerraum 11 bricht mindestens teilweise zusammen und die Einspritzdüse 7 öffnet kurzzeitig. Dieses kurzzeitige Öffnen wird für eine Voreinspritzung genutzt. Die Voreinspritzmenge und-dauer kann durch die Auslegung des Aktors und der Ablaufdrossel 13, bzw. des Ringraums 54 mit großer Wiederholgenauigkeit konstruktiv festgelegt werden.

In der dritten Schaltstellung c nimmt das Stellglied 47 eine Zwischenstellung ein, in der erster und zweiter Dichtkegel 51 und 53 nicht auf erstem oder zweitem Dichtsitz 59,59 aufliegen. Diese Schaltstellung c löst die Haupteinspritzung aus.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung

dargestellt. Gleiche Bauteile wurden mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen der Ausführungsform gemäß Fig. 2 und Fig. 3 eingegangen.

Das Stellglied 49 besteht aus einer Kugel 79. Zusammen mit dem ersten und dem zweiten Dichtsitz 57 und 59 ergeben sich einer erste Dichtlinie 81 und eine zweite Dichtlinie 83 auf der Kugel 79. Erste Dichtlinie 81 und zweite Dichtlinie 83 können voneinander verschiedene Durchmesser haben. Dadurch ergeben sich unterschiedliche aus dem Druck im Steuerraum 11 herrührende hydraulische Schließkräfte. Wenn der Stößel 55 und das Stellglied 49 nicht fest miteinander verbunden sind, kann sich das Stellglied 49 unabhängig davon ob die Längsachsen von erstem und zweitem Dichtkegel 51 und 53 sowie der ersten Führungsbohrung 43 zusammenfallen selbst zentrierten, so dass die Dichtwirkung immer gut ist und der Fertigungsaufwand sinkt.

Die Schließfeder 75 ist in einer dritten an den Steuerraum 11 anschließenden dritten Ausnehmung 85 angeordnet. Die Schließfeder stützt sich auf einer Seite über einen Seeger- Ring 87 und eine Scheibe 88 und auf der anderen Seite über eine in einer zweiten Führungsbohrung 89 im Gehäuse 29 geführte Druckstange 91 gegen die Kugel 79 ab. Der Seeger- Ring 87 wiederum ist in einer Ringnut 92 der dritten Ausnehmung 85 angeordnet. Um die hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum 11, bzw. dritter Ausnehmung 85 und zweiter Ausnehmung 47 herzustellen, sind in der Druckstange 91 Abflachungen vorhanden. Alternativ können auch nicht dargestellte Nuten oder Bohrungen in der Druckstange 91 vorgesehen sein. Durch geeignete Dimensionierung der Abflachungen, Nuten oder Bohrungen können diese die Funktion der Ablaufdrossel 13 übernehmen.

Fig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform

bei der sich die Schließfeder auf einer Seite gegen den Ventilkolben 19 abstützt. In Fig. 4 ist auch erkennbar, dass die Bewegung des Ventilkolbens 19 in Richtung der Steuerventils 15 durch einen Hubanschlag 93 derart begrenzt wird, dass stets eine Verbindung zwischen Zulaufdrossel 9 und zweiter Ausnehmung 47 vorhanden ist.

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Hubs 95 der Düsennadel 21 in Abhängigkeit der drei Schaltstellungen a, b und c. In beiden Diagrammen 5a und 5b ist auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Die Ordinate des Diagramms 5a zeigt die Schaltstellungen a, b, und c des Steuerventils, während die Ordinate des Diagramms 5b den Hub 95 der Düsennadel 21 darstellt.

Ausgehend von der ersten Schaltstellung a wird das Steuerventil 15 vom Aktor in die zweite Schaltstellung b bewegt. Während des Übergangs zwischen beiden Schaltstellungen öffnet die Düsennadel 21 ein wenig.

Dadurch wird die Voreinspritzmenge in den Brennraum eingespritzt. Um die Voreinspritzmenge zu erhöhen kann das Steuerventil 15 während der Voreisnpritzung auch kurzzeitig in der dritten Schaltstellung c verharren. Diese Variante ist durch die gestrichelten Linien dargestellt.

Die Haupteinspritzung erfolgt, indem das Steuerventil von der zweiten Schaltstellung b in die dritte Schaltstellung c gesteuert wird. Diese Schaltstellung wird solange aufrecht erhalten, bis die erforderliche Einspritzmenge eingespritzt wurde. Danach wird die Haupteinspritzung beendet, indem das Steuerventil in die erste Schaltstellung a gebracht wird.

Anhand dieses Ablaufs wird auch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Steuerventils deutlich : Der Aktor muss lediglich beim Übergang von der ersten Schalstellung a in die zweite Schaltstellung b Arbeit gegen den Druck im Steuerraum 11 verrichten, so dass der Bedarf an

Antriebsenergie sehr gering ist. Außerdem führt der während dieses Übergangs sinkende Druck im Steuerraum zu einer geringen Leistunganforderung.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.