Kraftstoffeinspritzvorrichtung fur Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen aus der EP 0 657 642 bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung besteht die Kraftstoffhoch- druckquelle aus eine Kraftstoffhochdruckpumpe, die Kraft- stoff aus einem Niederdruckraum in einen Hochdrucksammelraum fördert, der über Druckleitungen mit den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen verbunden ist, wobei das gemeinsame Druck- speichersystem (Common Rail) durch eine Drucksteuerein- richtung auf einem bestimmten Druckniveau gehalten wird. Zur Steuerung der Einspritzzeiten und Einspritzmengen, ist an den Einspritzventilen jeweils ein elektrisch gesteuertes Steuerventil vorgesehen, das mit seinem Öffnen und Schließen die Kraftstoffhochdruckeinspritzung steuert. Dabei ist das Steuerventil bei der bekannten Kraftstoffeinspritzein- richtung als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet, das einen an der Einspritzöffnung des jeweiligen Einspritzventils mündenden Druckkanal mit der von der Hoch-druckquelle abführenden

Einspritzleitung oder mit einer Entlastungsleitung in einen Niederdruckraum verbindet.

Da das 3/2-Wegesteuerventil bei der bekannten Kraftstoff- einspritzeinrichtung direkt vom Stellglied eines Elektro- magneten betätigt wird, weist die bekannte Kraftstoffein- spritzeinrichtung den Nachteil auf, daß der Hub des Ventilglieds des 3/2-Wege-Steuerventils und damit die Steuerwirksamkeit des Ventils begrenzt ist. Mit der be- kannten Kaftstoffeinspritzeinrichtung ist es wegen der Verwendung eines Elektromagneten besonders schwierig, eine hohe Schaltgeschwindigkeit des Steuerventils zu erzielen, insbesondere, wenn mit dieser Einrichtung eine kleine Vor- einspritzmenge und anschließend eine große Haupteinspritz- menge über das Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt werden soll, somit also das Steuerventil für diesen Vorgang zweimal geöffnet und geschlossen werden muß.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß mit Hilfe des Steuerventils ein großer Durchtrittsquerschnitt verwirklicht werden kann, der ein schnelles Öffnen und Schließen des Einspritzventilgliedes ermöglicht und ein kleinbauendes elektrischgesteuertes Vorsteuerventil dazu verwendet wird, das die großen Durchtrittsquerschnitte bereitstellende Steuerventil zu schalten. Dadurch, daß ferner zur Betätigung des Ventilgliedes des Vorsteuerventils ein Piezoantrieb verwendet wird, kann eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit erzielt werden. Eine Erhöhung der

Schaltgeschwindigkeit darüber hinaus ergibt sich für die Verwirklichung einer Voreinspritzung aus der Maßnahme, daß das Vorsteuerventil zwei Ventilsitze aufweist, die im Verlauf des Entlastungskanals des Arbeitsraumes angeordnet sind und die bei einer einzigen Betätigung des Vorsteuer- ventilgliedes im Wechsel geöffnet und geschlossen werden.

Damit wird ohne Zeitverluste durch einen Feldaufbau in einem Elektromagneten bzw. Feldabbau und ohne den hohen Energie- bedarf, der sonst dazu erforderlich wäre, mit einer einzigen Erregung des Piezoantriebs eine Zwischenentlastung des Arbeitsraumes erzielt, die nur noch durch den Weg, den das Vorsteuerventilglied zurücklegen muß, und die Stellge- schwindigkeit des Piezoantriebs bestimmt ist. In Verbindung mit dem durch das Steuerventil steuerbaren sehr großen Quer- schnitt kann man so ein sehr schnelles Schalten des Steuer- ventil realisieren und entsprechend kurze Einspritzmengen steuern. Durch die Eigenschaft des Piezoantriebs mit seinem Stellorgan eine andere, zwischen den Ventilsitzen liegende Stellung einnehmen zu können, kann in hochgenauer Weise auch die Haupteinspritzmenge gesteuert werden.

Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Gesamtdarstellung der Erfindung und Figur 2 eine ausschnittweise Vergrößerung der Darstellung von Figur 1 Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in der Figur 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil 1 weist ein Kraftstoffeinspritzventilglied 2 auf, das mit einem Führungsteil 3 in einer Bohrung 4 eines Kraftstoffeinspritz- ventilgehäuses 5 geführt ist. Am einen Ende des Kraftstoff- einspritzventilglieds weist dieses eine Dichtfläche 6 auf, die auf einem Ventilsitz 7 am Gehäuse zur Anlage bringbar ist und dabei Kraftstoffeinspritzöffnungen 8 von einem Druckraum 9 trennt, der sich in Form eines Ringraumes 10 um das Ende des Kraftstoffeinspritzventilglieds 2 herum bis zum Ventilsitz 7 hin erstreckt. Der Druckraum 9 ist über einen Druckkanal 12 und über ein Steuerventil 15 mit einer Kraftstoffhochdruckquelle 13 verbindbar. In der Kraftstoffhochdruckquelle steht Kraftstoff, der auf Einspritzdruck gebracht ist, ständig zur Verfügung.

Im Bereich des Druckraumes 9 weist das Einspritzventilglied eine Druckschulter 16 auf, über die es bei Druckbeaufschlagung im Druckraum 9 gegen eine an der Rückseite des Kraftstoffein- spritzventilglieds 2 angreifende Schließfeder 17 vom dem Ventilsitz 7 zwecks Einspritzung abgehoben werden kann. Der die Schließfeder 7 aufnehmende rückwärtige Raum 18 ist über einen Entlastungskanal 19 druckentlastet.

Der Raum 18 wird andererseits durch einen Endkolben 21 eines koaxial zum Kraftstoffeinspritzventilglied angeordneten Steuer- ventilglied 23 begrenzt. Dieses ist Teil eines Steuerventils 24, das als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist. Das Steuerventilglied 23 ist dabei in einer Stufenbohrung geführt, deren im Durchmesser kleinerer Teil 26 auch den Raum 18 aufnimmt und den Endkolben 21 dicht führt und deren im Durchmesser größerer Teil 27 einen Kol- benteil 28 des Steuerventilgliedes 23 führt. Der Kolbenteil 28 begrenzt mit seiner Stirnseite 29 einen Arbeitsraum 31 im Kraft- stoffeinspritzventilgehäuse und ist auf seiner der Stirnseite 29

abgewandten Seite mit einer kegelförmig verlaufenden, ersten Dichtfläche 32 versehen, die sich zu einer Durchmesserredu- <BR> <BR> <BR> <BR> zierung 34 verjüngt. Die Durchmesserverengung 34 geht dann unter Bildung einer Steuerkante 46 sich kegelförmig erweiternd in das dem Druckraum 18 abgewandten Ende des Endkolbens 21 über. Die erste Dichtfläche 32 arbeitet mit einem am Übergang des im Durchmesser größeren Stufenbohrungsteil 27 zum im Durchmesser kleineren Stufenbohrungsteil 26 ausge-bildeten ersten Ventilsitz 36 zusammen. Eine Verstellung des Steuerventilgliedes 23 in der anderen Richtung ist durch die Anlage seiner Stirnseite 29 an einer den Arbeitsraum 31 auf der gegenüberliegenden Seite abschließenden Wand 75 begrenzt.

Im Bereich zwischen der Stirnseite 29 und erster Dichtfläche 32 hat der Kolbenteil 28 eine ringförmige Einschnürung 38 und begrenzt dort einen Ringraum 39, der zusammen mit einer Innen- ausnehmung des im Durchmesser größeren Stufenbohrungsteils 27 im Anschluß an den ersten Ventilsitz 36 gebildet wird und der ständig über eine Druckleitung 40 mit der Kraftstoffhochdruck- quelle 13 verbunden ist. Im Kolbenteil 28 ist ein schräg zur Längsachse des Steuerventilgliedes 23 verlaufender Kanal 41 vorgesehen, der die Einschnürung 38 mit dem Arbeitsraum 31 ver- bindet und der zur Seite des Arbeitsraumes 31 eine Durchmesser- begrenzung 42 aufweist, die den Zustrom von durch Kraftstoff aus der Krafstoffhochdruckquelle gebildetem Druckmittel in den Arbeitsraum 31 drosselt bzw. dessen Zuströmrate begrenzt.

In dem im Durchmesser kleineren Stufenbohrungsteil 26 wird zwischen der Wand der Stufenbohrung und der Durchmesser- reduzierung 34 am Steuerventilglied 23 ein Ringraum 45 gebildet, in den der Druckkanal 12 einmündet. In der Wand des Stufen- bohrungsteils 26 ist ferner eine Innenausnehmung 44 vorgesehen

mit einer zum Ventilsitz 36 hin orientierten Begrenzungskante 49, die zusammen mit der Steuerkante 46 des Endkolbens 21 ein Schieberventil bildet. Ferner ist am Endkolben eine Abflachung 47 vorgesehen, die zusammen mit der Wand des im Durchmesser kleineren Stufenbohrungsteil 26 einen Durchflußquerschnitt bildet, der ständig zum Raum 18 offen ist. Zur Seite des Ring- raumes 45 hin ist die Abflachung durch eine horizontale Kante 48 begrenzt, die so liegt, daß in der in der Figur 2 gezeigten Stellung des Steuerventilglieds 23 bei am ersten Ventilsitz 36 anliegender ersten Dichtfläche 32 eine Verbindung zwischen dem Raum 18 über die Abflachung 47 zum Innenausnehmung 44 und damit weiter über den Druckkanal 12 zum Druckraum hergestellt ist. Der Druckraum 9 wird in dieser Stellung des Ventilgliedes 23 entlastet. Diese Verbindung wird erst dann geschlossen wird, wenn die erste Dichtfläche 32 bei einer Axialverschiebung des Steuerventilglieds 23 vom ersten Ventilsitz abgehoben hat, wobei dieser Hub durch die Anlage der Stirnfläche 29 an der abschließenden Wand 75 begrenzt wird. Im Lauf dieser Bewegung überfährt die Steuerkante 46 die Begrenzungskante 49 und verschließt in der Funktion als Schieberventil die Verbindung zwischen Innenausnehmung 44 und Ringraum 45. Bis zu dieser Stellung bleibt die Kante 48 der Abflachung immer unterhalb der Steuerkante46, sodaß sich keine Verbindung zwischen dem Raum 18 und dem Ringraum 45 ergibt und in dieser Stellung der von der Krafstoffhochdruckquelle zum Druckraum 9 geleitete Kraftstoff nicht zum Raum 18 entlastet wird.

Der Arbeitsraum 31 ist über eine Entlastungsleitung 50 entlast- bar, die axial vom Arbeitsraum 31 abführt und eine eine Abfluß- rate begrenzende Durchmesserbegrenzung 51 aufweist. Der Ent- lastungskanal mündet in einen Ventilraum 53 eines Vorsteuer- ventils 55. Im Ventilraum 53 ist ein Schließkörper 56 eines

Ventilglieds 54 des Vorsteuerventils 55 verstellbar, welcher Schließkörper 56 sich am Ende eines Stößels 57 befindet, der in einer Führungsbohrung 58 im Kraftstoffeinspritzventilgehäuse 5 geführt ist. Am Eintritt des Entlastungskanals 50 in den Ventilraum 53 befindet sich ein erster Ventilsitz 60 des Vorsteuerventils, mit dem eine erste Dichtfläche 61 am Schließkörper 56 in einer ersten Verschiebeposition des Schließkörpers 56 zur Anlage kommt und den Abfluß durch den Entlastungskanal 50 verschließt. Auf der der ersten Dichtfläche 61 gegenüberliegenden Seite des Schließkörper 56 weist dieser eine zweite Dichtfläche 62 auf, die zur Seite des Stößels 57 hin in eine Ringnut 63 desselben übergeht. Diese Ringnut begrenzt in der Führungsbohrung 58, die über einen zweiten Ventilsitz 64 in den Ventilraum 53 mündet, einen Ringraum 65, der ständig mit einem weiterführenden Teil 66 des Entlastungskanals 50 verbunden ist. In einer zweiten Stellung des SchlieSkörpers 56 hat dieser mit seiner in Anlage am zweiten Ventilsitz 64 befindlichen zweiten Dichtfläche 62 die Verbindung der Entlastungsleitung 50 aus dem Ventilraum 53 zum weiterführenden Teil 66 der Entlastungsleitung unterbrochen.

Der Schließkörper 56 wird unter Einwirkung einer Stellkraft in Form einer Druckfeder 68 in Schließrichtung mit Anlage seiner zweiten Dichtfläche 62 am zweiten Ventilsitz 64 beaufschlagt.

Hierzu ist die Druckfeder 68 zwischen dem Gehäuse des Kraft- stoffeinspritzventils und einem Federteller 69 am Stößel 57 eingespannt. Auf den Stößel 67 wirkt ein weiterer Kolben 70, der mit seinem anderseitigen Ende einen hydraulischen Raum 71 begrenzt, der andererseits durch einen Stellkolben 72 begrenzt ist, welcher Teil eines Piezoantriebes 73 ist, der hier nicht näher dargestellt ist. Es ist Sorge getragen, daß der hydrau- lische Raum 61 immer gefüllt ist. Er dient zur Stellweg-

Übersetzung derart, daß die Stellfläche des Stellkolbens 72 im Querschnitt größer ist als die Stellfläche des weiteren Kolbens 70, so daß ein kleiner Verstellweg des Stellkolbens 72 einen großen Verstellweg des weiteren Kolbens 70 bewirkt und ent- sprechend ein großer Öffnungshub des Schließkörpers 56 erzielt werden kann. Insbesondere ist damit gewährleistet, daß der Schließkörper 56 sich vom zweiten Ventilsitz 64 zum ersten Ventilsitz 60 bewegen kann und in beiden Positionen ein dichter Verschluß der Entlastungsleitung erzielt wird. Durch den Piezo- antrieb ist es ferner ermöglicht, daß der Schließkörper 56 auch in einer mittleren Stellung verharren kann, bei der der Durch- fluß an beiden Ventilsitzen 60 und 64 offen bleibt und somit eine dauernde Entlastung des Arbeitsraumes 31 über die Ent- lastungsleitung 50 eingestellt werden kann.

Das beschriebene Kraftstoffeinspritzventil arbeitet folgen- dermaßen : In der gezeigten Position des Schließkörpers 56 ist die Entlastungsleitung 50 verschlossen. In diesem Fall kann Kraftstoff, der auf Einspritzdruck gebracht ist, vom Kraftstoff- hochdruckspeicher 13 über den Ringraum 39, den Kanal 41 und die Durchmesserverengung 42 in den Arbeitsraum 31 gelangen und dort ebenfalls einen Druck aufbauen, der dem Druck im Kraftstoff- hochdruckspeicher entspricht. Dieser bewirkt, daß das Steuer- ventilglied 23 in der gezeigten Stellung verharrt, bei der die erste Dichtfläche 32 am ersten Ventilsitz 36 anliegt und somit eine Verbindung zwischen dem Ringraum 39 und dem Ringraum 45 unterbunden ist. Somit kann auch kein Hochdruckkraftstoff von der Druckleitung 40 über den Druckkanal 12 in den Druckraum 9 gelangen und das Kraftstoffeinspritzventilglied 2 in geöffnete Stellung bringen. In diesem Falle erfolgt keine Einspritzung, das Einspritzventilglied 2 ist unter der Einwirkung der Rück- stellkraft in Form der eingespannten Druckfeder 17 in Schließ-

stellung gehalten. Um eine Kraftstoffeinspritzung auszulösen, wird nun der Piezoantrieb 73 erregt und hebt den Schließkörper 56 vom zweiten Ventilsitz 64 ab, so daß der Arbeitsraum 31 entlastet wird. Dies bewirkt, daß das Steuerventilglied 23 unter Einwirkung einer Rückstellkraft, die z. B. eine vom Krafstoff- druck belastete Druckschulter am Schließglied sein kann oder eine nicht weiter gezeigte Feder, verschoben wird derart, daß es mit seiner ersten Dichtfläche 32 vom ersten Ventilsitz 36 abhebt und eine Verbindung zwischen dem Ringraum 39 über die Durch- messerverengung 34 zum Ringraum 45 herstellt und so der Kraft- stoff aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher in den Druckraum 9 über den Druckkanal 12 gelangen kann. Infolgedessen wird das Kraftstoffeinspritzventilglied 2 von seinem Ventilsitz 7 abgehoben, und es erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung. Zur Unterbrechung dieser Kraftstoffeinspritzung bzw. zu deren Beendigung muß der Schließkörper 56 wieder an einen der Sitze 60 oder 64 gelangen. In dem Moment baut sich im Arbeitsraum 31 durch Zufluß von Hochdruckkraftstoff über den Kanal 41 wieder der ursprüngliche hohe Druck auf, so daß das Steuerventilglied 23 zurück auf den ersten Ventilsitz 36 bewegt wird und somit der Zufluß von Kraftstoffhochdruck unterbunden wird. Dies führt zur Beendigung der Einspritzung. In dieser Stellung des Steuer- ventilglieds 23 ist der Ringraum 45 über die Abflachung 47 mit dem Raum 18 verbunden, so daß sich der Druck im Druckraum 9 schnell entspannen kann. Dies unterstützt ein schnelles Schließen des Einspritzventilglieds.

Durch den Piezoantrieb kann der Schließkörper 56 auf unter- schiedliche Art und Weise bewegt werden. In einem ersten Modus kann der Piezoantrieb 73 erregt werden, und es erfolgt eine Bewegung des Schließkörpers 56 vom ersten Ventilsitz 64 weg mit anschließender Entlastung des Arbeitsraumes 31 bei geöffneter

Entlastungsleitung 50,66 und dann ein Wiederanliegen des Schließkörpers 56 mit seiner zweiten Dichtfläche 61 am zweiten Ventilsitz 62 und einem Wiederschließen des Entlastungskanals.

Bei diesem Vorgang wird also der Arbeitsraum 31 kurzzeitig entlastet und daran anschließend der Druck im Arbeitsraum 31 wieder auf den ursprünglichen Wert aufgebaut. Dies hat zur Folge, daß das Steuerventilschließglied 23 eine kurze Bewegung ausführt, indem es ebenfalls kurzzeitig die Verbindung zwischen der Druckleitung 40 und dem Druckkanal 12 herstellt, was eine kurzzeitige Einspritzung auslöst.

Daran anschließend wird das Einspritzventilglied 2 sofort wieder geschlossen, weil auch die Verbindung zwischen Druckleitung 40 und Druckkanal 12 durch das Wiederschließen des Steuerventil- glieds 23 unterbunden wird. Eine solche kurzzeitige Einspritzung ist besonders vorteilhaft zur Erzielung einer Voreinspritzung bei Dieselbrennkraftmaschinen. Für eine nachfolgende Hauptein- spritzung wird der Schließkörper 56 in eine mittlere Stellung zwischen den beiden Ventilsitzen 64 und 60 gebracht, so daß der Arbeitsraum 31 länger entlastet bleibt und entsprechend auch das Kraftstoffeinspritzventilglied 2 längere Zeit von seinem Ven- tilsitz abgehoben ist entsprechend einer dazugehörigen Haupt- kraftstoffeinspritzmenge. Für eine vorgezogene Voreinspritzung mit nachfolgender Haupteinspritzung wird somit der Piezoantrieb 73 so erregt, daß er zunächst den Schließkörper 56 vom zweiten Ventilsitz 64 weg zum ersten Ventilsitz 60 bewegt mit der Folge einer Voreinspritzung. Anschließend wird der Schließkörper 56 zurückgebracht in eine mittlere Stellung und zur Beendigung der Haupteinspritzung schließlich wieder zurück an den zweiten Ventilsitz 64 bewegt. Somit führt der Schließkörper für sowohl eine Voreinspritzung als auch eine Haupteinspritzung lediglich eine einzige Hin-und Herbewegung aus mit entsprechender

niedriger Erregungsenergie für seinen Antrieb bei hoher Schalt- geschwindigkeit. Insbesondere kann aufgrund dieser Konstruktion ohne Massenbewegungsumkehrsenergie eine sehr kurze Einspritzung mit Hilfe eines kleinen Steuerventils gesteuert werden.