Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen, durch die DE 196 24 001 A1 bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird das von einer Kraftstoffhochdruckquelle versorgte Kraftstoffeinspritzventilglied durch verschiedene an diesem in Öffnungs-und Schließrichtung angreifende hydraulischen Kräfte gesteuert. Es weist ein Einspritzventilglied zur Steuerung einer Einspritzöffnung auf und schließt auf seiner der Einspritzöffnung abgewandten Seite einen Steuerraum ein, der über einen gedrosselten Zuflußkanal von einer Kraftstoffhochdruckquelle mit hohem Kraftstoffdruck versorgt wird und der über das Steuerventil, das von einem Piezoaktor betätigt wird, entlastet werden kann, so daß in diesem Fall durch den an der Druckschulter des Einspritzventilglieds angreifenden hydraulischen Druck und bei dem im Steuerraum fehlenden hydraulischen Hochdruck das Einspritzventilglied geöffnet wird. Umgekehrt wird beim Verschluß des Steuerraums der hohe Kraftstoffdruck im Steuerraum wieder aufgebaut und

das Einspritzventilglied wieder in Schließstellung gebracht.

Bei der bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist das Steuerventil in einem Abflußkanal des Steuerraums angeordnet. Zusätzlich zu der Verbindung vom Hochdruckspeicher zum Steuerraum muß bei der bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung noch eine Verbindung zu dem von der Druckschulter des Einspritzventilglieds begrenzten Druckraum bereitgestellt werden, der ständig unter Hochdruck gehalten wird. Diese bekannte Einrichtung ist aus dem geschilderten Grund aufwendig, da neben der mehrfachen Verbindung zwischen der Kraftstoffhochdruckquelle zum Steuerraum einerseits und zum Druckraum andererseits auch die Zu-und Ablaufquerschnitte zum Steuerraum und die druckausgesetzten Flächen am Einspritzventilglied exakt aufeinander abgestimmt werden müssen.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß mit einfachen Mitteln das Einspritzventilglied des Kraftstoffeinspritzventils schnell und exakt über dem Piezoantrieb für eine Voreinspritzung geöffnet werden kann, danach wieder geschlossen wird, um anschließend für die nachfolgende Haupteinspritzung geöffnet zu werden. Dabei ist es von wesentlichem Vorteil, daß das Steuerventilglied für den gesamten Vorgang nur einmal hin-und herbewegt werden muß. Insbesondere lassen sich über die kurze Phase der Öffnung beider Ventilsitze am Steuerventil bei durchgehender gleichgerichteten Bewegung des Steuerventilgliedes sehr kurze Hochdruckzufuhrzeiten zur Erzielung der Voreinspritzung erreichen.

In besonders vorteilhafter Weise können gemäß Patentanspruch 2 trotz geringer Arbeitshübe eines Piezoaktors mittels einer hydraulischen Übersetzung große Öffnungshübe des Steuerventilglieds erzielt werden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß gemäß Patentanspruch 3 der bei geschlossenem Steuerventilglied an diesem anstehende hohe, von der Kraftstoffhochdruckquelle kommende Kraftstoffdruck ein Kräfteausgleich am Steuerventilglied bewirkt, da gleiche Flächen in beiden Bewegungsrichtungen des Steuerventilglieds gleich groß sind.

Gemäß Patentanspruch 4 kann dabei das Flächenverhältnis der am Steuerventilglied wirkenden Druck ausgesetzten Flächen so gewählt werden, daß das Steuerventilglied vom in der Ausnehmung herrschenden Hochdruck der Kraftstoffhochdruckquelle in Öffnungsrichtung geringfügig mehr belastet wird als in Schließrichtung. Das Schließen erfolgt dabei durch rückstellende Federkräfte am Steuerventilglied.

In einer letzten Ausgestaltung schließlich ist die Druck- beaufschlagung des Steuerventilglieds gemäß Patentanspruch 5 so gewählt, daß der Zulauf der Druckleitung zum Ventilraum koaxial zum Ventilstößel erfolgt, so daß bei an seinem zweiten Ventilsitz anliegenden Ventilkopf die Verbindung zwischen Kraftstoffhochdruckquelle und Ventilraum bzw. zum Druckraum des Kraftstoffeinspritzventils geschlossen ist.

Dabei wird zwar das Steuerventilglied von relativ großen Öffnungskräften beaufschlagt, doch wird die Ventilstößel- bohrung nur vom niedrigen Kraftstoff beaufschlagt, so daß die Leckverluste des Steuerventils gering sind. Die Druckbeaufschlagung auf den Ventilstößel bzw. die diesen

führenden Ventilstößelbohrung erfolgt dabei lediglich während der Verbindung der Druckleitung zum Druckraum, das heißt während der Einspritzphase der Kraftstoffeinspritz- vorrichtung.

Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzvor- richtung mit Kraftstoffversorgung aus einem Kraftstoffhoch- druckspeicher und einem Kraftstoffeinspritzventil eines ersten Ausführungsbeispiels, Figur 2 eine Darstellung der Hubverläufe von Kraftstoffeinspritzventil und Steuerventil- glied des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 und Figur 3 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 mit vertauschten Anschlüssen von der Druckleitung, die vom Kraftstoffhochdruckspeicher zum Kraftstoffeinspritzventil führt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, mit der bei hohen Einspritzdrücken aber mit geringem Aufwand eine große Variation der Kraftstoffeinspritzung bezüglich Einspritz- menge und Einspritzzeitpunkt möglich ist, wird durch ein sogenanntes Common Rail System verwirklicht. Dies stellt eine andere Art von Kraftstoffhochdruckquelle zur Verfügung, aus der eine Kraftstoffeinspritzung erfolgen kann als dies bei den üblichen Kraftstoffhochdruckeinspritzpumpen vorgegeben ist.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Common Rail Einspritzsystem ist als Kraftstoffhochdruckquelle ein Kraftstoff- hochdruckspeicher 1 vorgesehen, der von einer Kraftstoff- hochdruckförderpumpe 2 aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 4 mit Kraftstoff versorgt wird, der auf Einspritzdruck gebracht ist. Der Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher wird von einem Drucksensor 6 erfaßt und als Signal einer elektrischen Steuereinrichtung 8 zugeführt, die über ein Drucksteuerventil 5 dem Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher steuert. Die Steuereinrichtung steuert ferner auch das Öffnen und Schließen von Kraftstoffeinspritzventilen 9, die zur Einspritzung von Kraftstoff aus dem Kraftstoff- hochdruckspeicher versorgt werden.

Dazu führt vom Kraftstoffhochdruckspeicher 1 eine Druck- leitung mit den Teilzweigen 10a, lob zu einem Druckraum 11 im Kraftstoffeinspritzventil, welcher Druckraum 11 das Ende des Kraftstoffeinspritzventilgliedes 12 ringförmig umgibt und bis zu einem Ventilsitz 13 vordringt. Das Einspritz- ventilglied hat dabei im Bereich des Druckraumes 11 eine Druckschulter 14, die durch den Druck des Druckraumes 11 in Öffnungsrichtung des Einspritzventilgliedes 12 entgegen einer auf der Rückseite des Einspritzventilgliedes angreifenden Schließfeder 15 belastet wird. Übersteigen die hydraulischen Kräfte an der Druckschulter 14 die Schließ- kräfte der Schließfeder 15, so hebt das Ventilglied mit seiner Dichtfläche 16 vom Ventilsitz 13 ab und stellt die Verbindung zwischen Druckraum 11 und Einspritzöffnungen 17 her, so daß die Kraftstoffeinspritzung erfolgen kann.

Gesteuert wird diese Kraftstoffeinspritzung durch die Zufuhr von Kraftstoffhochdruck tuber die Druckleitung 10a, 10b zum Druckraum 11. Zu deren Steuerung ist in dieser Druckleitung ein Steuerventil 18 vorgesehen. Dieses weist ein Steuerventilglied 20 auf, mit einem Ventilstößel 21, der in einer Ventilstößelbohrung 22 geführt ist und an seinem Ende einen Ventilkopf 23 aufweist, der innerhalb eines Ventilraumes 24 bewegbar ist. An dem dem Ventilkopf 23 gegenüberliegenden Ende des Stößel 24 trägt dieser einen Federteller 26, zwischen dem und dem Gehäuse eine Schließfeder 27 eingespannt ist, die bestrebt ist, den Ventilkopf mit einer auf der einen Seite desselben befindlichen Ventilkopfdichtfläche 29 an einen entsprechend konisch ausgestalteten ersten Ventilsitz 30 zu bringen. Der erste Ventilsitz 30 befindet sich am Übergang zwischen dem im Durchmesser weiteren Ventilraum 24 zur Stößelbohrung 22.

Auf der dem ersten Ventilsitz 30 gegenüberliegenden Seite des Ventilraums 24 befindet sich ein zweiter, ebenfalls kegelförmiger Ventilsitz 31 am Austritt des Teils lOb der Druckleitung aus dem Ventilraum 24, welcher Druckleitungs- teil 10b zum Druckraum 11 führt. Mit diesem zweiten Ventilsitz 31 wirkt eine zweite Ventilkopfdichtfläche 32 am Ventilkopf 37 zusammen, so daß die Verbindung zwischen dem Ventilraum 24 und der Druckleitung 10b geschlossen ist, wenn das Steuerventilglied 20 vom ersten Ventilsitz entgegen der Kraft der Schließfeder 27 zum zweiten Ventilsitz 31 bewegt wird.

Anschließend an die erste Ventilkopfdichtfläche 29 weist der Stößel 21 eine ringförmige Ausnehmung 33 auf, die bei am ersten Ventilsitz 30 anliegendem Ventilkopf 23 zusammen mit

der Stößelbohrung 22 einen Ringraum 34 einschließt. In diesen mündet der Druckleitungsteil 10a, der vom Kraft- stoffhochdruckspeicher 1 herführt. Ist das Steuerventilglied 20 in der in Figur 1 gezeigten geschlossenen Stellung, so ist die Verbindung zwischen Kraftstoffhochdruckspeicher 1 und Druckraum 11 verschlossen. Die aufgrund der Hochdruckbeaufschlagung des Ringraumes 34 auf das Steuerventilglied 20 wirkenden Kräfte sind in Achsrichtung des Steuerventilglieds im wesentlichen ausgeglichen. Durch entsprechende Gestaltung von erstem Ventilsitz 30 und erster Ventilkopfdichtfläche 29 kann die druckbeaufschlagte Fläche am Steuerventilglied 20, die in Richtung Ventilraum 24 weist, geringfügig größer sein, als die in Richtung Federteller 24 wirkende Fläche am Stößel. Die Schließfeder 27 bringt die zum sicheren Verschließen des Steuerventils 18 notwendige Schließkraft auf, die größer ist als die in Öffnungsrichtung wirkende resultierende hydraulische Kraft.

Dies hat den Vorteil, daß geringe Betätigungskräfte für das Steuerventilglied 20 notwendig sind.

Die Betätigung des Steuerventilglieds 20 erfolgt mittels eines Piezoaktors, dessen Stellglied 36 teilweise in Figur 1 dargestellt ist. Das Stellglied 36 begrenzt mit seiner Stirnseite 37 einen Teil eines geschlossenen Übertragungs- raumes 38, an den ferner eine Stirnseite 39 eines Stößelbe- tätigungskolbens 40 angrenzt, der dicht in einer Führungs- bohrung 41 geführt ist, die sich koaxial an die Ventil- stößelbohrung 22 anschließt. Die Stirnfläche 37 des Stell- glieds 36 ist dabei wesentlich größer als die Stirnseite 39 des Stößelbetätigungskolbens 40. Wird der Piezoaktor durch die Steuereinrichtung 8 erregt und das Stellglied 36 in den Übertragungsraum 38 hineinbewegt, so wird der kleine Hub des

Stellglieds 36 um das Flächenverhältnis der Stirnseiten 37 und 39 in einen größeren Hub des Stößelbetätigungskolbens 40 vergrößert, der entsprechend am Ende des Ventilstößels 21 anliegend das Steuerventilglied 20 zu einem relativ großen Öffnungshub bewegt.

In der Figur 2a und Figur 2b sind die Bewegungen des Steuerventilglieds 20 und des Einspritzventilglieds 12 übereinander dargestellt. Zur Durchführung einer Vorein- spritzung wird der Piezo so erregt, daß der Ventilkopf von seiner Anlage am ersten Ventilsitz 30 abhebt, bis er zur Anlage am zweiten Ventilsitz 31 kommt. Über diese Bewegung hinweg sind die beiden Teilleitungen 10a und 10b der Druckleitung über den Ventilraum 24 miteinander verbunden, so daß Kraftstoffhochdruck in den Druckraum 11 gelangen kann und dort eine Erhebung des Einspritzventilglieds 12 bewirkt.

Dies ist in der Figur 2a mit dem Hub V dargestellt. Der entsprechende Hub des Steuerventilglieds ist in Figur 2b über dem Bereich Vs dargestellt. Am Ende dieses Hubes, das in dem Diagramm mit hvs bezeichnet ist, ist die Verbindung der Druckleitungsteilen 10a und 10b der Druckleitung wieder unterbrochen, was zum Abfall der Einspritzung V gemäß Figur 2a führt. Nach einer Spritzpause P wird dann das Steuerventilglied 20 durch entsprechende Ansteuerung des Piezoaktors derart zurückgeführt, daß der Ventilkopf 23 einen Hub hHS einnimmt, bei dem er sowohl vom ersten Ventilsitz 30 als auch vom zweiten Ventilsitz 31 beabstandet ist und somit die Verbindung der Teilleitungen 10a und 10b der Druckleitung hergestellt hat. Über die Dauer des Verharrens des Steuerventilglieds in dieser Stellung erfolgt dann die Haupteinspritzung H. Schließlich wird zur Beendigung der Haupteinspritzung das Steuerventilglied 20

wieder ganz zurückgeführt, so daß die erste Ventilkopfdichtfläche 29 wiederum dicht am ersten Ventilsitz 30 zur Anlage kommt.

Bei dieser Ausgestaltung des Steuerventilglieds werden nur geringe Schaltkräfte für das Steuerventilglied 20 erforderlich, da es bei Hochdruckbeaufschlagung in der in Figur 1 gezeigten Ausgangsstellung zwischen den Ein- spritzungen im wesentlichen kraftausgeglichen ist.

Allerdings liegt der hohe Kraftstoffdruck am Ventilstößel 21 an, so daß es zu Leckverlusten entlang der Ventilstößelbohrung 22 kommen kann. Es ist für einen entsprechenden Ablauf Sorge zu tragen.

In Figur 3 findet das Steuerventil in der im wesentlichen gleichartigen Ausgestaltung wie bei Figur 1 Anwendung.

Unterschiedlich ist hier lediglich, daß die Druckleitung mit ihrem Druckleitungsteil l0a nicht in den Ringraum 34 mündet, sondern am zweiten Ventilsitz in den Ventilraum 24 einmündet. Der Druckleitungsteil lOb der Druckleitung zeigt dann vom Ringraum 34 ab. Die Steuerung des Steuerventils kann dabei in der gleichen Art und Weise erfolgen, wie beim ersten Ausführungsbeispiel. In der Ausgangsstellung liegt der Ventilkopf 23 mit seiner ersten Ventilkopfdichtfläche 29 am ersten Ventilsitz 30 an, so daß der Ventilraum 24 dem von der Druckleitung 10a zugeführten hohen Druck ausgesetzt ist.

Dieser Druck hält das Ventilschließglied 20 in Schließstellung. Soll eine Voreinspritzung erfolgen, so wird das Steuerventilglied 20 wie zuvor vom ersten Ventilsitz 30 weg, zum zweiten Ventilsitz 31 hinbewegt und es wird dabei die Verbindung zwischen den Druckleitungsteilen 10a und 10b kurzzeitig hergestellt, über eine Zeit, die ausreicht, eine

Voreinspritzung V gemäß Figur 2a auszulösen. Bei Wiederanlage des Ventilkopfes 23 am zweiten Ventilsitz 31 ist dies Voreinspritzung dann beendet und nach einer Pause P wird das Steuerventilglied 20 wie zuvor in eine Zwischenstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 30 und 31 gebracht zur Durchführung der Haupteinspritzung H.

Anschließend wird diese Rückbewegung weitergeführt, bis der Ventilkopf 23 wieder am ersten Ventilsitz 30 anliegt und die Haupteinspritzung beendet.

Bei dieser Ausgestaltung ist die Leckmenge entlang des Ventilstößels 21 reduziert, da dieser nur während der Einspritzphasen vom hohen Kraftstoffdruck beaufschlagt wird.

Allerdings sind größere Betätigungskräfte des Steuerventilglieds erforderlich, was jedoch einfach durch einen Piezoaktor mit Hydraulikübersetzung erzielt werden kann. Die Hydraulikübersetzung ermöglicht dabei vorteilhaft die großen Öffnungshübe hvs.