Das im Gehäuse der Pumpe-Düse-Einheit angeordnete Steuerven- til öffnet und schließt eine Verbindung des Pumpenarbeits- raums mit einem Kraftstoffzufuhrsystem, in dem ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht und das sowohl Kraftstoff der Pum- pe-Düse-Einheit zuführt als auch überschüssigen Kraftstoff aufnimmt. Ist das Steuerventil geöffnet, wird der Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum in das Kraftstoffzufuhrsystem ge- leitet, so daß sich kein Kraftstoffdruck im Einspritzventil aufbauen kann und es somit zu keiner Einspritzung kommt.

Schließt das Steuerventil, so kann sich ein entsprechender Druck aufbauen und Kraftstoff wird in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Auf diese Weise läßt sich der Beginn der Einspritzung und über deren Dauer auch die eingespritzte Kraftstoffmenge steuern. Das Ventilglied wird durch eine Feder in Öffnungsrichtung beaufschlagt und durch eine steuerbare Gegenkraft, die hier durch einen Elektroma- gneten aufgebracht wird, in Schließstellung gehalten. Wird der Elektromagnet abgeschaltet, so drückt die Feder das Ven- tilglied in Öffnungsrichtung und die Verbindung vom Hoch- druck-in den Niederdruckbereich wird geöffnet.

Das Ventilglied des Steuerventils weist bei einem in DE 35 23 536 A1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Ventilsitz und einen in Strömungsrichtung vom Hochdruckbereich in den Nie- derdruckbereich gesehen stromabwärts gelegenen Bereich einen Drosselbund am Ventilglied auf, durch den der Durchflußquer- schnitt in einem gewissen Bereich weitgehend unabhängig vom Hub des Ventilglieds ist. Dadurch kann ein gedrosselter Kraftstofffluß vom Hochdruckraum in den Niederdruckraum ein- gestellt werden.

Dabei weist das bekannte Ventilglied jedoch den Nachteil auf, das beim Öffnen des Ventilglieds auf die Ventildicht- fläche eine hydraulische Kraft wirkt, die sich im Laufe der Öffnungshubbewegung des Ventilglieds zur Öffnungskraft der Feder hinzu addiert. Dadurch ist es schwer, die Gegenkraft des Elektromagneten entsprechend den Erfordernissen so zu regeln, daS das Ventilglied in einer Stellung gehalten wird, in der der Durchfluß von Kraftstoff gedrosselt wird.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Pumpe-Düse-Einheit mit den kennzeich- nenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, daß auf das Ventilglied in der Drosselstel- lung keine zusätzlichen hydraulischen Kräfte wirken, die vom Öffnungsmechanismus ausgeglichen werden müssen. Das Ventil- glied weist einen relativ großen Hubbereich auf, in dem der Durchflußquerschnitt unabhängig vom Hub ist. Der Drossel- spalt ist zwischen einem zylindrischen Abschnitt der Bohrung und dem Ventilglied gebildet und liegt in Flußrichtung des Kraftstoffs vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum gesehen flußaufwärts zum Ventilsitz. Der Kraftstoffstrom wird aus dem Hochdruckraum erst durch diesen Drosselspalt und dann an der Ventildichtfläche vorbei zum Niederdruckraum geleitet, so daß an der Ventildichtfläche bereits ein niedriger Kraft- stoffdruck herrscht. Dadurch wirken keine oder nur unwesent- liche hydraulische Kräfte auf die Ventildichtfläche, die sich der öffnenden Kraft auf das Ventilglied überlagern. Das Ventilglied kann so neben einer geöffneten und einer ge- schlossenen Position auch eine dritte, drosselnde Position leicht beherrschbar anfahren, so daß eine Voreinspritzung mit niedrigerem Druck durch das Einspritzventil möglich wird.

Zeichnung In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungs- gemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung dargestellt. Es zeigt -Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Kraftstoffein- spritzvorrichtung, -Figur 2 eine Vergrößerung der Figur 1 im Bereich eines Steuerventils und -Figur 3 eine schematische Darstellung des vom Steuerven- til aufgesteuerten Durchflußquerschnitts als Funktion des Hubs des Ventilglieds.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Form einer Pumpe-Düse- Einheit gezeigt, wie sie zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, verwendet wird. Die Pum- pe-Düse-Einheit beinhaltet alle für eine Einspritzung not- wendige Komponenten, das ist eine hochdruckerzeugende Pum- peneinheit 39, ein Einspritzventil 1 und ein Steuerventil 11, das den Beginn und das Ende der Einspritzung steuert.

Zur Verdeutlichung ist in Figur 2 eine Vergrößerung der Fi- gur 1 im Bereich des Steuerventils 11 gezeigt. Im folgenden wird zunächst der Aufbau der einzelnen Komponenten erläutert und anschließend ihre Funktion als Teil der Pumpe-Düse- Einheit dargelegt.

Das Einspritzventil 1 umfaßt einen Einspritzventilkörper 2, der im wesentlichen als ein im Durchmesser gestufter Zylin- der ausgebildet ist und mit einem Ende bis in den Brennraum einer in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkraftmaschi- ne ragt. Im Einspritzventilkörper 2 ist eine Sackbohrung 9 ausgebildet, deren geschlossenes Ende dem Brennraum zuge- wandt ist und an welchem Ende wenigstens eine Einspritzöff- nung 7 ausgebildet ist, die die Sackbohrung 9 mit dem Brenn- raum der Brennkraftmaschine verbindet. In der Sackbohrung 9 ist eine Ventilnadel 3 angeordnet, die entgegen der Kraft einer Schließfeder 5 längsverschiebbar ist und die durch ih- re Öffnungshubbewegung die wenigstens eine Einspritzöffnung 7 auf-und steuert. Die Ventilnadel 3 ist von einem im Einspritzventilkörper 2 ausgebildeten Druckraum 8 umgeben, der sich als ein die Ventilnadel 3 umgebender Ringkanal bis zu den Einspritzöffnungen 7 fortsetzt und sich über einen im Einspritzventilkörper 2 ausgebildeten Hochdruckkanal 10 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllen läßt.

Brennraumabgewandt zum Einspritzventilkörper 2 ist ein zy- linderförmiger Ventilkörper 12 angeordnet, der am Einspritz- ventilkörper 2 mit einer Stirnseite anliegt und dessen ande- re, brennraumabgewandte Stirnseite an einem Pumpenkörper 40 zur Anlage kommt, wobei Einspritzventilkörper 2, Ventilkör- per 12 und Pumpenkörper 40 durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung in axialer Richtung gegeneinander verspannt sind. Der im Einspritzventilkörper 2 ausgebildete Hochdruckkanal 10 setzt sich in axialer Richtung durch den gesamten Ventilkörper 12 bis in den Pumpenkörper 40 fort. Im Ventilkörper 12 ist als Teil des Steuerventils 11 in axialer Richtung eine Bohrung 26 ausgebildet, die sich in einen im Durchmesser größeren Dichtungsabschnitt 126 und einen im Durchmesser kleineren und zum Brennraum hin verschlossenen Führungsabschnitt 226 unterteilt, wobei am Übergang der bei- den Abschnitte 126,226 eine als Ventilsitz 22 dienende Ringschulter ausgebildet ist. In der Bohrung 26 ist ein Ven- tilglied 14 angeordnet, das im Dichtungsabschnitt 126 der Bohrung 26 dichtend geführt ist und das sich unter Bildung einer Ventildichtfläche 24 zum Brennraum hin verjüngt und bis in den Führungsabschnitt 226 der Bohrung 26 ragt. Zum brennraumseitigen Ende des Ventilglieds 14 hin vergrößert es sich im Durchmesser erneut und geht in einen Abschnitt 214 über, der im Führungsabschnitt 226 der Bohrung 26 geführt ist. Zwischen dem Ventilglied 14 und dem brennraumseitigen Ende der Bohrung 26 ist eine Feder 27 unter Vorspannung an- geordnet, die das Ventilglied 14 vom Brennraum weg beauf- schlagt.

Den dichtend geführten Abschnitt 114 des Ventilglieds 14 um- gibt ein im Ventilkörper 12 ausgebildeter Hochdruckraum 16, der über eine Verbindungsbohrung 20 mit dem Hochdruckkanal 10 verbunden ist. Das Steuerventil 11 öffnet und schließt die Verbindung zu einem Niederdruckraum 18, der durch die zwischen den Abschnitten 114 und 214 des Ventilglieds 14 ge- bildete Verjüngung des Ventilglieds 14 und dem Führungsab- schnitt 226 der Bohrung 26 gebildet ist. Der Niederdruckraum 18 ist über einen Zulaufkanal 29 mit einem Kraftstoffzufuhr- system 58 verbunden. Das Kraftstoff zufuhrsystem 58 umfaßt einen Tank 66, aus dem über eine Niederdruckleitung 60 Kraftstoff mittels einer Förderpumpe 62 in den Niederdruck- raum 18 gefördert wird. Parallel zur Förderpumpe 62 ist ein Überdruckventil 64 angeordnet, das dafür sorgt, daS Kraft- stoff aus dem Niederdruckraum 18 bei übersteigen eines be- stimmten Schwelldrucks zurück in den Tank 66 fließen kann.

Die brennraumabgewandte Stirnfläche 28 des Ventilglieds 14 ragt bis in einen in einem Pumpenkörper 40 ausgebildeten Steuerraum 30, der mit Kraftstoff gefüllt ist. Über den Kraftstoffdruck im Steuerraum 30 läßt sich eine hydraulische Kraft auf die Stirnfläche 28 des Ventilglieds 14 aufbringen, die der Kraft der Feder 27 entgegen gerichtet ist, so daß sich das Ventilglied 14 in der Bohrung 26 gesteuert durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum 30 in Längsrichtung bewe- gen läßt.

Der Steuerraum 30 ist über eine Verbindungsbohrung 33 mit einem Federraum 38 verbunden, welcher Federraum 38 durch das geschlossene Ende einer Führungsbohrung 37 und die Stirnflä- che eines in der Führungsbohrung 37 dichtend längsverschieb- bar geführten Steuerkolbens 32 begrenzt wird. Der Steuerkol- ben 32 wird von einer im Federraum 38 unter Vorspannung an- geordneten Rückstellfeder 36 beaufschlagt und ist an seiner dem Federraum 38 abgewandten Stirnfläche mit einem Piezoak- tor 34 verbunden, der durch eine geeignete Bestromung seine Ausdehnung ändern und so den Steuerkolben 32 in der Füh- rungsbohrung 37 bewegen kann. Der Steuerkolben 32 verdrängt bei seiner Längsbewegung Kraftstoff aus dem Federraum 38 und preßt den Kraftstoff über die Verbindungsbohrung 33 in den Steuerraum 30, so daß sich dort entsprechend der Druck und damit auch die hydraulische Kraft auf die Stirnfläche 28 des Ventilglieds 14 ändert.

Zwischen dem Ventilsitz 22 und dem Hochdruckraum 16 ist ein Drosselabschnitt 21 in der Bohrung 26 ausgebildet, der ge- genüber dem Dichtungsabschnitt 126 der Bohrung 26 einen noch etwas vergrößerten Durchmesser aufweist. Dadurch ist zwi- schen dem Drosselabschnitt 21 der Bohrung 26 und der Mantel- fläche des Ventilglieds 14 ein enger, als Ringspalt ausge- bildeter Drosselspalt 23 gebildet. Zur Steuerung des Kraft- stoffflusses vom Hochdruckraum 16 zum Niederdruckraum 18 er- gibt sich somit neben der geschlossenen und geöffneten Stel- lung des Ventilglieds 14 eine weitere : Wenn sich die am Übergang vom dichtenden Abschnitt 114 zur Ventildichtfläche 24 gebildete Steuerkante 25 innerhalb des Drosselabschnitts 21 der Bohrung 26 befindet, findet der Kraftstoffstrom vom Hochdruckraum 16 zum Niederdruckraum 18 gedrosselt statt.

Taucht die Steuerkante 25 im Verlauf der Öffnungshubbewegung des Ventilglieds 14 aus dem Drosselabschnitt 21 aus, so er- gibt sich ein freier Fluß von Kraftstoff aus dem Hochdruck- raum 16 in den Niederdruckraum 18.

Trägt man den durch das Ventilglied 14 freigegebenen Durch- flußquerschnitt A gegen den Hub h des Ventilglieds 14 auf, so ergibt sich schematisch das in Figur 3 dargestellte Dia- gramm, wobei der Hub h bei Anlage der Ventildichtfläche 24 am Ventilsitz 22 null sein soll. Zu Beginn der Öffnungshub- bewegung weist der sich zwischen Ventildichtfläche 24 und Ventilsitz 22 bildende Steuerspalt 31 einen kleineren Durch- flußquerschnitt auf als der Drosselspalt 23. Der aufgesteu- erte Durchflußquerschnitt A steigt somit mit dem Hub h an, bis der Durchflußquerschnitt des Steuerspalts 31 den des Drosselspalts 23 erreicht. Ab diesem Punkt steigt die Größe des Durchflußquerschnitts A mit zunehmendem Hub h nur noch leicht an, da der Durchflußquerschnitt A durch den Dros- selspalt 23 bestimmt wird und somit der nachfolgende Steuer- spalt 31 für den Durchflußquerschnitt des Kraftstoffs und damit auch für den Durchflußwiderstand keine große Rolle spielt. Dieser Plateau-Bereich des Hubes h ist in der Figur 3 mit Ah bezeichnet und kennzeichnet den Arbeitsbereich des Steuerventils 11, in dem das Ventilglied 14 einen gegenüber dem sich bei geschlossenem Steuerventil 11 einstellenden Druck verringerten Voreinspritzdruck im Hochdruckkanal 10 aufbaut. Durch den Drosselabschnitt 21 ist der Bereich Ah recht groß, so daß die Ansteuerung des Ventilglieds 14 zur Voreinspritzung zuverlässig geschehen kann, da kein genau bestimmter Hub h angefahren werden muß, sondern nur ein Hub innerhalb des Hubbereichs Ah.

Im Pumpenkörper 40 ist eine im wesentlichen in Längsrichtung des Pumpenkörpers verlaufende Pumpenbohrung 44 ausgebildet, die dem Brennraum zu geschlossen ist und in der ein Pumpen- kolben 42 längsverschiebbar geführt ist. Zwischen der brenn- raumzugewandten Stirnfläche des Pumpenkolbens 42 und dem ge- schlossenen Ende der Pumpenbohrung 44 ist ein Pumpenarbeits- raum 48 gebildet, in den der Hochdruckkanal 10 mündet. Der Pumpenkolben 42 wird über einen in der Zeichnung nicht dar- gestellten Mechanismus, beispielsweise durch eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Nockenwelle, im Einspritz- takt in der Pumpenbohrung 44 in Längsrichtung bewegt, wobei der Pumpenkolben 42 bei der dem Pumpenarbeitsraum 48 zuge- wandten Förderbewegung den Kraftstoff aus dem Pumpenarbeits- raum 48 verdrängt und unter hohem Druck in den Hochdruckka- nal 10 preßt.

Die Funktionsweise der Pumpe-Düse-Einheit ist wie folgt : Zu Beginn der Einspritzung ist der Druck im Steuerraum 30 nied- rig, da der Piezoaktor 34 nicht bestromt ist. Dadurch ist die hydraulische Kraft auf die Stirnfläche 28 des Ventil- glieds 14 kleiner als die Kraft der Feder 27, und das Ven- tilglied 14 liegt mit seiner Stirnfläche 28 an der Wand des Steuerraums 30 an, so daß die Ventildichtfläche 24 vom Ven- tilsitz 22 abgehoben ist. Dadurch ist die Verbindung vom Hochdruckraum 16 zum Niederdruckraum 18 offen, und im Hoch- druckkanal 10 herrscht der von der Förderpumpe 62 erzeugte, niedrige Kraftstoffdruck. Der Pumpenkolben 42 befindet sich in seinem oberen Umkehrpunkt, so daß der Pumpenarbeitsraum 48 sein maximales Volumen aufweist.

Durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Mechanismus wird der Pumpenkolben 42 in den Pumpenarbeitsraum 48 bewegt, so daß er den im Pumpenarbeitsraum 48 befindlichen Kraft- stoff komprimiert und in den Hochdruckkanal 10 verdrängt.

Kurz nach Beginn dieses Förderhubs des Pumpenkolbens 42 wird der Piezoaktor 34 bestromt, so daß er seine Länge ändert und den Steuerkolben 32 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 36 in den Federraum 38 bewegt. Der dadurch aus dem Federraum 38 verdrängte Kraftstoff erhöht den Kraftstoffdruck im Steuer- raum 30, so daß sich die Kraft auf die Stirnfläche 28 des Ventilglieds 14 ebenfalls entsprechend soweit erhöht, daß sie größer wird als die Kraft der Feder 27. Die Bestromung des Piezoaktors 34 wird dabei so geregelt, daß die Steuer- kante 25 in den Drosselabschnitt 21 eintaucht, ohne daß die Ventildichtfläche 24 am Ventilsitz 22 zur Anlage kommt. Der Kraftstoff, der zu Beginn der Förderbewegung des Pumpenkol- bens 42 praktisch ungedrosselt aus dem Hochdruckkanal 10 über den Hochdruckraum 16 in den Niederdruckraum 18 abflie- ßen kann, wird nun durch den Drosselspalt 23 gedrosselt, so daß sich im Hochdruckraum 16 und im Hochdruckkanal 10 ein gewisser Voreinspritzdruck einstellt, der davon abhängt, wie groß die Förderrate des Pumpenkolbens 42 und wie stark die drosselnde Wirkung des Drosselspalts 23 ist. Die Drosselung des Kraftstoffdrucks erfolgt dabei im Drosselspalt 23, so daß der Druck im Kraftstoffstrom zum Niederdruckraum 18 be- reits abgefallen ist, wenn der Kraftstoff die Ventildicht- fläche 24 erreicht. Deshalb ergeben sich nur geringe hydrau- lische Kräfte auf die Ventildichtfläche 24 und damit auch keine schlecht zu kontrollierenden Kräfte in Öffnungsrich- tung auf das Ventilglied 14. Diese zusätzlichen Kräfte müß- ten vom Druck im Steuerraum 30 ausgeglichen werden, was die Zuverlässigkeit des Steuerventils deutlich beeinträchtigen würde. Da so als Öffnungskraft im wesentlichen nur die Kraft der Feder 27 wirkt, kann mit hoher Genauigkeit über den Druck im Steuerraum 30 die Drosselstellung des Ventilglieds 14 angefahren werden.

Der Voreinspritzdruck im Hochdruckkanal 10 und damit auch im Druckraum 8 des Einspritzventils 1 ist mit der Kraft der Schließfeder 5, die die Ventilnadel 3 in der Schließstellung hält, so abgestimmt, daß die hydraulische Kraft auf die Ven- tilnadel 3 ausreicht, die Ventilnadel 3 in Öffnungsstellung zu bewegen und so die Einspritzöffnungen 7 freizugeben. Da der Voreinspritzdruck deutlich unter dem maximalen Ein- spritzdruck liegt, wird nur eine geringe Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt (Voreinspritzung). Zur Hauptein- spritzung erhöht der Steuerkolben 32 durch den Piezoaktor 34 den Druck im Steuerraum 30 weiter, bis das Ventilglied 14 durch die hydraulische Kraft auf die Stirnfläche 28 mit der Ventildichtfläche 24 am Ventilsitz 22 zur Anlage kommt. Da- durch wird die Verbindung des Hochdruckraums 16 zum Nieder- druckraum 18 unterbrochen, und der maximale, vom Pumpenkol- ben 42 erzeugbare Druck wirkt im Hochdruckkanal 10 und im Druckraum 8. Die Einspritzung erfolgt jetzt mit einem deut- lich höheren Einspritzdruck und damit mit einer höheren Ein- spritzrate.

Die Haupteinspritzung kann längsten solange fortgesetzt werden, bis der Pumpenkolben 42 seinen unteren Umkehrpunkt erreicht hat und der gesamte, durch den Pumpenkolben 42 ver- drängbare Kraftstoff in den Hochdruckkanal 10 gefördert ist.

Meist wird die Haupteinspritzung jedoch deutlich vorher be- endet, da zum einen weniger Kraftstoff im Brennraum benötigt wird und zum anderen ein genau definiertes Ende der Ein- spritzung angestrebt wird. Dies geschieht dadurch, daß ge- steuert durch den Piezoaktor 34 der Druck im Steuerraum 30 reduziert wird. Die Kraft der Feder 27 überwiegt jetzt wie- der gegenüber der hydraulischen Kraft auf die Stirnfläche 28 des Ventilglieds 14, und das Ventilglied 14 wird in Richtung auf den Steuerraum 30 bewegt, bis es an der Wand des Steuer- raums 30 zur Anlage kommt. Dadurch wird auch der Hochdruck- kanal 10 über den Hochdruckraum 16 mit dem Niederdruckraum 18 verbunden, so daß auch der Druck im Druckraum 8 abfällt und die Ventilnadel 3 durch die Schließfeder 5 die Ein- spritzöffnungen 7 verschließt. Die Restmenge an Kraftstoff, die der Pumpenkolben 42 nach Beendigung der Einspritzung noch fördert, ehe er den unteren Umkehrpunkt erreicht, wird in die Niederdruckleitung 60 gefördert und von dort über das Überdruckventil 64 in den Tank 66.

Bei der anschließenden Hubförderbewegung des Pumpenkolbens 42 aus seinem unteren zum oberen Umkehrpunkt wird durch die Förderpumpe 62 Kraftstoff durch die Niederdruckleitung 60 und den Zulaufkanal 29 in den Niederdruckraum 18 gepumpt, von wo der Kraftstoff über den Hochdruckraum 16, die Verbin- dungsbohrung 20 und den Hochdruckkanal 10 in den Pumpenar- beitsraum 48 gelangt. Erreicht der Pumpenkolben 42 schließ- lich den oberen Umkehrpunkt, ist der Einspritzzyklus abge- schlossen.

Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung des Ventilglieds 14, des Steuerkolbens 32 und des Pumpenkolbens 44 bezüglich des Einspritzventils 1 ist für die Funktion der Pumpe-Düse- Einheit nicht in dieser Weise erforderlich. Es kann auch vorgesehen sein, eines oder mehrere dieser Elemente-wenn es zweckdienlich sein sollte-in anderer Weise zu orientie- ren. Beispielsweise kann das Ventilglied 14 und damit die Bohrung 26 auch senkrecht zur Längsachse der Düsennadel 3 angeordnet sein.

Neben der in der Zeichnung dargestellten hydraulischen Steuerung der Schließkraft auf das Ventilglied 14 mittels eines Piezoaktors ist es auch möglich, die Schließkraft bei- spielsweise durch einen Elektromagneten auszuüben. Auch muß die Kraft des Piezoaktors 34 nicht über eine hydraulische Umsetzung aufgebracht werden, sondern kann auch direkt auf das Ventilglied 14 wirken.