Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es beispielsweise aus der Of- fenlegungsschrift DE 100 58 153 AI bekannt ist. Das dort dargestellte Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventil- körper auf, in dem eine Bohrung ausgebildet ist. An ihrem brennraumseitigen Ende wird die Bohrung von einem Ventilsitz begrenzt, in dem eine erste Einspritzöffnungsreihe und eine brennraumseitig zu dieser angeordnete zweite Einspritzöff- nungsreihe ausgebildet sind, wobei die Einspritzöffnungen beider Einspritzöffnungsreihen in den Brennraum der Brenn- kraftmaschine münden. In der Bohrung ist eine Ventilaußenna- del längsverschiebbar angeordnet, die in einem brennraumab- gewandten Abschnitt in der Bohrung geführt ist. Zwischen der Ventilaußennadel und der Wand der Bohrung ist ein Druckraum ausgebildet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. An ihrem brennraumseitigen Ende weist die Ventilaußen- nadel eine Ventildichtfläche auf, mit der sie mit dem Ven- tilsitz zur Steuerung der ersten Einspritzöffnungsreihe zu- sammenwirkt. Mittig entlang ihrer Längsachse verläuft in der Ventilaußennadel eine Innenbohrung, in der eine Ventilinnen- nadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilinnennadel weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine Dichtfläche auf, mit der sie mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und hierbei die Öffnung der zweiten Einspritzöffnungsreihe steuert. Die Öff- nungskraft auf die Ventilinnennadel wird durch Druckbeauf- schlagung einer Druckfläche erzeugt, die nach dem Abheben der Ventilaußennadel vom Kraftstoffdruck des Ringraums be- aufschlagt wird.

Wenn die Ventilaußennadel und die Ventilinnennadel sukzessiv geöffnet werden, fließt nach dem Abheben der Ventilaußenna- del vom Ventilsitz Kraftstoffdruck aus dem Druckraum nach innen und trifft dort auf die Ventilinnennadel, die bis da- hin vom Druckraum getrennt ist. Wird die gesamte Druckfläche der Ventilinnennadel jetzt schlagartig vom Druck im Druck- raum beaufschlagt, so kann es durch diesen Kraftstoß zu ei- nem unerwünschten leichten Abheben der Ventilinnennadel kom- men, ehe dies vom Einspritzverlauf her gewünscht ist. Dies führt zu einer unpräzisen Einspritzung und zu einer Erhöhung der Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn- zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegen- über den Vorteil auf, dass die Ventilinnennadel nicht unkon- trolliert vor dem beabsichtigten Zeitpunkt die ihr zugeord- neten Einspritzöffnungen aufsteuert. Die Öffnungskraft auf die Ventilinnennadel baut sich nach dem Öffnen der Ventilau- ßennadel erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung auf.

Hierzu ist die Druckfläche der Ventilinnennadel über eine Drosselverbindung mit dem Druckraum verbindbar, was zu der genannten Verzögerung beim Aufbau des Öffnungsdrucks führt.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist die Drosselverbindung als Ringspalt zwi- schen der Wand der Innenbohrung und der Ventilinnennadel am brennraumseitigen Ende der Ventilaußennadel ausgebildet.

Diese Ausbildung der Drosselverbindung lässt sich leicht ausbilden und führt darüber hinaus dazu, dass die Ventilin- nennadel nicht in der Innenbohrung der Ventilaußennadel am brennraumseitigen Ende klemmen kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Ventilaußennadel durch eine radiale Erweiterung der Innen- bohrung eine Druckkammer gebildet, in der die Druckfläche der Ventilinnennadel angeordnet ist und die durch die Dros- selverbindung mit dem Druckraum verbindbar ist. Durch die Ausbildung der Druckkammer lässt sich die Größe der Druck- fläche der Ventilinnennadel in größeren Bereichen einstel- len, um die gewünschte Öffnungskraft zu erhalten. Weiter ist es bei dieser Ausgestaltung vorteilhaft, in der Druckkammer an der Ventilaußennadel eine Gegendruckfläche anzuordnen, die vom Kraftstoffdruck in der Druckkammer beaufschlagt wird und die der Ventildichtfläche der Ventilaußennadel entgegen gerichtet ist. Dies weist den Vorteil auf, dass bei der Öff- nungshubbewegung der Ventilaußennadel der volle Kraftstoff- druck des Druckraums an der Ventildichtfläche der Ventilau- ßennadel anliegt, während in der Druckkammer noch ein nied- riger Druck herrscht, so dass sich kein Gegendruck auf die Gegendruckfläche ergibt. Bei der Schließbewegung hingegen hat sich in der Druckkammer der Einspritzdruck des Druck- raums aufgebaut, so dass die Gegendruckfläche der Ventilau- ßennadel beaufschlagt wird und die hydraulische Kraft auf die Ventildichtfläche der Ventilaußennadel teilweise kompen- siert. Dadurch vermindert sich die Kraft in Öffnungsrichtung auf die Ventilaußennadel, was die Schließbewegung der Ven- tilaußennadel beschleunigt und so die Schaltzeit entschei- dend verringert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstan- des der Erfindung ist zwischen der Wand der Innenbohrung und der Ventilinnennadel ein Rücklaufkanal ausgebildet, der in einen im Kraftstoffeinspritzventil ausgebildeten Leckölraum mündet, in dem ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Über diesen Rücklaufkanal lässt sich die Druckkammer einfach ent- lasten, so dass nach beendeter Einspritzung der Kraftstoff- druck in der Druckkammer auf den Druck des Leckölraums ab- sinkt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge- genstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.

Zeichnung In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffein- spritzventil dargestellt. Es zeigt Figur 1 ein Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt, Figur 2 eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Aus- schnitts von Figur 1 im Bereich des Ventilsit- zes, Figur 3 und Figur 4 denselben Ausschnitt wie Figur 2 in unterschied- lichen Öffnungsphasen des Kraftstoffeinspritz- ventils und Figur 5 dieselbe Ansicht wie Figur 4 eines geänderten Ausführungsbeispiels.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzven- til im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzven- til weist einen Ventilkörper 1 auf, der mittels einer Spann- mutter 3 gegen einen in der Zeichnung nicht dargestellten Ventilhaltekörper gepresst wird. Im Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 5 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 18 begrenzt wird. Vom Ventil- sitz 18 geht eine erste Einspritzöffnungsreihe 20 und eine zum Brennraum hin angeordnete zweite Einspritzöffnungsreihe 22 ab. In Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in der Brennkraftmaschine münden beide Einspritzöffnungsreihen 20, 22 in den Brennraum der Brennkraftmaschine. In der Bohrung 5 ist eine kolbenförmige Ventilaußennadel 8 angeordnet, die in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung 5 ge- führt ist. Zum Ventilsitz 18 hin verjüngt sich die Ventilau- ßennadel 8 unter Bildung einer Druckschulter 12 und geht an ihrem brennraumseitigen Ende in eine Dichtfläche 25 über.

Zwischen der Ventilaußennadel 8 und der Wand der Bohrung 5 ist ein Druckraum 14 ausgebildet, der auf Höhe der Druck- schulter 12 radial erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 14 mündet ein im Ventilhaltekörper 1 verlau- fender Zulaufkanal 16, der von einer Kraftstoffhochdruck- quelle Kraftstoff unter hohem Druck dem Druckraum 14 zu- führt. Die Ventilaußennadel 8 weist eine Innenbohrung 11 auf, in der eine Ventilinnennadel 10 längsverschiebbar ge- führt ist. Die Ventilinnennadel 10 weist an ihrem brennraum- seitigen Ende eine Dichtfläche 42 auf, mit der sie, ebenso wie die Ventilaußennadel 8 mit ihrer Dichtfläche 35, am Ven- tilsitz 18 aufliegt. Die Ventilaußennadel 8 und die Venti- linnennadel 10 werden an ihrem brennraumabgewandten Ende je- weils separat von einer Schließkraft beaufschlagt, die die jeweilige Ventilnadel 8,10 in Richtung des Ventilsitzes 18 drückt. Die Schließkraft kann hierbei beispielsweise über Federn oder über hydraulische Vorrichtungen erzeugt werden.

In Figur 2 ist eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1 dargestellt. Die Ventilaußennadel 8 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine Konusfläche 24 und eine sich daran anschließende, ebenfalls konische Ven- tildichtfläche 35 auf. Durch den unterschiedlichen Öffnungs- winkel der Konusfläche 24 und der Ventildichtfläche 35 ist an deren Übergang eine erste Dichtkante 36 ausgebildet, die zur Abdichtung des Druckraums 14 gegen die erste Einspritz- öffnungsreihe 20 dient, wenn die Ventilaußennadel 8 am Ven- tilsitz 18 anliegt. Die konische Ventildichtfläche 35 weist einen Öffnungswinkel auf, der geringfügig kleiner ist, als der Öffnungswinkel des konischen Ventilsitzes 18. Dadurch kommt bei der Schließbewegung der Ventilaußennadel 8 auf den Ventilsitz 18 zu zuerst das brennraumseitige Ende der Ven- tildichtfläche 35 am Ventilsitz 18 zur Anlage, wobei dieses Ende als zweite Dichtkante 38 ausgebildet ist. Erst nach ei- ner leichten Verformung der Ventildichtfläche 35 kommt auch die erste Dichtkante 36 am Ventilsitz 18 zur Anlage, so dass die erste Einspritzöffnungsreihe 20 sowohl gegen den Druck- raum 14, als auch gegenüber dem Bereich des Ventilsitzes 18, der sich stromabwärts der ersten Einspritzöffnungsreihe 20 befindet, abdichtet. Damit eine ausreichende Anpresskraft an der ersten Dichtkante 36 und der zweiten Dichtkante 38 ge- währleistet ist, ist zwischen diesen beiden Dichtkanten 36, 38 eine Ringnut 40 an der Ventildichtfläche 35 ausgebildet, die auf Höhe der ersten Einspritzöffnungsreihe 20 verläuft.

Die Tiefe der Ringnut 40 ist gering, da sich ein großes Vo- lumen in diesem Bereich ungünstig auf die Kohlenwasserstoff- emissionen der Brennkraftmaschine auswirkt.

Die Ventilinnennadel 10 ist mit einem gewissen Spiel in der Innenbohrung 11 angeordnet, so dass zwischen der Ventilin- nennadel 10 und der Wand der Innenbohrung 11 ein Rücklaufka- nal 28 ausgebildet ist, der einen kreisringförmigen Quer- schnitt aufweist und am brennraumabgewandten Ende der Ven- tilnadeln 8,10 in einen in der Zeichnung nicht dargestell- ten Leckölraum mündet, in dem stets ein niedriger Kraft- stoffdruck vorhanden ist.

Im brennraumseitigen Endbereich weist die Ventilinnennadel 10 einen Führungsabschnitt 25 auf, der eine radiale Erweite- rung der Ventilinnennadel 10 darstellt und für eine Führung der Ventilinnennadel 10 in der Innenbohrung 11 sorgt. Zum brennraumseitigen Ende der Ventilinnennadel 10 hin verjüngt sich der Führungsabschnitt 25 unter Bildung einer Druck- schulter 30 und geht am brennraumseitigen Ende in eine koni- sche Dichtfläche 42 über. Am Übergang der Ventilinnennadel 10 zur Dichtfläche 42 ist eine umlaufende Dichtkante 44 aus- gebildet, die in Schließstellung der Ventilinnennadel 10, d. h. wenn diese in Anlage am konischen Ventilsitz 18 ist, an diesem zur Anlage kommt. Dadurch wird die zweite Einspritz- öffnungsreihe 22 gegen den Druckraum 14 verschlossen, so dass kein Kraftstoff aus der zweiten Einspritzöffnungsreihe 22 austreten kann.

Die Innenbohrung 11 der Ventilaußennadel 8 verjüngt sich zu ihrem brennraumseitigen Ende hin unter Bildung einer Ring- schulter 34, die so angeordnet ist, dass sie der Druckschul- ter 30 der Ventilinnennadel 10 gegenüberliegt. Durch die Druckschulter 30, die Ringschulter 34, die Wand der Innen- bohrung 11 und die Ventilnadel 10 wird eine Druckkammer 27 begrenzt, die über einen Ringspalt 32 mit dem Ventilsitz 18 verbunden ist, wobei der Ringspalt 32 zwischen der Ventilin- nennadel 10 und der Innenbohrung 11 verläuft. Über einem Restspalt 48 zwischen dem Führungsabschnitt 25 und der Wand der Innenbohrung 11 ist die Druckkammer 27 darüber hinaus gedrosselt mit dem Rücklaufkanal 28 verbunden.

Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt : Bei Kraftstoffeinspritzsystemen, die nach dem soge- nannten Common Rail-Prinzip arbeiten, liegt im Druckraum 14 stets ein hoher Kraftstoffdruck an, der dem Einspritzdruck entspricht. Auf die Ventilaußennadel 8 und die Ventilinnen- nadel 10 wirkt jeweils eine Schließkraft, die so groß ist, dass beide Ventilnadeln 8,10 in Anlage am Ventilsitz 18 gehalten werden, wodurch die Einspritzöffnungsreihen 20,22 verschlossen sind. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffein- spritzventil wird zuerst nur ein Teil der Kraftstoffein- spritzöffnungen aufgesteuert und erst im weiteren Verlauf der Einspritzung sämtliche Einspritzöffnungen. Hierzu wird die Schließkraft auf die Ventilaußennadel 8 reduziert, so dass die hydraulischen Kraft auf die Druckschulter 12 und auf die Konusfläche 24 der Ventilaußennadel 8 größer ist als die Schließkraft. Hierdurch bewegt sich die Ventilaußennadel 8 vom Ventilsitz 18 weg, so dass jetzt Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zur ersten Einspritzöffnungsreihe 20 fließen kann, von wo der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraft- maschine eingespritzt wird. Die Ventilinnennadel 10 wird durch die Schließkraft und durch das Fehlen einer entspre- Öffnungskraft in ihrer Schließstellung gehalten.

Durch das Abheben der Ventilaußennadel 8 vom Ventilsitz 18 strömt der Kraftstoff jetzt auch durch den Ringspalt 32 in die Druckkammer 27, wobei der Ringspalt 32 so weit drosselt, dass der Druckanstieg in der Druckkammer 27 nur mit einer gewissen Verzögerung geschieht. Mit zunehmendem Kraftstoff- druck in der Druckkammer 27 baut sich eine hydraulische Kraft auf die Druckschulter 30 auf, die der Schließkraft auf die Ventilinnennadel 10 entgegen gerichtet ist. Sobald die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 30 die Schließkraft auf die Ventilinnennadel 10 übersteigt, öffnet auch die Ven- tilinnennadel 10 und hebt mit ihrer Dichtkante 44 vom Ven- tilsitz 18 ab, so dass jetzt auch Kraftstoff durch die zwei- te Einspritzöffnungsreihe 22 in den Brennraum eingespritzt wird. Dieser geöffnete Zustand, der in Figur 4 dargestellt ist, wird solange aufrecht erhalten, bis die gewünschte Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt ist. Zum Schließen des Kraftstoffeinspritzventils werden die Schließ- kräfte auf die Ventilinnennadel 10 und die Ventilaußennadel 8 erhöht, bis diese Schließkräfte höher sind als die hydrau- lischen Kräfte durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 14.

Sowohl die Ventilaußennadel 8, als auch die Ventilinnennadel 10 gleiten zurück in ihre Schließstellung am Ventilsitz 18 und verschließen beide Einspritzöffnungsreihen 20,22 wie- der. Beim Aufsetzen der Ventilaußennadel 8 auf dem Ventil- sitz 18 kommt zuerst die zweite Dichtkante 38 und anschlie- ßend die erste Dichtkante 36 am Ventilsitz 18 zur Anlage, so dass die erste Einspritzöffnungsreihe 20 sowohl zum Druck- raum 14 als auch zur zweiten Einspritzöffnungsreihe 22 abge- dichtet ist. Nach dem Aufsetzen der Ventilaußennadel 8 auf dem Ventilsitz 18 ist die Druckkammer 27 vom Druckraum 14 getrennt. Der noch immer hohe Kraftstoffdruck in der Druck- kammer 27 wird jetzt durch den Drosselspalt zwischen dem Führungsabschnitt 25 und der Wand der Innenbohrung 11 all- mählich über den Rücklaufkanal 28 entlastet, so dass sich in der Druckkammer 27 der niedrige Kraftstoffdruck des Lecköl- raums einstellt, bis die nächste Einspritzung des Kraft- stoffeinspritzventils erfolgt.

Die Ausbildung der Druckkammer 27 weist darüber hinaus einen weiteren Vorteil auf. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Ven- tilaußennadel 8 hängt, neben der Masse der Ventilaußennadel 8, von den angreifenden Kräften ab, bei gegebener Schließ- kraft also von der druckbeaufschlagten Fläche der Ventilau- ßennadel 8. Zu Beginn der Öffnungshubbewegung ist dies die Druckschulter 12 und die Konusfläche 24. Hat die Ventilau- ßennadel 8 vom Ventilsitz 18 abgehoben, kommt noch die hyd- raulische Kraft auf die Dichtfläche 35 hinzu. Die Ringschul- ter 34 wirkt dem nur sehr gering entgegen, da der Kraft- stoffdruck in der Druckkammer 27 zu Beginn der Öffnungshub- bewegung nur gering ist, so dass diese Kraft vernachlässig- bar ist. Die Ventilaußennadel 8 öffnet deshalb sehr schnell, was für rasch aufeinander folgende Einspritzungen unerläss- lich ist. Bei Beendigung der Einspritzung ist in der Druck- kammer 27 ein hoher Kraftstoffdruck vorhanden, der jetzt auch eine entsprechende hydraulische Kraft auf die Ring- schulter 34 ausübt. Diese Kraft kompensiert zum Teil die hydraulische Kraft auf die Dichtfläche 35, so dass die jetzt wieder erhöhte Schließkraft auf die Ventilaußennadel 8 wegen der geringeren Gegenkraft die Ventilaußennadel 8 schneller in ihre Schließstellung zurück befördert, wodurch auch die Schließbewegung beschleunigt wird. Durch das schnellere Öff- nen und Schließen der Ventilaußennadel 8 lassen sich rasch aufeinanderfolgende Einspritzungen problemlos realisieren.

Durch die vom Ventilsitz 18 beabstandete Druckschulter 30 der Ventilinnennadel 10 ergibt sich darüber hinaus auch die Möglichkeit, die Ventilaußennadel 8 im Bereich der Dichtflä- che 35 zu verstärken, was zu einer Verminderung des Ver- schleißes durch eine größere Auflagefläche der Ventilaußen- nadel 8 am Ventilsitz 18 führt.

Figur 5 zeigt dieselbe Ansicht wie Figur 4 eines weiteren Ausführungsbeispiels. Die Verbindung der Druckkammer 27 mit dem Rücklaufkanal 28 ist hier nicht oder nicht nur über den zwischen dem Führungsabschnitt 25 und der Wand der Innenboh- rung 11 ausgebildeten Restspalt 48 hergestellt, sondern über mehrere Anschliffe 46, die am Führungsabschnitt 25 seitlich ausgebildet sind. Durch diese Anschliffe 46 kann der Durch- flussquerschnitt optimiert werden, um einen raschen Druckab- fall nach Beendigung der Einspritzung zu erreichen und gleichzeitig eine präzise Führung der Ventilinnennadel 10 in der Innenbohrung 11 zu gewährleisten. Die Anschliffe 46 sind hierbei nur sehr flach ausgebildet, vorzugsweise 5-20 um.

Der Restspalt 48 kann hier beliebig klein gewählt werden, solange keine übermäßige Reibung zwischen der Ventilinnenna- del 10 und der Wand der Innenbohrung 11 auftritt, da der Durchfluss des Kraftstoffs über die Anschliffe 46 sicherge- stellt ist. Damit sich nach wie vor ein Druckaufbau in der Druckkammer 27 ergibt, ist der Durchflussquerschnitt der An- schliffe 46 geringer als der Durchflussquerschnitt des Ring- spalts 32.