Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus wie es aus der DE 30 36 583 Al be- kannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf, in dem eine Bohrung ausgebildet ist. Die Bohrung wird an ihrem brennraumseitigen Ende von einem Ven- tilsitz begrenzt, von dem mehrere Einspritzöffnungen abge- hen, die in einer äußeren und einer inneren Einspritzöff- nungsreihen angeordnet sind und in Einbaulage des Kraft- stoffeinspritzventils in einer Brennkraftmaschine die Ein- spritzöffnungen in den Brennraum münden. In der Bohrung des Ventilkörpers ist eine Ventilaußennadel längsverschiebbar angeordnet, die in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung geführt ist. Zwischen der Ventilaußennadel und der Wand der Bohrung verbleibt ein Druckraum, der mit Kraft- stoff unter Druck befüllt werden kann. Die Ventilaußennadel wirkt mit ihrem brennraumzugewandten Ende mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der äußeren Einspritzöffnungsreihe zusammen, so dass entweder Kraftstoff aus dem Druckraum über diese Einspritzöffnungen in den Brennraum eingespritzt wird, oder die Verbindung vom Druckraum zu den Einspritzöffnungen unterbrochen ist.

Die Ventilaußennadel weist eine Längsbohrung auf, in der ei- ne Ventilinnennadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilinnennadel wirkt ebenfalls mit ihrem brennraumseitigen Ende mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der inneren Einspritzöffnungsreihe zusammen, so dass bei geöffneter Ven- tilaußennadel durch die Ventilinnennadel die Öffnung der in- neren Einspritzöffnungsreihe gesteuert werden kann, so dass, je nach Ansteuerung der Ventilnadeln, nur durch eine oder durch beide Einspritzöffnungsreihen Kraftstoff in den Brenn- raum eingespritzt wird.

Die Ventilinnennadel wird in zwei Führungsabschnitten in der Längsbohrung der Ventilaußennadel geführt. Der erste Füh- rungsabschnitt ist hierbei brennraumabgewandt zum zweiten Führungsabschnitt angeordnet, so dass zwischen den Führungs- abschnitten, begrenzt durch die Ventilinnennadel und die Wand der Längsbohrung, ein Ringspalt ausgebildet ist. Die beiden Führungsabschnitte dienen dazu, ein Verkanten der Ventilinnennadel zu verhindern bei gleichzeitig exakter Füh- rung in der Längsbohrung. Die Öffnung der Ventilinnennadel erfolgt entgegen einer Schließkraft durch hydraulische Be- aufschlagung einer Ventildichtfläche, die am brennraumzuge- wandten Ende der Ventilinnennadel ausgebildet ist. Nachdem die Ventilaußennadel vom Ventilsitz abgehoben hat, wird die- se Ventildichtfläche der Ventilinnennadel vom Kraftstoff- druck des Druckraums beaufschlagt und führt so zu einer Öff- nungskraft auf die Ventilinnennadel, worauf diese ihrerseits vom Ventilsitz abhebt und die innere Einspritzöffnungsreihe freigibt.

Um eine Einspritzverlaufsformung zu erreichen, also zu Be- ginn der Einspritzung nur die äußere Einspritzöffnungsreihe aufzusteuern und erst nach einer gewissen Zeit auch die in- nere Einspritzöffnungsreihe, darf die Ventilinnennadel erst mit einer gewissen Verzögerung öffnen. Beim bisher bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist dies jedoch nur begrenzt der Fall, da die Ventildichtfläche sofort nach dem Abheben der Ventilaußennadel vom Kraftstoffdruck des Druckraums beauf- schlagt wird und sich dadurch sofort in Bewegung setzt. Für ein stärker verzögertes Öffnen der Ventilinnennadel müsste die Schließkraft gezielt gesteuert werden, was sehr aufwen- dig und damit in der Regel zu teuer ist.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kenn- zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegen- über den Vorteil auf, dass unter Einsatz von baulich einfa- chen Mitteln die Ventilinnennadel zeitverzögert gegenüber der Ventilaußennadel vom Ventilsitz abhebt. Hierzu ist der Ringraum, der zwischen der Ventilinnennadel und der Wand der Längsbohrung ausgebildet ist, über eine Drosselverbindung mit dem Druckraum verbindbar, wobei der Durchmesser des ers- ten Führungsabschnitts größer als der Durchmesser des zwei- ten Führungsabschnitts ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich durch den Druck im Ringraum eine resultierende Kraft auf die Ventilinnennadel ergibt, die vom Ventilsitz weggerichtet ist. Erst wenn die hydraulischen Kräfte im Ringraum und die hydraulische Kraft auf eine entsprechende Fläche am brennraumseitigen Ende der Ventilinnennadel zusam- menwirken, öffnet die Ventilinnennadel.

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

In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung wird die Dros- selverbindung durch den zwischen dem zweiten Führungsab- schnitt der Ventilinnennadel und der Wand der Längsbohrung verbleibenden Ringspalt gebildet. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Drosselverbindung erst durch das Abhe- ben der Ventilaußennadel vom Ventilsitz mit dem Druckraum verbunden wird, so dass es erst dann zu einem Zufluss von Kraftstoff aus dem Druckraum in den Ringraum kommt und damit zu einer Erhöhung des Drucks im Ringraum. Vorzugsweise weist hierbei der Ringspalt, der zwischen dem zweiten Führungsab- schnitt. und der Längsbohrung verbleibt, einen kleineren Durchflusswiderstand auf als der Ringspalt zwischen dem ers- ten Führungsabschnitt und der Wand der Längsbohrung, so dass es durch den Zufluss von Kraftstoff zu einer raschen Druck- erhöhung im Ringraum kommt. Weiter ist es besonders vorteil- haft, wenn der Ringraum über den zwischen dem ersten Füh- rungsabschnitt und der Wand der Längsbohrung gebildeten Ringspalt mit einem Leckölraum verbunden ist, so dass in den Einspritzpausen, wenn beide Ventilnadeln wieder in Anlage am Ventilsitz sind, der Kraftstoffdruck im Ringraum abgebaut wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Dros- selverbindung des Ringraums mit dem Druckraum durch eine Querbohrung in der Ventilaußennadel ausgebildet. Diese Aus- gestaltung bietet sich dann an, wenn im Druckraum nicht ständig hoher Kraftstoffdruck anliegt, sondern nur dann, wenn eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgen soll. Eine solche Drosselverbindung lässt sich einfacher herstellen als ein genau dimensionierter Ringspalt zwischen dem zweiten Führungsabschnitt und der Längsbohrung der Ventilaußennadel.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind am zwei- ten Führungsabschnitt seitliche Anschliffe ausgebildet.

Hierdurch lässt sich der Durchflusswiderstand am zweiten Führungsabschnitt gezielt einstellen, um den gewünschten Durchflusswiderstand für den Zufluss des Kraftstoffs aus dem Druckraum in den Ringraum zu gewährleisten.

Zeichnung In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, Figur 2 eine Vergrößerung im Bereich des Ventilsitzes der Figur 1, Figur 3 eine vergrößerte Darstellung der Figur 1 im Be- reich des ersten Führungsabschnitts der Ventilin- nennadel, Figur 4 denselben Ausschnitt wie Figur 2 eines weiteren Ausführungsbeispiels und Figur 5 einen Längsschnitt durch ein weiteres erfindungs- gemäßes Kraftstoffeinspritzventil.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzven- til im Längsschnitt dargestellt. Im Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, an deren brennraumseitigen Ende ein konischer Ventilsitz 5 ausgebildet ist, der die Bohrung 3 begrenzt. Vom Ventilsitz 5 gehen wenigstens 2 Einspritzöff- nungen 7 aus, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzven- tils in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung 3 ist eine Ventilaußennadel 10 angeordnet, an deren brennraumseitigen Ende eine Ventildichtfläche 18 ausgebildet ist, die ebenfalls konisch geformt ist und mit der die Ven- tilaußennadel 10 mit dem Ventilsitz 5 zusammenwirkt. Zwi- schen der Ventilaußennadel 10, die in einem brennraumabge- wandten Abschnitt in der Bohrung 5 dichtend geführt ist, und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 14 ausgebildet, der angrenzend an den geführten Abschnitt der Ventilaußennadel 10 radial erweitert ist. Dem Ventilsitz 5 zu setzt sich der Druckraum 14 bis zum Ventilsitz 5 fort. Der Druckraum 14 ist im Bereich seiner radialen Erweiterung über einen im Ventil- körper 1 verlaufenden und in der Zeichnung nicht dargestell- ten Zulaufkanal mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar.

An der Ventilaußennadel 10, die sich ausgehend vom geführten Abschnitt dem Ventilsitz 5 zu im Durchmesser verringert, ist auf Höhe der radialen Erweiterung des Druckraums 14 eine Druckschulter 11 ausgebildet, durch die aufgrund des Kraft- stoffdrucks im Druckraum 14 eine vom Ventilsitz 5 weggerich- tete Öffnungskraft auf die Ventilaußennadel 10 wirkt.

In der Ventilaußennadel 10 ist über deren gesamte Länge eine Längsbohrung 15 ausgebildet, in der eine ebenfalls kolben- förmige Ventilinnennadel 12 längsverschiebbar angeordnet ist. An ihrem brennraumseitigen Ende weist die Ventilinnen- nadel 12 eine Ventildichtfläche 20 auf, mit der sie mit dem Ventilsitz 5 zusammenwirkt. Die Ventilinnennadel 12 weist einen ersten Führungsabschnitt 24 und einen dem Ventilsitz 5 zugewandt angeordneten zweiten Führungsabschnitt 25 auf, mit denen die Ventilinnennadel 12 in der Längsbohrung 15 geführt ist. Zwischen den Führungsabschnitten 24, 25, begrenzt durch die Ventilinnennadel 12 und die Wand der Längsbohrung 15, ist ein Ringraum 22 ausgebildet, der mit Kraftstoff befüllt ist. Die Ventilinnennadel 12 weist an ihrem brennraumseiti- gen Ende eine Druckfläche 26 auf, die vom Kraftstoff des Druckraums 14 beaufschlagt wird, wenn die Ventilaußennadel 10 vom Ventilsitz 5 abgehoben hat.

In Figur 2 ist das Zusammenwirken von Ventilaußennadel 10 und Ventilinnennadel 12 mit dem Ventilsitz 5 näher darge- stellt. Die Einspritzöffnungen 7 sind in einer äußeren Ein- spritzöffnungsreihe 107 und einer näher am Brennraum liegen- den inneren Einspritzöffnungsreihe 207 angeordnet, wobei die Einspritzöffnungsreihen 107,207 jeweils mehrere Einspritz- öffnungen 7 umfassen, die über den Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet sind. Im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils liegen die Ventilaußennadel 10 und die Ventilinnennadel 12 mit ihren Dichtflächen 18,20 auf dem Ventilsitz 5 auf und verschließen sowohl die äußere Einspritzöffnungsreihe 107 als auch die innere Einspritzöff- nungsreihe 207. Hierbei werden die Ventilaußennadel 10 und die Ventilinnennadel 12 durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung mit einer Schließkraft beauf- schlagt, die in Richtung des Ventilsitzes 5 wirkt und so beide Ventilnadeln 10,12 gegen den Ventilsitz 5 drückt. Die Vorrichtungen zur Erzeugung der Schließkraft sind beispiels- weise Federn, die jeweils auf eine Ventilnadel 10,12 wirken.

Hebt nur die Ventilaußennadel 10 vom Ventilsitz 5 ab, so kann Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zu der äußeren Ein- spritzöffnungsreihe 107 gelangen und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Bewegt sich auch die Ventilinnennadel 12 vom Ventilsitz 5 weg, so gibt sie die innere Einspritzöffnungsreihe 207 frei und der Kraftstoff wird sowohl durch die äußere Einspritzöffnungs- reihe 107 als auch durch die innere Einspritzöffnungsreihe 207 eingespritzt.

In Figur 3 ist eine Vergrößerung von Figur 1 im Bereich des ersten Führungsabschnitts 24 der Ventilinnennadel 12 ge- zeigt. Der erste Führungsabschnitt 24 ist ebenfalls wie der zweite Führungsabschnitt 25 durch eine radiale Erweiterung der Ventilinnennadel 12 gebildet. Der Durchmesser des ersten Führungsabschnitts 24 ist hierbei größer als der Durchmesser des zweiten Führungsabschnitts 25, was beispielsweise durch eine im Durchmesser gestufte Längsbohrung 25 möglich ist.

Die am brennraumzugewandten Ende des ersten Führungsab- schnitts 24 ausgebildete Ringschulter 29 weist dadurch eine größere, in Längsrichtung der Ventilinnennadel 12 wirksame hydraulische Fläche auf als die Schulter 27 am zweiten Füh- rungsabschnitt 25. Hierdurch ergibt sich durch den Kraft- stoffdruck im Ringraum 22 eine resultierende hydraulische Kraft auf die Ventilinnennadel 12, die vom Ventilsitz 5 weg- gerichtet ist. Der Ringraum 22 ist durch den Ringspalt, der zwischen dem ersten Führungsabschnitt 24 der Ventilinnenna- del 12 und der Wand der Längsbohrung 15 ausgebildet ist, mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum ver- bunden, in dem stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht.

Hierdurch ist sichergestellt, dass sich ein hoher Kraft- stoffdruck im Ringraum 22 nach einer gewissen Zeit über die- sen Ringspalt entlastet und so den niedrigen Kraftstoffdruck im Leckölraum annimmt.

Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt : Im Betriebsmodus, in dem ständig hoher Kraftstoff- druck im Druckraum 14 anliegt, wird die Einspritzung von Kraftstoff durch eine Reduzierung der Schließkraft auf die Ventilaußennadel 10 initiiert. Dadurch überwiegt jetzt die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 11 der Ventilaußen- nadel 10 und auf Teile der Ventildichtfläche 18, so dass die Ventilaußennadel 10 vom Ventilsitz 5 abhebt und in der oben beschriebenen Weise die äußere Einspritzöffnungsreihe 107 öffnet. Dadurch wird jetzt die Druckfläche 26 an der Venti- linnennadel 12 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt, was jedoch nicht ausreicht, um die Ventilinnennadel 12 entgegen der auf sie wirkenden Schließkraft vom Ventilsitz 5 abheben zu las- sen. Durch den zwischen dem zweiten Führungsabschnitt 25 und der Wand der Längsbohrung 15 ausgebildeten Ringspalt 28, der eine Drosselverbindung bildet, dringt erst nach und nach Kraftstoff in den Ringraum 22 und lässt dort den Kraftstoff- druck ansteigen. Ist der Kraftstoffdruck im Ringraum 22 groß genug, ergibt sich durch die jetzt zusätzliche hydraulische Kraft auf die Ringschulter 29 am ersten Führungsabschnitt 24 eine zusätzliche Öffnungskraft auf die Ventilinnennadel 12, was schließlich dazu führt, dass diese hydraulischen Kräfte die Schließkraft auf die Ventilinnennadel 12 übersteigen, worauf diese vom Ventilsitz 5 abhebt und die innere Ein- spritzöffnungsreihe 207 öffnet. Auf diese Weise ergibt sich ein sukzessives Öffnen von Ventilaußennadel 10 und Ventilin- nennadel 12, ohne dass die Schließkraft auf die Ventilinnen- nadel 12 gesteuert werden muss. Soll die Einspritzung been- det werden, so wird die Schließkraft auf die Ventilaußenna- del 10 erhöht und diese gleitet zurück in ihre Schließstel- lung, also in Anlage an den Ventilsitz 5. Der Druck im Ring- raum 22 baut sich über den Ringspalt, der zwischen dem ers- ten Führungsabschnitt 24 und der Wand der Bohrung 15 ausge- bildet ist, in den Leckölraum ab, so dass nach einer gewis- sen Zeit die Schließkraft auf die Ventilinnennadel 12 die Öffnungskräfte übersteigt und die Ventilinnennadel 12 eben- falls zurück in ihre Schließstellung gleitet. Falls auch die Schließkraft auf die Ventilinnennadel 12 variabel ist und gleichzeitig mit der Schließkraft auf die Ventilaußennadel 10 erhöht bzw. erniedrigt wird, kann es auch sein, dass die Ventilinnennadel 12 vor der Ventilaußennadel 10 schließt.

Der gesamte Einspritzvorgang spielt sich hierbei bei Ein- spritzventilen, wie sie für schnelllaufende Brennkraftma- schinen verwendet werden, innerhalb weniger Millisekunden ab.

Beim Betriebsmodus des Kraftstoffeinspritzventils, bei dem der Druck im Druckraum 14 nicht ständig konstant ist, son- dern nur dann erhöht wird, wenn eine Einspritzung erfolgen soll, arbeitet das Kraftstoffeinspritzventil in gleicher Art und Weise, jedoch bleibt die Schließkraft auf die Ventilau- ßennadel 10 konstant. Durch den ansteigenden Kraftstoffdruck im Druckraum 14 wird die Öffnungskraft auf die Druckschulter 11 beziehungsweise die Ventildichtfläche 18 soweit erhöht, bis sie größer ist als die Schließkraft und die Ventilaußen- nadel 10 öffnet. Das Öffnen der Ventilinnennadel 12 erfolgt in der oben geschilderten Art und Weise, sobald diese durch die geöffnete Ventilaußennadel 10 Verbindung zum Druckraum 14 hat. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Druckraum 14 entlastet, so dass der hydraulische Druck auf die Ventil- nadeln 10,12 wegfällt. Je nach Größe der Schließkräfte be- wegt sich zuerst die Ventilinnennadel 12 oder die Ventilau- ßennadel 10 in die Schließstellung zurück.

Figur 4 zeigt den gleichen Ausschnitt wie Figur 2 eines wei- teren Ausführungsbeispiels. Für das gewünschte Funktionieren des Kraftstoffeinspritzventils ist es entscheidend, dass der Zufluss von Kraftstoff in den Ringraum 22 mit der notwendi- gen Rate erfolgt, um den Druckanstieg in der gewünschten Zeit zu erreichen. Ist der zwischen dem zweiten Führungsab- schnitt 25 und der Wand der Längsbohrung 15 verbleibende Ringspalt, der nur sehr schmal ist, vorzugsweise 2-3 pm, hierfür nicht ausreichend, so kann es vorgesehen sein, dass am zweiten Führungsabschnitt 25 Anschliffe 32 ausgebildet sind, über die eine Erweiterung der Drosselverbindung vom Ringraum 22 zum Druckraum 14 möglich ist. Über die Tiefe der Anschliffe 32 lässt sich der Durchflusswiderstand an dieser Stelle beliebig einstellen. Die Öffnungsgeschwindigkeit wird auch über das Verhältnis der Durchmesser von erstem Füh- rungsabschnitt 24 und zweitem Führungsabschnitt 25 beein- flusst : Bewegt sich die Ventilinnennadel 12 vom Ventilsitz 5 weg bei feststehender Ventilaußennadel 10, so vergrößert sich das Volumen des Ringraums 22. Dies wirkt dem Druckauf- bau durch den Kraftstoff, der durch den Ringspalt 28 in den Ringraum 22 eindringt, entgegen, so dass sich die Öffnungs- geschwindigkeit der Ventilinnennadel 12 verringert.

Wird das Kraftstoffeinspritzventil so betrieben, dass der Druck im Druckraum 14 nur für eine Einspritzung erhöht wird, so ist auch eine Ausgestaltung des Kraftstoffeinspritzven- tils möglich, wie sie in Figur 5 dargestellt ist. Der Aufbau dieses Kraftstoffeinspritzventils entspricht weitgehend dem in Figur 1 gezeigten, jedoch ist die Drosselverbindung vom Ringraum 22 zum Druckraum 14 über eine Drosselbohrung 35 re- alisiert, die in der Ventilaußennadel 10 angeordnet ist und den Druckraum 14 mit dem Ringraum 22 verbindet. Durch eine geeignete Dimensionierung der Drosselbohrung 35, die hier die Drosselverbindung bildet, lässt sich der Druckaufbau im Ringraum 22 so steuern, dass ein sukzessives Öffnen von Ven- tilaußennadel 10 und Ventilinnennadel 12 erfolgt in der oben geschilderten Art und Weise. Statt nur einer Drosselbohrung 35 kann es auch vorgesehen sein, mehrere Drosselbohrungen 35 in der Ventilaußennadel 10 vorzusehen, um einen gleichmäßi- gen Druckaufbau im Ringraum 22 zu erreichen und damit Druck- schwingungen vorzubeugen.

Bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel kann es auch vorgesehen sein, dass für die Öffnungsdynamik der Ven- tilnadeln 10, 12 zusätzlich zur Drosselbohrung 35 auch der Ringspalt 28 verwendet wird. Durch die Druckerhöhung im Druckraum 14 steigt über die Drosselbohrung 35 auch der Druck im Ringraum 22. Dadurch ergibt sich einerseits eine öffnende Kraft auf die Ventilinnennadel 12 und andererseits eine schließende, auf den Ventilsitz 5 gerichtete Schließ- kraft auf die Ventilaußennadel 10 durch die Durchmesserdif- ferenz zwischen dem ersten Führungsabschnitt 24 und dem zweiten Führungsabschnitt 25. Dadurch erhöht sich der Öff- nungsdruck auf die Ventilaußennadel 10, die somit erst bei erreichen eines höheren Drucks im Druckraum 14 vom Ventil- sitz 5 abhebt. Nach dem Öffnen der Ventilaußennadel 10 er- höht sich der Druck im Ringraum 22 jetzt auch durch Zufluss von Kraftstoff über den Ringspalt 28, bis die hydraulischen Kräfte ausreichen, die Ventilinnennadel 12 zu öffnen. Der Druckaufbau im Ringraum 22 und damit die Öffnungsdynamik der Ventilnadeln 10,12 hängt hier von der Abstimmung zwischen dem Querschnitt der Drosselbohrung 35 und dem des Ringspalts 28 ab.