Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es aus der Schrift DE 102 05 970 Al bekannt ist. Ein solches Kraftstoff- einspritzventil weist eine Hohlnadel auf, die mit ihrem brennraumseitigen Ende mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, von dem wenigstens eine Einspritzöffnung abgeht. Durch die Längsbewegung der Hohlnadel wird die Einspritzöffnung ge- schlossen oder geöffnet, wobei die Längsbewegung der Hohlnadel durch das Zu- sammenspiel einer Schließkraft und einer Öffnungskraft erfolgt. Die Öffnung- kraft wird hydraulisch durch Druckbeaufschlagung einer in einem Druckraum an- geordneten Druckfläche erzeugt. Die Schließkraft wird vorzugsweise ebenfalls hydraulisch erzeugt, indem in einem Steuerraum ein entsprechender Druck auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Hohlnadel wirkt. Die hydraulische Schließ- kraft kann hierbei auch mittelbar auf die Hohlnadel wirken, indem eine Steuerhül- se den Steuerraum begrenzt, die ihrerseits auf der Hohlnadel aufliegt. Um den Druck im Steuerraum einzustellen und damit die Öffnung der Hohlnadel zu steu- ern ist ein Steuerventils vorgesehen, durch welches Kraftstoff dem Steuerraum zugeleitet oder aus dem Steuerraum abgeleitet werden kann.

In der Hohlnadel ist eine Ventilnadel ebenfalls längsverschiebbar angeordnet, die mit ihrem ventilsitzzugewandten Ende mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und dabei die Öffnung wenigstens einer weiteren Einspritzöffnung steuert. Die Öff- nungskraft auf die Ventilnadel wird ebenfalls hydraulisch durch den Druck im Druckraum erzeugt, während die Schließkraft durch den Druck in einem zweiten Steuerraum ausgeübt wird. Dieser zweite Steuerraum ist entweder in der Hohlna- del oder in der mit der Hohlnadel zusammenwirkenden Steuerhülse ausgebildet.

Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist hierbei jedoch den Nachteil auf, dass die Schließkraft auf die Ventilnadel und damit der Druck im zweiten Steuerraum aufwendig gesteuert werden muss. Entweder ist der zweite Steuerraum ebenfalls mit dem Steuerventil so verbunden, dass dessen Druck mit Hilfe des Steuerventils eingestellt werden kann, oder es ist ein zweites Steuerventil vorzusehen, was zu- sätzliche Kosten verursacht und weiteren Bauraum beansprucht. Solche Kon- struktionen sind kostenintensiv und müssen an vielen Stellen abgedichtet werden.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merk- malen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Steu- erung von zwei koaxial geführten Ventilnadeln in einfacher Weise und unter Aus- nutzung von bekannten und bewährten Steuerungsmitteln möglich ist. Hierfür wird die Ventilnadel, die in der Hohlnadel geführt ist, mittels einer Schließfeder mit einer Schließkraft beaufschlagt, wobei sich die Schließfeder an der Steuerhül- se abstützt. Die Schließkraft wird also ausschließlich durch eine Schließfeder er- zeugt, so dass die Ventilnadel in der bekannten Weise durch eine entsprechende Druckbeaufschlagung einer Druckfläche bewegt werden kann.

Durch die weiteren Ansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstan- des der Erfindung möglich.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schließfeder in einem in der Steuerhülse ausgebildeten inneren Federraum angeordnet, der zur Ventilnadel hin offen ist. Besonders vorteilhaft ist diese Ausgestaltung, wenn dieser innere Feder- raum über eine Öffnung in der Steuerhülse mit einem äußeren Federraum verbun- den ist, in dem eine äußere Schließfeder angeordnet ist und der mit einer Lecka- geleitung verbunden ist. Auf diese Weise bleibt in beiden Federräumen stets ein niedriger Kraftstoffdruck erhalten, der keine zusätzlichen, störenden Kräfte auf die Ventilnadeln ausübt.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen ist im Kraftstoffeinspritzventil ein Steuerventil vorgesehen, mit dessen Hilfe der Kraftstoffdruck im Steuerraum ein- gestellt werden kann. Hierzu ist das Steuerventil entweder als 3/2-oder 2/2-

Wegeventil ausgebildet, wobei das 3/2-Wegeventil den zusätzlichen Norteil auf- weist, dass der Druckaufbau nach Beendigung der Einspritzung deutlich be- schleunigt wird und die Ventilnadel entsprechend schnell schließt. Dagegen ist ein 2/2-Wegeventil im allgemeinen einfacher ausgebildet und entsprechend kosten- günstiger.

Zeichnung In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßell Kraftstoff- einspritzventils dargestellt. Es zeigt Figur 1 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt mit schematisch dargestellten peripheren Komponenten und Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Nadelhub, Einspritzrate und der Kraft auf die Ventilnadel bei verschiedenen Einspritzdrücken.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritz- ventils im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäu- se 1 auf, das einen Ventilkörper 3, einen Steuerkörper 5, eine Drosselscheibe 7 und einen Haltkörper 9 umfasst, die in dieser Reihenfolge aneinander anliegen und durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung aufeinander ge- presst werden. Im Ventilkörper 3 ist eine Bohrung 15 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 27 begrenzt wird. Vom Ventilsitz 27 gehen äußere Einspritzöffnungen 30 und innere Einspritzöffnungen 32 ab, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in der Brennkraftmaschine in den Brennraum derselben münden. In der Bohrung 15 ist eine Hohlnadel 17 längsverschiebbar angeordnet, die in einem ventilsitzabgewandten Abschnitt der Bohrung 15 dichtend geführt ist. Zwischen der Hohlnadel 17 und der Wand der Bohrung 15 ist ein Druckraum 24 ausgebildet, der bis zum Ventilsitz 27 reicht und der über einen im Gehäuse 1 verlaufenden Zulaufkanal 35 mit einem Hoch- druckraum 11 verbunden ist. Im Hochdruckraum 11, der Teil einer Kraftstoff- pumpe oder ein Hochdrucksammelraum sein kann, wird stets ein vorgegebener Kraftstoffdruck aufrecht erhalten, so dass dieser Druck auch im Druckraum 24 herrscht und der damit auch dem nötigen Einspritzdruck entspricht.

Ausgehend vom geführten Abschnitt der Hohlnadel 17 verjüngt sich diese dem Ventilsitz 27 zu unter Bildung einer Druckschulter 22, auf deren Höhe der Zu- laufkanal 35 in den Druckraum 24 mündet. An ihrem ventilsitzseitigen Ende geht die Hohlnadel 17 in eine Ventildichtfläche 18 über, mit der sie mit dem Ventilsitz 27 so zusammenwirkt, dass bei Anlage der Hohlnadel 17 der Druckraum 24 gegen die äußeren Einspritzöffnungen 30 verschlossen wird und nach Abheben vom Ventilsitz 27 Kraftstoff aus dem Druckraum 24 zwischen der Ventildichtfläche 28 und dem Ventilsitz 27 hindurch den Einspritzöffnungen 30 zufließt und durch die- se in den Brennraum eingespritzt wird.

Im Steuerkörper 5 ist eine Durchgangsbohrung 41 ausgebildet, in der eine Steuer- hülse 40 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Steuerhülse 40 liegt mit ihrem ventilsitzseitigen Ende an der Hohlnadel 17 auf, so dass sie sich synchron mit die- ser in der Durchgangsbohrung 41 bewegt. An den Ventilkörper 3 angrenzend ist die Durchgangsbohrung 41 zu einem äußeren Federraum 37 erweitert, in der eine äußere Schließfeder 47 in Form einer Schraubendruckfeder unter Vorspannung angeordnet ist. Die äußere Schließfeder 47 stützt sich mit ihrem einen Ende an ei- ner ortsfesten Stützfläche 45 ab und an mit ihrem anderen Ende an einem an der Steuerhülse 40 ausgebildeten Absatz 44. Durch die Vorspannung der äußeren Schließfeder 47 ergibt sich eine Kraft auf die Hohlnadel 17 in Richtung des Ven- tilsitzes 27, so dass diese beim Fehlen weiterer Kräfte in ihrer Schließstellung gehalten wird, das heißt in Anlage am Ventilsitz 27.

In der Hohlnadel 17 ist längsverschiebbar eine kolbenförmige Ventilnadel 20 an- geordnet, die an ihrem ventilsitzseitigen Ende eine Ventildichtfläche 29 aufweist, mit der die Ventilnadel 20 mit dem Ventilsitz 27 zusammenwirkt. Die Ventilnadel 20 weist nahe der Ventildichtfläche 29 eine Druckfläche 23, die bei geöffneter Hohlnadel 17 vom Kraftstoffdruck des Druckraums 24 beaufschlagt wird und da- durch eine Öffnungskraft auf die Ventilnadel 20 erfährt. Durch das Abheben der Ventilnadel 20 vom Ventilsitz 27 werden die inneren Einspritzöffnungen 32 frei- gegeben, so dass, falls auch die Hohlnadel 17 vom Ventilsitz 27 abgehoben ist, Kraftstoff durch die inneren Einspritzöffnungen 32 und gleichzeitig auch durch die äußeren Einspritzöffnungen 30 in den Brennraum eingespritzt wird.

Die Ventilnadel 20 geht an ihrem ventilsitzabgewandten Ende in einen Federteller 50 über, der innerhalb eines in der Steuerhülse 40 ausgebildeten inneren Feder- raums 38 angeordnet ist. Der Federteller 50 kann hierbei als separates Teil oder einstückig mit der Ventilnadel 20 ausgeführt sein. Im inneren Federraum 38 ist eine innere Schließfeder 48 unter Druckvorspannung angeordnet, die sich mit ei- nem Ende am Federteller 50 und mit ihrem anderen Ende an der Steuerhülse 40 abstützt. Dadurch wird eine auf den Ventilsitz 27 gerichtete Schließkraft auf die Ventilnadel 20 ausgeübt, die diese in ihrer Schließstellung hält. Der innere Feder- raum 38 ist über eine Verbindungsbohrung 42 mit dem äußeren Federraum 37 verbunden, welcher über eine Leckageleitung 60 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum verbunden ist. Dadurch bleibt der Druck im inne- ren Federraum 37 und im äußeren Federraum 38 stets niedrig, vorzugsweise auf Umgebungsdruck. Im inneren Federraum 38 ist eine Mitnahmeschulter 52 ausge- bildet, die bei Schließstellung der Ventilnadel 20 und der Hohlnadel 17 einen ge- ringen axialen Abstand zum Federteller 50 aufweist. Befinden sich jedoch die Ventilnadel 20 und die Hohlnadel 17 in Öffnungsstellung, so wird die Ventilnadel 20 bei der Schließbewegung der Hohlnadel 17 und damit der Steuerhülse 40 durch das Anliegen der Mitnahmeschulter 52 am Federteller 50 mitgenommen und in ih- re Schließstellung gedrückt.

Die der Hohlnadel 17 abgewandte Stirnfläche 57 der Steuerhülse 40, die Durch- gangsbohrung 41 und die Drosselscheibe 7 begrenzen einen Steuerraum 55, durch dessen Druck eine hydraulische Kraft auf die Steuerhülse 40 in Richtung der Hohlnadel 17 ausgeübt wird. Der Steuerraum 55 ist über eine Zulaufdrossel 62 und eine in der Drosselscheibe 7 ausgebildete Verbindungsnut 66 mit dem Zu- laufkanal 35 verbunden, so dass über die Zulaufdrossel 62 stets Kraftstoff in den Steuerraum 55 nachfließt, solange dort ein niedrigerer Druck herrscht als im Hochdruckraum 11 und damit im Zulaufkanal 35. Der Steuerraum 55 ist darüber hinaus über eine Ablaufdrossel 64 und eine Steuerleitung 69 mit einem Steuer- ventil 70 verbunden, das über eine weitere Steuerleitung 68 auch mit der Zulauf- drossel 62 verbunden ist. Weiterhin ist das Steuerventil 70 mit einer Leckagelei- tung 72 verbunden, die in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum mündet, in dem stets ein niedriger Druck herrscht, vorzugsweise Umgebungs- druck. Das Steuerventil 70 ist als 3/2-Wegeventil ausgebildet, das folglich zwei Schaltstellungen aufweist : in der dargestellten, ersten Schaltstellung werden die

Steuerleitung 68 und die Steuerleitung 69 miteinander verbunden, während die Leckageleitung 72 verschlossen wird. In der zweiten Schaltstellung wird die Le- ckageleitung mit der Steuerleitung 69 und damit mit der Ablaufdrossel 64 ver- bunden, während die Steuerleitung 68 verschlossen wird.

Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt : Je nach Leistungserfordernis an die Brennkraftmaschine wird ein mehr oder we- niger hoher Druck im Hochdruckraum 11 eingestellt. Für eine geringe Leistungs- anforderung genügt ein relativ geringer Druck, der beispielsweise in der Größen- ordnung von 30 bis 40 MPa liegt. Die Einspritzung beginnt, indem das Steuer- ventil 70 in seine zweite Schaltposition gefahren wird, so dass der Steuerraum 55 mit der Leckageleitung 72 verbunden wird. Dadurch wird der Druck im Steuer- raum 55 unter den Druck der Zulaufleitung 35 abgesenkt, da die Zulaufdrossel 62 und die Ablaufdrossel 64 so aufeinander abgestimmt sind, dass mehr Kraftstoff aus dem Steuerraum 55 abfließt als über die Zulaufdrossel 62 nachfließen kann.

Durch den hydraulischen Druck auf die Druckschulter 22 der Hohlnadel 17 wird diese vom Ventilsitz 27 abgehoben und die äußeren Einspritzöffnungen 30 freige- geben. Bei diesem niedrigen Druck im Druckraum 24 reicht die hydraulische Kraft auf die Druckfläche 23 nicht aus, die Ventilnadel 20 gegen die Kraft der in- neren Schließfeder 48 zu öffnen, so dass diese in ihrer Schließstellung, also in Anlage am Ventilsitz 27 bleibt. Zur Beendigung der Einspritzung wird das Steu- erventil 70 zurück in seine erste Schaltstellung gebracht, bei der es die beiden Steuerleitungen 68,69 miteinander verbindet. Dadurch wird einerseits die Lecka- geleitung 72 verschlossen und andererseits fließt Kraftstoff, sowohl über die Zu- laufdrossel 62 als auch über die Ablaufdrossel 64, in den Steuerraum 55, so dass dort sehr rasch wieder ein hoher Kraftstoffdruck aufgebaut wird, der die Hohlna- del 17 in ihre Schließstellung drückt.

In Figur 2 ist der Verlauf des Nadelhubs h, der Einspritzrate R und der Kraft F auf die Ventilnadel 20 gegen die Zeit aufgetragen, wobei die mit A bezeichnete Spalte den niedrigen Einspritzdruck bezeichnet, B einen mittleren und C einen hohen Einspritzdruck. Die oben beschriebene Funktion bei niedrigem Einspritzdruck entspricht den Diagrammen in der A-Spalte : Der Nadelhub ha der Hohlnadel 17 steigt bis zu einem Maximum und fällt nach Betätigung des Steuerventils 70 wie-

der ab, bis die Hohlnadel 17 geschlossen ist. Die Einspritzrate R steigt rasch auf ein Plateau, da diese nicht nur vom Hub der Hohlnadel 17, sondern auch vom Durchmesser der äußeren Einspritzöffnungen 30 limitiert wird. Die Schließkraft FS auf die Ventilnadel 20 wird durch die sich bewegende Steuerhülse 40 kleiner, da die innere Schließfeder 48 verlängert wird. Die Öffnungskraft Foe erreicht die- se Schließkraft dennoch nicht, so dass die Ventilnadel 20 geschlossen bleibt. Die Hohlnadel 17 durchfährt nicht ihren größtmöglichen Hub : Durch das rasche Betä- tigen des Steuerventils 70 bleibt die Hohlnadel 17 in einem ballistischen Zustand und wird durch den wieder ansteigenden Druck im Steuerraum 55 abgebremst, ehe sie an der Drosselscheibe 7 anlegen kann.

Bei einem mittleren Einspritzdruck im Hochdruckraum 11 bzw. im Druckraum 24 wird die Hohlnadel 17 nach Betätigung des Steuerventils 70 in der oben beschrie- benen Weise geöffnet. In der Figur 2 ist der Verlauf des Nadelhubs ha der Hohl- nadel 17 ähnlich dem im Beispiel A, jedoch ist der Anstieg aufgrund des höheren Drucks im Druckraum 24 steiler. Durch die größere hydraulische Kraft auf die Druckfläche 23 der Ventilnadel 20 öffnet nun auch diese gegen die Schließkraft der inneren Schließfeder 48. Der Hub der Ventilna-del 20 ist in Figur 2 mit hi be- zeichnet. In dem Kraftdiagramm des Beispiels B der Figur 2 ist das Öffnen der Ventilnadel 20 dadurch zu erkennen, dass die Öffrsungskraft Foe die Schließkraft FS erreicht, welche abfällt, solange sich die Hohlnadel 17 bewegt. Die Einspritz- rate R steigt nach dem Öffnen der Ventilnadel 20 sprunghaft an. Das Beendigen der Einspritzung erfolgt wie beim niedrigen Einspritzdruck, jedoch wird die Ven- tilnadel 20 nicht nur durch den sinkenden Druck auf die Druckfläche 23 und die innere Schließfeder 48 bewegt, sondern auch durch die Anlage der Mitnahme- schulter 52 am Federteller 50.

Bei einem hohen Einspritzdruck, der in Figur 2 dem Beispiel C entspricht, öffnen die Hohlnadel 17 und die Ventilnadel 20 praktisch gleichzeitig, da gleich nach dem Abheben der Hohlnadel 17 vom Ventilsitz 27 an der Druckfläche 23 ein sehr hoher Druck anliegt und damit eine große Kraft auf die Ventilnadel 20 wirkt. Die Einspritzrate R zeigt zu Beginn noch eine leichte Stufe, die durch das Öffnen der Hohlnadel 17 zustande kommt, erreicht jedoch sehx rasch ihren Maximalwert, der aufgrund des hohen Drucks höher liegt als die maximale Einspritzrate des Bei- spiels B.

Statt der Ausführung des Steuerventils 70 als 3/2-Wegeventil kann es auch vorge- sehen sein, dieses statt dessen als 2/2-Wegeventil auszubilden, das die Verbin- dung der Steuerleitung 69 zur Leckageleitung 72 öffnet oder schließt. Die Steuer- leitung 68 kann in diesem Ausführungsbeispiel entfallen. Die Öffnungsfunktion bleibt gleich, jedoch erfolgt das Schließen der Ventilnadel 20 langsamer, da der Druckaufbau im Steuerraum 55 jetzt nur noch über die Zulaufdrossel 62 erfolgt und damit etwas mehr Zeit in Anspruch nimmt.

Vorzugsweise wird das Steuerventil mit Hilfe eines Piezoaktors angetrieben, was eine sehr kurze Schaltzeit erlaubt. Es ist jedoch auch möglich, ein elektromagneti- sches Steuerventil 70 einzusetzen.