Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht und aus der Schrift WO 02/42637 AI bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist eine Ventilaußennadel und eine Ventilinnennadel auf, wobei die Ventilinnennadel in der Ventilaußennadel geführt ist. Sowohl die Ventilaußennadel als auch die Ven- tilinnennadel wirken mit einem Ventilsitz zusammen und steuern dabei jeweils die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung. Im Kraftstoffeinspritzventil ist ein innerer Steuerraum ausgebildet, der mit Kraftstoff gefüllt ist und durch dessen Druck eine Schließkraft in Richtung des Ventilsitzes auf die Ventilinnennadel ausgeübt wird. Darüber hinaus ist ein Steuerventil vorhanden, durch welches der Druck im inneren Steuerraum abgesenkt oder erhöht werden kann. Eine Öff- nungskraft auf die Ventilinnennadel wird durch hydraulische Beaufschlagung von Teilen der Ventilinnennadel erzeugt. Je nach Druck im inneren Steuerraum bleibt die Ventilinnennadel geschlossen oder hebt nach dem Abheben der Ventilaußen- nadel, angetrieben durch die hydraulische Öffnungskraft, vom Ventilsitz ab und gibt die von ihr gesteuerte Einspritzöffnung frei.

Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist hierbei jedoch den Nachteil auf, dass die Einspritzrate bei Volllastbetrieb nur begrenzt schnell ansteigen kann. Zuerst muss hier die Ventilaußennadel vom Ventilsitz abgehoben haben, damit auf die Ventilinnennadel eine hydraulische Öffnungskraft wirkt und diese sich in Bewe- gung setzen kann. Der gesamte Einspritzquerschnitt wird somit sukzessiv aufge- steuert, weshalb sich steile Anstiege der Einspritzrate zu Beginn der Einspritzung nicht darstellen lassen. Dies erhöht die Einspritzdauer im Volllastbetrieb, was sich ungünstig auf die Leistung und auf den Verbrennungsablauf auswirkt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merk- malen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit ineinander geführten Ventilnadeln ein ebenso steiler Anstieg der Einspritzrate erreicht werden kann wie bei einem Einspritzventil mit nur einer Ventilnadel. Hierzu ist die Ventilinnennadel separat ansteuerbar und kann bereits öffnen, ehe die Ventilaußennadel den Einspritzquerschnitt freigibt.

Durch diese unabhängige Steuerbarkeit der Ventilnadeln ist der steile Einspritz- verlaufsanstieg zu Beginn der Einspritzung erreichbar, ohne die Flexibilität hin- sichtlich eines Einspritzquerschnittes aufzugeben, der bei Bedarf auch nur teilwei- se aufgesteuert werden kann. Durch einen Druckstufenraum, der mit Kraftstoff befüllbar ist und durch den eine hydraulische Kraft auf die Ventilinnennadel in Öffnungsrichtung ausgeübt werden kann, wird bei Absenkung des Kraftstoff- drucks im inneren Steuerraum die Ventilinnennadel in ihre Öffnungsposition, d. h. weg vom Ventilsitz gefahren, so dass die inneren Einspritzöffnungen zwar freige- geben werden, aber eine Einspritzung vorerst nicht erfolgt. Erst nachdem die Ventilaußennadel vom Ventilsitz abhebt, fließt Kraftstoff zu den Einspritzöffnun- gen, und der gesamte Einspritzquerschnitt wird gleichzeitig mit Kraftstoff ver- sorgt.

Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegens- tandes der Erfindung möglich.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Druckstufenraum mit dem Hochdruckbereich verbunden, der auch für die Kraftstoffversorgung der Ein- spritzöffnungen sorgt. Dies erlaubt eine einfache Konstruktion, ohne dass weitere Hochdruckkanäle im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen werden müssten.

Besonders vorteilhaft ist die Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils mittels eines einzigen Steuerventils, das vorzugsweise als 3/3-Wege-Ventil ausgebildet ist. Das 3/3-Wege-Ventil umfasst einen Ventilsteuerraum, der mit dem inneren Steuer- raum, einem äußeren Steuerraum, der der Schließkrafterzeugung auf die Ventil- außennadel dient, und mit einem Leckölraum verbunden ist. Durch das Steuer- ventilglied, das im Steuerventilraum beweglich ist, können die einzelnen Ab-und

Zuläufe des Ventilsteuerraums geöffnet und geschlossen werden. Vorteilhaft ist hierbei eine Funktion, bei der das Steuerventilglied in einer ersten Schaltposition den Leckölablauf verschließt, in einer zweiten Schaltposition sämtliche Zu-und Abläufe im Ventilsteuerraum öffnet und in einer dritten Schaltposition den Ablauf aus dem inneren Steuerraum verschließt, während es den Ablauf aus dem äußeren Steuerraum und die Leckölablauf öffnet. Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, wenn das Steuerventilglied durch einen Piezoaktor gesteuert wird, so dass zwi- schen der ersten und der dritten Schaltposition jede Zwischenposition angefahren werden kann, so dass die Zu-und Abläufe auch gedrosselt geöffnet werden kön- nen.

Zeichnung In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoff- einspritzventils dargestellt. Es zeigt Figur 1 ein Kraftstoffeinspritzventil mit seinen wesentlichen Komponen- ten im Längsschnitt, Figur 2 ein Diagramm, das den Nadelhub von Ventilinnen-und Ventilau- ßennadel und die Einspritzrate bei den bisher bekannten Kraft- stoffeinspritzventilen als Funktion der Zeit darstellt und Figur 3 ein Diagramm in gleicher Darstellung wie Figur 2, wobei hier der Verlauf beim erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil darge- stellt ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritz- ventils dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst ein Gehäuse 1, das in Fi- gur 1 im Längsschnitt dargestellt ist und das auch mehrteilig ausgeführt sein kann.

Im Gehäuse 1 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, an deren brennraumseitigem Ende ein im wesentlichen konischer Ventilsitz 7 ausgebildet ist. Vom Ventilsitz 7 gehen innere Einspritzöffnungen 22 und äußere Einspritzöffnungen 20 aus, die in Ein- baulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum münden. Die Bohrung 3 weist eine radiale Erweiterung auf, die einen Druckraum 5 bildet und in die ein im Gehäuse 1 verlaufender Zulaufkanal 8 mündet. Über den Zulaufkanal 8 lässt sich

der Druckraum 5 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllen, so dass der Zulauf- kanal 8 und der Druckraum 5 einen Hochdruckbereich bilden. Die Ventilaußen- nadel 10 wird in einem mittleren Abschnitt in der Bohrung 3 dichtend geführt und verjüngt sich dem Ventilsitz 7 zu unter Bildung einer Druckschulter 15. An ihrem ventilsitzseitigen Ende geht die Ventilaußennadel 10 in eine im wesentlichen ko- nische äußere Dichtfläche 17 über, mit der die Ventilaußennadel 10 mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkt. Das Zusammenwirken ist hierbei dergestalt, dass der Kraftstoff aus dem Druckraum 5 bei vom Ventilsitz 7 abgehobener Ventilaußen- nadel 10 durch die äußeren Einspritzöffnungen 20 in den Brennraum eingespritzt wird, während bei Anlage der Ventilaußennadel 10 auf dem Ventilsitz 7 die äuße- ren Einspritzöffnungen 20 verschlossen bleiben.

In der Ventilaußennadel 10 ist eine Ventilinnennadel 12 angeordnet, die kolben- förmig ausgebildet ist und die an ihrem ventilsitzseitigen Ende in eine ebenfalls im wesentlichen konische innere Dichtfläche 19 übergeht, mit der die Ventilin- nennadel 12 mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkt. Hierbei steuert die Ventilin- nennadel in der gleichen Weise wie die Ventilaußennadel 10 die Öffnung der in- neren Einspritzöffnungen 22. Im Gegensatz zur Ventilaußennadel 10 erfolgt eine Einspritzung durch die inneren Einspritzöffnungen 22 nur, wenn beim Abheben der Ventilinnennadel 12 vom Ventilsitz 7 die Ventilaußennadel 10 bereits vom Ventilsitz 7 abgehoben hat und der Kraftstoffdruck aus dem Druckraum 5 an der Ventilinnennadel 12 anliegt.

Die Ventilaußennadel 10 ragt mit ihrem ventilsitzabgewandten Ende in einen äu- ßeren Steuerraum 25, in dem eine Schließfeder 27 unter Druckvorspannung ange- ordnet ist. Die Schließfeder 27 stützt sich hierbei mit einem Ende an der Ventilau- ßennadel 10 ab und mit dem anderen Ende an einem ortsfesten Anschlag 23 im Gehäuse 1. Die Ventilaußennadel 10 ist in der Bohrung 3 längsverschiebbar, wo- bei sie sich zwischen den beiden Endpositionen bewegt : zum einen in Anlage am Ventilsitz 7 und zum anderen in Anlage am ortsfesten Anschlag 23. Der äußere Steuerraum 25 ist hierbei über eine Zulaufdrossel 39 mit dem Zulaufkanal 8 ver- bunden.

Die Ventilinnennadel 12 geht an ihrem ventilsitzabgewandten Ende in einen Kol- ben 32 über, der dichtend in einer Kolbenbohrung 31 längsverschiebbar geführt

ist. Der Kolben 32 trennt einen Druckstufenraum 34 und einen inneren Steuer- raum 36, durch deren Druck die entgegengesetzten Flächen des Kolbens 32 mit Kraftstoffdruck beaufschlagt werden. Der Druckstufenraum 34 ist über einen Zu- lauf 35 mit dem Zulaufkanal 8 verbunden und der innere Steuerraum 36 über eine Zulaufdrossel 37.

Im Gehäuse 1 ist ein Steuerventil 40 ausgebildet, das einen Steuerventilraum 42 umfasst. In den Steuerventilraum 42 mündet eine Ablaufdrossel 38, die den inne- ren Steuerraum 36 mit dem Steuerventilraum 42 verbindet. Ebenso ist der äußere Steuerraum 25 über eine Ablaufdrossel 29 mit dem Steuerventilraum 42 verbun- den. Darüber hinaus ist im Gehäuse 1 ein Leckölablauf 50 ausgebildet, der den Steuerventilraum 42 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum verbindet, in dem ein niedriger Druck herrscht. Im Steuerventilraum 42 ist ein Steuerventilglied 44 längsverschiebbar angeordnet, wobei das Steuerventilglied 44 von einem Aktor, vorzugsweise von einem Piezoaktor, in Längsrichtung im Steuerventilraum 42 bewegbar ist, so dass es zwischen einem ersten Ventilsitz 45 und einem zweiten Ventilsitz 47 stufenlos hin-und herbewegt werden kann. Die Bewegung des Steuerventilglieds 44 erfolgt hierbei entgegen der Kraft einer Rückholfeder 49, die beim Fehlen weiterer Kräfte das Steuerventilglied 44 in Anlage am ersten Ventilsitz 45 hält.

Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt : Zu Beginn des Arbeitszyklus befindet sich das Steuerventilglied 44 in Anlage am ersten Ventilsitz 45, so dass der Leckölablauf 50 zum Leckölraum unterbrochen ist. Im Steuerventilraum 42 herrscht durch die Verbindung über die Ablaufdrossel 38, den inneren Steuerraum 36 und die Zulaufdrossel 37 derselbe Kraftstoffdruck wie im Zulaufkanal 8. Bei sogenannten Common-Rail-Systemen herrscht im Zu- laufkanal 8 stets ein vorgegebener, hoher Kraftstoffdruck, der dem Einspritzdruck entspricht. Ebenso herrscht im inneren Steuerraum 36 derselbe, hohe Kraftstoff- druck, der schließlich auch im Druckstufenraum 34 anliegt. Da die vom Kraft- stoffdruck im inneren Steuerraum 36 beaufschlagte Fläche des Kolbens 32 größer ist als die vom Kraftstoffdruck des Druckstufenraums 34 beaufschlagte Fläche, übt der Kolben 32 eine Kraft in Richtung des Ventilsitzes 45 auf die Ventilinnen- nadel 12 aus, die diese in ihrer Schließstellung hält. Wegen der Verbindung des

äußeren Steuerraums 25 über die Zulaufdrossel 39 mit dem Zulaufkanal 8 ist der hohe Kraftstoffdruck auch hier vorhanden und sorgt dafür, dass die Ventilaußen- nadel 10 in ihrer Schließstellung verharrt.

Soll eine Einspritzung nur durch die äußeren Einspritzöffnungen 20 erfolgen, so wird das Steuerventilglied 44 mit hoher Geschwindigkeit vom ersten Ventilsitz 45 zum zweiten Ventilsitz 47 gefahren. Dabei öffnet sich der Leckölablauf 50 und die Ablaufdrossel 38 wird gegenüber dem Steuerventilraum 42 verschlossen. Die Zulaufdrossel 39 und die Ablaufdrossel 29 sind so aufeinander abgestimmt, dass im äußeren Steuerraum 25 nun der Kraftstoffdruck abfällt, da eine offene Verbin- dung des Steuerventilraums 42 zum Leckölraum besteht. Hierdurch erniedrigt sich die die hydraulische Kraft auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilau- ßennadel 10, der jedoch eine unverändert hohe hydraulische Kraft in Öffnungs- richtung auf die Druckschulter 15 entgegensteht. Deshalb verschiebt sich das Kräftegleichgewicht zu Gunsten der Öffnungskräfte und die Ventilaußennadel 10 hebt vom Ventilsitz 7 ab und gibt die äußeren Einspritzöffnungen 20 frei, und der unter hohem Druck stehende Kraftstoff im Druckraum 5 wird durch die äußeren Einspritzöffnungen 20 in den Brennraum eingespritzt. Zur Beendigung der Ein- spritzung wird das Steuerventilglied 44 wieder in Anlage an den ersten Ventilsitz 45 gebracht, so dass sich die alten Druckverhältnisse wieder einstellen und die Ventilaußennadel 10 durch die größeren Flächen im äußeren Steuerraum 25 im Gegensatz zur Fläche der Druckschulter 15 zurück in Anlage an den Ventilsitz 7 fährt.

Soll eine Einspritzung durch sämtliche Einspritzöffnungen 20,22 erfolgen, so wird das Steuerventilglied 44 durch den Aktor in eine Mittelstellung zwischen dem ersten Ventilsitz 45 und dem zweiten Ventilsitz 47 gefahren. Durch den jetzt offenen Leckölablauf 50 sinkt der Druck im Steuerventilraum 42 und damit auch im inneren Steuerraum 36 und im äußeren Steuerraum 25. Da der Kraftstoffdruck im Druckstufenraum 34 nach wie vor unverändert hoch bleibt, ergibt sich auf den Kolben 32 eine sehr rasch ansteigende Kraft vom Ventilsitz 7 weg, bei der die Ventilinnennadel 12 vom Ventilsitz 7 abhebt, solange die Ventilaußennadel 10 noch am Ventilsitz 7 anliegt. Erst bei weiterem Druckabfall im äußeren Steuer- raum 25 durchfährt auch die Ventilaußennadel 10 ihren Öffnungshub und gibt, da die Ventilinnennadel 12 bereits vom Ventilsitz 7 abgehoben hat, sämtliche Ein-

spritzöffnungen 20,22 frei, durch die dann gleichzeitig eine Kraftstoffeinsprit- zung startet. Zur Beendigung der Einspritzung wird das Steuerventilglied 44 wie- der in Anlage an den ersten Ventilsitz 45 gefahren, so dass sich die anfangs vor- handenen Druckverhältnisse im Kraftstoffeinspritzventil wieder einstellen, die die Ventilnadeln 10,12 zurück in ihre Schließstellung drücken.

Figur 2 zeigt den Verlauf des Nadelhubs der Außennadel ha und des Hubs der In- nennadel hi als Funktion der Zeit t. Darüber hinaus ist die Einspritzrate Q darge- stellt, wobei jeweils relative Einheiten verwendet wurden. Der dargestellte Ver- lauf ergibt sich bei einem Kraftstoffeinspritzventil, das aus dem Stand der Technik bekannt ist und bei dem die Ventilaußennadel 10 vor der Ventilinnennadel 12 öff- net. Die Einspritzrate Q steigt an, sobald die Ventilaußennadel 10 vom Ventilsitz 7 abhebt, bis auf einen Wert Qvor, der einer Voreinspritzung entspricht. Erst nach Abheben der Ventilinnennadel 12 vom Ventilsitz 7 werden sämtliche Einspritz- öffnungen 20, 22 freigegeben, was sich in einem weiteren Anstieg der Einspritz- rate Q bis auf den Maximalwert Qmax äußert. Bei Volllast ist man hingegen daran interessiert, die Einspritzrate Q rasch bis zum Wert Qmax hochzufahren, um möglichst viel Kraftstoff in der gegebenen Zeit in den Brennraum einbringen zu können.

Bei dem erfindungsgemäßen und vorstehend beschrieben Kraftstoffeinspritzventil ergibt sich ein Verlauf von Nadelhub h und Einspritzrate Q, wie er in Figur 3 dar- gestellt ist. Die Ventilinnennadel 12 öffnet vor der Ventilaußennadel 10, so dass deren Hub hi früher seinen Maximalwert erreicht als der Hub der Ventilaußenna- del ha. Die Einspritzrate Q steigt, sobald die Ventilaußennadel 10 vom Ventilsitz 7 abhebt, sehr rasch auf ihren Maximalwert Qmax. Somit lässt sich die gewünsch- te Kraftstoffmenge in kürzerer Zeit einbringen.