Kraftstoffinjektor mit steuerbarer Nadelgeschwindigkeit Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Mit Kraftstoffinjektoren an Verbrennungskraftmaschinen erfolgt eine hubgesteueute oder eine druckgesteuerte Einspritzung von unter einem hohen Druck stehenden Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Um heutigen und zukünftigen Abgasgesetzgebungen für Verbrennungskraftmaschinen zu entsprechen, sind Mehrfacheinspritzungen (Vor-, Haupt-, und Nacheinspritzungen) erforderlich. Der zeitliche Abstand zwischen den Einzeleinspritzungen sollte dabei so kurz wie möglich sein, bei gleichzeitig geringstmöglicher Beeinflussung der jeweils nachfolgenden Einspritzung. Eine der Haupteinspritzphase vorgeschaltete Pilot-Einspritzung zur Konditionierung des Brennraums sollte eine dieser nachgeschalteten Haupteinspritzphase hinsichtlich des emissionsrelevanten Druckanstieges nicht beeinflussen.

Stand der Technik Herkömmliche Kraftstoffinjelctoren, die in mit hohem Druck arbeitenden Einspritzsystemen, wie beispielsweise sogenannten Common-Rail-Systemen, eingesetzt werden, und die mit je einer Drosselabstimmung und einem Stellglied (Solenoid-oder Piezosystem) arbeiten, erreichen nur eine vergleichsweise geringe Öffnungs- beziehungsweise Schließgeschwindigkeit der Düsennadel.

Beim Beenden des Einspritzvorgangs muss die Düsennadel den Kraftstoffinjelctor gegen den Einspritzdruck schließen. Dies führt häufig zu einem ungünstigen Abquetschen des Einspritzstrahls. Genauere Untersuchungen des eingespritzten Kraftstoffstrahls haben zudem gezeigt, dass es sogar zu einem schädlichen Nachtropfen von Kraftstoff in den Brennraum kommen kann. Dieses Nachtropfen führt insbesondere zu einer unerwünscht starken Rußemission. Bei druckgesteuerten Einspritzsystemen dagegen, wird ein besonderer Wert darauf gelegt, das Entlasten der Düsennadel und somit das Schließen der Düse zu beschleunigen. Eine zu schnelle Entlastung des Düsenraums bewirkt jedoch ein Rückblasen von Verbrennungsgasen und Partikeln in den Düsenraum. Dies wiederum kann zu einem erhöhten Verschleiß der Düse und verkokten Düsenlöchern rühren. Ein zu langsames Absinken des Einspritzdrucks wiederum führt zu einer Verschleppung des Schließvorgangs und zu einer erhöhten Rußemission aufgrund einer schlechten Gemischaufbereitung zu Ende des Einspritzvorgangs. Bekannte druckgesteuerte Einspritzsysteme nutzen nun zwar den Absteuerstoß beim Entlasten der Düse, um die Schließkraft zu erhöhen, indem sie den Absteuerstoß in den Rückraum der Düse leiten.

Diese Maßnahme ermöglicht jedoch nur eine sehr eingeschränkte Funktionalität in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt.

Aus DE 39 00 763 Al ist eine Kraftstoffeinspritzdüse, insbesondere Pumpedüse bekannt, mit einer im Schließsinne federbelasteten Düsennadel, bei welcher der Druckraum vor dem Sitz der Düsennadel mit einem von einem federbelasteten Ausweichkolben begrenzten Speicherraum in Verbindung steht. Der Ausweichlcolben wirkt dabei mit einem hydraulischen Dämpfungsglied zusammen. Die Düsennadel weist an ihrem oberen Ende eine mit einem Absatz zusammenwirkende Anschlagschulter und einen Druclczapfen auf, der von dem raumfesten Absatz umgeben ist. Dieser raumfeste Absatz bildet mit dem Druckzapfen eine Drosselöffnung. Der Ausweichkolben umfasst ein zylindrisches Führungsteil, der ein Verhältnis Durchmesser zu Höhe von 1 : 0,1 bis 0,4 aufweist.

Unabhängig von Betriebszuständen und Streuungen sollen dadurch eine konstante Voreinspritzmenge und ein optimaler Zeitverlauf der Einspritzung erreichbar sein.

Aus DE 100 33 426 A 1 der Anmelderin ist weiter ein Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer direkt einspritzenden Verbrennungskraft-maschine bekannt. Im Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine ist ein Steuerteil bewegbar aufgenommen. Das Steuerteil gibt den Zulauf zu einer Einspritzdüse an einer Sitzfläche frei beziehungsweise verschließt diesen. Im Steuerteil ist eine den Steuerraum beaufschlagende Zulaufdrossel enthalten, die mit dem Zulauf vom Hochdrucksammelraum in Verbindung steht. Im Gehäuse des Injektors ist ein Bereich des Steuerteils über einen weiteren Steuerraum mit einer Düsenadel gekoppelt.

Darstellung der Erfindung Die Erfindung ermöglicht es nun, bis zum Ende des Einspritzvorgangs, bei voll geöffneter Düsennadel, einen möglichst hohen Einspritzdruck bereitzustellen. Weiterhin kann ein schnelles Schließen der Düsennadel ohne Rückblasen in den Düsenraum und ohne ein Abquetschen des Einspritzstrahls erreicht werden. Dadurch wird das Nachtropfen von Kraftstoff verhindert und die Emission von Schadstoffen, insbesondere von Rußpartikeln vermindert. Da ein Rückblasen weitgehend unterdrückt werden kann, sind auch ein geringerer Verschleiß und eine geringere Verschmutzung des Kraftstoffinjektors zu erwarten. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer der für die Einspritzung wichtigen Komponenten und damit auch zu einem geringeren Wartungsaufwand. Die Erfindung ermöglicht es, in herkömmlichen Düsenhalterkombinationen eine Kraft auf die Rückseite der Düsennadel aufzubauen, um eine Beschleunigung der Schließbewegung der Düsennadel zu erreichen. Dabei wird diese Kraft, anders als bei herkömmlichen Düsenhalterkombinationen, nicht durch den Absteuerstoß aufgebracht, sondern über einen Ausweichlcolben, der oberhalb der Düsenfeder angeordnet ist. Dieser Ausweichkolben wird durch Druckkräfte in einem Volumenbereich oberhalb des Ausweichkolbens in Richtung der Düsennadel bewegt und vergrößert dadurch die Vorspannung der Düsenfeder. Der vorgenannte Volumenbereich steht dabei über eine Drossel mit der Hochdruckleitung des Einspritzsystems in Verbindung. Zu Beginn des Einspritzvorgangs ist der an der Beschleunigung der Nadelbewegung beteiligte Volumenbereich noch nicht mit Druck beaufschlagt, so dass der Düsenöffnungsdruck nicht beeinflusst wird. Selbst kleine Mengen von Kraftstoff, die etwa anläßlich einer Voreinspritzung eingespritzt werden, reichen nicht aus, um über die genannte Drossel den Volumenbereich mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zu befüllen und somit den Öffnungsdruck nennenswert zu erhöhen. Über die Größe der Drossel kann die Zeit bestimmt werden, die benötigt wird, um den Gegendruck auf der Oberseite des Ausweichkolbens aufzubauen und damit die Zeitdauer festzulegen, die vergeht, bis die die Düsennadel schließende Kraft aufgebaut ist.

Der Ausweichkolben kann ohne schwerwiegende konstruktive Änderungen in eine herkömmliche Düsenhalterkombination integriert werden und kommt ohne weiteres mit dem dort zur Verfügung stehenden Raumangebot aus. Er ermöglicht ein schnelles Schließen der Düsennadel bei noch anliegendem Druck im Düsenraum. Dadurch ergeben sich beträchtliche Vorteile im Einspritzverlauf, da vor allem gegen Ende des Einspritzvorgangs noch ein hohes Druckniveau zur Verfügung steht und dadurch eine gute Zerstäubung erreicht werden kann. Bei herkömmlichen druckgesteuerten Einspritzsystemen war bisher ein Schließen der Düsennadel gegen einen hohen Kraftstoffdruck nicht möglich, so dass vor allem gegen Ende des Einspritzvorgangs, bei einem abfallenden Druckgradienten im Düsenraum, eine schlechte Kraftstoffaufbereitung vorlag. Dieser gravierende Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Lösung beseitigt.

Durch das Schließen der Düsennadel gegen hohen Druck im Düsenraum kann die Partikelemission abgesenkt werden. Die erfindungsgemäße Lösung kann sowohl bei druckgesteuerten Common-Rail-Systemen als auch bei nockengetriebenen Systemen eingesetzt werden.

Schließlich kann die Erfindung kostengünstig in die Praxis umgesetzt werden, da bereits vorhandene Anlagen für die Serienfertigung mit nur geringfügigen Anpassungen für die Herstellung der erfindungsgemäß ausgestalteten Kraftstoffinjektoren weiter benutzt werden können.

Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nahestehend näher erläutert.

Es zeigt : Figur 1 ein hydraulisches Schaltbild eines druckgesteuerten Common-Rail-Systems, Figur 2 einen Teil einer Düsenhalterkombination im Längsschnitt, Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt ein hydraulisches Schaltbild eines druckgesteuerten Common-Rail-Systems.

Das System umfasst einen Kraftstofftank 1, der mit einer Hochdruckpumpe 2 verbunden ist. Die Druckseite der Hochdruckpumpe 2 ist mit einem Druckspeicher 3 verbunden. Ein Ausgangsanschluss des Druckspeichers 3 ist mit einem Stellglied 4 verbunden. Weiter stromab in Bezug auf das Stellglied 4 ist ein Kraftstoffinjektor 5 angeordnet. Dieser Kraftstoffinjektor 5 dient zur Einspritzung von Kraftstoff in den ersten Zylinder der hier nicht weiter dargestellten Verbrennungskraftmaschine. Figur 2 zeigt einen Teil einer Düsenhalterkombination des Kraftstoffinjektors 5 in vergrößerter Darstellung in einem Längsschnitt. Figur 3 schließlich zeigt, in einer noch weiter vergrößerten Darstellung den in Figur 2 durch einen Kreis markierten Teilbereich der Düsenhalterkombination.

Erfindungsgemäß ist in dem Federraum 5.3, oberhalb der Düsenfeder 5.2, ein Ausweichkolben 6 angeordnet, der ein Teilvolumen 8 des Federraum 5.3 begrenzt. Bei Druckeinwirkung in dem Teilvolumen 8 wird auf den Ausweichkolben 6 eine Kraft ausgeübt, die den Ausweichkolben 6 gegen den Druck der Düsenfeder 5.2 fortbewegt und diese daher vorspannt.

Die Erfindung ermöglicht es somit, in einer Düsenhalterkombination eine zusätzliche Kraft auf die Rückseite der Düsennadel 5. 1 aufzubringen, um dadurch eine Beschleunigung der Schließbewegung der Düsennadel 5.1 zu erreichen. Dabei wird diese Kraft, anders als bei herkömmlichen Düsenhalterkombinationen, nicht durch den Absteuerstoß aufgebracht, sondern über den Ausweichkolben 6, der oberhalb der Düsenfeder 5.2 angeordnet ist. Das von dem Ausweichkolben 6 begrenzte Teilvolumen 8 steht dabei über eine Drossel 7 mit der Hochdruckleitung 5.4 des Einspritzsystems in Verbindung.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Erfindung beschrieben. Zu Beginn des Einspritzvorgangs ist das an der Beschleunigung der Nadelbewegung beteiligte Teilvolumen 8 noch nicht mit Druck beaufschlagt, so dass der Düsenöffnungsdruck der Düse nicht beeinflusst wird. Selbst kleine Mengen von Kraftstoff, die etwa anlässlich einer Voreinspritzung eingespritzt werden, reichen nicht aus, um über die genannte Drossel 7 das Teilvolumen 8 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zu befüllen und somit den Öffnungsdruck der Düsennadel 5.1 nennenswert zu erhöhen. Solange der Leitungsdruck in der Hochdruckleitung 5.4 ansteigt, ist, durch die Drossel 7 bedingt, der Druck oberhalb des Ausweichkolbens 6 immer deutlich geringer als der Druck in der Hochdruckbohrung der Düsenhalterkombination. Die Erhöhung der Vorspannung der Düsenfeder reicht bei ansteigendem Druckgradienten in der Hochdruckbohrung der Düsenhalterkombination somit nicht aus, um die Düsennadel 5.1 in Schließrichtung zu bewegen, um die Düse zu schließen und den Einspritzvorgang ungewollt zu beenden oder zu unterbrechen. Erst bei einem wieder abfallenden Druckgradienten in der Hochdruckbohrung der Düsenhalterkombination kann die erhöhte Vorspannung der Düsenfeder 5.2 ihre Wirkung entfalten und ein schnelles Schließen der Düsennadel 5.1 bewirken.

Über die Größe der Drossel 7 kann die Zeit bestimmt werden, die benötigt wird, um den Gegendruck auf der Oberseite des Ausweichkolbens 6 aufzubauen und damit die Zeitdauer festzulegen, die vergeht, bis die die Düsennadel 5. 1 schließende Kraft aufgebaut ist. Der Ausweichkolben 6 kann ohne schwerwiegende konstruktive Änderungen in eine herkömmliche Düsenhalterkombination integriert werden und kommt ohne weiteres mit dem dort zur Verfügung stehenden Raumangebot aus. Er ermöglicht ein schnelles Schließen der Düsennadel 5.1 bei noch anliegendem Druck im Düsenraum. Dadurch ergeben sich beträchtliche Vorteile im Einspritzverlauf, da vor allem gegen Ende des Einspritzvorgangs noch ein hohes Druckniveau zur Verfügung steht und dadurch eine gute Zerstäubung erreicht werden kann. Bei herkömmlichen druckgesteuerten Einspritzsystemen war bisher ein Schließen der Düsennadel gegen einen hohen Kraftstoffdruck nicht möglich, so dass vor allem gegen Ende des Einspritzvorgangs, bei einem abfallenden Druckgradienten im Düsenraum, eine schlechte Kraftstoffaufbereitung vorlag. Dieser gravierende Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Lösung beseitigt.

Durch das Schließen der Düsennadel 5.1 gegen hohen Druck im Düsenraum kann die Partikelemission abgesenkt werden. Die erfindungsgemäße Lösung kann sowohl bei druckgesteuerten Common-Rail-Systemen als auch bei nockengetriebenen Systemen eingesetzt werden.

Durch die konstrulctive Bemessung der Drossel 7 ist die Zeitdauer zum Aufbau des Drucks in dem Teilvolumen 8 vorgebbar. Diese Zeitdauer bestimmt die maximale Dauer der Einspritzung und damit auch, abhängig vom Leitungsdruck, die maximal zur Verfügung stehende Einspritzmenge. Dies dient der Sicherheit des Motors. Auf diese Weise können bisher übliche Durchflussbegrenzungsventile ersetzt werden.

Nach einer ersten Piloteinspritzung wird vorzugsweise der Druck in dem von dem Ausweichkolben 6 begrenzten Teilvolumen 8 nicht vollständig abgebaut. Dadurch kann, nach einer Vorkonditionierung des Brennraums durch die Piloteinspritzung, mit einem erhöhten Düsenöffnungsdrtlok in der Haupteinspritzung eingespritzt werden.

Schließlich kann die Erfindung kostengünstig in die Praxis umgesetzt werden, da bereits vorhandene Anlagen fur die Serienfertigung mit nur geringfügigen Anpassungen für die Herstellung der erfindungsgemäß ausgestalteten Kraftstoffinjektoren weiter benutzt werden können.

Bezugszeichenliste Kraftstofftank 2 Hochdruckpumpe 3 Druckspeicher 4 Stellglied 5 Injektor 5.1 Düsennadel 5.2 Düsenfeder 5.3 Federraum 5.4 Hochdruckleitung 6 Ausweichkolben 7 Drossel 8 Teilvolumen