Kraftstoffinjektor mit mehrteiligem, direktgesteuertem Einspritzventilglied Technisches Gebiet An selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen werden Speichereinspritzsysteme zur Kraftstoffeinspritzung eingesetzt, die eine drehzahl-und lastunabhängige Einstellung des Einspritzdrucks erlauben. Bei den Speichereinspritzsystemen (Common-Rail) sind Druck- erzeugung und Einspritzung und örtlich voneinander entkoppelt. Der Einspritzdruck wird von einer separaten Hochdruckpumpe erzeugt. Diese muss nicht synchron zu den Einsprit- zungen angetrieben werden. Der Druck kann unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge eingestellt werden. An die Stelle druckgesteuerter Einspritzventile treten bei diesem Kraftstoffeinspritzsystem elektrisch betätigte Injektoren, mit deren Ansteuer- zeitpunkt und Ansteuerdauer der Einspritzbeginn und die Einspritzmengen in die Brenn- räume der Verbrennungskraftmaschine bestimmt werden. Bei Common-Rail-Einspritz- systemen besteht ein hoher Freiheitsgrad bezüglich der Gestaltung und Formung von mehr- fach-oder geteilten Einspritzvorgängen.

Stand der Technik Aus DE-190 55 271 Al ist ein druck-/hubgesteuerter Injektor mit hydraulischem Überset- zer bekannt. In einem Injektorgehäuse sind 2/2-Wege-Steuerventile aufgenommen, deren vertikale Bewegung mechanisch über eine Brücke aneinander gekoppelt ist. Die 2/2-Wege- Steuerventile sind zulaufseitig und ablaufseitig angeordnet und einem hydraulischen Über- setzer vorgeschaltet. Der hydraulische Übersetzer beaufschlagt einen eine Düsennadel um- gebenden Druckraum mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff. Die beiden 2/2-Wege- Steuerventile sind im Injektorgehäuse des Kraftstoffinjektors gegengleich zueinander auf- genommen.

Nachteilig an der aus DE 190 55 271 AI bekannten Lösung ist die Vielzahl von Einzeltei- len, die zur Realisierung einer druck-/hubgesteuerten Injektoransteuerung gemäß dieser Lösung erforderlich sind.

Aus DE 199 46 838 Cl ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bekannt. Das Ventil umfasst ein in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial verschiebbares Ventilglied. Dieses weist einen das Ventilschließglied bildenden Ventilkopf auf, der mit einem an dem Ventil- körper vorgesehenen Sitz zum Öffnen und Schließen des Ventiles zusammenwirkt. Des weiteren wird eine piezoelektrische Einheit zur Betätigung des Ventilgliedes sowie ein Toleranzausgleichselement zum Ausgleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit und/oder anderer Ventilbauteile vorgesehen. Die piezoelektrische Einheit ist hin- sichtlich ihrer Wirkrichtung im Wesentlichen im rechten Winkel zur axialen Bewegungs- richtung des Ventilgliedes angeordnet und mit einem elektrischen Strom derart beaufschlagbar, dass die piezoelektrische Einheit auf ein als Hebelarm dienendes, mit dem Ventilglied in Wirkverbindung stehendes Stellglied eine Kippbewegung ausübt.

Darstellung der Erfindung Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass mit einem mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilglied unterschiedliche Einspritz- querschnitte in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine freigeb- bar sind, wobei das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied insbesondere direkt ange- steuert ist. Zur Direktansteuerung des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritz- ventilgliedes ist zwischen einem Piezoaktor und der dem mehrteilig ausgebildeten, nadel- förmigen Einspritzventilglied eine hydraulische Übersetzungsanordnung vorgesehen, die zwei Übersetzerräume aufweist. Jeder der beiden Übersetzerräume beaufschlagt einen Steuerraum zur Ansteuerung eines inneren Nadelteiles und zur Ansteuerung eines äußeren Nadelteiles des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes.

Der innere und der äußere Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes weisen Druckstufen auf, die bei Druckbeaufschlagung eines Düsenraumes im Düsenkörper und bei Druckentlastung der Steuerräume ein zeitlich versetztes Öffnen der Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes ermöglichen. Dadurch erfolgt während ei- ner ersten Phase der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine über einen ersten Einspritzöffnungsquerschnitt und im weite- ren Verlauf der Einspritzung beim zeitlich später erfolgenden Öffnen des inneren Nadel- teiles des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes die Freigabe eines weiteren Öff- nungsquerschnittes, so dass gegen Ende des Einspritzvorganges mehr Kraftstoff in den Brennraum gelangt, als zu Beginn des Einspritzvorganges. Demnach ist im Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine nur ein Einspritzquerschnitt freigegeben während bei Volllast der Verbrennungskraftmaschine beide Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten

Einspritzventilgliedes offen stehen, so dass die maximale Einspritzmenge in den Brenn- raum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.

Durch die Auslegung von am äußeren Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzven- tilglied ausgebildeten Druckstufen, können die auf das äußere Nadelteil einwirkenden hyd- raulischen Kräfte derart eingestellt werden, dass auch bei geringsten Drücken die Kleinst- mengenfähigkeit des Kraftstoffinjektors gewährleistet ist. Aufgrund der Ausbildung zweier Druckstufen am äußeren Nadelteil des mehrteiligen Einspritzventilgliedes öffnet dieses sehr früh, wohingegen das innere Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventil- gliedes später öffnet, da die an diesem ausgebildete Druckstufe sehr klein ausgelegt ist.

Aufgrund dieser Auslegung der beiden Druckstufen am äußeren Nadelteil und der Druck- stufe am inneren Nadelteil kann erreicht werden, dass die beiden Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes auf voneinander verschiedenen Druck- niveaus geschaltet werden können.

Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor mit mehrteilig ausgebildetem, nadelförmigen Einspritzventilglied und einer hydraulischen Übersetzungsanordnung über deren Übersetzerräume Steuerräume die jeweils den inneren bzw. den äußeren Nadelteil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzven- tiles zugeordnet sind, druckentlastbar oder druckbeaufschlagbar sind.

Ausiührunssvariante Der in der Zeichnung dargestellt Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Injektorkörper 2 und einen Düsenkörper 3. Der Injektorkörper 2 und der Düsenkörper 3 liegen in montiertem Zustand an einer Stoßfuge 4 aneinander an. Der Kraftstoff strömt über einen in der Zeich- nung nicht dargestellten Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) eines Hochdruckspei- chereinspritzsystemes über einen Kraftstoffzulauf 5 dem Injektorkörper 2 zu. Im oberen Bereich des Injektorkörpers 2 ist ein Aktor 6 aufgenommen, welchem eine hydraulische Übersetzungseinrichtung 9 zugeordnet ist. Vom Kraftstoffzulauf 5 zweigt im Injektorkör- per 2 eine Hochdruckzuleitung 7 ab, über welche der unter hohem Druck stehende, dem Injektorkörper 2 zuströmende Kraftstoff, in einen Düsenraum 8 einströmt. Der Düsen- raum 8 befindet sich im Düsenkörper 3 und umschließt ein mehrteilig ausgebildetes Ein-

spritzventilglied 21, welches im Düsenkörper 3 in vertikale Richtung bewegbar aufge- nommen ist.

Die hydraulische Übersetzungseinrichtung 9 umfasst einen Übersetzerkolben 10. Der Ü- bersetzerkolben 10 weist eine erste Stirnfläche 11 auf, die dem Aktor 6 gegenüberliegt.

Eine zweite Stirnfläche 12 des Übersetzerkolbens 10 begrenzt einen ersten Übersetzer- raum 13 der hydraulischen Übersetzungseinrichtung 9. An dem Übersetzerkolben 10 be- findet sich ein Übersetzerkolbenfortsatz 14, der im Vergleich zum Durchmesser des Über- setzerkolbens 10 in einen geringeren Durchmesser ausgebildet ist. Eine Stirnseite 15 des Übersetzerkolbenfortsatzes 14 ragt in einen zweiten Übersetzerraum 17 hinein. Vom zweiten Übersetzerraum 17 aus erstreckt sich ein Kanal 16, der in einen ersten Steuerraum 19 mündet. Parallel zum Kanal 16 verläuft eine Überströmleitung 18, über welche der erste Übersetzerraum 13 und ein zweiter Steuerraum 20 miteinander hydraulisch in Verbindung stehen.

Das mehrteilig ausgebildete, nadelförmige Einspritzventilglied 21 weist ein äußeres Na- delteil 22 sowie ein in diesem bewegbar angeordnetes inneres Nadelteil 23 auf. Das innere Nadelteil 23 wird durch den ersten Steuerraum 19 beaufschlagt, der mit dem zweiten Über- setzerraum 17 der hydraulischen Übersetzungsanordnung in Verbindung steht, während das äußere Nadelteil 22 über den zweiten Steuerraum 20, der über die Überströmleitung 18 mit dem ersten Übersetzerraum 13 in Verbindung steht, betätigt wird. Das äußere Nadelteil 22 weist eine den zweiten Steuerraum 20 begrenzende steuerraumseitige Stirnfläche 24 auf sowie eine erste Druckstufe 25 auf der Außenseite und eine weitere, zweite Druckstufe 26, die an der Innenseite des äußeren Nadelteiles 22 ausgebildet ist. Zwischen dem äußeren Nadelteil 22 und dem inneren Nadelteil 23 ist ein Druckraum 29 ausgebildet, der durch eine am inneren Nadelteil 23 ausgebildete Ringfläche 27 begrenzt wird. Die Beaufschla- gung des innen liegenden Druckraumes 29 erfolgt über Druckraumzuläufe 30, welche die Wand des äußeren Nadelteiles 22 durchsetzen. Durch die Druckraumzuläufe 30 ist ein Überströmen von Kraftstoff, welcher unter hohem Druck in den Düsenraum 8 einströmt, in den innen liegenden Druckraum 29 zwischen dem äußeren Nadelteil 22 und dem inneren Nadelteil 23 gewährleistet.

Am brennraumseitigen Ende des äußeren Nadelteiles 22 ist an dessen Außenumfang ein Sitz 31 ausgebildet, der einen ersten Sitzdurchmesser 32 aufweist. Die im ersten Sitz- durchmesser 32 ausgebildete Sitzkante wirkt mit der Wand des Düsenkörpers 3 zusammen.

An dem inneren Nadelteil 23, welches im äußeren Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebilde- ten Einspritzventilgliedes 21 geführt ist, ist ein ebenfalls mit der Wand des Düsenkörpers zusammenwirkender zweiter Sitz 33 ausgebildet. Der Sitzdurclunesser des Sitzes 33 des

inneren Nadelteiles 23 ist in einem zweiten Sitzdurchmesser 34 (dl) ausgebildet, der er- heblich geringer als der erste Sitzdurchmesser 32 des äußeren Nadelteiles 22 ist. Im in der Zeichnung dargestellten geschlossenen Zustand des mehrteilig ausgebildeten Einspritzven- tilgliedes 21 sind erste Einspritzöffnungen 35 durch den geschlossenen Sitz 31 des äußeren Nadelteiles 22 von einem Ringspalt 41 getrennt, in welchen über den Düsenraum 8 unter hohem Druck stehender Kraftstoff ansteht. Durch den in der Zeichnung ebenfalls in seinem geschlossenen Zustand dargestellten Sitz 33 des inneren Nadelteiles 23 sind zweite Ein- spritzöffnungen 36 ebenfalls gegen den im Ringspalt 41 anstehenden, unter hohem Druck stehenden Kraftstoff verschlossen. Im in der Zeichnung dargestellten geschlossenen Zu- stand des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes 21, bildet sich zwischen dem Sitz 31 des äußeren Nadelteiles 22 und dem Sitz 33 des inneren Nadelteiles 23 ein keilförmiger Ringraum 42 aus. Der Brennraum, in welchen bei geöffneten mehrtei- lig ausgebildetem Einspritzventilglied 21 Kraftstoff entweder über die ersten Einspritzöff- nungen 35 oder über die geöffneten ersten und zweiten Einspritzöffnungen 35,36 einge- spritzt wird, ist mit Bezugszeichen 43 gekennzeichnet.

Das äußere Nadelteil 22 des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilglie- des 21 ist in einer Führungslänge 37 im Düsenkörper 3 aufgenommen, während das innere Nadelteil 23 in einer Führungslänge 38, die sich zwischen den Druckraumzuläufen 30 des äußeren Nadelteiles 23 und dessen Sitz 31 in diesen Körper 3 erstreckt, begrenzt ist. Auch wenn in der Zeichnung nicht detailliert dargestellt, kann das äußere Nadelteil 22 im Dü- senkörper 3 auch in mehreren beispielsweise um 120° zueinander versetzt ausgebildeten Führungsflächen geführt sein.

Das innere Nadelteil 23 des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilglie- des 21 weist im Bereich oberhalb des innen liegenden Druckraumes 29 einen zweiten Durchmesser 39 (d2) auf, welcher den zweiten Sitzdurchmesser 34 (dl) übersteigt, d. h. d2 >di.

Aufgrund des Durchmesserverhältnisses von dl : d2 mit dl < da öffnet der innere Nadel- teil 23 des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes 21 später als dessen äußerer Nadelteil 22. Die durch die Durchmesserdifferenz d2-dl erzeugte Druck- stufe 28 am inneren Nadelteil 23, an dessen brennraumseitiger Spitze liegend, weist eine im Vergleich zu den Druckstufen 25,26 erheblich niedrigere hydraulisch wirksame Fläche auf.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 1 gemäß der Zeichnung stellt sich wie folgt dar :

Im in der Zeichnung dargestellten Schließzustand des mehrteiligen Einspritzventilglie- des 21 ist der Aktor 6 bestromt und ausgefahren. Aufgrund der Bestromung des Aktors 6, der bevorzugt als Piezoaktor ausgebildet ist, längen sich dessen Piezokristalle, die in Form eines Stapels übereinander liegend angeordnet sind und beaufschlagen demzufolge den Übersetzerkolben 10. Dessen zweite Stirnfläche 12 fährt in den ersten Übersetzerraum 13 ein. Durch die zweite Stirnfläche 12 des Übersetzerkolbens 10 ist auch der Über- setzerkolbenfortsatz 14 in den zweiten Übersetzerraum 17 der hydraulischen Übersetzeran- ordnung 9 eingefahren. Der erste Übersetzerraum 13 und der zweite Übersetzerraum 17 werden über die Führungsleckagen zwischen dem äußeren Nadelteil 22 und dem Düsen- körper 3, der Führungsleckage zwischen dem inneren Nadelteil 23 und dem Injektorkörper 2 sowie über die Führungsleckage zwischen dem Übersetzerkolben 10 und dem Kraftstoff- zulauf 5 befüllt.

Aufgrund der Druckbeaufschlagung des ersten Übersetzerraumes 13 und des zweiten Über- setzerraumes 17 sind auch der das innere Nadelteil 23 beaufschlagende erste Steuerraum 19 sowie der das äußere Nadelteil 22 beaufschlagende zweite Steuerraum 20 druckbeauf- schlagt, so dass das innere Nadelteil 23 und das äußere Nadelteil 22 in ihre die Sitze 31 bzw. 33 verschließenden Positionen gestellt sind.

Da gleichzeitig über die Hochdruckzuleitung 7 unter hohem Druck stehender Kraftstoff im Düsenraum 8 ansteht, und damit auch in dem mit diesem verbundenen, den äußeren Na- delteil 22 umgebenden Ringspalt 41, gelangt der Kraftstoff nur bis zum verschlossenen Sitz 31 des äußeren Nadelteiles 22 und kann nicht in den Brennraum 43 eingespritzt wer- den.

Wird die Bestromung des Aktors 6 aufgehoben, geht die Längung der Piezokristalle zurück und der Übersetzerkolben 10 samt Übersetzerkolbenfortsatz 14 bewegt sich in vertikale Richtung nach oben. Der Hubweg des Übersetzerkolbens 10 bzw. des Übersetzerkolben- fortsatzes 14 liegt im Bereich zwischen 40 und 160pm.

Demzufolge werden auch der erste Steuerraum 19, welcher das innere Nadelteil 23 beauf- schlagt sowie der zweite Steuerraum 20, der die steuerraumseitige Stirnfläche 24 des äuße- ren Nadelteiles 22 beaufschlagt, druckentlastet. Aufgrund des hohen Kraftstoffdruckes, der im Düsenraum 8 anliegt, öffnet das äußere Nadelteil 22 früher, da an diesem eine außen liegende erste Druckstufe 25 und eine innen liegende zweite Druckstufe 26 oberhalb des innen liegenden Druckraumes 29 ausgebildet sind. Demzufolge fährt zu Beginn der Aufhe- bung der Bestromung des Aktors 6 die steuerraumseitige Stirnfläche 24 des äußeren Na-

delteiles 22 in den zweiten Steuerraum 20 ein, wodurch der Sitz 31 des äußeren Nadeltei- les 22 geöffnet wird. Dadurch gelangt der Ringraum 42 in Verbindung mit dem Ringspalt 41, in welchem unter hohem Druck stehender Kraftstoff ansteht. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff kann über die ersten Einspritzöffnungen 35 während einer ersten Phase des Einspritzvorganges in den Brennraum 43 eingespritzt werden.

Während der ersten Phase des Einspritzvorganges bleibt hingegen der innere Nadelteil 23 des mehrteilig ausgebildeten, nadelförmigen Einspritzventilgliedes 21 in seiner Schließ- stellung, d. h. der Sitz 33 des inneren Nadelteiles 23 bleibt geschlossen. Im weiteren Ver- lauf des Einspritzvorganges öffnet das innere Nadelteil 23 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 21, da die an diesem ausgebildete Druckstufe 28 sehr klein ausgebil- det ist.

Im weiteren Verlauf des Einspritzvorganges strömt über die Druckraumzuläufe 30 unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den innen liegenden Druckraum 29 zwischen dem äußeren Nadelteil 22 und dem inneren Nadelteil 23 ein. Der in den innen liegenden Druck- raum 29 einströmende Kraftstoff steht an der Ringfläche 27 des inneren Nadelteiles 23 an und beaufschlagt diese weiterhin in Schließrichtung. Während der vertikalen Auffahrbewe- gung des äußeren Nadelteiles 22, tritt der Ringspalt 41 mit dem Ringraum 42 in Verbin- dung. Infolgedessen wird ein in Öffnungsrichtung wirksame hydraulische Kraft an der Druckstufe 28 am brennraumseitigen Ende des inneren Nadelteiles 23 wirksam, welche dieses in Öffnungsrichtung bewegt. Dadurch wird auch der zweite Sitz 33 des inneren Na- delteiles 23 geöffnet und Kraftstoff strömt über den nunmehr geöffneten zweiten Sitz 33 den zweiten Einspritzöffnungen 36 zu. Bei gleichzeitig geöffnetem inneren Nadelteil 23 und äußerem Nadelteil 22 strömt aus dem Düsenraum 8 über den Ringspalt 41 Kraftstoff über beide Einspritzöffnungen 35,36 in den Brennraum 43 ein. Der Durchmesser des inne- ren Nadelteiles 23, d. h. der erste Durchmesser 39 liegt im Bereich zwischen 1,5 und 2,5 mm, während der Durchmesser des zweiten Steuerraumes 20 zwischen 3,5 und 5,6 mm liegen kann, je nach Ausführung des Kraftstoffinjektors.

Bei Bestromung des Piezoaktors 6, welcher in den Kraftstoffzulauf 5 vom in der Zeich- nung nicht dargestellten Hochdruckspeicher angeordnet ist, dehnt sich dessen Piezokristall- stapel aus, so dass der Übersetzerkolben 10 samt Übersetzerkolbenfortsatz 14 eine in Richtung des Brennraumes 43 wirkende Schließbewegung ausführt. Dadurch werden die in dem ersten Übersetzerraum 13 sowie im zweiten Übersetzerraum 17 enthaltenen Kraft- stoffvolumina komprimiert und über den Kanal 16 bzw. die Überströmleitung 18 die Steu- erräume 19 bzw. 20 druckbeaufschlagt. Da die die Steuerräume 19 bzw. 20 begrenzenden, hydraulisch wirksamen Flächen, d. h. die obere Stirnseite des inneren Nadelteiles 23 und

steuerraumseitige Stirnfläche 24 des äußeren Nadelteiles 22 hydraulisch wirksamen Flä- chen der Druckstufen 25,26 des äußeren Nadelteiles 22 sowie die in Öffilungsrichtung wirksame hydraulische Fläche a (d22-dl2)/4 der Druckstufe 28 am brennraumseitigen Ende des inneren Nadelteiles 23 übersteigen, werden beide Nadelteile 22,23 des mehrteilig aus- gebildeten Einspritzventilgliedes 21 wieder in ihre Schließstellung gestellt.

Bezugszeichenliste Kraftstoffinjektor 2 Injektorkölper 3 Düsenkörper 4 Stoßfuge 5 Kraftstoffzulauf 6 Piezoaktor 7 Hochdruckzuleitung 8 Düsenraum 9 hydraulische Übersetzeranordnung 10 Übersetzerkolben 11 erste Stirnfläche 12 zweite Stirnfläche 13 erster Übersetzerraum 14 Übersetzerkolbenfortsatz 15 Stirnseite Übersetzerkolben Fortsatz 16 Kanal 17 zweiter Übersetzerraum 18 Überströmleitung 19 erster Steuerraum 20 zweiter Steuerraum 21 mehrteiliges Einspritzventilglied 22 äußeres Nadelteil 23 inneres Nadelteil 24 steuerraumseitige Stirnfläche von 22 25 erste Druckstufe von 22 26 zweite Druckstufe von 22 27 Ringfläche inneres Nadelteil 23 28 Druckstufe inneres Nadelteil 23 29 innen liegender Druckraum 30 Druckraumzulauf 31 Sitz äußeres Nadelteil 32 erster Sitzdurchmesser 33 Sitz inneres Nadelteil 34 zweiter Sitzdurchmesser 35 erste Einspritzöffnungen 36 zweite Einspritzöffnungen 37 Führungslänge äußeres Nadelteil 22 38 Führungslänge inneres Nadelteil 23 39 erster Durchmesser inneres Nadelteil 23 41 Ringspalt 42 Ringraum 43 Brennraum