Um den Einspritzquerschnitt in der gewünschten Weise wählen zu können, muß der Öffnungshub der Düsennadel möglichst präzise gesteuert werden. Hierzu gibt es mittlerweile verschiedene Lösungsansätze. Eine Möglichkeit der Steuerung des Öffnungshubes besteht darin, das Öffnen und Schließen der Düsennadel direkt von einem Piezo-Aktor hervorzurufen. Auf diese Weise kann nahezu jede beliebi- ge Zwischenposition innerhalb des Nadelhubes angefahren und gehalten werden.

Eine andere Möglichkeit zur Steuerung des Öffnungshubes besteht darin, den das Öffnen der Düsennadel hervorrufenden Kraftstoffdruck so zu steuern, daß sich der gewünschte Öffnungshub einstellt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kraftstoffeinspritzdüse zu schaffen, bei der der Öffnungshub der Düsennadel mit geringem Aufwand und hoher Zu- verlässigkeit auf einen gewünschten Wert beschränkt werden kann. Die Aufgabe

der Erfindung besteht weiterhin darin, eine Kraftstoffeinspritzdüse zu schaffen, bei der der Spritzquerschnitt unabhängig von allen anderen Parametern gewählt wer- den kann.

Vorteile der Erfindung Eine Einspritzdüse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß der Öffnungshub der Düsennadel mit geringem Aufwand in der gewünschten Wei- se begrenzt werden kann. Wenn nur ein geringer Öffnungshub gewünscht wird, wird das Steuerventil geschlossen, so daß das Ausfließen des in der Anschlag- kammer vorhandenen Fluids verhindert wird. Das den Ausgang der Anschlag- kammer steuernde Steuerventil kann dabei mit geringer Energie betätigt werden, da es nicht unmittelbar von dem hohen Druck beaufschlagt wird. der das Öffnen der Düsennadel hervorruft. Weiterhin kann das Steuerventil während der Ein- spritzpausen der Einspritzdüse betätigt werden, also zwischen zwei aufeinander- folgenden Einspritzzyklen, so daß die Schaltvorgänge in Phasen mit geringer Druckbeaufschlagung erfolgen und an die Schaltphasen keine hohen Anforderun- gen hinsichtlich des Zeitpunktes gestellt werden müssen. Durch den Schaltvor- gang, also das Öffnen und Schließen der Steuerventils zwischen zwei Einsprit- zungen, ist bereits vor einem Düsennadelhub festgelegt. welche Größe der Öff- nungshub haben soll. Im Gegensatz dazu mußte bei den bekannten Systemen der Öffnungshub zu einem bestimmten Zeitpunkt unterbrochen werden, weshalb an die zeitliche Präzision des Schaltvorganges hohe Anforderungen gestellt werden mußten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü- chen.

Zeichnungen Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf verschiedene Ausfüh- rungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen :

-Figur 1 in einer Schnittansicht eine Einspritzdüse gemäß einer ersten Ausfüh- rungsform der Erfindung ; -Figur 2 in einer Schnittansicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung ; -Figur 3 in einer vergrößerten Schnittansicht das Steuerventil, das bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Einspritzdüsen verwendet wird ; -Figur 3a in einer vergrößerten Schnittansicht eine Ausführungsvariante zu dem in Figur 3 gezeigten Steuerventil ; -Figur 4 in einer vergrößerten Schnittansicht eine alternative Ausgestaltung des Steuerventils ; -Figur 5 in einer schematischen Ansicht eine hydraulische Schaltung, wie sie bei dem Steuerventil gemäß Figur 3 verwendet werden kann ; und -Figur 6 in einer schematischen Ansicht die hydraulische Schaltung entsprechend der Variante des Steuerventils von Figur 4 ; -Figur 7a eine Einspritzdüse gemäß einer ersten Variante der zweiten Ausfüh- rungsform ; -Figur 7b in vergrößertem Maßstab schematisch das bei der Einspritzdüse von Figur 7a verwendete Steuerventil ; -Figur 7c in vergrößertem Maßstab schematisch einen Ausschnitt einer Variante des in Figur 7b gezeigten Steuerventils ; -Figur 7d den Ausschnitt d von Figur 7c in wiederum vergrößertem Maßstab ; -Figur 7e in vergrößertem Maßstab schematisch einen Ausschnitt einer weiteren Variante des in Figur 7b gezeigten Steuerventils ;

-Figur 7f den Ausschnitt f von Figur 7e in wiederum vergrößertem Maßstab ; -Figur 7g in vergrößertem maßstab schematisch einen Ausschnitt einer weiteren Variante des in Figur 7b gezeigten Steuerventils ; -Figur 7h den Ausschnitt h von Figur 7g in wiederum vergrößertem Maßstab ; -Figur 8a eine Einspritzdüse gemäß einer zweiten Variante der zweiten Ausfüh- rungsform ; und -Figur 8b in vergrößertem Maßstab schematisch das bei der Einspritzdüse von Figur 8a verwendete Steuerventil.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist eine Einspritzdüse gezeigt, die einen Düsenkörper 10 aufweist. Die- ser ist an seinem brennraumseitigen Ende mit zwei Gruppen von Spritziöchern 12, 14 versehen, durch die Kraftstoff eingespritzt werden kann. der über eine Versor- gungsbohrung 16 und eine Druckkammer 18 zugeführt wird.

In dem Düsenkörper 10 ist eine Düsennadel 20 verschiebbar angeordnet. Diese wird von einer Rückstellfeder 22 in eine Stellung beaufschlagt, in der die Spritziö- cher 12,14 verschlossen sind. Durch Anlegen eines ausreichend hohen Kraft- stoffdrucks an die Druckkammer 18 kann die Düsennadel 20 entgegen der Wir- kung der Druckfeder 22 bezüglich Figur 1 nach oben verschoben werden, so daß in Abhängigkeit von der Größe dieses Offnungshubes entweder nur die Spritziö- cher 14 oder auch die Spritzlöcher 12 freigegeben werden. Da sich die Düsenna- del 20 zum Offnen der Spritzlöcher in das Innere des Düsenkörpers 10 hinein ver- stellt, wird dieser Typ von Einspritzdüse als innenöffnende Einspritzdüse bezeich- net.

Die Düsennadel 20 ist mit einem Kolben 24 versehen, der verschiebbar in einer Anschlagkammer 26 angeordnet ist, die im Düsenkörper 10 ausgebildet ist. Unter dem Begriff"Kolben"wird hierbei jede geeignete Gestaltung verstanden, die bei

einem Öffnungshub der Düsennadel eine Volumenverschiebung eines Fluids her- vorrufen kann, die wiederum zu den nachfolgend beschriebenen Steuerungs- zwecken beeinflußt werden kann.

Der Kolben 24 unterteilt die Anschlagkammer 26 in zwei Abschnitte, wobei der bezüglich des Kolbens von den Spritzlöchern abgewandte Abschnitt der An- schlagkammer 26 mit einem Ausgang 28 versehen ist. Zwischen dem Kolben 24 und der Düsennadel 20 ist eine Anschlagplatte 29 angeordnet, die den maximalen Öffnungshub der Düsennadel begrenzt.

Der Ausgang 28 führt zu einer Ventilkammer 30 (siehe auch Figur 3) eines Steu- erventils 31. In der Ventilkammer ist eine Ventilkugel 32 angeordnet, die von einer Ventilfeder 34 gegen einen Ventilsitz 36 beaufschlagt wird.

Auf der von der Ventilfeder 34 abgewandten Seite der Ventilkugel 32 greift an die- ser ein Betätigungsteil an, das aus einem Stellkolben 38 und einem Fortsatz 40 besteht. Der Stellkolben 38 ist in einer Stelikammer 42 angeordnet, deren von der Ventilkammer 30 abgewandter Abschnitt mit einer Steuerleitung 44 verbunden ist und deren der Ventilkammer 30 zugewandter Abschnitt mit einer Rückführleitung 46 verbunden ist. Die Rückführleitung 46 führt in einen Leckage-Sammelraum 48 im Düsenkörper 10. Mit dem Leckage-Sammelraum 48 ist auch eine Leckage- Abführleitung 49 verbunden, die zwischen der Anschlagplatte 29 und dem Kolben 24 mündet.

Wie anhand der Ausführungsvariante von Figur 3a zu sehen ist, kann anstelle der Ventilkugel 32 auch ein Ventilkonus 32'verwendet werden.

Die beschriebene Einspritzdüse arbeitet in der folgenden Weise : Vor Einspritzbe- ginn wird in Abhängigkeit von externen Parametern festgelegt, ob ein vollständiger Offnungshub der Düsennadel erforderlich ist, so daß die beiden Gruppen von Spritzlöchern 12,14 geöffnet werden, oder ob nur ein Teilöffnungshub erforderlich ist, so daß nur die Spritz ! öcher 14 freigegeben werden. Wenn ein verständiger Offnungshub erforderlich ist, wird durch Anlegen eines geeigneten Drucks an die Steuerleitung 44, beispielsweise eines Kraftstoff-Vorfõrderdrucks, der Steilkolben

in Richtung zur Ventilkammer 30 hin verschoben, so daß die Ventilkugel 32 ent- gegen der Wirkung der Ventilfeder 34 mittels des Fortsatzes 40 vom Ventilsitz 36 abgehoben wird. Somit ist der Ausgang 28 aus der Anschlagkammer 26 zur Rückführleitung 46 geöffnet.

Wenn nun bei geöffnetem Steuerventil 31 die Düsennadel 20 durch Anlegen eines geeigneten Kraftstoffdrucks an die Versorgungsbohrung 16 geöffnet wird, kann das in der Anschlagkammer 26 oberhalb des Kolbens 24 vorhandene Fluid an der Ventilkugel 32 vorbei aus der Anschlagkammer 26 entweichen. Somit kann die Düsennadel 20 vollständig geöffnet werden, da sich der Kolben 24 nahezu frei in der Anschlagkammer 26 verschieben kann, wobei der maximale Öffnungshub durch die Anschlagplatte 29 vorgegeben ist.

Wenn dagegen nur ein Teiföffnungshub der Düsennadel 20 erforderlich ist, wird an die Steuerleitung 44 kein Druck angelegt. Dies ermöglicht der Ventilfeder 34, die Ventilkugel 32 gegen den Ventilsitz 36 zu drücken, so daß die Verbindung vom Ausgang 28 zur Rückführleitung 46 blockiert ist.

Wenn nun über die Versorgungsbohrung 16 ein solcher Druck auf die Düsennadel 20 einwirkt, daß die Düsennadel 20 in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird, wirkt das in der Anschlagkammer 26 oberhalb des Kolbens 24 und in der Ventilkammer 30 enthaltene Fluid als hydraulische Feder, die nur ein begrenztes Öffnen der Dü- sennadel ermöglicht. Die Steifigkeit dieser hydraulischen Feder ist so abgestimmt, daß der gewünschte Teilöffnungshub erzielt wird, bei dem nur die Gruppe von Spritzlöchern 14 freigegeben wird.

In Figur 5 ist gezeigt, wie die Steuerventile aller Einspritzdüsen einer Einspritzan- lage gemeinsam geschaltet werden können. Die Steuerleitungen werden gemein- sam von einem Aktor 50 gesteuert, der die Steuerleitungen entweder mit einer Vorfõrder-Leitung 52 oder einem Leckage-Sammelraum verbinden kann. Wenn die Steuerleitungen 44 mit der Vorförder-Leitung verbunden sind, werden die Stellkolben der einzelnen Steuerventile mit unter Vorförderdruck stehendem Kraft- stoff beaufschlagt. Dies führt dazu, daß das Steuerventil geöffnet ist, so daß der Ausgang 28 der Anschlagkammer 26 mit dem Leckage-Sammelraum verbunden

ist und ein vollständiges Öffnen der Düsennadeln der Einspritzdüsen möglich ist.

Wenn dagegen die Steuerleitungen 44 mit dem Leckage-Sammelraum verbunden sind, sind die Steuerventile 31 geschlossen. so daß eine Begrenzung des Öff- nungshubes der Düsennadeln vorgenommen wird.

Ein besonderes Merkmal dieser Hubbegrenzung liegt darin, daß das Öffnen und Schließen des Steuerventils in den Einspritzpausen und somit im unbelasteten Zustand des Ventils erfolgt ; die Kräfte zur Betätigung des Steuerventils sind damit sehr klein. Durch die unmittelbare Nähe des Steuerventils zur Anschlagkammer ergibt sich ein kleines Volumen und damit eine steife Kennlinie der von dem ein- geschlossenen Volumen gebildeten hydraulischen Feder. Da das Steuerventil mit Kraftstoff betätigt werden kann, der nicht unter Einspritzdruck stehen muß, son- dern lediglich unter Niederdruck, beispielsweise Vorförderdruck, ergibt sich ein geringer Energiebedarf und ein vereinfachter Aufbau, da keine Hochdruckleitun- gen erforderlich sind. Ferner ergeben sich keine Probleme mit Druckschwingun- gen. Alternativ zur Nutzung des Vorförderdrucks der Kraftstoffs kann der Nieder- druck auch durch ein separates Versorgungssystem bereitgestellt werden oder durch einen Leckstrom des Hochdrucksystems.

In Figur 2 ist eine Einspritzdüse gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt.

Für Bauelemente, die von der ersten Ausführungsform bekannt sind, werden die- selben Bezugszeichen verwendet, und es wird auf die obigen Erläuterungen ver- wiesen. Im Unterschied zur Einspritzdüse gemäß der ersten Ausführungsform ist die Einspritzdüse gemäß der zweiten Ausführungsform eine außenöffnende Ein- spritzdüse, also eine Einspritzdüse, bei der die Düsennadel 20 zum Öffnen nach außen zum Brennraum hin verstellt wird. Aus diesem Grunde ist der Ausgang 28 in dem Abschnitt der Anschlagkammer 26 angeordnet, der bezüglich des Kolbens 24 den Spritzlöchern zugewandt ist.

Hinsichtlich der Funktionsweise ergeben sich keine Unterschiede zu der Einspritz- düse gemäß der ersten Ausführungsform.

In Figur 4 ist eine Variante zu dem in Figur 3 gezeigten Steuerventil dargestellt.

Anstelle des Stellkolbens 38 wird hier ein Piezo-Aktor 39 verwendet, der zusam-

men mit dem Fortsatz das Eetätigungsieii für die Ventilkugel 32 bildet. Der Piezo- Aktor 39 kann direkt durch Langenänderung den Fortsatz 40 so zur Ventilfeder 34 hin bewegen, daß die Venti. kuge ! 32 vom Ventilsitz 36 abgehoben wird ; anstelle der Steuerleitung 44 werden (nicht dargestelite) Kabel verwendet, um die notwen- dige Spannung an den Piezo-Aktor anzulegen.

In Figur 5 ist schematisch das Steuerventil 31 gemäß der Variante von Figur 4 gezeigt. Der Piezo-Aktor 39 kann durch Betätigung der Ventilkugei 32 die Verbin- dung des Ausgangs 28 zur Rückführleitung 46 öffnen oder schließen. um auf die- se Weise einen variablen Hub der Düsennadel 20 der Einspritzdüse zu erzielen.

In den Figuren 7a und 7b ist eine erste Variante zur zweiten Ausführungsform ge- zeigt, also eine außenöffnende Einspritzdüse. Soweit bei dieser Variante Bauteile verwendet werden, die von den vorhergehenden Figuren bekannt sind, werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Im Unterschied zu dem Steuerventil, das in Figur 3a gezeigt ist, wird bei dem Steuerventil, das im Detail in Figur 7b gezeigt ist, zusätzlich zum ersten Ventilsitz 36 ein zweiter Ventilsitz 37 verwendet, der dem ersten Ventilsitz auf der anderen Seite des Ventilkonus 32'gegenüberliegt.

Wenn der Ventilkonus am ersten Ventilsitz anliegt, ist der Ausgang aus der An- schlagkammer 26 verschlossen. In diesem Zustand ist ein hydraulischer Huban- schlag gebildet, der den Öffnungshub der Düsennadel 12 nach einer Strecke von etwa 50% des maximalen Öffnungshubes begrenzt, die Öffnungsbewegung der Düsennadel also stoppt.

Wenn der Stellkolben 38 mit Niederdruck beaufschlagt wird, der vorzugsweise kleiner als 10 bar ist, wird das Steuerventil geöffnet und der Ventilkonus vom er- sten Ventilsitz abgehoben und in Anlage am zweiten Ventilsitz 37 gebracht. Da- durch ist die Verbindung von der Anschlagkammer über deren Ausgang 28 hin zur Rückführleitung geöffnet, so daß die beim Öffnungshub der Düsennadel vom Kol- ben 24 verdrängte Fluidmenge aus der Anschlagkammer 26 abfließen kann.

Der zweite Ventilsitz dient dazu, bei einem eventuellen Druckaufbau im Steuer- ventil zu verhindern, daß auf den Ventilkonus eine Schließkraft wirkt, die ihn ge- gen den ersten Ventilsitz beaufschlagt und das Steuerventil schließt. Ein solcher Druckaufbau könnte von dem bei einer Fluidrückströmung beim Öffnen der Dü- sennadel wirkenden Strömungswiderstand hervorgerufen werden. Bei einem Druckaufbau würde eine Schließkraft erzeugt, die zum einen von der Druckdiffe- renz zwischen dem auf den Stellkolben einwirkenden Druck und dem Druck auf der von dem Stellkolben abgewandten Seite des Ventilkonus und zum anderen von der Querschnittsfläche des Stelikolbens bestimmt wird. Wenn nun der Ventil- konus am zweiten Ventilsitz anliegt, wird die für die Schließkraft maßgebliche Fla- che des Ventilkonus vom Druck im Steuerventil abgekoppelt, so daß diese Fläche bei einer Druckerhöhung im Steuerventil unwirksam ist. Dies führt dazu, daß bei einer Druckerhöhung keine Schließkraft erzeugt wird, sondern im Gegenteil eine Öffnungskraft, welche die vom Stelikolben bereitgestellte Kraft unterstützt und den Ventilkonus noch fester gegen den zweiten Ventilsitz drückt (Selbsthaltefunktion).

Somit muß nicht darauf geachtet werden, ob der auf den Stelikolben einwirkende Niederdruck bei allen Betriebsbedingungen in der Lage ist, den Ventilkonus in der geöffneten Stellung zu halten.

Durch die Verwendung von Niederdruck zur Ansteuerung des Steuerventils erge- ben sich deutlich reduzierte Absteuermengen, so daß sich ein verbesserter hy- draulischer Wirkungsgrad ergibt. Auch ergibt sich durch die verringerten Rück- laufmengen, die eine hohe Temperatur haben, eine Reduzierung der Temperatur- belastungen des Kraftstofftanksystems.

In den Figuren 7c und 7d ist eine Variante des in Figur 7b gezeigten Steuerventils dargestellt. Der Ventilkonus 32'weist eine dem Ventilsitz 36 zugeordnete Ven- ti ! f) äche 60 auf, die als Kugelabschnitt mit einem Radius R geformt ist. Der Radius R ist vergleichsweise groß gewählt. Bei einem Durchmesser des Ventilsitzes von 2 mm liegt der Radius R in der Größenordnung von 3 mm. Der Ventilsitz ist so aus- gebildet, daß der von ihm gebildete Kegel einen Öffnungswinkel W1 von 70° be- züglich der Mittelachse des Ventilkonus hat.

Der Fortsatz 40 des Ventilkonus 32'ist mit einem Vorsprung 62 versehen, der in der Führungsbohrung 64 für den Ventilkonus 32'anliegt. Auf diese Weise ist eine doppelte Führung für den Ventilkonus gebildet, so daß eine radiale Verschiebung des Ventilkonus, wie sie aufgrund einer aus der Absteuerbohrung kommenden Druckwelle und/oder von Radialkräften der Ventilfeder 34 hervorgerufen werden könnte, sicher verhindert. Dies gewährleistet die korrekte Lage des Ventilkonus am Ventilsitz, was die Zuverlässigkeit der Dichtwirkung erhöht.

In den Figuren 7e und 7f ist eine weitere Variante des in Figur 7b gezeigten Steu- erventils dargestelit. Der Ventiikonus 32'weist eine dem Ventilsitz 36 zugeordnete Ventilfläche 60 auf, die hier aus zwei Kegelstumpfflächen 66,68 gebildet ist. Der Ventilsitz ist so ausgebildet, daß der von ihm gebildete Kegel einen Öffnungswin- kel W1 von 70° bezüglich der Mittelachse des Ventilkonus hat. Die beiden Kegel- stumpfflächen 66 und 68 schließen mit der Mittelachse des Konus einen Winkel W2 bzw. W3 ein, der in der Größenordnung von 80° bzw. 45° beträgt.

Die Doppelkegel-Ventilfläche führt zu einer reinen Linienberührung und damit zu einer hohen Flächenpressung, was die Dichtwirkung positiv beeinflußt. Außerdem ist die Doppelkegel-Ventilfläche im Vergleich zur Kugel-Ventilfläche besser und reproduzierbarer zu fertigen, was wiederum die Zuverlässigkeit der Dichtwirkung erhöht und außerdem zu einer Kostensenkung führt.

In den Figuren 7g und 7h ist eine wiederum weitere Variante des in Figur 7b ge- zeigten Steuerventils dargestellt. Der Ventilkonus 32'weist hier keinen Fortsatz auf, so daß keine doppelte Führung für den Ventilkonus gebildet ist. Ähnlich wie in der vorhergehenden Variante besteht die Ventilfläche 60 des Ventilkonus 32'aus zwei Kegelstumpfflächen 66,68. Der mit der Mittelachse eingeschlossene Öff- nungswinkel W1 des Ventilsitzes beträgt hier 29,5°, während die Winkel W2 und W3 der Kegelstumpfflächen 66,68 der Ventilfläche 60 30,5° bzw. 22,5° betragen.

Aufgrund des spitzen Winkels, den die Fläche des Ventilsitzes mit der Mittelachse einschließt, wird ein radiales Herausdrücken des Ventilkonus aus seinem Ventil- sitz, das hervorgerufen werden könnte von einer seitlich wirkenden Druckwelle aus der Absteuerbohrung bzw. einer Radialkomponente der Kraft der Ventilfeder,

zuvertässig vermieden. Damit wird auch die zweite, fertigungstechnisch aufwendi- ge doppelte Kolbenführung überflüssig, wobei der Fertigungsaufwand für den Ventilsitz gleich bleibt. Die spitzwinklige Doppelkegel-Ventilfläche trägt zum siche- ren Abdichten bei.

In den Figuren 8a und 8b ist eine zweite Variante zur zweiten Ausführungsform gezeigt. Soweit bei dieser Variante Bauteile verwendet werden, die von den vor- hergehenden Figuren bekannt sind, werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Im Unterschied zur ersten Variante wird hier wieder, wie bereits aus Figur 3 be- kannt, eine Ventilkugel 32 verwendet, die vom Stellkolben 38 über den Fortsatz 40 vom ersten Ventilsitz 36 abgehoben und gegen den zweiten Ventilsitz 37 gedrückt werden kann.

Auch bei dieser Variante ergibt sich bei einem Druckaufbau im Steuerventil eine Selbsthaltefunktion, da die vom Stellkolben 38 abgewandte Fläche der Ventilkugel nicht mit dem höheren Druck beaufschlagt wird.

Ein Vorteil gegenüber der ersten Variante besteht darin, daß die gegenüber dem Fortsatz 40 bewegbare Ventilkugel 32 einen automatischen Toleranzausgleich zwischen der Führung für den Stelikolben und den Ventilsitzen ermöglicht.