Einspritzventil

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere ein Einspritzventil zum Zumessen von Kraftstoff in einer Diesel- Brennkraftmaschine.

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zuläs¬ sigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, di¬ verse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff-Emissi¬ onen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Ein anderer Ansatzpunkt ist die von der Brennkraftmaschine erzeugten Emissionen mittels von Abgasnachbehandlungssystemen in unschädliche Stoffe umzuwandeln. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Ge¬ misches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung zu errei¬ chen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zuge¬ messen. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2.000 bar.

Ferner sind sogenannte Registerdüsen-Einspritzventile bekannt geworden mit zwei Einspritzdüsen-Kreisen und diesen zugeord¬ neten ersten und zweiten Düsennadeln, mittels derer ein stu¬ fenweises Öffnen bzw. Schließen der einzelnen Einspritzdüsen- Kreise möglich ist. So ist aus der EP 0 976 649 A2 ein derar¬ tiges Ventil bekannt. Das Ventil hat ein Gehäuse, in dem ein als Piezo-Aktuator ausgebildeter Ventilantrieb und ein Düsen¬ körper angeordnet sind. Der Düsenkörper hat eine erste Reihe von Einspritzlöchern und axial beabstandet dazu eine zweite Reihe von Einsprάtzlöchern. In einer Ausnehmung des Düsenkör¬ pers ist eine Düsennadel geführt, die in ihrer Schließpositi¬ on den Kraftstofffluss sowohl durch die erste als auch die zweite Reihe von Einspritzlöchern unterbindet und in ihrer Offenposition zumindest den Kraftstofffluss durch die erste Reihe von Einspritzlöchern freigibt.

Die Düsennadel wirkt über einen Mitnehmermechanismus auf ei¬ nen Einsatzkörper ein, der eine innere Düsennadel bildet. Die innere Düsennadel verhindert in ihrer Schließposition einen Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Einspritzlöchern und gibt den sonstigen Positionen den Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Einspritzlöchern frei. Der Piezo-Aktua- tor wirkt über ein Servoventil auf die Düsennadel ein. Das Servoventil umfasst eine Ablaufbohrung, eine Ventilstange, ein Schließglied, eine Steuerkammer und einen Leckageraum. Durch ein entsprechend gesteuertes Ausdehnen des Piezo-Aktua- tors wird über die Schließstange das Schließglied von seinem Dichtsitz weggedrückt. Dies hat zur Folge, dass Kraftstoff aus der Steuerkammer abfließt. Durch das damit verbundene Sinken des Drucks in der Steuerkammer öffnet oder bewegt sich die Düsennadel von ihrer Schließposition hin zu ihrer Offen¬ position. Dies hat zur Folge, dass sie zunächst die erste Reihe von Einspritzlöchern freigibt und mit sinkendem Druck in der Steuerkammer dann über den Mitnehmermechanismus die innere Düsennadel von ihrer Schließposition hin in ihre Of¬ fenposition bewegt wird und somit auch die zweite Reihe der Einspritzlöcher freigegeben wird. Die erste Reihe der Ein¬ spritzlöcher ist so ausgebildet, dass ihr Querschnitt deut¬ lich geringer ist als der Querschnitt der Einspritzlöcher der zweiten Reihe. Dies hat zur Folge, dass der Kraftstoff, der durch die erste Reihe von Einspritzlöchern in den Brennraum der Brennkraftmaschine zugemessen wird, deutlich feiner zer stäubt wird. Dies ist insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine von Vorteil, in dem eine geringere Kraft¬ stoffmenge eingespritzt wird und durch den geringeren Durch¬ messer der Einspritzlöcher dann kleinere Kraftstofftropfen entstehen und somit die Rußbildung verringert wird. Durch den deutlich größeren Durchmesser der zweiten Reihe von Ein¬ spritzlöchern kann dann im Vollastbetrieb der Brennkraftma¬ schine gewährleistet werden, dass eine ausreichende Menge an Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum des Zylinders zugemes¬ sen wird.

Aus der DE 199 366 68 Al ist ein Common-Rail-Injektor bekannt mit einer Düsennadel, die in ihrer Schließposition einen Kraftstofffluss durch eine Einspritzdüse verhindert und in ihrer Offenposition einen Kraftstofffluss durch die Ein¬ spritzdüse freigibt. In einer Ausnehmung des Injektorgehäuses ist ein Steuerraum ausgebildet, der mittels einer Hülse, die von einer Düsenfeder gegen eine Wandung der Ausnehmung vorge¬ spannt ist, von einem Düsenfederraum so abgekapselt ist, dass der Steuerraum und der Düsenfederraum lediglich über eine Zu¬ führdrossel hydraulisch miteinander gekoppelt sind.

Aus der DE 100 40 738 Al ist eine Einspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt mit koaxial angeordneten ers¬ ten und zweiten Düsennadeln zum Öffnen und Schließen einer ersten bzw. zweiten Einspritzöffnung.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, das eine äußere Düsennadel mit einer Ausnehmung hat, in die eine innere Düsennadel eingebracht ist und bei dem die innere und die äußere Düsennadel einfach und präzise steuerbar sind. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Einspritzventil mit einem Körper, der eine erste Ausnehmung hat, in der eine äu¬ ßere Düsennadel angeordnet ist. Die äußere Düsennadel hat ei¬ ne Ausnehmung, die eine innere Düsennadel eingebracht ist. Die äußere Düsennadel und der Körper sind so ausgebildet, dass die äußere Düsennadel einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch verhindert, wenn sie in ihrer Schließposition ist, und ihn freigibt, wenn sie außerhalb ihrer Schließposi¬ tion ist. Die innere Düsennadel und der Körper sind so ausge¬ bildet, dass die innere Düsennadel einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch verhindert, wenn sie in ihrer Schlie߬ position ist und ihn freigibt, wenn sie außerhalb ihrer Schließposition ist. Ein erster Steuerraum ist vorgesehen, in den die innere Düsennadel mündet, und ein zweiter Steuerraum ist vorgesehen, in den die äußere Düsennadel mündet. Eine Dichthülse ist vorgesehen, die mittels einer Feder dichtend gegen eine Kontaktfläche der inneren Düsennadel in Anlage ge¬ bracht ist und so den ersten von dem zweiten Steuerraum trennt. Der erste und der zweite Steuerraum sind so ausgebil¬ det, dass durch den Fluiddruck in dem ersten Steuerraum die Position der inneren Düsennadel steuerbar ist und durch den Fluiddruck in dem zweiten Steuerraum die Position der äußeren Düsennadel steuerbar ist. Je ein Schaltventil ist im ersten bzw. zweiten Steuerraum zugeordnet und mittels jeweils dessen ist der Fluiddruck in dem ersten bz;w. zweiten Steuerraum ein¬ stellbar. Der Körper des Einspritzventils kann einstückig ausgebildet sein. Ist jedoch bevorzugt aus mehreren Teilen zusammengesetzt. Erfindungsgemäß werden so zwei voneinander entkoppelte Steu¬ erräume geschaffen auf äußerst einfache Art und Weise und es besteht somit die Möglichkeit, bei entsprechend ausgebildeten Schaltventilen die ersten und zweiten Steuerräume unabhängig voneinander anzusteuern. Dadurch können dann gegebenenfalls die innere und die äußere Düsennadel unabhängig voneinander in ihre jeweilige Offen- und Schließposition gesteuert wer¬ den.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Feder eine Spiralfeder und die Dichthülse erstreckt sich in einen von der Feder umfassten Zylinderraum. Auf diese Weise kann einfach das Fluidvolumen des ersten Steuerraums sehr ge¬ ring gehalten werden. Dies hat den Vorteil, dass dann die An¬ sprechzeit der inneren Düsennadel auf ein Schalten des Schaltventils sehr gering ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die innere Düsennadel einen Zapfen auf, der sich in die Dichthülse hinein erstreckt. Auch auf diese Weise kann ein¬ fach gewährleistet werden, dass der erste Steuerraum ein sehr geringes Fluidvolumen aufnimmt.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der Zapfen in den von der Feder umfassten Zylinderraum hinein¬ ragt. Auf diese Weise kann das Fluidvolumen des ersten Steu¬ erraums weiter verringert sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die Dichthülse eine Beißkante, die an dem axialen Ende der Dichthülse ausgebildet ist, das dichtend gegen die Kon¬ taktfläche der inneren Düsennadel in Anlage gebracht ist. Die Beißkante ist radial außen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass eine sehr hohe Dichtigkeit und ein geringer Verschleiß der Dichthülse gewährleistet werden kann, wenn bei dem Be¬ trieb des Einspritzventils in dem ersten Steuerraum zuerst der Fluiddruck verringert wird. Durch den höheren Druck in dem zweiten Steuerraum können dann nur geringe Kräfte auf die Dichthülse einwirken, die sie von ihrer Anlage an der Kon¬ taktfläche der inneren Düsennadel wegdrücken.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem ersten Steuerraum eine Ablaufdrossei zugeordnet, über die er hydraulisch mit dem Schaltventil gekoppelt ist. Durch die Ablaufdrqssel kann einfach die Ansprechzeit der inneren Düsennadel auf einen Schaltvorgang des jeweiligen Schaltven¬ tils angepasst werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Einspritzventil,

Figur 2 eine Vergrößerung eines Teilbereichs einer ersten Ausführungsform des Einspritzventils gemäß Figur 1,

Figur 3 eine Vergrößerung des Teilbereichs einer zweiten Ausführungsform des Einspritzventils gemäß Figur 1,

Figur 4 eine Vergrößerung des Teilbereichs einer dritten Ausführungsform des Einspritzventils gemäß Figur 1.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren¬ übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ein Einspritzventil (Figur 1) hat ein Injektorgehäuse 1. In einer Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 ist ein Stellan¬ trieb 4 angeordnet, der bevorzugt als Piezoaktuator ausgebil¬ det ist. Der Piezoaktuator ist als ein Stapel von Piezoele- menten ausgebildet und ändert seine axiale Ausdehnung abhän¬ gig von der ihm zugeführten oder abgeführten elektrischen E- nergie. Der Piezoaktuator ist mit einem Übertrager gekoppelt, der ebenfalls in der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 an¬ geordnet ist. Ferner ist in der Ausnehmung 2 des Injektorge¬ häuses 1 ein Leckageraum 14 ausgebildet, der über eine Lecka¬ gebohrung mit einem Niederdruckkraftstoffkreis verbindbar ist.

Das Einspritzventil umfasst ferner eine Ventilplatte 16, eine Drosselplatte 18, einen Nadelführungskörper 20 und einen Dü- senkorper 21. Die Ventilplatte 16, die Drosselplatte 18, der Nadelführungskörper 20 und der Düsenkörper 21 bilden eine Dü¬ senbaugruppe, die mittels einer Düsenspannmutter 22 an dem Injektorgehäuse 1 befestigt ist.

Der Nadelführungskörper 20 hat eine erste Ausnehmung 24, die als Ausnehmung 26 des Düsenkörpers 21 fortgesetzt ist und in der eine äußere Düsennadel 27 angeordnet ist. Die äußere Dü¬ sennadel 27 ist in dem Nadelführungsköper 20 geführt. Eine innere Düsennadel 29 ist in einer Ausnehmung 28 der äußeren Düsennadel 27 bevorzugt koaxial zu dieser angeordnet und in der Ausnehmung 28 der äußeren Düsennadel 27 geführt. Die Aus¬ nehmung 28 der äußeren Düsennadel 27 durchdringt die äußere Düsennadel 27 in axialer Richtung vollständig.

Eine erste Düsenfeder 30 spannt die äußere Düsennadel 27 in eine Schließposition vor, in der sie den Kraftstofffluss durch mindestens eine erstes Einspritzloch 34 unterbindet. Eine zweite Düsenfeder 32 ist so angeordnet, dass sie die in¬ nere Düsennadel 29 in eine dieser zugeordnete Schließposition vorspannt, in der sie den Kraftstofffluss durch mindestens ein zweites Einspritzloch 36 unterbindet.

Eine Steuerraumausnehmung 38 (Figur 2) der Drosselplatte 18 ist im Bereich ihres hin zu der Nadelführungskörper 20 ge¬ wandten Endes ausgebildet. Die erste Ausnehmung 24 des Nadel- führungskörpers 20 mündet in die Steuerraumausnehmung 38.

Ferner ist in der Drosselplatte 18 ein Hohlraum 50 ausgebil¬ det, der die zweite Düsenfeder 32 aufnimmt, die sich an einem Absatz 42 des Hohlraums 50 einerseits abstützt und anderer¬ seits eine Dichthülse 40 auf eine Kontaktfläche 64 der inne¬ ren Düsennadel 29 presst. Die Dichthülse 40 ist in dem Hohl¬ raum 50 geführt. Die Wandung des Hohlraums 50, zumindest im Bereich, in dem die Dichthülse 40 geführt ist, und die äußere Wandung der Dichthülse 40 sind bezüglich ihrer Ausmaße sehr präzise gefertigt, um so sicherzustellen, dass eine möglichst geringe Leckage zwischen der Wandung des Hohlraums 50 und dem äußeren Umfang der Dichthülse 40 möglich ist.

Die Dichthülse 40 hat bevorzugt an dem axialen Ende, das der Kontaktfläche 64 der inneren Düsennadel 29 zugewandt ist, ei¬ ne Beißkante 44. Die Beißkante ist radial außen ausgebildet.

Die Dichthülse 40 trennt so einen ersten Steuerraum 46 von einem zweiten Steuerraum 48. Der erste Steuerraum wird be¬ grenzt durch die radial innerhalb der Beißkante 46 befindli¬ chen Kontaktfläche 64 der inneren Düsennadel 29, durch die Dichthülse 40 und die Wandungen des Hohlraums 50 in der Dros¬ selplatte 18. Der erste Steuerraum 46 ist über eine erste Zulaufdrossel 52 mit einer Hochdruckbohrung 54 hydraulisch gekoppelt, die mit einem Hochdruckkreis der Kraftstoffversorgung koppelbar ist. Der erste Steuerraum 46 ist ferner über eine Ablaufdrossel 56 hydraulisch gekoppelt mit einer ersten Ablaufbohrung 58, die wiederum hydraulisch gekoppelt ist mit dem Schaltventil 60, das insbesondere als Servoventil ausgebildet ist und von dem als Piezo-Aktuator 4 ausgebildeten Stellantrieb angetrieben wird.

Die innere Düsennadel 29 hat einen Hochdruckabsatz, der mit Fluid in Kontakt steht, das in etwa den Druck hat, den das Fluid in der Hochdruckbohrung 54 hat. Der Hochdruckabsatz ist so ausgebildet, dass die durch den Druck des Fluids hervorge¬ rufene Kraft öffnend auf die innere Düsennadel 29 wirkt. Die Position der inneren Düsennadel 29 hängt letztlich ab von der Kräftebilanz der Kräfte, die hervorgerufen durch den Druck des Fluids auf den Hochdruckabsatz wirken, und andererseits der Federkraft und der Kraft, die durch den Druck des Fluids, das sich in dem ersten Steuerraum 46 befindet, und die da¬ durch hervorgerufene Kraft über die Kontaktfläche 64 der in¬ neren Düsennadel 29 und den Absatz 42 der inneren Düsennadel 29 in Schließrichtung der Düsennadel 29 eingeleitet wird.

Die erste Zulaufdrossel 52 kann an das gewünschte Ansprech¬ verhalten des ersten Steuerraums 46 angepasst sein und kann unabhängig davon dimensioniert sein, wie das Ansprechverhal¬ ten des zweiten Steuerraums 48 sein soll. Die Ablaufdrossel 56 kann ferner ebenfalls an das gewünschte Ansprechverhalten des ersten Steuerraums 46 angepasst sein. Dies hat insbeson¬ dere im Zusammenhang mit dem Schaltventil 60 den Vorteil, dass zum Ändern des Ansprechverhaltens lediglich der Quer schnitt der Ablaufdrossel 56 anzupassen ist und das Schalt¬ ventil 60 unverändert eingesetzt werden kann.

Der zweite Steuerraum 48 umfasst den Bereich der ersten Aus- nehmung 24 des Nadelführungskörpers 20, der sich radial au¬ ßerhalb der Beißkante 44 der Dichthülse 40 befindet, und die Steuerraumausnehmung 38. Er umfasst ferner gegebenenfalls ei¬ ne zweite Ablaufbohrung 68 und zwar hin bis zu einer gegebe¬ nenfalls vorhandenen weiteren Ablaufdrossel.

Der zweite Steuerraum 48 ist mittels einer zweiten Zulauf- drossel 66 mit der Hochdruckbohrung 54 hydraulisch gekoppelt. Der zweite Steuerraum ist mittels der zweiten Ablaufbohrung 68 mit dem Steuerventil 60 hydraulisch gekoppelt. Durch die Dimensionierung der zweiten Zulaufdrossel 66 lässt sich das Ansprechverhalten des zweiten Steuerraums 48 einstellen. Die äußere Düsennadel 27 verfügt ebenso wie die innere Düsennadel 29 über einen Hochdruckabsatz, der mit unter Hochdruck ste¬ hendem Fluid aus der Hochdruckbohrung 54 beaufschlagt ist und der so ausgebildet ist, dass die durch den Druck des Fluids hervorgerufene Kraft öffnend auf die äußere Düsennadel 27 wirkt. Dieser Kraft wirken entgegen die von der ersten Düsen¬ feder 30 in Schließrichtung ausgeübte Kraft und die durch den Druck des Fluids in dem zweiten Steuerraum 48 hervorgerufene Kraft auf die äußere Düsennadel 27, die über eine Kontaktflä¬ che 70 der äußeren Düsennadel 27 eingeleitet wird. Abhängig von der Kräftebilanz dieser Kräfte ist die Position der äuße¬ ren Düsennadel 27 einstellbar.

Das Schaltventil 60 kann beispielsweise als zweistufiges Ser- voventil ausgebildet sein, das so ausgebildet ist, dass ab¬ hängig von dem Hub des Stellantriebs 4 zunächst die erste Ab¬ laufbohrung 58 hydraulisch mit dem Leckageraum 14 gekoppelt wird und bei weiter steigendem Hub dann auch die zweite Ab¬ laufbohrung 68 mit dem Leckageraum 14 gekoppelt wird. Bei ei¬ nem derartigen Schaltventil 60 kann somit die innere Düsenna¬ del 29 von ihrer Schließposition axial herausbewegt werden hin zu ihrer Offenposition, in der sie bevorzugt mit ihrer Kontaktfläche an einer Wandung der Drosselplatte 18 anliegt. Sie kann so auch wieder zurück in ihre Schließposition ge¬ bracht werden, ohne dass die äußere Düsennadel 27 notwendi¬ gerweise aus ihrer Schließposition herausbewegt wird.

Das zweistufige Servoventil, das auch als Doppel-Servoventil bezeichnet werden kann, hat somit den Vorteil, dass es nur einen Stellantrieb benötigt, aber dennoch im wesentlichen die Funktion von zwei separat ausgebildeten Servoventilen hat.

Alternativ kann das Schaltventil 60 jedoch als zwei separate Servoventile ausgebildet sein, die gegebenenfalls unabhängig voneinander ansteuerbar sind. In diesem Fall können dann die äußere Düsennadel 27 und die innere Düsennadel 29 völlig un¬ abhängig voneinander angesteuert werden.

Bei einer zweiten Ausführungsform des Einspritzventils (Figur 3) erstreckt sich die Dichthülse 40 axial über den Bereich hinaus, auf dem die zweite Düsenfeder aufliegt, hinein in den Hohlraum 50 und zwar hinein in einen von der zweiten Düsenfe¬ der 32 umfassten Zylinderraum. Auf diese Weise kann einfach das Volumen des ersten Steuerraums 46 angepasst sein. Es kann so insbesondere verringert werden, was zu einem schnelleren Ansprechen der inneren Düsennadel 29 auf Änderungen der Schaltstellung des Schaltventils 60 führt.

In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, eine die Dichthülse 40 in axialer Richtung durchdringende Ausnehmung 73 mit einem geeigneten geringen Durchmesser zu dimensionie¬ ren.

Bei einer dritten Ausführungsform des Einspritzventils (Figur 4) hat die innere Düsennadel 29 einen Zapfen 74, der sich durch die Ausnehmung 73 der Dichthülse 40 hinein in den Hohl¬ raum 50 erstreckt. Durch den Durchmesser und die axiale Er¬ streckung des Zapfens 74 lässt sich auch so das freie Volumen des ersten Steuerraums 46 einfach einstellen. Selbstverständ¬ lich kann sich der Zapfen 74 beliebig weit in den Hohlraum 50 hinein erstrecken. Darüber hinaus kann der Zapfen 74 auch im Falle der zweiten Ausführungsform des Einspritzventils vor¬ handen sein.