Druckgesteuerter doppelschaltender Hochdruckinjektor Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf einen doppeltschaltenden Hochdruckinjelctor, der z. B. zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist. Bei bestimmten Einsatzfällen können an direlcteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit großem Hubraum Voreinspritzphasen oder Nacheinspritzphasen erforderlich sein. Die Voreinspritzphase bzw. die Nacheinspritzphase stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Ansteuerbarkeit eines in einem Injektorgehäuse die Einspritzphasen steuernden Steuerteiles, insbesondere an dessen Fertigungstoleranzen, um die vorgegebenen Einspritzverläufe zu realisieren.

Stand der Teclinik DE 37 28 817 C2 bezieth sich auf eine Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen.

Bei dieser offenbarten Kraftstoffeinspritzpumpe besteht das Steuerventilglied aus einem eine Führungshülse bildenden und in einen Kanal gleitenden Ventilschaft und einen mit diesem verbundene, der Betätigungseinrichtung zugewandten Ventilkopf. Die Dichtfläche des Ventilkopfes wirkt mit einer den Ventilsitz bildenden Fläche der Steuerbohrung zusanunen. Der Ventilschaft weist an seinem Umfang eine Ausnehmung auf, deren axiale Erstreckung von der Einmündung der Kraftstoffzufuhrleitung bis zum Beginn der mit dem Ventilsitz zusammenwirlcenden Dichtfläche am Ventilkopf reicht. In der Ausnehmung ist eine dem Druck der Kraftstoffzufuhrleitung ausgesetzte Fläche ausgebildet, die gleich einer im geschlossenen Zustand des Steuerventiles dem Druck der Kraftstoffzufuhrleitung ausgesetzten Fläche des Ventilkopfes ist. Dadurch ist das Ventil in geschlossenem Zustand druckausgeglichen, wobei in der Führungshülse am Steuerventilglied eine belastende Feder angeordnet ist, die das Steuerventilglied zu seiner Offenstellung hin belastet.

Mit dieser aus dem Stande der Technik bekannten Konfiguration ist die Realisierung einer Voreinspritz-bzw. einer auf die Haupteinspritzphase in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine folgende Nacheinspritzphase nicht möglich, da für die Vornalune einer zusätzlichen Einspritzphase kein Aufnahmeraum für das während der Vor-bzw. Nacheinspritzphase einzuspritzende Kraftstoffvolumen zur Verfügung steht.

Darstellung der Erfindung Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Injektor ist bei Verwendung eines zwei Schaltstellungen des Steuerteiles realisierenden fremdbetätigbaren Alctors eine Haupteinspritzphase und eine Voreinspritzphase, beispielsweise zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine möglich. Da auf balistischen Betrieb des Steuerteiles verzichtet werden kann, kann das Steuerteil in Bezug auf seine Führungs-und Sitzdurchmesser wesentlich genauer gefertigt werden.

Zur Realisierung der Voreinspritzphase mittels eines doppeltschaltenden Injelctors läßt sich dessen Ventilraum, der über einen Hoclzdrucksammelraum-Zulauf (Common-Rail-Zulauf) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagbar ist, bei entsprechender Auslegung des Verhältnisses von Ventilraundwclunesser Steuerventil zu Durchmesser als Drosselspalt nutzen. So kann in einer Mittelstellung des Kopfbereiches des Steuerteiles in Bezug auf den im Gehäuse ausgebildeten Ventilraum der Durchfluß von Kraftstoff in der Mittelstellung des Steuerteiles in der Bohrung im Gehäuse des Injektors begrenzt werden.

Bei Einsatz eines das Steuerteil in zwei Schaltstufen stellenden Aktors, kann in jeder der einstellbaren Schaltstufen, d. h. bei durchgeschaltetem Steuerteil wie bei mittig positioniertem Steuerteil, über an ein-und demselben Steuerteil angeordnete Steuerelemente eine Entlastung des Düsensystemes von dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff erfolgen. Damit ist das Einspritzdüsensystem, insbesondere der Düsenzulauf und der Düsenraum, der die Düsennadel umgibt, von dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff entlastet, was die mechanische Beanspruchung dieser Bauteile erheblich reduziert und die Standzeit des zwei Schaltzustände einer Steuerfläche realisierenden Injektors erhelich verlängert.

Das Steuerteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Injektors läßt sich lcraftausgeglichen gestalten, da alle Fühzungs-und Sitzdulolzmesser den gleichen Durchmesser aufweisen.

Am Steuerteil werden somit ungleichmäßig verteilte mechanische Belastungen vermieden.

Bei Ausgestaltung der beiden im Kopfbereich des Steuerteiles vorgesehenen Steuerkanten mit gleichen Hubwegen, verglichen mit den freien Überdeckungen der am Steuerteil vorgesehen Schiebeelemente, kann der Leclcölstrom in die Leckölleitung des Gehäsues des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Injektors begrenzt werden, so daß der Wirkungsgrad des erfindungsgemäß vorgeschlagenen mehrstufig schaltenden Injelctors nicht negativ 'beeinflußt wird.

Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt : Fig. 1 den Längsschnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen, verschiedene Einspritzphasen realisierenden Injektors, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Ventilraumes am Steuerteil des Injektors und Fig. 3 die zeitlichen Verläufe des Steuerventilhubes bzw. der Einspritzphasen, jeweils aufgetragen über der Zeitachse.

Ausführungsvarianten Fig. 1 zeigt die Darstellung eines Längsschnittes durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen, verschieden Einspritzphasen realisierenden Injektors für Hochdurcksammelraum (Common-Rail)-Einsatzzwecke.

Im Gehäuse 2 des Injektors 1 ist einer sich im wesentlichen in vertikale Richtung erstreckenden Bohrung 3 ein Steuerteil 4 aufgenommen. Mittels eines hier nicht näher dargestellten, mehrere Schaltzustände realisierenden Aktors, beispielsweise eines Elektromagneten, eines Piezo-Aktors oder eines mechanisch/hydraulischen Stellers, kann das Steuerteil 1 in der Bohrung 3 des Gehäuse 2 auf-und abbewegt werden. Im oberen Bereich des Injelctorgehäuses 2 ist ein Zulauf 5 vom Hochdrucksammelraum aus kommend vorgesehen, der im Bereich einer Einschnürstelle am Steuerteil 4 in die Bohrung 3 im Gehäuse 2 des Injektors 1 mündet. Unterhalb der Mündung des Zulaufes 5 vom Hochdrucksammlerraum aus, ist im Gehäuse 2 des Injektors 1 ein Ventilraum 8 vorgesehen. Der Ventilraum 8 ist mit einem Ventilraumdurchmesser 9 ausgebildet. Im Bereich des Ventilraumes 8 ist ein Kopfbereich 6 des Steuerteiles 4 mit einem Durchmesser ausgebildet. Im Kopfbereich 6 des Steuerteiles 4 sind am oberen Ende des Kopfbereiches 6 sowie an dessen unteren Ende steuerteilseitige Steuerkanten 36 bzw. 37 ausgebildet (vergl. Darstellung gem. Fig. 2).

Am Steuerteil 4, welches in Bezug auf die Symmetrieachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist, sind die Sitzdurchmesser bzw. die Führungsdruchmesser alle im selben Durchmesser 7 ausgeführt. Dadurch läßt sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Steuerteil 4 kraftausgeglichen gestalten.

Vom etwa rautenförmig im Gehäuse 2 konfigurierten Ventilraum 8 zweigt eine Düsenzulaufmündung 10 ab, an welche sich ein durch das Injektorgehäuse 2 erstreckender Düsenzulauf 11 anschließt, der in einen Düsenraum 12 mündet. Der Düsenzulauf 12 ist im vorderen Bereich eines Einspritzdüsensystems vorgesehen, und mündet mit seiner Düsenspitze 33 in den Brennraum einer direlcteinspritzenden Verbrelmungsluaftmaschine.

An den in einer Einschnürung am Steuerteil 4 auslaufenden Kopfbereich 6 des Steuerteiles 4 schließt sich abströmseitig ein erstes Schieberelement 13 an, dessen Durchmesser dem Durchmesser 7 im oberen Bereich des Steuerteiles 7 entspricht. Das erste Schieberelement 13 ist von einem sich ringförmig um dieses erstreckenden, im Gehäuse 2 des Injektors 1 ausgebildeten Leckölringraum 14 umgeben. Vom Leckölringraum 14 zweigt eine Leckölbohrung ab, die abströmseitig in eine Leckölleitung 16 mündet. Über die Leckölleitung 16 kann überschüssiger, bei der Düsenentlastung vom Hochdruck abströmender Kraftstoff in den Kraftstofftank des Kraftfahrzeuges zurückgefördert werden. In den Leckölringraum 14 mündet ebenfalls ein erster Abzweig vom Düsenzulauf 11, über welchen das aus Düsenzulauf 11, Düsenraum 12 sowie Einspritzdüse 34 bestehende Einspritzdüsensystem nach einer Einspritzphase 41 bzw. 42 (vergl. Fig. 3) druckentlastbar ist.

An das erste Schieberelement 13 schließt sich in axiale Richtung des Steuerteiles 4 gesehen, eine Einschnürung an, an welche sich im Endbereich des Steuerteiles 4 ein zweites Schieberelement 21 anschließt. Auch dieses zweite Schieberelement 21 ist mit dem Durchmesser 7 des Steuerteiles 4 ausgeführt, mit dem es in der Bohrung 3 des Gehäuses 2 des Injektors 1 geführt ist. Das zweite Schieberelement 21 ist gehäuseseitig ebenfalls von einem diesem zugeordneten Ringraum 22 umschlossen, welcher über eine Öffnung ebenfalls mit der Düsenzulaufleitung 11 im Gehäuse 2 verbunden ist. Unterhalb einer Stirnfläche 26 des zweiten Schieberelementes 21 ist eine Dichtfeder 25 angeordnet. Die Dichtfeder 25, ausgebildet als Druclcfeder, ist in einem Hohlraum 27 im Gehäuse 2 aufgenommen. Sie stützt sich einerseits am Boden der Bohrung 3 im Gehäuse 2 ab, andererseits liegt sie mit ihrer Endwindung an einer ringförmig konfigurierten von einem Ansatz 28 am zweiten Schieberelement 21 ausgebildeten ringförmigen Steuerfläche 26 an.

Mit Hilfe der Dichtfeder 25 wird das mindestens zweistufig arbeitende Steuerteil 3 nach erneuter Betätigung des Aktors wieder in seine Schließstellung zurückgestellt, so daß der Zulauf 5 vom Hochdrucksammelraum gegen den Ventilraum 8 abgedichtet ist, und das Steuerteil 3 in vertikale Richtung gesehen aufwärts bewegt, in seinen den Ventilraum 8 abdichtenden Sitz gestellt ist.

Unterhalb des im Gehäuse 2 des Injektors I aufgenommenen Hohlraumes 27 ist von diesem getrennt ein Hohlraum ausgebildet, in welchem ein Federelement 31 aufgenommen ist. Das in diesem Hohlraum aufgenommene Federelement 31 beaufschlagt eine Stirnfläche 30 einer Düsennadel 29 und drückt die Düsennadel 29 in ihren Düsensitz 34.

An der Düsennadel 29 ist im Bereich, der vom Düsenraum 12 umschlossen ist, eine Druckstufe 35 ausgebildet. Bei Beaufschlagung des Düsenzulaufes 11 vom Ventilraum 8 aus mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff, steht der unter hohem Druck stehende Kraftstoff im Düsenraum 12 an und bewirlct eine Öffnung der Düsennadel 29 aus ihrem Düsensitz 34, entgegen der Wirkung des Federelementes 31. Dadurch fahrt die Düsenspitze 33 aus ihrem Sitz 34 zurück, so daß die Einspritzung einer Einspritzmenge von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff entweder während einer Voreinspritzphase, Während der Haupteinspritzphase oder während, einer Nacheinspritzphase in den Brennraum einer direlcteinspritzenden Verbremungslcraftmaschine erfolgen kann.

Der Hohlraum, in welchem das Federelement 31, welches die Düsennadel 29 beaufschlagt, aufgenommen ist, ist über eine Ablaufleitung 32 mit der bereits erwähnten Leckölleitung 16 verbunden, welche über einen Abzweig 15 bereits für die Ableitung des Lecköls aus den im Injektorgehäuse 2 vorgesehenen Ringräumen 14 bzw. 22 sorgt.

Wie aus der Darstellung gemäß Fig. 2 näher hervorgeht, entspricht die Überdeckung der Hubwege 20 bzw. 24 an den beiden abströmseitig vorgesehenen Leckölschieberelementen 13 bzw. 21 den Hub der am Kopfbereich 6 des Steuerteiles 4 ausgebildeten Steuerkanten.

Aus der Darstellung gemäß Fig. 2 geht der Kopfbereich 6 des Steuerteiles 4 in vergrößerter Darstellung hervor.

Der Kopfbereich 6 des Steuerteiles 4 enthält an seinem oberen bzw. unteren Auslauf auf den Führungsdurchmesser 7, in welchem die Fulirungs-bzw. Sitzdurchmesser des Steuerteiles 4 ausgeführt sind, zwei Steuerkaliteri 36 bzw. 37. Der Grad der Überdeckung der oberen Steuerkante 36 bzw. der unteren Steuerkante 37 entspricht dem an den

Leckölschiebern 13 bzw. 21 einstellbaren Hubwegen 20. Aus der vergrößerten Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, daß der Ventilraum 8 als ein Drosselspalt 38 gestaltet werden kann, vorausgesetzt, der Innendurchmesser des Ventilramnes 38 und der Außendurchmesser des Kopfbereiches 6 sind aufeinander entsprechend abgestimmt. Der Auslauf des spaltförmig ausgebildeten Ventilraumes 8 bzw. 38 bildet den ersten Leckölschieber 13, der ausgebildet im Durchmesser 7 in der Bohrung 3 des Gehäuses 2 des Injektors 1 auf-und abbewegbar ist.

Aus der Darstellung gemäß Fig. 3 gehen die zeitlichen Verläufe des Steuerteilhubes bzw. der Einspritzphasen, jeweils aufgetragen fiber der Zeitachse, näher hervor.

Im oberen Diagramm der beiden in Fig. 3 dargestellten Diagramme ist der Hubweg des Steuerteiles 4 in vertikaler Richtung über der Zeitachse aufgetragen. Zur Aufsteuerung des spaltförmig ausgebildeten Ventilraumes 8,38 zur Vornahme der Voreinspritzung wird das Steuerteil mit seinem Kopfbereich 4 auf den Anschlag des Gehäuses 2 durchgefahren, auf dem die untere Steuerkante 37 des. Kopfbereiches aufsitzt. Zu diesem Zweck ist das Steuerteil 4 über einen mindestens zwei Stellzustände realisierenden Aktor, wie beispielsweise eine Elektromagneten oder eine Piezo-Alctor, beaufschlagt. Zur Vornahme der Voreinspritzung muß der Kopfbereich 6 demnach seinen weitesten Stellweg ausführen, bis die Steuerkante 37 an der entsprechenden Steuerkante des Gehäuses 2 anliegt und den Ventilraum 8,38 durchschaltet.

In der sich an die Voreinspritzphase 41 anschließenden Haupteinspritzphase 42 wird das Steuerteil 4 etwa mittig in seiner Position in Bezug auf den im Gehause 2 des Injektors 1 ausgebildeten Ventilraum 8,38 gehalten. Dieser Zustand entspricht dem zweiten Plateau, welches dem ersten auf höherem Niveau gelegenen Plateau gemäß des Kurvenzuges im oberen Diagramm der beiden Diagramme gemäß Fig. 3 wiedergegeben ist.

Im unteren Diagramm sind die sich einstellenden Voreinspritz-bzw. Haupteinspritzphasen 41 bzw. 42 dargestellt. Die Voreinspritzphase 41 kann gemäß der Darstellung im unteren Diagramm der Fig. 3 zwei Verläufe annehmen. Der erste Verlauf mit einer deutlich niedrigeren Einspritzmenge ist in durchgezogenen Linien dargestellt, während alternativ dazu in gestricheltem Kurvenzug eine Voreinspritzphase 41 dargestellt ist, die einerseits langer andauert und während der andererseits ein höheres Einspritzvolumen eingespritzt werden kann. An die Voreinspritzphase 41 schließt sich eine Einspritzpause an, in welcher das Einspritzdüsensystem 11,12,34 druckentlastet wird, bevor während der

Haupteinspritzphase ein im wesentlichen dreieckförmiger Einspritzverlauf ein der Einspritzdüse realisiert werden kann.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen mehrstufig schaltenden Injektors stellt sich folgendermaßen dar : Dem in Figur 1 in seinem Gehäuse 2 verschiebbar gelagerten Steuerteil 4 ist ein Piezo- Aktor, ein Elektromagnet oder ein ähnliches fremdbetätigbares Schaltelement zugeordnet, mit welchem das Steuerteil 4 in seiner Bohrung 3 im Gehäuse 2 des Injektors 1 auf-und abbewegbar ist. Zur Vornahme einer Voreinspritzung 41 wird das Steuerteil 4 durch die Ventilbetätigungseinheit vertikal nach unten bewegt, so daß die an der Unterseite des Kopfbereiches 6 ausgebildete Steuerkante 37 an ihrem Sitz im Gehäuse 2 aufsitzt und den spaltförmig konfigurierten Ventilraum 8, 38 lcurzzeitig mit dem Zulauf 5 vom Hochdrucksammelraum in Verbindung bringt. Dadurch kann eine der Voreinspritzmenge entsprechende Kraftstoffmenge über die Mündung 10 in den Düsenzulauf 11 eintreten and in den Düsenraum 12 gelangen. Bei der vertikal nach unten gerichteten Bewegung des Steuerteiles 4 werden durch die im Abströmbereich des Steuerteiles 4 ausgebildeten Leckölschieber 13 bzw. 21 die Querbohrungen 15 bzw. die darunterliegende weitere Querbohrung verschlossen, so daß der Düsenzulauf während der Voreinspritzphase leckölseitig abgedichtet ist. Dadurch ist sichergestellt, daß die zugegemessene Voreinspritzmenge an Kraftstoff im Düsenraum 12 zur Vornahme der Einspritzung anstellt. Durch den im Düsenraum anstehenden hohen Druck fahrt die Düsennadel 29, entgegen der Federkraftwirkung des Federelementes 31 auf, da der hohe Druck an der Druckstufe 35 der Düsennadel 29 ansteht. Demzufolge wird die Einspritzdüsenspitze 33 aus ihrem Sitz 34 am Brennraum einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine zurückgefahren, so daß Kraftstoff in die Brenruäume einer direlcteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.

Nach erfolgter Voreinspritzung wird das Steuerteil 4 in vertikale Richtung nach oben bewegt, wodurch sich der verdeckt ausgeführte Kopfbereich 6 innerhalb des Ventilraumes 8,38 in einer Mittelstellung positioniert. In der Mittelstellung des Kopfbereiches 6 innerhalb des drosselspaltförmig ausgebildeten Ventilraumes 8,38 sind durch die beiden abströmseitig vorgesehenen Leckölschieber 13 bzw. 21 die Ringräume 14 bzw. 22 im Gehäuse 2, die leckölseitig vorgesehen sind, verschlossen. Dadurch steht in der Mittelstellung des Kopfbereiches 6 innerhalb des als Drosselspalt fungierenden

Ventilraumes 8,38 über den Zulauf 5 vom Hochdrucksammelraun aus hoher Druck im Einspritzdüsensystem 11,12,34 an.

Die Druckentlastung nach der Haupteinspritzphase 42 erfolgt wie in der Darstellung gemäß Fig. 1 angedeutet ist, durch Auffahren des verdickt ausgeführten Kopfbereiches 6 an seinen oberen Anschlag im Gehäuse 2, durch das Öffnen des Leckölringraumes 14 durch Öffnen der Steuerkanten 17 und 18 am ersten Leckölschieberelement. Nach der Vomahme der Voreinspritzung 41 wird das Einspritzdüsensystem 11, 12,34 durch Öffnen der Steuerkanten 24 bzw. 23 am Ringraum 22 leckölseitig druckentlastet, so daß der Hochdruck in die gehäuseseitig vorgesehene Leckölleitung 16 abgebaut werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Steuerteiles 4 und die Auslegung des Ventilraumes 8 als drosselfönniger Spalt bei entsprechender Abstimmung der Durchmesser 9 bzw. Außendurchmesser des Kopfbereiches 6 lassen sich am Steuerteil 4 2/3-Wegeventile ausbilden. Die Gestalt mg des Steuerteiles mit im wesentlichen demselben Durchmesser in Führungsbereichen und in Sitzbereichen (Durchmesser 7), gestattet die kraftausgeglichene Auslegung des in der Bohrung 3 des Injektorgehäuses 2 bewegbaren Steuerteiles 4.

Gemäß Fig. 3 können mit dem durchschaltbaren Kopfbereich 6 des Steuerteiles 4 Voreinspritzhub und Haupteinspritzmittellage des Kopfbereiches 6 im drosselspaltförmigen Ventilraum 8,38 realisiert werden, so daß durch entsprechend schnelle oder langsame Ansteuerung der unteren Steuerkante 37 des Kopfbereiches 6 die während der Voreinspritzphase einzuspritzende Einspritzmenge dosierbar ist. Durch die Auslegung des Durchmesserverhältnisses des verdickten Kopfbereiches 6 am Steuerteil 4 im Bezug auf den Innendurchmesser des drosselspaltförmigen Ventilraumes 8, 38 kann der vom Zulauf 5 des Hochdrucksammelraumes erfolgende mittlere Durchfluß in das Einspritzdüsensystem 11,12,34 entsprechend ausgelegt werden.

Durch die Druckentlastung über das Einspritzdüsensystems 11, 12,34 kann ein dem einem dreieckförmigen Einspritzverlauf während der Haupteinspritzphase entsprechender Hub der Düsennadel 29 erzielt werden.