Technisches Gebiet
Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff
können sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt
werden. Als Kraftstoffeinspritzsystem kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten
auch Speichereinspritzsysteme zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme
(Common-Rail) ermöglichen in vorteilhafter Weise den Einspritzdruck an Last und
Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer
Leistungen und zur Reduktion der Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ist generell
ein möglichst hoher Einspritzdruck anzustreben.
Stand der Technik
Aus Gründen der Materialfestigkeit ist das erreichbare Druckniveau bei heute eingesetzten
Speichereinspritzsystemen zur Zeit auf etwa 1800 bar begrenzt. Zur weiteren Drucksteuerung
in Speichereinspritzsystemen kommen an Common-Rail-Systemen Druckverstärker
zum Einsatz.
EP 0 562 046 B1 offenbart eine Betätigungs- und Ventilanordnung mit Bedämpfung für
eine elektronisch gesteuerte Einspritzeinheit. Die Betätigungs- und Ventilanordnung für eine
hydraulische Einheit weist einen elektrisch erregbaren Elektromagneten mit einem festen
Stator und einem bewegbaren Anker auf. Der Anker weist eine erste und eine zweite Oberfläche
auf. Die erste und die zweite Oberfläche des Ankers definieren einen ersten und einen
zweiten Hohlraum, wobei die erste Oberfläche des Ankers dem Stator zuweist. Es ist ein
Ventil vorgesehen, welches mit dem Anker verbunden ist. Das Ventil ist in der Lage, aus
einem Sumpf ein hydraulisches Betätigungsfluid an die Einspritzvorrichtung zu leiten. Ein
Dämpfungsfluid kann in Bezug auf einen der Hohlräume der Elektromagnetanordnung dort
gesammelt werden bzw. von dort auch wieder abgelassen werden. Mittels eines in eine
Zentralbohrung hineinragenden Bereichs eines Ventils kann die Strömungsverbindung des
Dämpfungsfluids proportional zu dessen Viskosität selektiv freigegeben bzw. verschlossen
werden.
Aus DE 102 22 106 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen bekannt.
Das Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen umfasst ein Gehäuse, in dem in einer
Bohrung einer längsverschiebbare äußere Ventilnadel und eine in dieser wiederum längs
verschiebbaren innere Ventilnadel angeordnet sind. Diese steuern mit ihrem brennraumseitigen
Ende je wenigstens eine Einspritzöffnung. Ferner ist ein Steuerraum vorgesehen, der
über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckraum verbunden ist und durch dessen Druck
wenigstens mittelbar eine Schließkraft auf die äußere Ventilnadel ausgeübt wird. Ferner ist
ein Steuerdruckraum vorgesehen, durch dessen Druck zumindest mittelbar eine Schließkraft
auf die innere Ventilnadel ausgeübt wird; ferner ist ein Leckölraum vorgesehen, in dem stets
ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Im Gehäuse ist ein Steuerventil angeordnet, das einen
Ventilraum und ein darin angeordnetes Ventilglied aufweist, wobei der Ventilraum eine
Verbindung zum Leckölraum, eine stets offene Verbindung zum Steuerraum und eine Verbindung
zum Steuerdruckraum aufweist. Das Ventilglied ist im Ventilraum zwischen zwei
Endpositionen beweglich, wobei in der ersten Endposition die Verbindung zum Leckölraum
verschlossen und die Verbindung zum Steuerdruckraum geöffnet und in der zweiten Endposition
die Verbindung zum Steuerdruckraum geschlossen und die Verbindung zum Leckölraum
geöffnet ist.
Aus DE 102 29 415 A1 ist eine Einrichtung zur Nadelhubdämpfung an druckgesteuerten
Kraftstoffinjektoren bekannt. Die Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff umfasst einen
Kraftstoffinjektor, der über eine Hochdruckwelle mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff
beaufschlagbar und über ein Zumessventil betätigbar ist. Im Einspritzventilglied ist eine
von diesen unabhängig bewegbares Dämpfungselement zugeordnet, welches einen Dämpfungsraum
begrenzt. Das Dämpfungselement weist mindestens einen Überströmkanal zur
Verbindung des Dämpfungsraums mit einem weiteren hydraulischen Raum auf. Bei
Kraftstoffinjektoren, die ein mehrteilig ausgebildetes Einspritzventilglied umfassen, lässt sich
der Öffnungsdruck des innenliegenden Einspritzventilgliedteils zum Beispiel bei Federunterstützung
auf ein konstantes Niveau oder mit Hilfe eines zusätzlichen Assistenzdrucks (wie
z.B. dem Systemdruck im Hochdruckspeicher) auf eine bestimmtes Verhältnis von Schließdruck
zu Öffnungsdruck einstellen. Damit ist eine Anpassung des hydraulischen Durchflusses
an den jeweiligen Lastpunkt der Verbrennungskraftmaschine möglich. Es hat sich herausgestellt,
dass das innenliegende Nadelteil erst bei relativ hohen Drücken, die im Bereich
von über 1500 bar liegen können, öffnen darf, um gute Emissionswerte auch bei Teillastbetrieb
zu erreichen. Es hat sich herausgestellt, dass die Einstellung des Öffnungsdrucks des
innenliegenden Teils eines mehrteiligen Einspritzventilglieds sehr toleranzempfindlich ist.
Dies findet seine Ursache darin, das mit der Öffnung des innenliegenden Nadelteils ein
Mengensprung hinsichtlich des in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
gelangenden Kraftstoffvolumens einhergeht. Somit machen sich Exemplarstreuungen,
die bei der Großserienfertigung von Kraftstoffinjektoren, auftreten, nachteilig
bemerkbar.
Darstellung der Erfindung
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird eine Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors,
der einen Druckverstärker enthält, im Rahmen eines Höchstdrucksystems zur Einspritzung
von Kraftstoff bereitgestellt, welches den Einsatz eines mehrteilig ausgebildeten
Einspritzventilglieds zur Emissionsverbesserung mit einem aktiv bzw. passiv schaltbaren
Einspritzventilglied gestattet. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist erreichbar, dass ein
innenliegend angeordnetes düsennadelförmiges Teil des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds
nur bei Volllast öffnet und im Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine die
Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine nur über das
außenliegende Teil des düsennadelförmig ausbildbaren Einspritzventilglieds erfolgt.
Die vorgeschlagene Lösung erlaubt zudem sehr kurze Ansteuerzeiten des innenliegenden
Teils des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds, was wiederum kurze Einspritzdauern
bei Volllastbetrieb der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Im Teillastbereich
der Verbrennungskraftmaschine hingegen kann eine Einspritzung mit kleinem
Düsendurchfluss, d. h. bei nur einer geöffneten Lochreihe in den Brennraum über beliebig
lange Einspritzdauern ohne Öffnen einer weiteren, zweiten Lochreihe erfolgen. Durch die
im Teillastbereich geöffnete erste Lochreihe kann ein kleiner Düsendurchfluss und eine
dementsprechende Einspritzverlaufsformung erreicht werden, während bei einem großen
Düsendurchfluss, gegeben durch die geöffnete erste Lochreihe und die geöffnete zweite
Lochreihe eine Einspritzverlaufsformung im Volllastbereich der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
erreicht werden kann. Ein größerer hydraulischer Durchfluss durch die
geöffnete erste Lochreihe und die geöffnete zweite Lochreihe in den Brennraum der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine und ein frühes, d. h. in diesem Falle gleichzeitiges
Öffnen der zweiten Nadel, erlauben das Einbringen einer größeren Einspritzmenge bei gegebener,
motorbedingter konstanter Einspritzdauer, die abhängig von Grad Kurbelwinkel ist
und somit eine höhere Leistung.
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung der Ansteuerung eines ein mehrteilig
ausgebildetes Einspritzventilglied aufweisenden, sowie einen Druckverstärker umfassenden
Kraftstoffinjektors ist gewährleistet, dass das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied in
anderen Kennfeldbereichen keinen nachteiligen Einfluss auf das hydraulische Verhalten des
Kraftstoffinjektors hat. Durch ein gleichzeitiges Öffnen beider Nadelteile des mehrteilig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes kann eine kürzere Einspritzdauer erreicht werden, wodurch
der Nachteil bisher eingesetzter, mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglieder vermieden
wird, bei denen eines der Nadelteile erst dann öffnet, wenn das andere Nadelteil einen oberen
Anschlag erreicht hat, wodurch eine zeitverzögerte Freigabe des zusätzlichen, weiteren
Einspritzquerschnittes in den Brennraum auftritt, womit dessen Füllungsverbesserung nur
im eingeschränkten Maße erreicht werden kann.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung nachfolgend detaillierter
beschrieben.
Es zeigt:
- Figur 1
- den Hydraulikschaltplan eines aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektors
mit einem Druckübersetzer,
- Figur 2
- eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors
mit Druckübersetzer und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventilglied,
- Figur 3
- eine weitere Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors mit Druckverstärker und ansteuerbarem Servoventil und
- Figur 4
- eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffinjektors mit Druckverstärker und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventilglied.
Ausführungsvarianten
In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine aus dem Stand der Technik bereits bekannte Ausführungsvariante
eines Kraftstoffinjektors anhand von dessen Hydraulikschaltplan dargestellt.
Ein in Fig. 1 dargestellter Kraftstoffinjektor 3 wird über einen Hochdruckspeicher 1 (Common-Rail)
mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Der Hochdruckspeicher 1
wird über eine Hochdruckpumpe, welche den Kraftstoff verdichtet und dem Hochdruckspeicher
1 zuführt, mit Kraftstoff versorgt. Der im Hochdruckspeicher 1, (Common-Rail)
herrschende Kraftstoffdruck steht somit an jedem Kraftstoffinjektor 3 der Verbrennungskraftmaschine
zur Verfügung. Der Kraftstoffinjektor 3 umfasst ein Steuerventil 32, einen
Druckübersetzer 4 und ein Einspritzventilglied 18, welches mehrteilig ausgebildet sein kann.
Der Druckübersetzer 4 ist als axial verschiebbarer Stufenkolben 9 ausgebildet, wobei der
Stufenkolben 9 einen über eine Hochdruckleitung 5 beaufschlagbaren Arbeitsraum 6 von
einem druckenlastbaren Differenzdruckraum 7 (Rückraum) trennt. Der Stufenkolben 9 ist
über eine Rückstellfeder 8 beaufschlagt, welche den Stufenkolben 9 in seine obere Stellung
bewegt. Der Stufenkolben 9 beaufschlagt bei Druckentlastung des Differenzdruckraums 7
einen Kompressionsraum 10. Im Ruhezustand des Druckübersetzers 4 ist das Steuerventil
32 nicht angesteuert, es findet keine Einspritzung statt. In diesem Fall liegt der im Hochdruckspeicher
1 gespeicherte Systemdruck über die Hochdruckleitung 5, die eine Drossel
oder ein Rückschlagventil 2 aufweisen kann, im Arbeitsraum 6 des Druckübersetzers 4 an.
Ferner steht der Systemdruck über einen Hochdruckabzweig 34 am Steuerventil 32 an. Über
dieses und die ebenfalls mit Systemdruck beaufschlagte Steuerleitung 11 herrscht Systemdruck
auch im Differenzdruckraum 7. Da der Differenzdruckraum 7 über eine Verbindungsleitung
mit einem Druckraum 12 verbunden ist, in welchem ein erstes Federelement
20 und ein zweites Federelement 21 aufgenommen sind, herrscht auch im Druckraum 12
Systemdruck. Über eine Füllleitung 14 und ein offen stehendes Wiederbefüllventil 15 steht
Systemdruck im Kompressionsraum 10 sowie über die Hochdruckleitung 16 auch im Düsenraum
17 des Kraftstoffinjektors 3 gemäß der Darstellung in Fig. 1 an. Damit sind im Ruhezustand
des Druckübersetzers 4 die hydraulischen Räume am Druckübersetzer 4 mit Systemdruck
beaufschlagt, so dass der Stufenkolben 9 druckausgeglichen ist. In diesem Zustand
ist der Stufenkolben 9 über die im Differenzdruckraum 7 (Rückraum) angeordnete
Rückstellfeder 8 beaufschlagt.
Durch den im Druckraum 12 herrschenden Systemdruck ist das z.B. mehrteilig ausgebildete
Einspritzventilglied 18 in Schließrichtung beaufschlagt. Das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied
18 umfasst ein erstes, außenliegendes Nadelteil 18.1 sowie ein zweites Nadelteil
18.2, welches innenliegend angeordnet ist und innerhalb des ersten Nadelteils 18.1
geführt ist. Jedem der beiden Nadelteile 18.1 bzw. 18.2 ist ein im Druckraum 12 angeordnetes
Federelement 20 bzw. 21 zugeordnet, die jeweils auf die Stirnflächen des ersten Nadelteils
18.1 bzw. des zweiten Nadelteils 18.2 in Schließrichtung wirken. Aufgrund der Wirkung
der beiden Federelemente 20 bzw. 21 in Schließrichtung, vermag der im Düsenraum
17 anstehende, und an einer Druckstufe 25 des ersten Nadelteils 18.1 angreifende Systemdruck,
das erste Nadelteil 18.1 nicht zu öffnen. Erst wenn der Druck im Düsenraum 17 über
den Systemdruck ansteigt, was durch Aktivierung des Druckübersetzers 4 erreicht wird,
öffnet das erste Nadelteil 18.1 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds 18 entgegen
der Wirkung der dieses an seiner Stirnfläche beaufschlagende erste Federelement 20.
Die Zumessung des Kraftstoffes erfolgt durch Druckentlastung des Differenzdruckraums 7
des Druckübersetzers 4. Wird das Steuerventil 32 betätigt, wird die den Differenzdruckraum
7 (Arbeitsraum) mit einem überdruckseitigen Rücklauf 33 verbindende Steuerleitung
11 freigegeben und von der Hochdruckleitung 5 getrennt. Dadurch fällt der Druck im
Differenzdruckraum 7 (Arbeitsraum) ab, wodurch der Druck um Kompressionsraum 10
aufgrund des in diesen einfahrenden Stufenkolbens 9 steigt. Demzufolge steigt über die
Hochdruckleitung 16 auch der Druck im Düsenraum 17. Dadurch steigt die in Öffnungsrichtung
des ersten Nadelteils 18.1 an dessen Druckstufe 25 wirkende Druckkraft an und
das erste Nadelteil 18.1 öffnet. Beim Öffnen wird eine erste Lochreihe 26 freigegeben, so
dass am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 über diese Kraftstoff in den
Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Solange der Differenzdruckraum 7 (Arbeitsraum) des Druckübersetzers 4 druckentlastet
bleibt, bleibt der Druckübersetzer 4 aktiviert und verdichtet den Kraftstoff im Kompressionsraum
10. Der Druckraum 12 bleibt dabei druckentlastet. An der brennraumseitigen Spitze
des zweiten Nadelteils 18.2 steht nun ebenfalls Einspritzdruckniveau an.
Auf eine Druckfläche A1 am brennraumseitigen Ende des zweiten Nadelteils 18.2 wirkt eine
dieses in Öffnungsrichtung beaufschlagende Druckkraft. Da der Druckraum 12 druckentlastet
ist, wirkt in Schließrichtung auf das zweite Nadelteil 18.2 das zweite Federelement 21 im
Druckraum 12. Über die Dimensionierung der Druckfläche A1 und das zweite Federelement
21 kann ein Öffnungsdruck eingestellt werden, bei welchem das zweite, innenliegende Nadelteil
18.2 des mehrteiligen Einspritzventilglieds 18 öffnet. Bei einem niedrigeren Einspritzdruck,
so z.B. im Teillastbereich einer Verbrennungskraftmaschine unterhalb des Öffnungsdrucks
in Bezug auf das zweite Nadelteil 18.2, öffnet lediglich das erste Nadelteil
18.1, das zweite Nadelteil 18.2 bleibt geschlossen, so dass nur eine Einspritzung von Kraftstoff
über die erste Lochreihe 26 erfolgt.
Liegt der Einspritzdruck hingegen oberhalb des Öffnungsdrucks des zweiten Nadelteils
18.2, sind beide Nadelteile 18.1 und 18.2 geöffnet, so dass eine Einspritzung von
Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine sowohl über
die erste Lochreihe 26 als auch über die zweite Lochreihe 27 erfolgen kann.
Zur Beendung der Einspritzung wird durch das Steuerventil 32 der Differenzdruckraum 7
(Arbeitsraum) und der Druckraum 12 vom niederdruckseitigen Rücklauf 33 getrennt und
mit der Systemdruckquelle, d.h. dem Hochdruckspeicher (Common-Rail) verbunden. Aufgrund
dessen baut sich im Differenzdruckraum 7 (Rückraum) des Druckübersetzers 4 der
Systemdruck auf. Der Druck im Kompressionsraum 10 fällt nun auf Systemdruckniveau ab.
Da im Druckraum 12 nun ebenfalls Systemdruck ansteht, sind beide Nadelteile 18.1 und
18.2 hydraulisch ausgeglichen und werden durch die sie beaufschlagenden Federelemente 20
bzw. 21 in ihre Schließstellung gedrückt. Dadurch ist die Einspritzung beendet. Die
Schließgeschwindigkeit kann über die dem Druckraum 12 vorgeschaltete Zulaufdrossel 13
beeinflusst werden.
Zur Vermeidung von Leckageströmungen an den Führungen der beiden ineinandergeführten
Nadelteile 18.1 bzw. 18.2 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds können Umlaufnuten
28 bzw. 29 vorgesehen sein, sowie eine Bohrung 30 im ersten Nadelteil 18.1, so
dass die Leckage unmittelbar in einen niederdruckseitigen Rücklauf 31 geleitet werden
kann.
Fig. 2 ist eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
eines Kraftstoffinjektors mit Druckübersetzer und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventilglied
zu entnehmen.
Der Darstellung gemäß Fig. 2 ist zu entnehmen, dass der dort dargestellte Kraftstoffinjektor
3 über ein Servoventil 40 angesteuert wird, welches seinerseits über das Steuerventil 32
betätigt wird.
Vom Hochdruckspeicher 1 (Common-Rail) erstreckt sich auch gemäß dieser Lösung die
Hochdruckleitung 5, in welcher eine Drosselstelle oder ein Rückschlagventil 2 enthalten sein
kann, zum Arbeitraum 6 des Druckübersetzers 4 des Kraftstoffinjektors 3. Die Rückschlagfeder
8 ist - im Gegensatz zur Darstellung gemäß Fig. 1 - gemäß dieser Ausführungsvariante
im Arbeitsraum 6 aufgenommen. Der Arbeitsraum 6 und der Differenzdruckraum 7 (Arbeitsraum)
des Druckübersetzers 4 sind durch den Stufenkolben 9 voneinander getrennt, der
den Kompressionsraum 10 beaufschlagt. Vom Kompressionsraum 10 aus erstreckt sich die
Hochdruckleitung 16 zum Druckraum 12, welcher das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied
umschließt. Das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied 18 umfasst einen ersten,
außenliegenden Nadelteil 18.1 und einen in diesem geführten, zweiten innenliegenden Nadelteil
18.2.
Im nichtbestromten Zustand des Steuerventils 32 herrscht sowohl in der Steuerleitung 11 als
auch in der Hochdruckleitung 16 zum Druckraum 12 Systemdruck. Im nichtbestromten
Zustand des Steuerventils 32 ist der Servoventilkolben eines Servoventils 40 mit seiner
Dichtkante a in seinen Sitz gestellt. Gleichzeitig gibt eine Schieberkante b die Verbindung
zwischen dem Arbeitsraum 6 und der Steuerleitung 11 frei, so dass der Differenzdruckraum
7 mit Systemdruck beaufschlagt werden kann. Durch die geschlossene Dichtkante a des
Servoventilkolbens des Servoventils 40 wird ein Abströmen des Systemdrucks in den niederdruckseitigen
Rücklauf 31 vermieden.
Von der Steuerleitung 11 aus zweigt eine Dämpferraumdrossel 48 ab, die in einen Dämpferraum
42 mündet. Damit herrscht auch im Dämpferraum 42 Systemdruck, ebenso wie in
einem Steuerraum 43, in welchem über ein Rückschlagventil 47 in Öffnungsrichtung Kraftstoff
nachströmt. Der in den Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 einströmende
Kraftstoff tritt über einen im Steuerkolben 49 ausgebildeten Kanal 53 in einen hydraulischen
Raum 54 ein, der vom Steuerkolben 49 und dem zweiten Nadelteil 18.2 begrenzt wird.
Bei Betätigung des Steuerventils 32, eine Bestromung des Magneten des Steuerventils 32
unterhalb des Systemdruckniveaus, welches für den Volllastbereich vorgesehen ist, erfolgt
eine Druckentlastung der Steuerleitung 11 in den niederdruckseitigen Rücklauf 31. Dadurch
erfolgt eine Druckentlastung des Differenzdruckraums 7, so dass der Stufenkolben 9 mit
seiner dem Kompressionsraum 10 zuweisenden Stirnseite in diesen einfährt und die Hochdruckleitung
16 zum Druckraum 12 mit Hochdruck beaufschlagt. Dabei wird ein von der
Hochdruckleitung 16 führender Abzweig zum mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglied
18 durch ein darin aufgenommenes Rückschlagventil 46, welches in Schießrichtung beaufschlagt
wird, verschlossen. Das dem Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 vorgeschaltete
Rückschlagventil 47 bleibt hingegen verschlossen, so dass der Steuerraum 43 für
das zweite Nadelteil 18.2 drucklos bleibt. In einem Dämpferraum 42 oberhalb des mehrteilig
ausgebildeten Einspritzventilglieds 18 fällt aufgrund des Abströmens von Kraftstoff über die
Dämpferraumdrossel 48 in die druckentlastete Steuerleitung 11 der Druck, so dass der den
Dämpferraum 42 begrenzende Steuerkolben 49 sich entgegen des diesen beaufschlagenden
ersten Federelements 20 nach oben bewegt. Nunmehr öffnet das äußere Nadelteil 18.2. Bei
der Aufwärtsbewegung des Steuerkolbens 49 bei im Dämpferraum 42 abnehmendem Druck
wird das zweite Federelement 21, welches im Federraum 44 vorgesehen ist, zwar entlastet,
jedoch ist die Federkraft immer noch groß genug, um das zweite Nadelteil 18.2 in seinem
Sitz 23 zu halten. Dies resultiert daher, dass am Sitz 23 des zweiten Nadelteils 18.2 keine
Druckfläche A1 (vgl. Darstellung gemäß Fig. 1) ausgebildet ist.
Beim Schließvorgang erfolgt durch Entlasten des Steuerventils 32 eine Beaufschlagung der
Steuerleitung 11 mit Systemdruck, d.h. dem im Hochdruckspeicher 1 (Common-Rail) herrschenden
Druckniveau. Das mehrteilig ausgebildete Einspritzventilglied 18 sowie der Steuerkolben
49 werden durch das Befüllen des Dämpferraums 42 über die Dämpferraumdrossel
48 wieder in Richtung auf ihren Sitz gestellt.
Im Volllastbereich der Verbrennungskraftmaschine erhöht sich durch Betätigung des Steuerventils
32 und des mit diesem wirkverbundenen Servoventils 40 der Druck in der Hochdruckleitung
16 zum Druckraum 12. Übersteigt der in der Hochdruckleitung 16 herrschende
Druck den Öffnungsdruck des Rückschlagventils 47 in der Zuleitung zum Steuerraum 42
für das zweite Nadelteil 18.2, so öffnet dieses, so dass der Steuerraum 43 für das zweite
Nadelteil 18.2 mit einem erheblich über dem Niederdruckniveau liegenden Druck beaufschlagt
wird. Dabei sollte das Kraftstoffvolumen, welches mit dem Steuerraum 43 in direkter
Verbindung steht, möglichst kleingehalten werden, um Hochdruckverluste im Hochdruckteil
des Kraftstoffinjektors 3 zu begrenzen.
Bei Beaufschlagung des ringförmig ausgebildeten Steuerraums 43 für das zweite Nadelteil
18.2 strömt Kraftstoff über einen Kanal 53 in den hydraulischen Raum 54 ein. Dadurch
wird das zweite Nadelteil 18.2 gegen einen Anschlag 50 am Steuerkolben 49 gedrückt. Da
zu diesem Zeitpunkt sich das erste Nadelteil 18.1 nicht mehr in seinem Sitz 22 befindet, baut
sich unter dem zweiten Nadelteil 18.2 ein Druck auf. Das zweite Nadelteil 18.2 öffnet aufgrund
der Druckdifferenz zwischen dem hydraulischen Raum 54 und dem Federraum 44 für
das zweite Nadelteil 18.2; auf das zweite Nadelteil 18.2 wirkt hingegen keine Kraft im geschlossenen
Zustand.
Da sich das erste Nadelteil 18.1 aufgrund des im Dämpferraum 42 abnehmenden Drucks
bereits geöffnet hat, verschiebt sich der Anschlag 50 für das innenliegend angeordnete zweite
Nadelteil 18.2 ebenfalls nach oben, so dass nunmehr Kraftstoff durch die beiden beispielsweise
als konzentrische Lochkreise ausgebildeten Lochreihen 26 und 27 in den Brennraum
der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Beim Schließvorgang erfolgt eine Druckentlastung der Hochdruckleitung 16, so dass das
zuvor geöffnete Rückschlagventil 47 in der Zuleitung zum Steuerraum 43 für das zweite
Nadelteil 18.2 wieder schließt. Da bei Druckentlastung der Hochdruckleitung 16 die Steuerleitung
11 wieder mit Systemdruck beaufschlagt ist, strömt über die Dämpferraumdrossel 48
Kraftstoff in den Dämpferraum 42 ein. Aufgrund dessen bewegt sich der Steuerkolben 49
abwärts, so dass das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 am Anschlag 50 des Dämpferkolbens
49 anliegt und wieder in seinen Sitz 23 gefahren wird. Durch den Kanal 52 strömt bei
der Abwärtsbewegung des Steuerkolbens 49 Kraftstoff in den niederdruckseitigen Rücklauf
31 ein, sofern im Steuerraum 43 ein größerer Druck als das Niederdruckniveau herrscht.
Dadurch ist gewährleistet, dass im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 eine Druckentlastung
herbeigeführt wird. Durch den Kanal 52 wird Leckage und Kraftstoff aus dem
hydraulischen Raum 54 geleitet, falls das zweite Nadelteil 18.2 aktiviert ist bzw. das Rückschlagventil
47 geöffnet ist, unabhängig von der momentanen Bewegung des Steuerkolbens
49.
Durch die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung ist ein exakter Öffnungszeitpunkt des innenliegenden, zweiten Nadelteils 18.2 gewährleistet,
da der Druckgradient des ansteigenden Systemsdrucks sehr steil verläuft. Trotz
kleiner Zeitdifferenzen zwischen dem Öffnen des außenliegenden ersten Nadelteils 18.1 und
dem Öffnen des innenliegenden zweiten Nadelteils 18.2 eines mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilglieds,
ist die Einspritzung von Kleinstmengen über die erste Lochreihe 26 am
brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 so z.B. im Rahmen von Voreinspritzungen
möglich.
Der Darstellung gemäß Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors mit Druckübersetzer und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventil
zu entnehmen.
Im Unterschied zur in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante ist in der in Fig. 3 dargestellten
Ausführungsvariante das Rückschlagventil 47, welches dem Steuerraum 43 für das
zweite Nadelteil 18.2 zugeordnet ist, vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich
verlagert. Die Anbindungsstelle des Rückschlagventils 47 für den Steuerraum 43 für das
zweite Nadelteil 18.2 ist in dieser Ausführungsvariante nicht an die Hochdruckleitung 16,
sondern an die Steuerleitung 11 zur Druckentlastung des Differenzdruckraums 7 (Rückraum)
des Druckübersetzers 4 integriert.
Ab einem bestimmten erreichbaren Systemdruck öffnet das Rückschlagventil 47, so dass der
Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 gemäß des anliegenden Druckniveaus belastet
wird. Dadurch wird das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 gegen den Anschlag 50 an der
Unterseite des Steuerkolbens 49 gestellt. Damit einher geht eine Aufwärtsbewegung des
innenliegenden, zweiten Nadelteils 18.2, so dass dessen Sitz 23 freigegeben wird. Über die
Drossel 45, die im innenliegenden, zweiten Nadelteil 18.2 ausgebildet ist, entweicht Kraftstoff,
wodurch das Druckniveau im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 sinkt. Aufgrund
dessen öffnet das Rückschlagventil 47 wieder, um einen Druckausgleich herbeizuführen.
Die Drossel 45 innerhalb des zweiten Nadelteils 18.2, welche den hydraulischen Raum
54 und den Federraum 44 für das zweite Nadelteil 18.2 miteinander verbindet, die das zweite
Nadelteil 18.2 beaufschlagende Feder 21 sowie das Rückschlagventil 47 sind so auszulegen,
dass sich das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 bei Systemdrücken, die für Volllastbereiche
der Verbrennungskraftmaschine gelten, immer an den Anschlag 50 an der Unterseite
des im Dämpferraum 42 bewegbaren Steuerkolbens 49 befindet.
Das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 des mehrteilig ausbildbaren Einspritzventilglieds
18 befindet sich mithin vor der Druckentlastung der Steuerleitung 11 nicht mehr in
seinem Sitz 23, was dazu führt, dass unmittelbar nach dem Abheben der Nadelspitze des
außenliegenden ersten Nadelteils 18.1 die Querschnitte beider Lochreihen 26 bzw. 27 am
brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 freigegeben sind, so dass die Einspritzung
von Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine über
beide konzentrisch zueinander ausbildbaren Lochreihen 26 und 27 erfolgen kann.
Die Drossel 45 im oberen Bereich des zweiten Nadelteils 18.2 die den hydraulischen
Raum 54 und den Federraum 44 miteinander verbindet, ist mit einem sehr kleinen Drosselquerschnitt
ausgelegt. Dadurch kann das im hydraulischen Raum 54 herrschende Druckniveau
möglichst lange so groß gehalten werden, dass das innenliegende, zweite Nadelteil
18.2 beaufschlagende Federkraft des zweiten Federelements 21 überwunden wird. Innerhalb
von 720° KW der Verbrennungskraftmaschine sollte das im hydraulischen Raum 54 herrschende
Druckniveau abgebaut sein.
Wie der Darstellung gemäß Fig. 3 entnommen werden kann, ist beim Anschluss 60 des
Rückschlagventils 47 die Verbindung zur Steuerleitung 11 dargestellt. Im Unterschied zur
Darstellung gemäß Fig. 3 liegt die Anschlussstelle des Rückschlagventils 47 auf der anderen
Seite des Kraftstoffinjektors 3.
Der Darstellung gemäß Fig. 4 ist eine weitere, dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Lösung zu entnehmen.
Die Ausführungsvariante unterscheidet sich von den in den Figuren 2 und 3 dargestellten
erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten dadurch, dass einerseits das Rückschlagventil 47,
welches dem Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 zugeordnet ist, an die Steuerleitung
11 zur Druckentlastung des Differenzdruckraums (Arbeitsraum) des Druckübersetzers
4 angeschlossen ist und dass im Rückschlagventil 47 weiterhin ein weiteres Rückschlagventil
gegensinnig sowie eine in der das zweite Rückschlagventil 71 beaufschlagenden Leitung
eine Drosselstelle 72 ausgebildet ist.
Dadurch existiert gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante keine direkte Verbindung
des das zweite, innenliegende Nadelteil 18.2 beaufschlagenden Steuerraums 43 zum
Niederdruckbereich. Die Befüllung des Steuerraums 43 gemäß der Ausführungsvariante in
Fig. 4 erfolgt wie im Zusammenhang mit der Ausführungsvariante in Fig. 3 bereits dargestellt.
Der gemäß dieser Ausführungsvariante realisierbare Hub, den das innenliegende,
zweite Nadelteil 18.2 bis zum Erreichen des Anschlags 50 ausführt, ist aber so bemessen,
dass dieser dazu ausreicht, dass sich unter dem Sitz 23 des innenliegenden, zweiten Nadelteils
18.2 des metallisch ausbildbaren Einspritzventilglieds 18 ein Druck aufbauen kann,
entsprechend der in Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsvarianten.
Bei Druckentlastung der Steuerleitung 11 gemäß dieser Ausführungsvariante öffnet zunächst
das zweite Rückschlagventil 71 bei Druckentlastung der Steuerleitung 11. Die
Druckentlastung der Steuerleitung 11 erfolgt durch Ansteuerung des Steuerventils 32, wodurch
das Servoventil 40 betätigt wird. Der Servoventilkolben des Servoventils 40 enthält
einen Durchgangskanal 41, so dass in den Druckräumen des Servoventils 40 gleicher Druck,
jedoch unterschiedlich wirksame hydraulische Flächen wirken.
Beim Öffnen mittels eines weiteren Rückschlagventils 71 entweicht Kraftstoff in die Steuerleitung
11, so dass das Druckniveau im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 sinkt.
Das Rückschlagventil 47 öffnet erst ab einem bestimmten Druck (Systemdruck) und belastet
den Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 bzw. den hydraulischen Raum 54. Bei geringeren
Systemdrücken wird das Rückschlagventil 47 nicht geöffnet, so dass der Steuerraum
43 und der hydraulische Raum 54 auf Niederdruckniveau verbleiben. Bei einem Öffnen
des Rückschlagventils 47 erfolgt ein Druckaufbau im zweiten Steuerraum 53 bzw. im
hydraulischen Raum 54, so dass das zweite Nadelteil 18.2 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventils
angehoben wird. Bei einer Entlastung der Steuerleitung 11 öffnet das weitere
Rückschlagventil 71, wobei der Druckabbau im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2
durch die Drosselstelle 72 verzögert bzw. verlangsamt wird. Durch die Drosselstelle 72 ist
sichergestellt, dass sich das zweite Nadelteil 18.2 beim Öffnen des ersten Nadelteils 18.1
noch am Anschlag 50 befindet und an diesem mit seiner Steuerfläche 51 anliegt. Solange die
Steuerleitung 11 entlastet ist, kann sich der Druck während der Einspritzung im Steuerraum
43 für das zweite Nadelteil 18.2 bzw. im hydraulischen Raum 54 auf Niederdruckniveau
abbauen.
Bei der Druckentlastung der Steuerleitung 11, so mithin während der Schließbewegung der
beiden Nadelteile 18.1 bzw. 18.2 des metallisch ausgebildeten Einspritzventilglieds 18 befindet
sich der innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 stets am oberen Anschlag 50, der durch
die Unterseite des im Dämpfungsraum 42 verfahrbaren Steuerkolben 49 gebildet ist. Nachdem
der außenliegende, erste Nadelteil 18.1 seinen Sitz 22 erreicht hat, führt der innenliegende,
zweite Nadelteil 18.2 noch einen Hub aus. Dieser Hubweg, d.h. das zum Erreichen
des Sitzes 23 des innenliegenden, zweiten Nadelteils 18.1 erforderliche Hubweg ist sehr
klein, da der Steuerraum 43 des zweiten Nadelteils 18.2 über das in seiner Schließstellung
befindliche Rückschlagventil 47 von der Steuerleitung 11 getrennt ist und demzufolge kein
Kraftstoff abströmen kann.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors mit Druckübersetzer 4 und mehrteilig ausgebildetem Einspritzventilglied
11 ist die Federkraft des das innenliegende, zweite Nadelteil 18.2 beaufschlagenden zweiten
Federelements 21 etwas höher auszulegen. Aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils
47 ist zu gewährleisten, dass ein im Steuerraum 43 für das zweite Nadelteil 18.2 noch herrschendes
Restdruckniveau bei geschlossenem Schlagventil 47 in die Steuerleitung 11 noch
überwunden werden kann, um den innenliegenden, zweiten Nadelteil 18.2 in seinen Sitz 23
am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 zu bewegen.
Dadurch, das gemäß der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante keine Druckstufe im
Bereich des Nadelsitzes 23 des zweiten Nadelteiles 18.2 ausgebildet ist, vermögen die in
einem Kraftstoffeinspritzsystem auftretende hochfrequente Schwingungen die Nadel während
der Einspritzung nicht zu öffnen.
Gemäß der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsvarianten lässt sich ein gedämpftes
Öffnen des innenliegenden, zweiten Nadelteiles 18.2 realisieren, so daß keine
Mengensprünge im Kernfeld auftreten können. Durch die Anbindung an die Steuerleitung
11 ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass keine Druckerhöhung während der Einspritzungen
auftreten können. Aufgrund der Reduktion von Druckschwingungen im System ist
eine genauere Abstimmung des Öffnungsdruckes des innenliegenden, zweiten Nadelteils
18.2 gegeben, so dass reproduzierbare Einspritzungen gewährleistet sind.
Bezugszeichenliste
- 1
- Hochdruckspeicher (Common-Rail)
- 2
- Drossel/Rückschlagventil
- 3
- Kraftstoffmjektor
- 4
- Druckübersetzer
- 5
- Hochdruckleitung
- 6
- Arbeitsraum
- 7
- Differenzdruckraum (Rückraum)
- 8
- Rückstellfeder
- 9
- Stufenkolben
- 10
- Kompressionsraum
- 11
- Steuerleitung
- 12
- Druckraum
- 13
- Zulaufdrossel
- 14
- Befüllleitung
- 15
- Wiederbefüllventil (RSV)
- 16
- Hochdruckleitung
- 17
- Düsenraum
- 18
- mehrteiliges Einspritzventilglied
- 18.1
- 1. erstes Nadelteil (außenliegend)
- 18.2
- 2. zweites Nadelteil (innenliegend)
- 19
- Anschlag für erstes Nadelteil
- 20
- erstes Federelement
- 21
- zweites Federelement
- 22
- Sitz erstes Nadelteil 18.1
- 23
- Sitz zweites Nadelteil 18.2
- 24
- Ringspalt
- 25
- Druckstufe erstes Nadelteil 18.1
- 26
- erste Lochreihe
- 27
- zweite Lochreihe
- 28
- erste Umlaufnut
- 29
- zweite Umlaufnut
- 30
- Bohrung
- 31
- niederdruckseitiger Rücklauf
- 32
- Steuerventil
- 33
- Rücklaufsteuermenge
- 34
- Hochdruckabzweig
- A1
- Druckfläche
- 40
- Servoventil
- 41
- Durchgangskanal mit Drosselstelle
- 42
- Dämpferraum
- 43
- Steuerraum 2. Nadelteil 18.2
- 44
- Federraum 2. Nadelteil 18.2
- 45
- Drossel
- 46
- Rückschlagventil
- 47
- Rückschlagventil für Steuerraum 43
- 48
- Dämpferraum-Drossel
- 49
- Steuerkolben
- 50
- innerer Anschlag am Steuerkolben 42
für zweites Nadelteil 18.2
- 51
- Steuerfläche zweites Nadelteil 18.2
- 52
- Ablaufkanal
- 53
- Kanal
- 54
- hydraulischer Raum
- 60
- RSV-Anschluss an Steuerleitung 11
- 70
- gegenläufige RSV-Anordnung
- 71
- weiteres Rückschlagventil
- 72
- Drosselstelle