Kraftstoffinjektor

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinj ektor zum Einspritzen von in einem KraftstoffSpeicher unter hohem Druck vorgehaltenem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Einspritzen von Kraftstoff, der in einem KraftstoffSpeicher unter hohem Druck vorgehalten ist, in den Brennraum einer Brennkraftmaschine (Common-Rail-Einspritzsystem) sind druckübersetzte Kraftstoffinjektoren bekannt, mit denen der Kraftstoff für, beispielsweise, eine Vor- und/oder Nacheinspritzung mit einem ersten, niedrigeren Druck und für eine, beispielsweise, Haupteinspritzung mit einem zweiten, höheren Druck in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar ist.

Aus der DE 199 39 423 Al ist ein druckübersetzter Kraftstoffinjektor bekannt, der einen hydraulischen Druckübersetzungs- kolben enthält, welcher ein mit der Einspritzdüse in Verbindung stehendes Fördervolumen mit einem ersten, kleineren Querschnitt und ein wahlweise mit dem Kraftstoffdruck beaufschlagbares Arbeitsvolumen mit einem zweiten, größeren Querschnitt aufweist. Das Arbeitsvolumen ist durch ein elektrisch gesteuertes 3/2 -Wege-Ventil wahlweise zur Auslösung des Arbeitshubs mit dem Kraftstoffdruck des in dem Kraftstoffspeicher unter hohem Druck vorgehaltenen Kraftstoffs oder zur

Rückkehr des Druckübersetzungskolbens in seine Ausgangsposition zur Druckentlastung mit einer Leckageleitung verbindbar. Das elektrisch betätigbare Steuerventil bedeutet einen zusätzlichen Aufwand und bedarf einer eigenen elektrischen Ansteuerung.

Ein weiterer druckübersetzter Kraftstoffinj ektor ist aus der DE 100 60 089 Al bekannt. Hier erfolgt die Ansteuerung eines Druckübersetzungskolbens, welcher ähnlich wie bei dem vorher beschriebenen bekannten druckübersetzten Kraftstoffinj ektor aufgebaut ist, durch Druckentlastung eines Differenzraums, welcher der Differenz der Querschnitte von Arbeitsvolumen und Fördervolumen entspricht, über ein elektrisch gesteuertes 2/2-Wege-Ventil.

Aus der DE 102 29 413 Al geht ein druckübersetzter Kraftstoffinjektor als bekannt hervor, bei dem zur Ansteuerung der Differenzraum des Druckübersetzungskolbens mit Niederdruck oder dem Kraftstoffdruck beaufschlagt werden kann. Der mit der Düsennadel gekoppelte Steuerkolben hat eine doppelte Funktion. Abhängig von der Position des Steuerkolbens, der ein Schiebeventil bildet, wird eine zum Differenzraum führende Leitung mit Niederdruck verbunden oder die Niederdruckverbindung gesperrt. In der Sperrstellung wird der Differenzraum über eine weitere, gedrosselte Leitungsverbindung mit dem Kraftstoffdruck beaufschlagt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es einen verbesserten Kraftstoffinj ektor der vorausgesetzten Art zu schaffen. Insbesondere soll ein druckübersetzter Kraftstoffinj ektor geschaffen werden, welcher mit geringem Aufwand ansteuerbar ist und einen zuverlässigen Betrieb gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch einen Kraftstoffinj ektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinj ektors sind in den Unteransprüchen angegeben .

Durch die Erfindung wird ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von in einem KraftstoffSpeicher unter hohem Druck vorgehaltenem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine unter mindestens zwei unterschiedlich hohen Einspritzdrücken geschaffen, enthaltend ein Injektorgehäuse, eine in dem Gehäuse längsverschieblich angeordnete Düsennadel und eine von der Düsennadel wahlweise zu öffnenden Einspritzdüse, durch die der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar ist, einen mit der Düsennadel zusammenwirkenden, vom Kraftstoffdruck beaufschlagten Steuerraum, der im Sinne eines öffnens der Einspritzdüse mittels eines ersten Steuerventils druckentlastbar ist und einen Druckübersetzer zum Fördern von einzuspritzendem Kraftstoff unter erhöhtem Druck, wobei der Druckübersetzer durch ein zweites Steuerventil ansteuerbar ist, das zur Betätigung durch den Druck des Kraftstoffs im Steuerraum hydraulisch mit dem Steuerraum verbunden ist. Erfindungsgemäß ist das zweite Steuerventil (8) als 3/2- Wegeventil ausgebildet, welches einen an einer Steuerkolbenfläche (8b) von dem im Steuerraum (12) herrschenden Kraftstoffdruck beaufschlagten Ventilkörper (8a) aufweist.

Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor ist in vorteilhafter Weise zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere auch von Schweröl in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Druckniveaus geeignet, insbesondere für eine Vor- und/oder Nacheinspritzung von Kraftstoff mit dem Druck des in dem KraftstoffSpeicher (Common-Rail) unter hohem Druck

vorgehaltenen Kraftstoffs, sowie für eine Haupteinspritzung mit einem durch den Druckübersetzer bewirkten Höchstdruck.

Zur Darstellung von Einspritzvorgängen auf verschiedenen Druckniveaus wird zweckmäßigerweise der Ventilkörper des Steuerventils zeitlich verzögert mit dem im Steuerraum herrschenden Kraftstoffdruck beaufschlagt. Insbesondere ist damit eine Vor- und Nacheinspritzung und der Beginn der Haupteinspritzung auf niedrigerem Druckniveau als die Haupteinspritzung möglich, da die Druckübersetzung zeitlich verzögert anspricht .

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Druckübersetzer einen Druckübersetzungskolben enthält, der an seiner Vorderseite ein mit der Einspritzdüse in Verbindung stehendes, einen ersten, kleineren Querschnitt aufweisendes Fördervolumen und an seiner Rückseite ein einen zweiten, größeren Querschnitt aufweisendes Arbeitsvolumen aufweist, wobei das Arbeitsvolumen über das zweite Steuerventil im Sinne eines Förderns von Kraftstoff durch den Druckübersetzungskolben unter erhöhtem Druck wahlweise mit dem Kraftstoffdruck beaufschlagbar ist.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Druckübersetzer einen Druckübersetzungskolben enthält, der an seiner Vorderseite ein mit der Einspritzdüse in Verbindung stehendes, einen ersten, kleineren Querschnitt aufweisendes Fördervolumen und an seiner Rückseite ein einen zweiten, größeren Querschnitt aufweisendes Arbeitsvolumen aufweist, wobei ein an der Vorderseite des Druckübersetzungskolbens weiterhin vorhandenes, einen dritten Querschnitt aufweisendes Differenzvolumen, das einer Differenz der Querschnitte von Arbeitsvolumen und Fördervolumen entspricht, über das zweite Steuerventil im Sinne eines

Förderns von Kraftstoff durch den Druckübersetzungskolben unter erhöhtem Druck wahlweise druckentlastbar ist.

Zweckmäßigerweise verbindet das Steuerventil (8) eine vom Steuerventil (18) zum Druckübersetzungskolben (9) führende Leitung entweder mit einer Leckageleitung (3) oder einer mit dem KraftstoffSpeicher (1) in Verbindung stehenden Kraftstoffleitung (15) .

Vorzugsweise ist es insbesondere vorgesehen, dass die Steuerkolbenfläche über eine Leitungsverbindung mit dem Steuerraum gekoppelt ist, welche eine das zeitliche Ansprechverhalten des zweiten Steuerventils bestimmende Drossel enthält.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Drossel ein in Strömungsrichtung vom Steuerraum zu der Steuerkolbenfläche des zweiten Steuerventils durchgängiges Rückschlagventil parallelgeschaltet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass zeitliche Ansprechverhalten des zweiten Steuerventils so bemessen ist, dass bei einer kurzen Druckentlastung des Steuerraums für eine Vor- und/oder Nacheinspritzung von Kraftstoff mit nicht erhöhtem Druck eine Freigabe der Einspritzdüse ohne wirksame Ansteuerung des Druckübersetzers und bei einer längeren Druckentlastung des Steuerraums für eine Haupteinspritzung von Kraftstoff mit erhöhtem Druck eine Freigabe der Düsennadel mit wirksamer Ansteuerung des Druckübersetzers erfolgt .

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffinj ektors anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen :

Figur 1 eine schematisierte Darstellung eines druckübersetzten Kraftstoffinj ektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 2a) bis d) jeweilige Hydraulikpläne des druckübersetzten Kraftstoffinjektors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche vier verschiedene zustände beim Betrieb desselben zeigen; und

Figur 3a) bis f) Zeitdiagramme der Verläufe von verschiedenen Drücken, Kolbenbewegung und Einspritzrate bei dem druckübersetzten Kraftstoffinj ektor gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel .

In Figur 1 ist ein Kraftstoffinj ektor dargestellt, der zum Einspritzen von in einem KraftstoffSpeicher 1 (Common-Rail) unter hohem Druck vorgehaltenem Kraftstoff vorgesehen ist . Der Kraftstoffinj ektor umfasst ein, nur teilweise dargestelltes, Injektorgehäuse 11, in welchem eine Düsennadel 6 längs- verschieblich angeordnet ist, die eine an deren vorderen Ende vorgesehene Einspritzdüse 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs wahlweise freigibt. An der Rückseite der Düsennadel 6, welche durch eine Feder 13 in Schließrichtung vorbelastet ist, ist ein Steuerraum 12 vorgesehen, welcher über eine Zulaufdrossel 4 von dem in dem KraftstoffSpeicher 1 unter hohem Druck vorgehaltenem Kraftstoff beaufschlagt und über ein erstes Steuerventil 2 wahlweise druckentlastbar ist. Der in dem KraftstoffSpeicher 1 unter hohem Druck vorgehaltene Kraftstoff ist einem die Spitze der Düsennadel 6 ringförmig umgebenden Düsenvorraum 14 über einen Kraftstoffkanal 15 zuführbar.

Weiterbar enthält der Kraftstoffinj ektor einen Drucküberset ^¬ zer 19, welcher einen Druckübersetzungskolben 9 umfasst, an dessen Vorderseite ein einen ersten, kleineren Querschnitt aufweisendes Fördervolumen 16 und an dessen Rückseite ein einen zweiten, größeren Querschnitt aufweisendes Arbeitsvolumen 17 vorgesehen ist. Das Fördervolumen 16 des Druckübersetzungskolbens 9 ist im Zuge des Kraftstoffkanals 15 ebenfalls mit dem Düsenvorraum 14 verbunden, wobei sich stromaufwärts des Fördervolumens 16 in dem Kraftstoffkanal 15 ein Rückschlagventil 10 befindet, welches einen Rückstrom von Kraftstoff aus dem Fördervolumen 16 nach stromaufwärts verhindert. Ein weiterhin vorgesehenes zweites Steuerventil 8 ist in Form eines 3/2 -Wege-Ventils vorgesehen, welches das an der Rückseite des Druckübersetzungskolbens 9 vorgesehene Arbeitsvolumen 17 wahlweise mit dem Kraftstoffkanal 15 verbindet oder über eine Leckageleitung 3 druckentlastet.

Das zweite Steuerventil 8 enthält einen Ventilkörper 8a, an welchem eine Steuerkolbenfläche 8b vorgesehen ist, die über eine Steuerleitung 12a von dem im Steuerraum 12 herrschenden Kraftstoffdruck beaufschlagt wird. Durch den auf die Steuerkolbenfläche 8b wirkenden Kraftstoffdruck des Steuerraums 12 wird der Ventilkörper 8a des zweiten Steuerventils 8 in eine erste, geschlossene Stellung gezwungen, in welcher ein Zustrom von dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff vom Kraftstoffkanal 15 zum- Arbeitsvolumen 17 des Druckübersetzungskolbens 9 gesperrt und andererseits die Verbindung des Arbeitsvolumens 17 zu der Leckageleitung 3 freigegeben wird.

In der von dem Steuerraum 12 zu der Steuerkolbenfläche 8b des Ventilkörpers 8a führenden Steuerleitung 12a ist eine Drossel 5 angeordnet, durch welche das zeitliche Ansprechverhalten des zweiten Steuerventils 8 gegenüber Druckänderungen in dem Steuerraum 12 in Ansprache auf ein öffnen und Schließen des

ersten Steuerventils 2 bestimmt ist. Dieser Drossel 5 ist ein Rückschlagventil 5a parallelgeschaltet, welches in Richtung vom Steuerraum 12 zur Steuerkolbenfläche 8b durchgängig ist. Der Druckübersetzer 19 wird somit in Ansprache auf den im Steuerraum 12 herrschenden Druck durch das zweite Steuerven ^¬ til 8 gesteuert.

Anhand der Figuren 2a) bis d) sollen nun verschiedene Phasen beim Betrieb des erfindungsgemäßen druckübersetzten Kraftstoffinj ektors beschrieben werden.

Figur 2a) zeigt den Ausgangszustand, in welchem das erste Steuerventil 12 elektromagnetisch nicht angesteuert ist. Die Düsennadel 6 hält die Einspritzdüse 7 geschlossen und das zweite Steuerventil 8 befindet sich in der in Figur 1 dargestellten geschlossenen Stellung, in welcher das Arbeitsvolumen 17 des Druckübersetzungskolbens 9 von dem in dem Kraftstoffkanal 15 anliegenden Kraftstoffdruck abgesperrt und anstelle dessen mit der Leckageleitung 3 verbunden ist.

In dem in Figur 2b) gezeigten Zustand ist das erste Steuerventil 2 nun elektromagnetisch angesteuert und bewirkt einen Druckabfall in dem Steuerraum 12 oberhalb der Düsennadel 6, was zum öffnen der Einspritzdüse 7 führt. Der im Düsenvorraum 14 an der Spitze der Düsennadel 6 anliegende Kraftstoff wird unter dem von dem KraftstoffSpeicher 1 gelieferten Druck in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Auf Grund der durch die Drossel 5 bewirkten zeitlichen Verzögerung wird das zweite Steuerventil 8 noch nicht betätigt, das heißt, der im Steuerraum 12 durch das öffnen des ersten Steuerventils 2 bewirkte Druckabfall kommt an der Steuerkolbenfläche 8b des Ventilkörpers 8a des zweiten Steuerventils 8 noch nicht zur Wirkung. Bei einer Beendigung der Ansteuerung durch das erste Steuerventils 2 vor Wirksamwerden des Druckabfalls im Steuer-

räum 12 am zweiten Steuerventil 8 findet eine Einspritzung nur unter dem Druck des KraftstoffSpeichers 1 ohne Betätigung des Druckübersetzers 19 statt. Auf diese Art sind eine Vor- und/oder Nacheinspritzung mit einem ersten, niedrigeren Druckniveau realisierbar.

Wenn jedoch das erste Steuerventil 2 über einen dem gegenüber längeren Zeitraum bestromt wird, wird der in Figur 2c) gezeigte dritte Betriebszustand wirksam. über die Drossel 5 wird der im Steuerraum 12 stattfindende Druckabfall nun auch an der Steuerkolbenfläche 8b des Ventilkörpers 8a des zweiten Steuerventils 8 wirksam, so dass durch eine öffnungsbewegung des Ventilkörpers 8a eine Verbindung vom Kraftstoffkanal 15 zum Arbeitsvolumen 17 an der Rückseite des Druckübersetzungs- kolbens 9 stattfindet, welche eine Bewegung des Druckübersetzungskolbens 9 im Sinne einer Förderung von Kraftstoff aus dem an seiner Vorderseite befindlichen Fördervolumen 16 zum Düsenvorraum 14 an der Einspritzdüse 7 führt. Hierdurch wird der Kraftstoffdruck während der Einspritzung dementsprechend erhöht, wobei ein Rückstrom von Kraftstoff aus dem Fördervolumen 16 zum Kraftstoffkanal 15 durch das Rückschlagventil 10 verhindert wird. Bei der Bewegung des Druckübersetzungskolbens 9 strömt in einem Differenzvolumen 18, welches der Differenz der Querschnitte von Arbeitsvolumen 17 und Fördervolumen 16 entspricht, befindlicher Kraftstoff in die Leckageleitung 3. 1

Am Ende des Einspritzvorgangs, vergleiche Figur 2d) , wird durch Ende der Bestromung das erste Steuerventil 2 geschlossen, womit ein Wiederanstieg des Drucks des Steuerraums 12 durch Nachfließen von Kraftstoff aus dem Kraftstoffkanal 15 über die Zulaufdrossel 4 einhergeht. Diese Erhöhung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum 12 pflanzt sich über die in der Steuerleitung 12a befindliche Drossel 5 nach einer kurzen

Zeit zur Steuerkolbenfläche 8b am Ventilkörper 8a des zweiten Steuerventils 8 fort, so dass dieses geschlossen und das Arbeitsvolumen 17 des Druckübersetzungskolbens 9 vom Kraft- Stoffkanal 15 getrennt wird. Gleichzeitig öffnet das zweite Steuerventil 8 den Ablauf des Arbeitsvolumens 17 zur Leckageleitung 3, wodurch der Druckübersetzungskolben 9 in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird. Der im Düsenvorraum 14 stattfindende Druckabfall bewirkt ein Schließen der Düsennadel 6 und damit ein Ende des Einspritzvorgangs.

Die Figuren 3a) bis f) zeigen den zeitlichen Verlauf verschiedener Drücke am Kraftstoffinj ektor und von Kolbenbewegung und Einspritzrate während der anhand der Figuren 2a) bis d) beschriebenen Phasen beim Einspritzvorgang.

In Figur 3a) ist der zeitlich konstante Druck im Kraftstoffspeicher 1, also der Druck des Common-Rail dargestellt. Figur 3b) zeigt den Druck im Steuerraum 12 an der Rückseite der Düsennadel 6.

Figur 3c) zeigt den Druck an der Steuerkolbenfläche 8b des Ventilkörpers 8a des zweiten Steuerventils 8.

Figur 3d) zeigt die Bewegung des Druckübersetzungskolbens 9.

Figur 3e) zeigt den Druck im Düsenvorraum 14 vor der Einspritzdüse 7.

Figur 3f) schließlich zeigt den Verlauf der Einspritzrate des von der Einspritzdüse 7 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffs.

Wie ersichtlich ist, bewirkt eine kurze Ansteuerung des ersten Steuerventils 2 am Anfang des Einspritzvorgangs nur ein

kurzes Absenken des Drucks im Steuerraum 12, vergleiche Figur 3b) , verbunden mit einer kurzen Voreinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine, vergleiche Figur 3f ) .

Bei einer dann folgenden längeren Ansteuerung des ersten Steuerventils 2 sinkt der Druck im Steuerraum 12 für eine längere Zeit ab, vergleiche Figur 3b) , wobei sich dieser Druckabfall über die Drossel 5 auf das zweite Steuerventil 8 überträgt, vergleiche Figur 3c), wodurch eine Bewegung des Druckübersetzungskolbens 9, vergleiche Figur 3d) , im Sinne einer Förderung von Kraftstoff unter erhöhtem Druck, vergleiche Figur 3e) bewirkt wird. Damit ergibt sich die in Figur 3f) dargestellte Haupteinspritzung mit erhöhter Einspritzrate.

Nach Entstromung des ersten Steuerventils 2 kehren die Düsennadel 6 in ihren geschlossenen Zustand und der Druckübersetzungskolben 9 in seine Ausgangsposition zurück.

Bei einer dann noch folgenden weiteren kurzen Bestromung des ersten Steuerventils 2 wird eine Nacheinspritzung mit niedrigem Druck bewirkt, ähnlich der vorher beschriebenen Voreinspritzung.

Abweichend von den anhand der Figur 3 beschriebenen beispielhaften zeitlichen Verläufen kann der Einspritzvorgang selbstverständlich auch in anderer Weise gesteuert werden.

Bezugszeichenliste

KraftstoffSpeicher erstes Steuerventil (Common-Rail) Leckageleitung Zulaufdrossel Drossel a Rückschlagventil Düsennadel Einspritzdüse zweites Steuerventil a Ventilkörper b Steuerkolbenfläche Druckübersetzungskolben 0 Rückschlagventil 1 Injektorgehäuse 2 Steuerraum 2a Steuerleitung 3 Feder 4 Düsenvorraum 5 Kraftstoffkanal 6 Fördervolumen 7 Arbeitsvolumen 8 Differenzvolumen 9 Druckübersetzer