DE10250130A1

DE10250130A1 - Hochdruckeinspritzeinrichtung mit Druck- und Hubsteuerung

Info

Publication number: DE10250130A1
Application number: DE2002150130
Authority: DE
Inventors: Walter Egler; Tobias Reiser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-03-04

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Ventilkörper (2) und einem Injektorkörper (68). Der Injektorkörper (68) ist mit einem an einem Einspritzventilglied (63) aufnehmenden Düsenkörper (60) verbunden. Im Ventilkörper (2) ist ein mittels eines elektrischen Betätigungsorgans (7) bewegbares, mit mindestens einer Rückstellfeder (33) beaufschlagtes Ventilelement (3) aufgenommen. Der Ventilkörper (2) umfasst ferner einen niederdruckseitigen Rücklauf (4) und einen hochdruckseitigen Zulauf (5). Der Injektorkörper (68) umfasst einen Ablauf (32), eine das Einspritzventilglied (63) beaufschlagende Leitung (61) und eine weitere druckbeaufschlagte Leitung (25). Der Ventilkörper (2), in welchem miteinander verbindbare hydraulische Räume (21, 22) ausgebildet sind, und innerhalb des Injektorkörpers (68) auswechselbar aufgenommene Einsätze (15, 42) sind von dem Ventilelement (3), welches mit Schließ- und Freigabeflächen (16, 28, 22) versehen ist, durchsetzt und sowohl die Einsätze (15, 42) als auch das Ventilelement (3) umfassen hydraulische Anschlüsse (29, 23; 30, 24) entsprechend einer Ausbaustufe des Kraftstoffinjektors.

Description

Technisches Gebiet
Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff können sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsysteme kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten oft Speichereinspritzsysteme zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme (Common-Rrail-Einspritzsysteme) ermöglichen in vorteilhafter Weise, den Einspritzdruck an Last und Drehzahl einer selbstzündenen Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen und zur Reduktion der Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ist generell ein möglichst hoher Einspritzdruck erforderlich.
Stand der Technik
Aus Festigkeitsgründen ist das erreichbare Druckniveau bei heute eingesetzten Speichereinspritzsystemen zur Zeit auf etwa 1600 bar begrenzt. Zur weiteren Drucksteigerung an Speichereinspritzsystemen kommen an Common-Rail-Systemen Druckübersetzer zum Einsatz.

DE 199 10 970 A1 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Diese Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine zwischen einem Druckspeicherraum und einem Düsenraum angeordnete Druckübersetzungseinheit auf, deren Druckkammer über eine Druckleitung mit dem Düsenraum verbunden ist. Weiterhin ist eine an den Druckspeicherraum angeschlossene Bypass-Leitung vorgesehen, die Bypass-Leitung ist direkt mit der Druckleitung verbunden. Die Bypass-Leitung ist für eine Druckeinspritzung verwendbar und ist parallel zur Druckkammer angeordnet, so dass die Bypass-Leitung unabhängig von der Bewegung und Stellung eines verschieblichen Druckmittels der Druckübersetzungseinheit durchgängig ist. Durch diese Maßnahme wird die Flexibilität der Einspritzung erhöht. Ein Differenzraum ist über 2/2-Wege-Ventil mit einer Leckageleitung verbindbar und es besteht eine Verbindung vom Differenzraum zum Druckspeicherraum. Der Druckübersetzungseinheit ist eine Ventilanordnung zur Steuerung derselben außerhalb des Injektors an einer beliebigen Stelle zwischen dem Druckspeicherraum und dem Injektor zugeordnet.

DE 100 40 526 A1 bezieht sich ebenfalls auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Diese weist eine zwischen einem Druckspeicherraum und Düsenraum angeordnete Druckübersetzungseinheit auf, die eine verschiebliche Kolbeneinheit umfasst, um den Druck des dem Düsenraum zuzuführenden Kraftstoffes zu erhöhen. Die Kolbeneinheit weist zur Steuerung der Druckübersetzungseinheit einen Übergang von einem größeren zu einem kleineren Kolbenquerschnitt und einem hier durch ausgebildeten Differenzraum auf. Der Differenzraum ist mit einem Füllventil an den Druckspeicherraum angeschlossen. Es wird eine Verringerung der Steuermenge während der Ansteuerung der Druckübersetzungseinheit und die Rückstellung der Kolbeneinheit erreicht.

EP 0 562 046 B1 bezieht sich auf eine Betätigungs- und Ventilanordnung mit Dämpfung für eine elektronisch-gesteuerte Einspritzeinheit. Es ist eine elektrisch erregbare Elektromagnetanordnung mit einem festen Stator und einem bewegbaren Anker vorgesehen. Der Anker weist eine erste und eine zweite Oberfläche auf, die erste bzw. zweite Hohlräume definieren, wobei die erste Oberfläche des Ankers zum Stator weist. Ein Ventil ist mit dem Anker verbunden und in der Lage, selektiv ein hydraulisches Betätigungsfluid von einem Sumpf an die Einspritzvorrichtung zu leiten. Darüber hinaus sind Einrichtungen zum Verbinden bzw. Leiten, Sammeln und Ablassen von Dämpfen und Strömungsmitteln bezüglich mindestens einem der Hohlräume der Elektromagnetanordnung vorgesehen. Mittels eines Durchlasses kann eine Strömungsmittelverbindung von einem der Hohlräume zum Sumpf dargestellt werden.

Bei hubgesteuerten Kraftstoffinjektoren liegt der Hochdruck permanent, von einer Hochdruckquelle ausgehend, am Sitz eines Einspritzventilgliedes an. Solange das Einspritzventilglied bei einem sich im geschlossenen Zustand befindlichen 2/2-Magnetventil durch eine Feder und den Kraftstoff, der auf die Oberseite des Einspritzventilgliedes wirkt, mit Hochdruck belastet ist, wird das Einspritzventilglied in seinen Sitz gedrückt, so dass kein Kraftstoff eingespritzt werden kann. Zur Realisierung eines Einspritzvorganges wird die Oberseite des Einspritzventilgliedes durch Ansteuern des Magnetventiles entlastet. Mit dieser Ausführungsform eines Kraftstoffinjektors können mehrfach unterbrochene Einspritzungen unter hohem Druck realisiert werden. Hubgesteurte Kraftstoffinjektoren werden an selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge eingesetzt. Demgegenüber kann bei druckgesteuerten Kraftstoffinjektoren die Einspritzdüse mittels eines Mehrwege-Ventiles wahlweise mit dem Hochdruckspeicher oder mit der Hochdruckquelle bzw. einer Niederdruckseite verbunden werden. Soll eine Einspritzung stattfinden, wird über Betätigung des Magnetventiles eine Verbindung zwischen einem Hochdruck- speicherraum – um ein Beispiel zu nennen – und der Einspritzöffnung (Einspritzdüse) hergestellt. Das Einspritzventilglied öffnet, weil die durch den Druck der Hochdruckquelle wirkende Kraft die in Schließrichtung auf das Einspritzventilglied wirkende Kraft übersteigt. Die Einspritzung wird unterbrochen oder abgeschlossen, indem das Magnetventil die Einspritzöffnung vom Speicher abkoppelt und statt dessen mit dem Rücklauf verbindet. Auch mittels dieser Ausführungsvariante von Kraftstoffinjektoren können mehrfach unterbrochene Einspritzungen realisiert werden, wobei der Einspritzdruck am Anfang und am Ende der jeweiligen Einspritzung jedoch weit unterhalb des Druckniveaus innerhalb eines Hochdruckspeichers liegt. Druckgesteuerte Kraftstoffinjektoren werden z. B. an Großdieselmotoren eingesetzt.

Darstellung der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen, in verschiedenen Baustufen ausbildbaren Kraftstoffinjektor kann ein modular aufgebautes, direkt gesteuertes Betätigungsorgan, wie z. B. ein Magnetventil eingesetzt werden. Über das als Magnetventil ausgebildete Betätigungsorgan wird ein Ventilelement, welches bewegbar innerhalb eines Ventilkörpers ist, betätigt. Das Ventilelement kann in einer ersten Baustufe des Kraftstoffinjektors als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet sein, welches zwei Schaltstellungen einnimmt und druckgesteuerte Einspritzungen vornimmt.

In einer erweiterten Baustufe, in welcher das Ventilelement als ein 6/3-Ventil ausgebildet ist, lassen sich drei Schaltstellungen mit sechs Anschlüssen realisieren, so dass Einspritzvorgänge in den Brennraum einer selbstzündenden, mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine hub- oder druckgesteuert vorgenommen werden können. In der erweiterten Baustufe des Kraftstoffinjektors entsprechen zwei Schaltstellungen des 6/3-Wege-Ventiles denjenigen Schaltstellungen, die bei Einsatz eines 3/2-Wege-Ventiles gemäß der ersten Baustufe des Kraftstoffinjektors ausgeführt werden. In der mit dem 6/3-Wege-Ventil möglichen dritten Schaltstellung wird eine obere Stirnseite eines Einspritzventilgliedes (welches z. B. als Düsennadel ausgebildet sein kann) mit Hochdruck beaufschlagt, so dass diese bei am Sitz des Einspritzventilgliedes anstehendem Hochdruck zugehalten wird und keine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum stattfindet. Bei dem auf die Stirnseite des Einspritzventilglieds einwirkenden Hochdruckniveau kann es sich entweder um das innerhalb einer Kraftstoffhochdruckquelle, wie z. B. einem Hochdrucksammelraum (Common-Rail) herrschende Druckniveau handeln oder um ein mittels eines Druckübersetzers erhöhtes Druckniveau. Bei Zwischenschaltung eines Druckübersetzers zwischen Kraftstoffhochdruckquelle wie z. B. einem Hochdrucksammelraum und die Stirnseite des Einspritzventilgliedes, kann die auf dieses einwirkende Schließkraft beträchtlich erhöht werden.

Zur Stabilisierung der ansteuerbaren drei Schaltstellungen des Vetilelementes, kann dieses mit einem oder mehreren Federelementen versehen werden, die in Bauraum sparender Weise parallel geschaltet innerhalb des Kraftstoffinjektors angeordnet werden können. Wird ein Druckübersetzer eingesetzt, kann dieser einerseits Bauraum sparend innerhalb des Kraftstoffinjektors untergebracht werden und andererseits lassen sich die auf das Einspritzventilglied einwirkenden Schließkräfte beträchtlich erhöhen.

Mit der erweiterten Baustufe des Kraftstoffinjektors, d. h. bei Einsatz eines 6/3-Wege-Ventiles im Ventilkörper, können durch lediglich ein Betätigungsorgan hubgesteuerte Nach- oder Mehrfacheinspritzungen ausgeführt werden. Die erweiterte Baustufe kann mit und ohne Druckübersetzer ausgebildet werden. Auch in der erweiterten Baustufe des Kraftstoffinjektors kann mit dem 6/3-Konzept der Einbau eines weiteren, zweiten Magnetventils vermieden werden, so dass zusätzliche Kosten und zusätzlich zu betreibender Aufwand eingespart werden können.

Durch das Baustufenkonzept können die Fertigungskosten für in Großserie hergestellte Kraftstoffinjektoren erheblich reduziert werden, da das Baukastenprinzip Anwendung finden kann. Es kann entweder eine 3/2-Baugruppe oder eine 6/3-Baugruppe in den Ventilkörper eingebaut werden. Ferner lässt sich im Prinzip der gleiche Ventilkörper einsetzen, in welchen je nach verwendeter Baugruppe, sei es 3/2-Ventilelement oder sei es ein 6/3-Ventilelement, entsprechende Blindstopfen eingesetzt werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 einen druck-/hubgesteuerten Kraftstoffinjektor in erweiterter Baustufe mit 6/3-Wege-Ventil,
2 den druck-/hubgesteuerten Kraftstoffinjektor gemäß 1 in um 90° zur Darstellung gemäß 1 gedrehter Lage,
3.1 das Ventilelement des Kraftstoffinjektors gemäß 1 in einer ersten Schaltstellung,
3.2 das Ventilelement des Kraftstoffinjektors gemäß der Darstellung in 2 in der ersten Schaltstellung,
4.1 das Ventilelement des Kraftstoffinjektors gemäß 1 in einer zweiten Schaltstellung,
4.2 das Ventilelement des Kraftstoffinjektors gemäß 2 in der zweiten Schaltstellung,
5.1 das Ventilelement des Kraftstoffinjektors gemäß 1 in einer dritten Schaltstellung,
5.2 das Ventilelement des Kraftstoffinjektor gemäß 2 in der dritten Schaltstellung,
6 die an einer Einspritzverlaufsformung gestellten Anforderungen bei Abgasrückführung,
7 die an eine Einspritzverlaufsformung gestellten Anforderungen mit Abgasrückführung an der Verbrennungskraftmaschine und
8.1–8.3 In den 8.1 bis 8.3 sind die Verläufe von Düsendruck und Hub eines Einspritzventilgliedes, jeweils abhängig von der Bestromung des das Ventilelement betätigenden elektrischen Betätigungsorganes aufgetragen.
Ausführungsvarianten
1 ist ein druck-/hubgesteuerter Kraftstoffinjektor in erweiterter Baustufe mit einem 6/3-Wege-Ventil entnehmbar.
Ein Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Ventilkörper 2, der in der Ebene, in welcher sowohl ein niederdruckseitiger Rücklauf 4 als auch eine Hochdruckanschlußleitung 5 liegt, geschnitten dargestellt ist. Innerhalb des Ventilkörpers 2 ist ein Ventilelement 3 in vertikaler Richtung bewegbar aufgenommen. Zur Betätigung des Ventilelementes 3 dient ein Betätigungsorgan, welches in der in 1 dargestellten Ausführungsvariante als Magnetventil ausgebildet ist. Das Betätigungsorgan 7 umfasst eine Magnetspule 8, welche durch eine im Deckelelementdes Montageraums 9 verlaufende Anschlußleitung 12 bestrombar ist. Der Montageraum 9 ist einerseits durch das Deckelelement eines ersten Dichtringes 10 und andererseits über einen zweiten Dichtring 11 gegen den Ventilkörper 2 abgedichtet. Am oberen Bereich des Ventilelementes 3, welches in der Ausführungsvariante gemäß 1 in einer erweiterten Baustufe des Kraftstoffinjektors 1 als 6/3-Wege-Ventil ausgebildet ist, ist eine Ventilhülse 6 angeordnet. Die Ventilhülse 6 ist in axialer Richtung unverschiebbar am Umfang des Ventilelementes 3 aufgenommen und bewirkt bei entsprechender Bestromung der Magnetspule 8 des als Magnetventils ausgebildeten Betätigungsorgan 7 eine vertikale Hubbewegung des Ventilelementes 3 innerhalb des Ventilkörpers 2.
Der Ventilkörper 2 des Kraftstoffinjektors 1 ist über einen dritten Dichtring 13 gegen einen Injektorkörper 68 des Kraftstoffinjektors 1 abgedichtet. In der Schnittebene gemäß 1 durch den Ventilkörper 2 sowie durch den Injektorkörper 68 liegend, sind mit Bezugszeichen 14 bezeichnete Aussengewinde dargestellt, an welchem auf Seiten der Hochdruckanschlußleitung 5 der hier nicht dargestellten Hochdruckkraftstoffquelle wie z. B. eine Hochdruckpumpe, eine Verteilerpumpe oder ein Hochdruckspeicherraum anschließbar ist und hinsichtlich des niederdruckseitigen Rücklaufes 4 eine Leitung aufgenommen werden kann, die abströmenden Kraftstoff in Richtung des in 1 nicht dargestellten Fahrzeugtanks führt.
Unterhalb des Ventilkörpers 2 ist im Injektorkörper 68 ein Einsatz 15 aufgenommen. Der Einsatz 15 umschließt den unteren Bereich des Ventilelementes 3 und umfasst Leitungsabschnitte, über welche im Injektorkörper 68 ausgebildete Leitungen 32 bzw. 31 mit dem der Rücklaufleitung 4 bzw. Steuerräumen in Verbindung stehen.
In den in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist das Ventilelement 3, welches innerhalb des Ventilkörpers 2 abhängig von der Bestromung des Betätigungsorganes 7 in vertikaler Richtung auf- bzw. abbewegbar ist, als 6/3-Wege-Ventil ausgebildet. Im Ventilkörper 2, bzw. im Einsatzstück 15 sind ein Mündungsraum 21 ausgebildet, in welchen die Hochdruckanschlußleitung 5 mündet. Unterhalb des Mündungsraumes 21 ist innerhalb des Ventilkörpers 2 ein Ventilraum 22 ausgebildet. Der Ventilraum 22 des Ventilkörpers 2 wird durch eine Kegelsitzfläche 17 begrenzt, die mit einem am Umfang des Ventilelementes 3 ausgebildeten Kegelsitz 16 zusammenwirkt. Der Kegelsitz 16 am Ventilelement 3 geht in einen ersten Schieberbereich 18 über, der in einem ersten Schieberquerschnitt 19 ausgebildet ist (vergleiche Darstellung gemäß 3.1).
Innerhalb des vom Injektorkörper 68 umschlossenen Einsatzstückes 15 ist das Ventilelement 3 an einem zweiten Schieberbereich 26 von einem ersten Ringraum 23 umschlossen; ferner ist im Einsatzstück 15 ein weiterer, zweiter Ringraum 24 ausgebildet, der das Ven tilelement 3 ebenfalls umschließt. Zwischen dem ersten Ringraum 23 und dem zweiten Ringraum 24 des Einsatzstückes 15 zweigt eine Druckleitung 31 ab, welche über die sich durch den Injektorkörper 68 erstreckende weitere Druckleitung 31 mit einem Schließfederraum 45 in Verbindung steht.
In der Ausführungsvariante des Ventilelementes 3 gemäß 1 ist die untere Stirnseite des als 6/3-Wege-Ventils ausgebildeten Ventilelementes 3 von einer in Parallelschaltung ausgebildeten Federanordnung 33 bzw. 34 umschlossen. Die in Parallelschaltung in das Einsatzstück 15 eingelassene Federanordnung 33, 34 umfasst eine innere Rückstellfeder 33 und eine mit Bezugszeichen 34 bezeichnete äußere Rückstellfeder. Beide Federn werden mittels eines Federraumbodens 38 innerhalb des Einsatzstückes 15 unter Vorspannung gehalten, wobei sich der Federraumboden 38 im in dem Injektorkörper 38 montierten Zustand des Einsatzstückes 15 an einer oberen Stirnseite seiner Aufnahme innerhalb des Injektorkörpers 68 abgestützt. Die innere Rückstellfeder 33 stützt sich an einer an der unteren Stirnseite des Ventilelementes 3 anliegenden Scheibe ab 35, während die äussere Rückstellfeder 34 sich an einer weiteren Scheibe 36 abstützt, deren Innendurchmesser so bemessen ist, dass die innere Rückstellfeder 33 sich durch die letztgenannte Scheibe 36 berührungsfrei erstreckt. Am Federraumboden 38, welcher eine Federraum 37 begrenzt, kann eine nockenförmige Zentrierung für die innere Rückstellfeder 33 ausgebildet sein. Durch den Injektorkörper 68, wie auch durch das Einsatzstütz 15 erstreckt sich eine Rücklaufleitung 32, die mit dem niederdruckseitigen Rücklauf 4 verbunden ist, ferner die Druckleitung 31, über welche ein Einspritzventilglied 63, welches beispielsweise als Düsennadel ausgebildet sein kann, mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagbar ist.
Die Druckleitung 31, welche im Einsatzstück 15 zwischen dem ersten Ringraum 23 und dem zweiten Ringraum 24 abzweigt, erstreckt sich durch das Einsatzstück 15, den Injektorkörper 68 und mündet in den Schließfederraum 45, der eine mit Bezugszeichen 44 identifizierte Schließfeder aufnimmt. Die Schließfeder 44 stützt sich an der Decke des Schließfederraumes 45 an einem Ring ab; an ihrem gegenüberliegenden Ende beaufschlagt die Schließfeder 44 ein Druckstück 50.
An den Injektorkörper 68 schließt sich ein glockenförmig ausgebildetes Bauteil 72 an. Innerhalb des glockenförmigen Bauteiles 72 sind ein erstes Rückschlagventil 49 angeordnet, welches zur im Injektorkörper 68 verlaufenden Rücklaufleitung 32 fluchtet. Der glockenförmig ausgebildete Körper 72 wird darüber hinaus von einem ersten Rohrelement 51 und einem mit Bezugszeichen 54 identifizierten zweiten Rohrelement durchzogen. Das erste Rohrelement 51 ist von einem ersten Kolbenteil 53 umschlossen, während das an einer Stirnseite des ersten Rohrelementes 51 anliegende zweite Rohrelement 54 von einem federbeaufschlagten zweiten Kolbenteil 56 umgeben ist.
Das Druckstück 50, das erste Rohrelement 51 sowie das zweite Rohrelement 54 sind von einer Bohrung 66 durchzogen, die am unteren Ende des zweiten Rohrelementes 54 durch ein zweites Rückschlagventil 62 verschlossen ist. Das zweite Rückschlagventil 62 umfasst ein Federelement, welches einen Schließkörper abstützt. Das Federelement des zweiten Rückschlagventils 62 stützt sich auf einer dem zweiten Rohrelement 54 zuweisenden Stirnseite des als Düsennadel ausgebildeten Einspritzventilglieds 63 ab. Der am brennraumseitigen Ende eines Düsenkörpers 60 ausgebildete Düsenraum 69 wird über die Druckleitung 61, zwischen dem ersten Ringraum 23 und dem zweiten Ringraum 24 abzweigend, den Schließfederraum 45, die Durchgangsbohrung 66, das zweite Rückschlagventil 62 und eine seitlich am unteren Ende des zweiten Rohrelementes 54 ausgebildete Öffnung 70 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Der Düsenkörper 60 stützt sich an einer Anlage 64 einer Düsenspannmutter 48 ab, welche mit dem Injektorkörper 68 verschraubt ist und den glockenförmigen Körper 72 und den Düsenkörper 60 gegen den Injektorkörper 68 abdichtet.
Der glockenförmige Körper 72 umfasst einen Bypass 71, über welchen Lecköl über das erste Rückschlagventil 49 in die Rücklaufleitung 32 und von dieser in die niederdruckseitige Rücklaufleitung 4 abströmt.
Das erste Kolbenteil 53 sowie das zweite Kolbenteil 56 stellen einen Druckübersetzer 57 (vergleiche Darstellung gemäß 2) dar. Das zweite Kolbenteil 56 des Druckübersetzers ist über ein Federelement beaufschlagt, welches das zweite Kolbenteil 56 gegen das erste Kolbenteil 53 anstellt.
2 zeigt den druck-/hubgesteuerten Kraftstoffinjektor gemäß der Darstellung in 1 in einer um 90° zur Darstellung gemäß 1 gedrehten Lage, zur Wiedergabe in 1 nicht dargestellter Bauteile.
Der Darstellung der um 90° verglichen zur 1 gedrehten Darstellung in 2 ist entnehmbar, das innerhalb des Ventilkörpers 2 der Mündungsraum 21 des Hochdruckanschlußes 5 sowie der Ventilraum 22 des Ventilelementes 3 ausgebildet sind. Der in 1 bereits dargestellte erste Ringraum 23 sowie der zweite Ringraum 24, sind innerhalb eines im Einsatzstück 15 ausgebildeten Einsatzelementes 42 angeordnet. Durch ein Einlegen eines Einsatzstückes 15 bzw. eines Einsatzelementes 42 je nach Verwendung eines 3/2-Ventilelementes oder eines 6/3-Ventilelementes lässt sich gemäß des Baukastenprinzips je nach Verwendungszweck der einsatzspezifisch ausgebildete Kraftstoffinjektor herstellen.
Vom Ventilraum 22 innerhalb des Ventilkörper 2 zweigt eine Zulaufbohrung 25 ab, die sich zum Teil durch den Ventilkörper 2 und das Einsatzstück 15 erstreckt. An der Trennfuge des Einsatzstücks 15 zum Injektorkörper 68 geht die Druckleitung 25 in einen injektorkörperseitige Druckleitungsabschnitt 25 über, der an einer Mündungsstelle 47 in einen Druckraum 67 eines Druckübersetzers 57 mündet. Die Mündungsstelle 47 der Druckleitung 25 liegt innerhalb des glockenförmig ausgebildeten Körpers 72, der über die Düsenspannmutter 48 mit dem Injektorkörper 68 des Kraftstoffinjektors 1 verbunden ist. Über den Druckraum 67 des Druckübersetzers 57 wird der erste Kolbenteil 53 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Das erste Kolbenteil 53 des Druckübersetzers 57 beaufschlagt das zweite Kolbenteil 56 des Druckübersetzers 57, welcher sich am Düsenkörper 60 über die Schraubenfeder 58 abstützt und dann mit ihrem dem Düsenkörper 60 gegenüberliegenden Ende an einer Anschlagfläche 59 des zweiten Kolbenteiles 56 anliegt.
Aus der in 2 dargestellten Wiedergabe des Kraftstoffinjektors 1 geht die den Schließfederraum 45 beaufschlagende Druckleitung 31 und deren Abzweigstelle zwischen dem ersten Ringraum 23 und dem zweiten Ringraum 24 im Einsatzstück 15 nicht hervor.
Innerhalb des Düsenkörpers 60 mündet das den zweiten Kolbenteil 56 durchsetzende zweite Rohrelement 54 innerhalb des Düsenraumes 69. Im unteren Abschnitt des zweiten Rohrelementes 54 ist das zweite Rückschlagventil 62 integriert, in dessen Bereich eine Öffnung 70 in der Rohrwand des zweiten Rohrelementes 54 ausgebildet ist, über welche Kraftstoff in den das zweite Rohrelement 54 in seinem unteren Bereich umgebenden Düsenraum 69 innerhalb des Düsenkörpers 60 austritt.
Vom Düsenraum 69 ausgehend, strömt der Kraftstoff in Richtung auf eine am Einspritzventilglied 63 angeordnete Führungsfläche 65 und von dort weiter entlang eines Ringspaltes zum brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 60 an in 2 nicht dargestellte Einspritzöffnungen.
3.1 zeigt ein als 6/3-Wege-Ventil ausgestaltetes Ventilelement des Kraftstoffinjektors gemäß der Darstellung in 1 in einer ersten Schaltstellung.
Aus der in 3.1 wiedergegebenen ersten Schaltstellung 39 des Ventilelementes 3 geht hervor, dass die am Ventilelement 3 ausgebildete Kegelsitzfläche 16 gegen einen ventilkörperseitigen Kegelsitzfläche 17 angestellt ist und die innerhalb des Mündungsraumes 21 einmündende Hochdruckanschlußleitung 5 verschließt. Das Anstellen des Kegelsitzes 16 in seine im Ventilkörper 2 ausgebildete Kegelsitzfläche 17 erfolgt durch die Rückstellfedern 33, 34, die innerhalb des Federraumes 37 im Einsatzstück 15 unterhalb des auswechselbaren Einsatzelementes 42 angeordnet sind. In der ersten Schaltstellung 39 ist die in 3.2 vom Ventilraum 22 abzweigende Druckleitung 25 zum Druckbersetzer 57 (vergleiche Darstellung gemäß 1 und 2) bzw. zur Einspritzdüse vom Hochdruckleitungsanschluß 5 abgetrennt.
Unterhalb des Kegelsitzes 16 ist am Ventilelement 3 ein erster Schieberbereich 18 ausgebildet, der in einem Schieberquerschnitt 19 dimensioniert ist. Der erste Schieberbereich 18 steht in der ersten Schaltstellung 39 offen, so dass die in den Ventilraum 22 gemäß 3.2 mündende Druckleitung 25 über den offenstehenden Schiebersitz mit dem niederdruckseitigen Rücklauf in den in 3.1 nicht dargestellten Kraftstofftank verbunden ist.
In der in 3.1 dargestellten ersten Schaltstellung 39 ist darüber hinaus eine Stirnseite des Einspritzventilgliedes 63 über die den Schließfederraum 45 beaufschlagende Druckleitung 31 über einen verjüngten Bereich des Ventilelementes 3 mit dem ersten Ringraum 23 verbunden. Der erste Ringraum 23 steht über einen Leitungsabschnitt 29 mit der im Injektorkörper 68 und im Einsatzstück 15 verlaufenden Rücklaufleitung 32 in Verbindung, die ihrerseits in den sich im Ventilkörper 2 erstreckenden, niederdruckseitigen Rücklauf 4 mündet. Der zweite Schieberbereich 26 im Ventilelement 3 ist in einem Schieberquerschnitt 27 ausgebildet, der dem Schieberquerschnitt 19 des ersten Schieberbereiches 18 am Ventilelement 3 entspricht. Mit Bezugszeichen 28 ist eine zweite Steuerkante im unteren Bereich des Ventilelementes 3 bezeichnet, während Bezugszeichen 20 eine erste Steuerkante am unteren Ende des ersten Schieberbereiches 18 kennzeichnet.
In 3.2 ist die erste Schaltstellung gemäß 3.1 an einem Kraftstoffinjektor gemäß der Darstellung in 2, d. h. in einer um 90° gedrehten Lage dargestellt.
In der ersten Schaltstellung 39 ist der Kegelsitz 16 am Ventilelement 3 in eine korrespondierende Kegelsitzfläche 17 gefahren und verschließt den in 3.2 aufgrund der um 90° gedrehten Lage nicht sichtbaren Hochdruckleitungsanschluß 5, der in den Mündungsraum 21 mündet. Der Ventilraum 22 ist über die offenstehende erste Steuerkante 20 in den niederdruckseitigen Rücklauf 4 entlastet. Darüber hinaus sind der in 3.2 nicht dargestellte Druckübersetzer 25 sowie optional die Einspritzdüse über die Druckleitung 25, den zweiten Leitungsabschnitt 30 und den zweiten Ringraum 24 niederdruckseitig entlastet.
Innerhalb des Federraumes 37 sind die innere Rückstellfeder 33 sowie die äussere Rückstellfeder 34 in Parallelschaltung aufgenommen. Die innere Rückstellfeder 33 stützt sich sowohl an einem Federraumboden 38 als auch an einer ersten Stützscheibe 35 ab, während sich die äußere Rückstellfeder 34 sowohl am Federraumboden 38 als auch an einer zweiten Stützscheibe 36 abstützt, die unterhalb der erste Stützscheibe 35 aufgenommen ist. Bei einer durch die Ansteuerung des in 3.2 nicht dargestellten Betätigungsorganes 7 be wirkten vertikalen Hubbewegung des Ventitilelements 3, fährt dieses zunächst gegen die Kraft des inneren Rückstellfederelementes 33 in den Federraum 37 ein; erst bei weiterem Einfahren der dem Federraum 37 gegenüberliegenden Stirnseite des Ventilelementes 3 in diesen fährt die erste Stützscheibe 35 an die zweite Stützscheibe 36, so dass bei weiterem Einfahren des Ventilelementes 3 in den Federraum 37 eine gleichzeitige, parallelverlaufende Auslenkung, d. h. Kompression der beiden Schraubenfedern 33 bzw. 34 erfolgt.
In der in den 3.1 bzw. 3.2 dargestellten ersten Schaltstellung 39, ist das Betätigungsorgan 7 nicht bestromt, d. h. das Ventilelement 3 wird aufgrund der dieses beaufschlagenden Federelemente 33 bzw. 34 in seine Kegelsitzfläche 17 in Ventilkörper 2 gedrückt, so dass sowohl die Zulaufbohrung 25 zur Düse bzw. zum Druckübersetzer 57 als auch die Druckleitung 31 zur oberen Stirnseite des Einspritzventilgliedes 63 nicht mit dem in der Hochdruckquelle herrschenden hohen Druckniveau beaufschlagt sind.
4.1 zeigt das Ventilelement des Kraftstoffinjektors gemäß der Darstellung in 1 in einer zweiten Schaltstellung.
In der mit Bezugszeichen 40 identifizierten zweiten Schaltstellung des Ventilelementes 3 ist das in 4.1 nicht dargestellte Betätigungsorgan mit einer mittleren Stromstärke bestromt, so dass der Hubweg des Ventilelementes 3 innerhalb des Ventilkörpers 2 durch die Kompression der inneren Rückstellfeder 33 begrenzt ist. Bei einer Bestromung eines beispielsweise als Betätigungsorgan 7 dienenden Magnetventils mit einer mittleren Stromstärke erfolgt durch die vertikal nach unten gerichtete Hubbewegung des Ventilelementes 3 eine Freigabe der Kegelsitzfläche 17 durch den Kegelsitz 16 des Ventilelementes 3, während gleichzeitig die Steuerkante 20 des ersten Schiebebereiches 18 zum Niederdruckbereich 4 trennt. Dadurch steht der in der Hochdruckanschlußleitung 5 anstehende hohe Druck über den Mündungsraum 21, den geöffneten Kegelsitz 16 im Ventilraum 22 innerhalb des Ventilkörpers 2 an.
Über die im unteren Bereich des Ventilelementes 3 ausgebildete zweite Steuerkante 28 ist der zweite Ringraum 24 ebenfalls gegen den Niederdruckbereich 4, 29, 32 abgedichtet. In der in 4.1 dargestellten zweiten Schaltstellung 40 des Ventilelementes 3 ist lediglich die innere Rückstellfeder 33 komprimiert, aufgrund der abhängig von der Bestromung des Fertigungsorganes 7 erfolgenden Hubbewegung des Ventilelemenes 3 ist in der in 1 dargestellten zweiten Schaltstellung 40 die äussere Rückstellfeder 34 noch nicht aktiv. Der Ventilraum 22 im Ventilkörper 2 ist durch die am ersten Schieberabschnitt 18 ausgebildete erste Steuerkante 20 gegen Niederdruck abgedichtet und in den Kragen des Einsatzelementes 42 eingefahren.
4.2 zeigt das Ventilelement des Kraftstoffinjektors gemäß der Darstellung in 2 in der zweiten Schaltstellung.
Aus der in 4.2 dargestellten um 90° in Bezug auf 4.1 gedrehten Anordnung des Ventilstückes 2 geht hervor, dass der in den Mündungsraum 21 eintretende, unter hohem Druck von der Hochdruckquelle einschließende Kraftstoff über den geöffneten Kegelsitz 16 in den Ventilraum 22 strömt. Dieser ist aufgrund des Einfahrens der ersten Steuerkante 20 des ersten Schieberbereiches 18 in einen Kragen des Einsatzelementes 42 gegen den Niederdruckbereich 4, 29, 32 abgedichtet. Vom Ventilraum 22 strömt der Kraftstoff in die Druckleitung 25 und beaufschlagt den von der Druckleitung 25 innerhalb des Einsatzstükkes 15 ausgebildeten zweiten Leitungsabschnitt 30 zum zweiten Ringraum 24. In der zweiten Schaltstellung 40 gemäß der Darstellung in 4.2 ist der zweite Ringraum 24 innerhalb des Einsatzelementes 42 durch die Steuerkante 28 gegen den Niederdruckbereich, d. h. in diesem Falle den ersten Ringraum 23 (vergleiche Darstellung gemäß 4.1) abgedichtet. In der zweiten Schaltstellung 40 ist die Druckleitung 25, über welche der in 2 dargestellte Druckraum 67 des Druckübersetzers 57 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt wird, mit den in einem Hochdruckspeicherraum herrschenden Druckniveau verbunden. Da gleichzeitig die Stirnseite des Einspritzventilgliedes über die Durchgangsbohrung 60 im ersten Rohrelement 51 und im zweiten Rohrelement 54 verlaufende Durchgangsbohrung 66, den Schließfederraum 45 und die Druckleitung 31 über den ersten Ringraum 23, aufgrund des offenstehenden zweiten Schieberbereiches 26 mit dem Rücklauf 29, 32, 4 verbunden sind, erfolgt in der zweiten Schaltstellung 40 eine druckgesteuerte Einspritzung, die vom im Mündungsraum 21, bzw. dem Ventilraum 22 herrschenden Druck und damit dem Druckniveau der am Hochdruckleitungsanschluß 5 angeschlossenen Hochdruckquelle abhängig ist.
5.1 ist das Ventilelement des Kraftstoffinjektors gemäß der Darstellung in 1 in einer dritten Schaltstellung zu entnehmen.
In der in 5.1 dargestellten dritten Schaltstellung 41 des Ventilelementes 3 wird das das Ventilelement 3 betätigende Betätigungsorgan – beispielsweise ein Magnetventil 7 – mit einer großen Stromstärke bestromt, so dass das Ventilelement 3 seinen maximalen Hub entgegen der Wirkung der parallelgeschalteten Schraubenfeder 33 bzw. 34 ausführt. Demzufolge fährt das Ventilelement 3 in vertikaler Richtung nach unten in den Ventilkörper 2 und mit seiner dem Federraum 37 gegenüberliegenden Stirnseite in diesen ein. Die der ersten Abstützscheibe 35 gegenüberliegende Stirnseite des Ventilelementes 3 komprimiert die innere Rückstellfeder 33, während bei einem weiteren Einfahren die erste Stützscheibe 35 die zweite Stützscheibe 36 kontaktiert, die ihrerseits die äussere Rückstellfeder 34 komprimiert.
Bei maximalem Hub des Ventilelementes 3 aufgrund einer verstärkten Bestromung der Magnetspule 8 der Magnetventilbaugruppe 7 wird der erreichbare, maximale Hub des Ventilelementes 3 durch die parallel geschalteten Schraubenfedern 33 bzw. 34, die innerhalb des Federraumes 37 angeordnet sind, begrenzt. In der dritten Schaltstellung 41 bleibt die Druckbeaufschlagung des Druckübersetzers 57 bzw. der Einspritzdüse über die Zulaufbohrung 25 – analog zur zweiten Schaltungstellung 40 des Ventilelementes 3 gemäß 4.2 – aufrecht erhalten. Der erste Schieberbereich 18 des Ventilelementes ist mit seiner ersten Steuerkante 20 in Überdeckung mit dem in das Ventileinsatzstück 15 eingelassenen Einsatzelement 42, so dass der erste Ringraum 23, der über den Leitungsabschnitt 29 (vergleiche 5.1) mit dem Niederdruckbereich in Verbindung steht, abgekoppelt ist. Aufgrund der Verbindung des zweiten Ringraumes 24 über den Leitungsabschnitt 30 mit der Druckzuleitung 25 zum Druckübersetzer 57 bzw. zur Einspritzdüse, steht der zweite Ringraum 24 unter hohem Druck. Beim Übergang von der zweiten Schaltstellung 40 in die dritte Schaltstellung 41 gemäß der 5.1und 5.2, öffnet der zweite Schieberbereich 26 an der Steuerkante 28 im Einsatzelement 42, so dass die Zulaufbohrung 25 zur Oberseite des Einspritzventilgliedes 63 – unter Zwischenschaltung des Schließfederraumes 45, der Durchgangsbohrung 66 und des zweiten Rückschlagventils 62 am unteren Ende des zweiten Rohrelementes 54 – mit hohem Druck beaufschlagt wird. Beim Übergang von der zweiten Schaltstellung 40 in die dritte Schaltstellung 43, schließt der zweite Schieberbereich 26 den ersten Ringraum 23 vom Hochdruck ab, so dass die Druckleitung 31 zum Einspritzventilglied 63 vom Leitungsabschnitt 29, dem Rücklauf 32 und dem niederdruckseitigen Rücklauf 4 getrennt ist.
In diesem in den 5.1 bzw. 5.2 dargestellten dritten Schaltzustand wird durch gleichzeitige Beaufschlagung der Stirnseite des Einspritzventilgliedes 63 durch Druckbeaufschlagung der Druckleitung 31 und Rückbeaufschlagung des Druckübersetzer bzw. der Einspritzdüse das Schließen des Einspritzventilgliedes 63 herbeigeführt. Die Einspritzung wird somit hubgesteuert unterbrochen.
Ist der Kraftstoffinjektor 1 hingegen ohne Druckübersetzer ausgestattet, kann über den Leitungsabschnitt 30 die Druckleitung 25 zur Einspritzdüse mit dem im zweiten Ringraum 24 herrschenden Druck verbunden werden.
Ist hingegen ein Druckübersetzer 57 (vergleiche 2) vorhanden, kann der zweite Ringraum 24 auch über den Leitungsabschnitt 30, der von der Zulaufbohrung 25 zum Druckübersetzer bzw. zur Einspritzdüse abzweigt, mit erhöhtem Druck beaufschlagt werden.
Durch die Rücknahme der Bestromung des Magnetventilbaugrupe 7 von einem der dritten Schaltstellung 41 entsprechenden Bestromungsniveau auf ein der zweiten Schaltstellung 40 entsprechendes Bestromungsniveau und unter Berücksichtigung der Rückstellkräfte der parallgeschalteten Rückstellfedern 33 und 34 kann bei der genannten Änderung der Schaltstellung eine Nacheinspritzung in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine hubgesteuert vorgenommen werden. Wird zwischen der zweiten Schaltstellung 40 bzw. der dritten Schaltstellung 41 hin und her geschaltet, sind hubgesteuerte Mehrfacheinspritzungen durchführbar.
Für Voreinspritzungen können bei einem Wechsel von der ersten Schaltstellung 39 in die zweite Schaltstellung 40 und umgekehrt druckgesteuerte Voreinspritzungen vorgenommen werden, an welche sich druckgesteuert eingeleitete Haupteinspritzphasen anschließen. Wird hingegen ein durchgeschalteter Wechsel, d. h. ein Durchschalten des Ventilelementes aus der ersten Schaltstellung 39 in die zweite Schaltstellung 45 und von dieser in die dritte Schaltstellung 41 vorgenommen, kann eine druckgesteuert eingeleitete und hubgesteuert beendete Voreinspritzung mit anschließender hubgesteuert eingeleiteter Haupteinspritzphase herbeigeführt werden.
6 zeigt die an einer Einspritzverlaufsformung gestellten Anforderungen bei Abgasrückführung.
Aus den in 6 dargestellten einzelnen Nadelhub- bzw. Einspritzdruckverläufen, gehen die Anforderungen an die Einspritzungsvorgänge abhängig vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine näher hervor.
Ein mit Bezugszeichen 85 bezeichneter 1. Nadelhubverlauf im Betriebsbereich zwischen Teillast 83 und Vollast 84 einer Verbrennungskraftmaschine ist durch eine Haupteinspritzphase 86 und eine sich an diese anschließende Nacheinspritzphase 87 gekennzeichnet. Die Haupteinspritzung erstreckt sich über eine erste Haltephase 90, während der das Einspritzventilglied in einer die Einspritzöffnungen freigebenden Position gehalten werden muß.
Im mit Bezugszeichen 88 bezeichneten 2. Nadelhubverlauf, welche einen Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine zwischen Teillast 83 und Leerlauf entspricht, wird die Haupteinspritzphase 86 durch eine zweite, kürzer bemessene Haltephase 91 charakterisiert. Der Haupteinspritzphase 86 ist wiederum eine Nacheinspritzphase 87 nachgeschaltet.
In den vier Quadranten gemäß der Darstellung in 6 ist der Einspritzdruckverlauf jeweils durch Bezugszeichen 170 gekennzeichnet, während Bezugszeichen 180 jeweils die Nadelhubverläufe in allen vier Quadranten bezeichnet.
7 sind die an eine Einspritzverlaufsfrmung gestellen Anforderungen mit Abgasrückführung an der Verbrennungskraftmaschine zu entnehmen.
Die Darstellung gemäß 7 umfasst Nadelhubverläufe und Einspritzdruckverläufe, die jeweils quadrantenweise, d. h. in einem ersten Quadranten 100, einem zweiten Quadranten 110, einem dritten Quadranten 120 und schließlich einem vierten Quadranten 130 zu entnehmen sind. Die untere Kurve in den jeweiligen Quadranten 100, 110, 120 sowie 130 repräsentieren jeweils den Nadelhub, während die obere Kurve in den Quadranten 100, 110, 120, 130 die Einspritzdruckverläufe charakterisiert. Im ersten Quadranten 100, welcher einem Teillastbereich einer Verbrennungskraftmaschine entspricht, werden eine Hauptanspritzung 103 sowie eine dieser nachgeordneten Nacheinspritzungen 104 gefordert. Die Haupteinspritzung folgt ab einem Öffnungszeitpunkt 106, zu welchem das Einspritzventilglied, d. h. die Düsennadel eines Kraftstoffinjektors, geöffnet wird. Mit dem Öffnen des Einspritzventilgliedes stellt sich eine rampenförmig verlaufende Druckzunahme 101 ein, gegen deren Ende ein Maximaldruck 107 erreicht wird. Drucksteigerung und Einspritzventilöffnungsbewegung setzen gleichzeitig zum Öffnungszeitpunkt 106 ein. Bei hohem Düsendruck erfolgt nunmehr eine Nacheinspritzung in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine.
Der im ersten Quadranten 100 für den Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine wiedergegebene Verlauf von Nadelöffnungsbewegung und Einspritzdruckverlauf entspricht im Wesentlichen den im vierten Quadranten 130 wiedergegebenen Kurvenzügen für eine Einspritzung mit Haupteinspritzphase 103 und Nacheinspritzphase 104.
In einem Betriebszustand der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, die zwischen dem Teillastzustand 83 und dem Vollastzustand 84 liegt, d. h. innerhalb des zweiten Quadranten 110, ist der Nadelhubverlauf in einen Nadelhub 111 im Rahmen einer Voreinspritzung und einen einer Haupteinspritzphase repräsentierenden Nadelhubverlauf 112 sowie einen eine Nacheinspritzung ermöglichenden Nadelhub 113 unterteilt. Die durch den Nadelhub 111 ausgelöste Voreinspritzung ermöglicht eine Verminderung des Verbrennungsgeräusches; eine "Boot-Injection" ist für eine Verbrennung bei höherer Last günstiger. Der Druckanstieg im Rahmen der Haupteinspritzphase 112 ist durch eine Rampenform 116 charakterisiert, die in ein plateauartig verlaufendes Maximaldruckniveau 117 übergeht.
Die im zweiten Quadranten 110 dargestellten Einspritz- bzw. Nadelhubverläufe entsprechen im Wesentlichen den Verläufen, die im dritten Quadranten 120 für den Nadelhub bzw. den Einspritzdruckverlauf wiedergegeben sind.
In den vier Quadranten 100, 110, 120 und 130 gemäß der Darstellung in 7 stellen die oberen Kurvenzüge jeweils die Einspritzdruckverläufe dar, während die unteren Kurvenzüge, deren Abschnitte mit 111, 112, 113 bzw. 102, 103 und 104 identifiziert sind, die Nadelhubverläufe repräsentieren.
In den 8.1 bis 8.3 sind die Verläufe von Düsendruck und Hub eines Einspritzventilgliedes, jeweils abhängig von der Bestromung des das Ventilelement betätigenden elektrischen Betätigungsorganes aufgetragen.
Die in den 8.1 bis 8.3 verwendete Nomenklatur hinsichtlich der Schaltstellungen von Bestromungs- bzw. Nichtbestromungsphasen des Magnetventils entsprechen der ersten Schaltstellung 39, der zweiten Schaltstellung 40 bzw. der dritten Schaltstellung 41. "0" ist der ersten Schaltstellung 39 zugeordnet, während "1" der zweiten Schaltstellung 40 und "2" der dritten Schaltstellung 41 zugeordnet ist.
In 8.1 sind der Düsendruckverlauf 141 bzw. der Hubverlauf des Einspritzventilgliedes 142 einer Grundausbaustufe des Kraftstoffinjektors 1 zu entnehmen, bei dem das Ventilelement 3 nicht als 6/3 Ventilelement, sondern als 3/2 Wegeventil ausgebildet ist, welches zwei Schaltstellungen einnimmt und lediglich druckgesteuerte Einspritzungen ermöglicht. Anstelle des 3/2-Wegeventils kann auch das 6/3-Ventilelement eingesetzt werden.
Bei Bestromung des Magnetventils 7 zu einem zwischen t₁ und t₂ liegenden Zeitpunkt erfolgt ein Hub des Einspritzventilgliedes 63 bis auf einen Nadelhub VE, der mit Bezugszeichen 143 bezeichnet ist. Die Hubbewegung des Einspritzventilgliedes 163 und die Dauer der Hubbewegung des Einspritzventilgliedes 163 ist mit Bezugszeichen 158 in 8.1 bezeichnet. Dem Druckverlauf 141 ist zu entnehmen, das zwischen den Zeitpunkten t₁ bis t₃ eine Voreinspritzphase 146 vorliegt, die zum Zeitpunkt t₃ in eine erste Haupteinspritzphase 147 mit etwa trapezförmigen Druckverlauf übergeht. Zu einem Zeitpunkt t₅ schließt sich an die erste Spureinspritzphase 147 gemäß des Einspritzdruckverlaufes 141 eine Nacheinspritzphase 148 an. Die zur Erzielung der Voreinspritzphase 146 der ersten Haupteinspritzphase 147 sowie der Nacheinspritzphase 148 erforderlichen Hubbewegungen sind im darunter liegenden Diagramm, welches den Hubverlauf des Einspritzventilgliedes 63 wiedergibt, eingezeichnet. Während das Einspritzventilglied 63 während der Voreinspritzung 146 bzw. der Nacheinspritzung 148 einen mit Bezugszeichen 143 bezeichneten Hubweg erfährt, liegt der Hub des Einspritzventilgliedes während der Haupteinspritzphase 147 auf einem mit Bezugszeichen 144 bezeichneten, wesentlich höheren Niveau, so dass während der Haupteinspritzphase 147 gewährleistet ist, dass ausreichend Kraftstoff in den Brennraum der selbstzündenen Verbrennungskraftmaschine gelangt.
8.2 zeigt den Druckverlauf und den Nadelhubverlauf eines Kraftstoffinjektors, der in der erweiterten Ausbaustufe ausgebildet ist, d. h. bei dem das Ventilelement 3 als 6/3-Wege-Ventil ausgestaltet ist, welches über ein Federnpaket 33, 34 vorgespannt ist.
Bei entsprechender Bestromung des in 8.2 nicht dargestellten Magnetventiles 7 erfolgt ein Hubphase 161 des Einspritzventilgliedes 63 auf einen der Voreinspritzung entsprechenden Nadelhub 142 analog zur Hubphase 158 gemäß 8.1. Es beginnt eine Voreinspritzphase 146, innerhalb der der Einspritzdruck auf ein erstes Druckniveau 149 ansteigt. Die Voreinspritzung erstreckt sich analog zu den in 8.1 dargestellten Voreinspritzung 146 über die Zeitspanne, die zwischen den Zeitpunkt t₁ und t₃ liegt. An die Voreinspritzphase 146 schließt sich eine Haupteinspritzphase 152 an, während der der Spitzendruck bis auf ein zweites Druckniveau 150 ansteigt. Zu einem Zeitpunkt t₆ fällt das zweite Druckniveau 150 entsprechend einer Abfallflanke 157 wieder ab. Zur Initiierung der Haupteinspritzphase 152 gemäß des Druckverlaufes nach 8.2 erfolgt ein Bestromen des Magnetventils 7 nach einem Zeitpunkt t₃, so dass das Einspritzventil 43 einen mit Bezugszeichen 144 identifizierten Nadelhub ausführt. Der erreichte Nadelhub 144 wird während einer zweiten Haltephase 154 gehalten und zum Zeitpunkt t₄ bei Aushebung der Bestromung des Magnetventils 7 wieder aufgehoben. Ein aktives Nadelschließen lässt sich dadurch erreichen, dass bei hohem Druckniveau die Einspritzung durch Einnehmen der dritten Schaltstellung 41 (entspricht "2") beendet wird, ohne dass der Druck abfällt.
Zu einem Zeitpunkt t₅ erfolgt eine erneute Bestromung des das Einspritzventilglied 63 betätigenden Magnetventilgliedes 7, so dass ein erneuter Hub des Einspritzventilgliedes erfolgt, wobei das Hubniveau während der Nacheinspritzung durch Bezugszeichen 163 gekennzeichnet ist.
8.3 zeigt den Druckverlauf einer Einspritzung und eine vorgelagerte Voreinspritzung bzw. nachgeschalteten Nacheinspritzphase. Zu einem Zeitpunkt t₁ erfolgt ein Druckanstieg gemäß einer Anstiegsflanke 156, bis auf ein zum Zeitpunkt t₃ erreichtes Maximaldruckniveau. Diese Druckniveau wird bis zum Zeitpunkt t₆ gehalten; danach erfolgt ein Druckabfall entsprechend der Abfallflanke 157. Dies entspricht dem Durchschalten des 6/3-Ventilelementes. In der ersten Schaltstellung 39 ("0") ist das Magnetventil nicht bestromt, während es in der zweiten Schaltstellung 30 ("1") mit einer ersten Stromstärke bestromt wird. In der dritten Schaltstellung 41 ("2") ist das Magnetventil des Kraftstoffinjektors mit einer zweiten Stromstärke beaufschlagt, welche dem maximalen Stromniveau entsprechen kann.
Zwischen einem Zeitpunkt t₃ und t₄ erfolgt eine Aisteuerung Einspritzventilgliedes 63 über die Bestromung des Magnetventilgliedes 7, so dass das Einspritzventilglied 63 einen maximalen Öffnungshub ausführt.
Der Kraftstoffinjektor wird beim Schalten seines Ventilelementes, sei es ein 3/2-Ventilelement, sei es ein 6/3-Ventilelement, von der ersten Schaltstellung 39 ("0") in die zweite Schaltstellung 40 ("1") druckgesteuert betätigt und überwindet ein bestimmtes Druckniveau. Beim Änderung der zweiten Schaltstellung 40 ("1") in die dritte Schaltstellung 41 ("2") wird der Kraftstoffinjektor hubgesteuert betrieben, d.h. es kommt zu einem Druckabfall bzw. Drucküberschuss am Einspritzventilglied.

1: Kraftstoffinjektor
2: Ventilkörper
3: Ventilelement
4: niederdruckseitiger Rücklauf
5: Hochdruckanschluß
6: Ventilhülse
7: Magnetventil
8: Magnetspule
9: Montageraum
10: erster Dichtring
11: zweiter Dichtring
12: Anschlußleitung
13: dritter Dichtring
14: Anschlußgewinde
15: Einsatzteil
16: Kegelsitz
17: Kegelsitzfläche
18: erster Schieberbereich
19: Schieberquerschnitt, erster Schieberbereich
20: 1. Steuerkante
21: Mündungsraum
22: Ventilraum
23: 1. Ringraum
24: 2. Ringraum
25: Zulaufbohrung Einspritzdüse/Druckübersetzer
26: 2. Schieberbereich
27: Schieberquerschnitt, zweiter Schiebebereich
28: 2. Steuerkante
29: Leitungsabschnitt, 1. Ringraum
30: Leitungsabschnitt, 2. Ringraum
31: Druckleitung Einspritzventilglied 62
32: Rücklaufleitung Injektorkörper
33: innere Rückstellfeder
34: äussere Rückstellfeder
35: Stützscheibe innere Rückstellfeder
36: Stützscheibe äussere Rückstellfeder
37: Federraum
38: Federraumboden
39: 1. Schaltstellung
40: 2. Schaltstellung
41: 3. Schaltstellung
42: Einsatzelement
43: Stirnseite Ventilelement 3
44: Schließfeder
45: Schließfederraum
46: Abstützscheibe
47: Mündung Zulaufbohrung 25
48: Düsenspannmutter
49: 1. Rückschlagventil
50: Druckstück
51: 1. Rohrelement
53.: 1. Kolbenteil
54.: 2. Rohrelement
55.: Kolbenbuchung
56.: 2. Kolbenteil
57.: Druckübersetzer
58.: Rückstellfeder
59.: Anschlagring
60.: Düsenkörper
61.: Stoßfuge
62.: 2. Rückschlagventil
63.: Einspritzventilglied
64.: Anlage
65.: Führungsfläche
66.: Durchgangsbohrung
67.: Druckraum Druckübersetzer
68.: Injektorkörper
69.: Düsenraum
70.: Öffnung
71.: Bypassleitung
72.: glockenförmiger Körper
80: Drehmoment Verbrennungskraftmaschine
81: Drehzahl Verbrennungskraftmaschine
82: Einspritzungsverlauf
83: Teillastzustand
84: Vollastzustand
85: 1.Nadelhubverla
86: Haupteeinsprizphase
87: Nacheinsprizphase
88: 2. Nadelhubverlauf
89: Druckniveau
90: 1. Haltephase
91: zweite Haltephase
100: 1. Quadrant
101: Druckverlauf
102: Nadelhubverlauf
103: Haupteinsprizphase
104: Nacheinsprizphase
105: Rampenanstieg
106: Öffnungszeitpunkt
107: Maximaldruckniveau
110: 2. Quadrant
111: Nadelhub VE
112: Nadelhub HE
113: Nadelhub NE
114: 1. Öffnungszeitpunkt
115: 2. Öffnungszeitpunkt [Zeitraum, bei dem mit niedriegen Druck eingespritzt
: (Boot-Injection)]
116: Rampenanstieg
117: Maximaldruckniveau
120: 3. Quadrant
130: 4. Quadrant
140: Schaltstellungen [Bestromungsphasen Magnetventil]
141: Düsendruckverlauf
142: Hubverlaufeinspritzventilglied
l43: Nadelhub VE
l44: Nadelhub HE
l45: Nadelhub NE
146: Voreinspritzphase
147: 1. Haupteinspritzphase
148: Nacheinspritzphase
149: 1. Druckniveau
150: 2. Druckniveau
151: 1. Haltephase
152: 2. Haltephase
153: Bestromungssteigerung
154: 2. Haltephase
155: 3. Haltephase
156: Anstiegsflanke
157: Abfallflanke
158: Dauer VE
159: Dauer HE
160: Dauer NE
161: 2. Dauer VE
162: 2. Dauer HE
163: 2. Dauer NE
170: Einspritzdruckverlauf
180: Nadelhubverlauf

Claims

Kraftstoffinjektor für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Ventilkörper (2) und einem Injektorkörper (68), welche mit einem ein Einspritzventilglied (63) aufnehmenden Düsenkörper (60) verbunden ist und im Ventilkörper (2) ein mittels eines elektrischen Betätigungsorgan (7) bewegbares, mit mindestens einer Rückstellfeder (33), (34) beaufschlagtes Ventilelement (3) aufgenommen ist und einem niederdruckseitigen Rücklauf (4) sowie einem hochdruckseitigen Zulauf (5) vorgesehen sind, wobei der Injektorkörper (68) einen Ablauf (32), einen das Einspritzventilglied (63) beaufschlagende Druckleitung (31) und eine weitere Druckleitung (25) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (2), in welchem miteinander verbindbare hydraulische Räume (21, 22) ausgebildet sind und innerhalb des Injektorkörpers (68) auswechselbar aufgenommene Einsatzelemente (15, 42) von einem Ventilelement (3) mit Schließ- und Freigabeflächen (16, 18, 26) durchsetzt sind und sowohl die Einsätze (15, 42) als auch das Ventilelement (3) hydraulische Anschlußstellen (29, 23, 30, 24) entsprechend der Ausbaustufe des Kraftstoffinjektors umfassen.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einsatzelement (15) das zweite Einsatzelement (42) umschließt, welches mit den Druckleitungen (25, 31) des Injektorkörpers (68) in hydraulischer Verbindung steht.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Einsatzelement (42) Leitungsabschnitte (29, 30) umfasst, die mit den Druckleitungen (25), (31) im ersten Einsatzelement (15) und mit Rücklaufleitungen (32, 29, 4) in hydraulische Verbindung bringbar sind.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer erweiterten Ausbaustufe das Ventilelement (3) als 6/3-Wege-Ventil ausgeführt ist, welches über ein Federpaket (33, 34) vorgespannt ist und durch das elektrische Betätigungsorgan (7) in eine erste Schaltstellung (39), eine zweite Schaltstellung (40) und eine dritte Schaltstellung (41) stellbar ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (3) einen Sitz (16) umfasst, dem ein erster Schieberbereich (18) und von diesem beabstandeter, zweiter Schieberbereich (26) nachgeordnet sind.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz (16) und der Schieberbereich (18) des Ventilelementes (3) von hydraulischen Räumen (21, 22) innerhalb des Ventilkörpers (2) und der zweite Schieberbereich (26) des Ventilelementes (3) von einem zweiten Einsatzelement (42) umgeben ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Injektorkörperseitige Stirnseite (43) des Ventilelementes (3) an einer ersten Stützscheibe (35) anliegt, die durch eine erste Rückstellfeder (33) beaufschlagt ist und entsprechend der Bewegung des Ventilelementes (3) eine zweite Stützscheibe (36) auslenkt, die durch eine äußere Rückstellfeder (34) abgestützt ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere Rückstellfeder (33, 34) innerhalb eines Federraumes (37) des zweiten Einsatzelementes (42) angeordnet sind, der über einen demontierbaren Federraumboden (38) zugänglich ist.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Schaltstellung (39) des Ventilelementes (3) dieses über das Federpaket (33, 34) in einen ventilkörperseitigen Sitz (17) gestellt ist und eine Einspritzung unterbleibt.
Kraftstoffinjektor gemäß der Ansprüche 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Schaltstellung (40) des Ventilelementes (3) dieses einen Hub ausführt, der durch eine der Federn des Federpakets des (33, 34) begrenzt ist, bei dem die Druckleitung (25) zum Einspritzventilglied (63) oder einem Druckübersetzer (57) mit dem Hochdruckanschluß (4) im Ventilkörper (2) verbunden und gleichzeitig die eine Oberseite des Einspritzventilgliedes (63) beaufschlagte Druckleitung (61) mit dem Niederdruckbereich (4), (32) verbunden ist, so dass eine druckgesteuerte Einspritzung erfolgt.
Kraftstoffinjektor gemäß der Ansprüche 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Schaltstellung (41) des Ventilelementes (3) dieses einen Maximalhub ausführt, bei dem sowohl die Druckleitung (25) zum Einspritzventilglied (63) oder einem Druckübersetzer (57) als auch die eine Oberseite des Einspritzventilgliedes (63) beaufschlagende Druckleitung (61) mit dem Hochdruckanschluß (4) verbunden sind, so dass eine hubgesteuerte Beendigung der Einspritzung erfolgt.
Kraftstoffinjektor gemäß der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Umschaltung des Ventilelementes (3) aufgrund einer Bestromungsänderung des Magnetventils (7) von der dritten Schaltstellung (41) in die zweite Schaltstellung (40) eine hubgesteuerte Nacheinspritzung (148, 160, 163) erfolgt.
Kraftstoffinjektor gemäß der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei alternierenden Wechseln zwischen der dritten und der zweiten Schaltstellung (41), (40) durch Bestromungsänderung des elektrischen Betätigungsorgans (7) hubgesteuerte Mehrfacheinspritzungen (148, 160, 163) erfolgen.
Kraftstoffinjektor gemäß der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel der ersten Schaltstellung (39) in die zweite Schaltstellung (49) und umgekehrt des Ventilelementes (3) eine druckgesteuerte Voreinspritzung (146, 158), (161) erfolgt.
Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf die druckgesteuerte Voreinspritzung (146, 148, 161) eine druckgesteuerte Haupteinspritzung [(147, 152)] erfolgt.
Kraftstoffinjektor gemäß der Ansprüche 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchschalten des Ventilelementes (3) von der ersten Schaltstellung (39) in die dritte Schaltstellung (41) eine druckgesteuert eingeleitete und hubgesteuert beendete Voreinspritzung (146, 148, 161) mit anschließend hubgesteuert eingeleiteter Haupteinspritzung (147, 152)] erfolgt.