DE60017643T2

DE60017643T2 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE60017643T2
Application number: DE60017643T
Authority: DE
Inventors: Malcolm David Dick Bromley Lambert
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: EP1069308B1; EP1069308A3; EP1069308A2; ATE288034T1; DE60017643D1; GB9916464D0; US6378503B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil zur Verwendung bei der Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff an den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzventil, bei dem während des Betriebs eine Charakteristik des Kraftstoffeinspritzventils verändert werden kann.
Um das Ausmaß von durch einen Motor erzeugtem Lärm und hervorgerufenen teilchenförmigen Emissionen zu verringern, ist es wünschenswert, eine Anordnung vorzusehen, durch die die Einspritz-Charakteristiken von Kraftstoff, der dem Motor zugeführt wird, gesteuert werden können. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, sich in der Lage zu finden, das durch die Abgabe von Kraftstoff durch ein Einspritzventil gebildete Spritzmuster anzupassen oder das Ausmaß der Kraftstoff-Einspritzung anzupassen. Die europäische Patentanmeldung EP 0 713 004 A beschreibt ein Kraftstoffeinspritzventil der Art, bei der die Kraftstoffeinspritz-Charakteristik während des Betriebs dadurch verändert werden kann, dass unterschiedliche Sätze von Kraftstoffeinspritzventil-Auslassöffnungen im Düsenkörper des Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen sind. Durch die Steuerung einer gewinkelten Bewegung eines Hülsenelements, das vom Düsenkörper umfangen ist, werden Öffnungen, die in der Hülse ausgebildet sind, dazu gebracht, mit ausgewählten Auslassöffnungen zu fluchten. Eine anschließende einwärts gerichtete, axiale Bewegung eines Ventilelements innerhalb der Bohrung des Düsenkörpers bewirkt, dass Kraftstoff aus den gewählten Auslassöffnungen ausgespritzt wird. Kraftstoffeinspritzventile von dieser Art unterliegen jedoch Leistungsbeschränkungen.
Darüber hinaus beschreibt die britische Patentanmeldung Nr. 9905231 ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Düsenkörper, in dem eine Bohrung ausgebildet ist, in welcher ein sich nach außen öffnendes, äußeres Ventilelement verschiebbar ist. Die Bewegung des äußeren Ventilelements in Auswärtsrichtung bewirkt, dass Kraftstoff aus einer oberen, im äußeren Ventilelement vorhandenen Gruppe von Auslassöffnungen ausgespritzt wird. Das äußere Ventilelement begrenzt eine geschlossenendige Bohrung, in der eine innere Ventilnadel gleiten kann. Die einwärts gerichtete Bewegung der inneren Ventilnadel bewirkt, dass Kraftstoff durch eine untere, in dem äußeren Ventilelement vorhandene Gruppe von Auslassöffnungen eingespritzt wird. Die Kraftstoffeinspritz-Rate wird mit Hilfe einer Betätigungsanordnung gesteuert, die die auf die innere Ventilnadel aufgebrachte, nach unten gerichtete Kraft steuert. Ein Kraftstoffeinspritzventil dieser Art leidet jedoch an den Nachteilen von sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventilen. Beispielsweise erhält man eine ungünstige Spritzcharakteristik, weil die Auslassöffnungen ausgesetzt sind und darüber hinaus während unerwünschter Stadien des Kraftstoffeinspritz-Zyklus Kraftstoff aus den Auslassöffnungen sickern kann.
Auch andere Kraftstoffeinspritzventile, die Mittel zum Verändern von Kraftstoffeinspritz-Charakteristiken aufweisen, sind bekannt. Beispielsweise ist in der DE 41 15 477 eine innere Nadel konzentrisch innerhalb einer hohlen äußeren Nadel angeordnet. Beide, die innere und die äußere Nadel, befinden sich in Anlage mit vom Düsenkörper bereitgestellten Sitzen, um die Kraftstoff-Einspritzung durch erste und zweite Sätze von Auslassöffnungen zu steuern.
Die DE 38 24 467 offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem äußeren Ventilelement, das innerhalb einer Düsenkörper-Bohrung verschiebbar ist, und einem inneren Ventilelement, das innerhalb einer im äußeren Ventilelement ausgebildeten Bohrung verschiebbar ist. Beide, das innere und das äußere Ventilelement, können unabhängig voneinander betätigt und mit entsprechenden, vom Düsenkörper bereitgestellten Sitzen zur Anlage gebracht werden, um die Einspritzung von Kraftstoff durch zwei Reihen von Düsenöffnungen zu steuern.
Die EP 0 470 348 offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Düsenkörper, in dem zwei koaxiale Ventilnadeln angeordnet sind, um die individuelle Einspritzung durch zwei Sätze von Einspritzlöchern zu ermöglichen. Das Einspritzventil ist außerdem mit einer Trennhülse ausgestattet, die die koaxialen Ventilnadeln voneinander trennt. Die Trennhülse ist durch eine Feder in Anlage mit einem Sitz gespannt, um zu verhindern, dass Kraftstoff vom Bereich des ersten Satzes von Einspritzlöchern zu dem zweiten Satz von Einspritzlöchern fließt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Kraftstoffeinspritzventil bereitzustellen, welches die Veränderung von Kraftstoffeinspritz-Charakteristiken während des Betriebs möglich macht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Kraftstoffeinspritzventil bereitzustellen, das zumindest einige der Nachteile von Kraftstoffeinspritzventilen vom sich nach außen öffnenden Typ mindert.
Erfindungsgemäß wird ein Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellt, umfassend einen Düsenkörper, der eine Bohrung begrenzt, in welcher ein äußeres Ventilelement verschieblich angeordnet ist, wobei das äußere Ventilelement an einem ersten Sitz zur Anlage gebracht werden kann, um die Einspritzung von Kraftstoff aus einer ersten, in einem Düsenkörper befindlichen Auslassöffnung zu steuern, wobei das äußere Ventilelement mit einer durchgehenden Bohrung ausgestattet ist, in der ein inneres Ventilelement verschieblich angeordnet ist, wobei das innere Ventilelement an einem zweiten, durch das äußere Ventilelement gebildeten Sitz zur Anlage gebracht werden kann, um die Einspritzung von Kraftstoff durch eine zweite, im Düsenkörper befindliche Auslassöffnung zu steuern. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst weiterhin eine erste und eine zweite Steuerkammer für Kraftstoff, wobei im Betrieb die Bewegung des inneren und des äußeren Ventilelements weg von seinem jeweiligen Sitz gesteuert wird, indem der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten und der zweiten Steuerkammer derart gesteuert wird, dass die Abgabe von Kraftstoff aus einer gewählten Auslassöffnung möglich ist. In einer ersten Kraftstoffeinspritz-Stellung kann ausschließlich das innere Ventilelement weg vom zweiten Sitz angehoben sein, und das äußere Ventilelement bleibt in Sitzposition, so dass die Kraftstoffeinspritzung ausschließlich durch die zweite Auslassöffnung erfolgt. In einer zweiten Kraftstoffeinspritz-Stellung kann ausschließlich das äußere Ventilelement weg vom ersten Sitz angehoben sein, wobei eine Kraft, die von der Bewegung des äußeren Ventilelements verursacht wird, auf das innere Ventilelement übertragen wird, derart, dass das innere Ventilelement an seinem Sitz verbleibt. Vorzugsweise wird die Abgabe von Kraftstoff durch die zweite Auslassöffnung in der zweiten Kraftstoffeinspritz-Stellung verhindert. Durch das Vorsehen von ersten und zweiten Auslassöffnungen von beispielsweise unterschiedlicher Größe und Form können deshalb die Kraftstoffeinspritz-Charakteristiken dadurch verändert werden, dass Kraftstoff aus einer gewählten Auslassöffnung ausgespritzt wird.
Da eine einwärts gerichtete Bewegung des äußeren Ventilelements oder des inneren Ventilelements weg vom jeweiligen Sitz die Kraftstoffabgabe durch eine gewählte Auslassöffnung erlaubt, wird die Spritzcharakteristik von in den Motor eingespritztem Kraftstoff verbessert. Außerdem wird eine Leckage aus den Auslassöffnungen während unerwünschter Stadien des Kraftstoffeinspritz-Zyklus im wesentlichen vermieden.
In günstiger Weise kann das äußere Ventilelement einen ersten und einen zweiten Ventilteil umfassen, wobei der erste Ventilteil an dem ersten Sitz zur Anlage gebracht werden kann, um den Fluss von Kraftstoff durch die erste Auslassöffnung zu steuern, während der zweite Ventilteil an einem zusätzlichen Sitz zur Anlage gebracht werden kann. Der erste und der zweite Ventilteil können zusammen eine Kammer zur Aufnahme eines Dichtungselements begrenzen, und ein Mittel zum ständigen Vorspannen des Dichtungselements gegen einen Dichtungssitz kann vorgesehen sein. Das Vorsehen des Dichtungselements verhindert, dass möglicherweise Kraftstoff durch die zweite Auslassöffnung sickert, wenn das äußere Ventilelement weg von dem ersten Sitz angehoben ist und eine Kraftstoffabgabe durch die erste Auslassöffnung erfolgt.
Zusätzlich dient das Vorsehen des Dichtungselements zur Verhinderung einer möglichen Kraftstoff-Leckage durch die erste Auslassöffnung, wenn das innere Ventilelement weg von seinem Sitz angehoben ist und eine Kraftstoffabgabe durch die zweite Auslassöffnung erfolgt.
Der erste und der zweite Teil des äußeren Ventilelements können integral ausgebildet sein, indem sie einen einheitlichen Körper bilden, oder sie können separate Teile sein, die miteinander verbunden sind.
Die erste Steuerkammer kann innerhalb der Bohrung im Düsenkörper ausgebildet sein, wobei der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerkammer dazu dient, das äußere Ventilelement gegen den ersten Sitz zu spannen. Das äußere Ventilelement kann eine oder mehrere Druckflächen aufweisen, so dass während des Betriebs Kraftstoffdruck, der auf die oder jede Druckfläche des äußeren Ventilelements einwirkt, dazu dient, das äußere Ventilelement gegen die Wirkung des Kraftstoffdrucks innerhalb der ersten Steuerkammer nach innen zu drücken.
Der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer kann dazu dienen, das innere Ventilelement gegen den zweiten Sitz zu spannen. Das innere Ventilelement kann eine oder mehrere Druckflächen aufweisen, so dass während des Betriebs der Kraftstoffdruck, der auf die oder jede der Druckflächen des inneren Ventilelements einwirkt, dazu dient, das innere Ventilelement gegen die Wirkung des Kraftstoffdrucks innerhalb der zweiten Steuerkammer nach innen zu drücken.
Das Kraftstoffeinspritzventil kann ein Kolbenelement mit einer Außenfläche aufweisen, die während des Betriebs dem Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer ausgesetzt ist, wobei das Kolbenelement so angeordnet ist, dass es eine Kraft, die auf dem Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer beruht, auf das innere Ventilelement überträgt. Vorzugsweise ist der effektive Durchmesser der Außenfläche des Kolbenelements, die dem Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer ausgesetzt ist, größer als der Durchmesser des inneren Ventilelements.
Das Kraftstoffeinspritzventil kann weiterhin eine erste Steuerventilanordnung zum Steuern des Kraftstoffdrucks innerhalb der ersten Steuerkammer und eine zweite Steuerventilanordnung zum Steuern des Kraftstoffdrucks innerhalb der zweiten Steuerkammer umfassen. Alternativ kann das Kraftstoffeinspritzventil eine gemeinsame Steuerventilanordnung aufweisen, die ausgestaltet ist, um die Kraftstoffdrücke innerhalb sowohl der ersten als auch der zweiten Steuerkammer zu steuern.
Die erste und die zweite Auslassöffnung können eine unterschiedliche Gestalt besitzen, um unterschiedliche Kraftstoffeinspritz-Sprühcharakteristiken aus der ersten und der zweiten Auslassöffnung zu ermöglichen. Beispielsweise können die erste und die zweite Auslassöffnung eine unterschiedliche Größe besitzen, oder jede kann so geformt sein, dass sie Kraftstoff mit einem unterschiedlichen Kraftstoff-Spritzwinkel ausgeben.
Das Kraftstoffeinspritzventil kann eine erste Auslassöffnung oder eine Gruppe von ersten Auslassöffnungen aufweisen, aus der bzw. aus denen in der ersten Kraftstoffeinspritz-Stellung Kraftstoff in den Motor eingespritzt wird. Das Kraftstoffeinspritzventil kann eine einzige zweite Auslassöffnung oder eine Gruppe von zweiten Auslassöffnungen aufweisen, aus der bzw. aus denen in der zweiten Kraftstoffeinspritz-Stellung Kraftstoff in den Motor eingespritzt wird.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen rein beispielhaft erläutert, worin:
1 eine Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Die 2 und 3 vergrößerte Ansichten eines Teils des in 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzventils zeigen,
4 eine vergrößerte Ansicht des in den 1 bis 3 gezeigten Kraftstoffeinspritzventils in einer Kraftstoffeinspritz-Stellung ist, in welcher die Einspritzung von Kraftstoff aus einem ersten Satz von Auslassöffnungen heraus erfolgt; und
die 5 und 6 vergrößerte Ansichten des in den 1 bis 3 gezeigten Kraftstoffeinspritzventils in einer Kraftstoffeinspritz-Stellung sind, in der die Einspritzung von Kraftstoff aus einem zweiten Satz von Auslassöffnungen heraus erfolgt.
Bezugnehmend auf die 1, 2 und 3 umfasst das Kraftstoffeinspritzventil einen Düsenkörper 10, der mit einer geschlossenendigen Bohrung 11 ausgestattet ist, in der ein äußeres Ventilelement, allgemein mit 12 bezeichnet, verschieblich angeordnet ist. Das äußere Ventilelement 12 umfasst einen inneren Ventilteil 12a und einen äußeren Ventilteil 12b, wobei der äußere Ventilteil 12b und der innere Ventilteil 12a so miteinander verbunden sind, dass sie innerhalb der Bohrung 11 zusammen gleiten. Die Bohrung 11 besitzt einen Bereich mit verringertem Durchmesser 11a, der im wesentlichen den selben Durchmesser besitzt wie der benachbarte Teil des äußeren Ventilteils 12b, welcher dazu dient, die gleitende Bewegung des äußeren Ventilelements 12 innerhalb der Bohrung 11 zu führen. Das Ende des äußeren Ventilteils 12b am geschlossenen Ende der Bohrung 11 besitzt eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt und kann an einem ersten, kegelstumpfförmigen Sitz 14 zur Anlage gebracht werden, der durch die Bohrung 11 gebildet wird. Das Ende des inneren Ventilteils 12a am geschlossenen Ende der Bohrung 11 ist ebenfalls von kegelstumpfförmiger Gestalt und bildet zusammen mit dem geschlossenen Ende der Bohrung 11 einen Spalt 16, wobei der innere Ventilteil 12a mit einem weiteren, durch die Bohrung 11 gebildeten Sitz 15 zur Anlage gelangen kann. Im Betrieb bewegt die nach innen gerichtete Bewegung des äußeren Ventilelements 12 den äußeren Ventilteil 12b weg von dem ersten Sitz 14, um den Fluss von Kraftstoff durch einen ersten, im Düsenkörper 10 vorhandenen Satz von Auslassöffnungen 18 zu steuern.
Der innere Ventilteil 12a des äußeren Ventilelements 12 ist mit einer durchgehenden Bohrung 19 ausgestattet, in welcher eine innere Ventilnadel 20 bewegbar angeordnet ist. Die innere Ventilnadel 20 umfasst einen Spitzen-Teil 22, der sich durch ein offenes Ende der durchgehenden Bohrung 19 in einen ausgestülpten oder sackartigen Bereich 27 am geschlossenen Ende der Bohrung 11 erstreckt, wobei der Spitzen-Teil 22 durch einen Zwischenabschnitt 24 von kegelstumpfförmiger Gestalt vom Hauptkörper der inneren Ventilnadel 20 beabstandet ist, wobei dieser Zwischenabschnitt 24 an einem dritten Sitz 26 zur Anlage gelangt, der durch die durchgehende Bohrung 19 gebildet wird. Am dem Spitzen-Teil 22 abgewandten Ende der inneren Ventilnadel 20 besitzt die innere Ventilnadel 20 einen Bereich 20a mit vergrößertem Durchmesser, der im wesentlichen denselben Durchmesser besitzt wie der benachbarte Teil der Bohrung 19 und dazu dient, die gleitende Bewegung der inneren Ventilnadel 20 innerhalb der Bohrung 19 zu führen. Die innere Ventilnadel 20 umfasst außerdem eine Druckfläche 20c, so dass während des Betriebs Kraftstoffdruck innerhalb der durchgehenden Bohrung 19 auf die Druckfläche einwirkt und damit die innere Ventilnadel 20 weg von ihrem Sitz 26 drückt. Eine Bewegung des Zwischenabschnitts 24 der inneren Ventilnadel 20 weg von dem Sitz 26 macht es möglich, dass Kraftstoff durch einen zweiten Satz von im Düsenkörper 10 angeordneten Auslassöffnungen 28 fließen kann.
Der innere Ventilteil 12a ist außerdem so gestaltet, dass er zusammen mit einer inneren Oberfläche des äußeren Ventilteils 12b eine Kammer 30 bildet, die, am dem geschlossenen Ende der Bohrung 11 abgewandten Ende der Kammer 30, eine Druckfeder 32 beherbergt. Die Feder 32 dient dazu, ein Dichtungselement 34, das sich ebenfalls innerhalb der Kammer 30 befindet, gegen einen durch die Bohrung 11 gebildeten Dichtungssitz 36 zu spannen.
An dem den Auslassöffnungen 18, 28 abgewandten Ende des Düsenkörpers 10 ist dieser mit einer ringförmigen Kammer 38 versehen, die mit einem Versorgungskanal 40 für Kraftstoff in Verbindung steht, der in Form einer im Düsenkörper 10 ausgebildeten Drillbohrung zur Verfügung steht, wobei die ringförmige Kammer 38 außerdem mit der Bohrung 11 in Verbindung steht. Der Versorgungskanal 40 steht mit einer Quelle von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff (nicht gezeigt) in Verbindung, beispielsweise einer gemeinsamen Druckleitung eines "common rail"-Kraftstoffsystems, wobei die gemeinsame Druckleitung so angeordnet ist, dass sie durch eine geeignete Hochdruck-Kraftstoffpumpe auf einen geeignet hohen Druck aufgeladen werden kann, so dass unter hohem Druck stehender Kraftstoff in die ringförmige Kammer 38 eingebracht werden kann.
Der innere und der äußere Ventilteil 12a, 12b sind mit Öffnungen 42 bzw. 44 versehen, die mit einer Abgabekammer 46 für Kraftstoff in Verbindung stehen, die von der Bohrung 11 und der äußeren Oberfläche des äußeren Ventilteils 12b begrenzt wird. Außerdem ist der innere Ventilteil 12a mit einer zweiten Öffnung 48 ausgestattet, die mit demjenigen Teil der Bohrung 11 in Verbindung steht, der direkt mit der ringförmigen Kammer 38 kommuniziert. Daher kann Kraftstoff, der der ringförmigen Kammer 38 über den Versorgungskanal 40 zugeführt wird, durch die im inneren Ventilteil 12a vorhandene zweite Öffnung 48 in die durchgehende Bohrung 19 und durch die Öffnungen 42, 44 in die Abgabekammer 46 fließen. Der innere Ventilteil 12a des äußeren Ventilelements 12 ist mit einer Druckfläche 12d versehen, so dass der Kraftstoffdruck innerhalb der ringförmigen Kammer 38, der auf die Druckfläche 12d einwirkt, den inneren Ventilteil 12a weg von seinem Sitz 15 drückt.
Das den Auslassöffnungen 18, 28 abgewandte Ende des Düsenkörpers 10 liegt an einem Abstandsstück 50 an, welches mit einer Drillbohrung ausgestattet ist, die einen ersten Durchflusskanal 52 bildet, der mit dem Versorgungskanal 40 in Verbindung steht. Das Abstandsstück 50 ist außerdem mit einer durchgehenden Bohrung 54 versehen, die sich koaxial zu der im inneren Ventilteil 12a vorhandenen Bohrung 19 erstreckt, wobei sich der vergrößerte Bereich 20a der inneren Ventilnadel 20 ein Stück des Wegs hinein in die Bohrung 54 erstreckt. Das Abstandsstück 50 umfaßt einen vorstehenden Teil 52a, der sich in die Bohrung 11 hinein erstreckt, wobei der vorstehende Teil 52a zusammen mit einer oberen Endfläche des inneren Ventilteils 12a eine erste Steuerkammer 56 für Kraftstoff begrenzt. Kraftstoff kann durch Leckage zwischen dem Abstandsstück 50 und dem Düsenkörper 10 in die Steuerkammer 56 fließen. Alternativ können Abflachungen, Schlitze oder Nuten (nicht gezeigt) im Düsenkörper oder im inneren Ventilteil 12a vorgesehen sein, um es zu ermöglichen, dass Kraftstoff in die erste Steuerkammer 56 fließt. Der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 56 dient dazu, den inneren Ventilteil 12a in Abwärtsrichtung zu spannen und dadurch dazu zu dienen, den äußeren Ventilteil 12b und den inneren Ventilteil 12a gegen die auf die Druckfläche 20c und die Druckfläche 12d aufgebrachte Kraft gegen ihre entsprechenden Sitze 14, 15 vorzuspannen. Ein zweiter Durchflusskanal 58 ist ebenfalls im Abstandsstück 50 vorhanden, wobei der zweite Durchflusskanal 58 mit einem in einem oberen Gehäuseteil 62 des Kraftstoffeinspritzventils ausgebildeten Versorgungskanal 60 in Verbindung steht. Der Versorgungskanal 60 steht über eine Steuerventil-Anordnung (nicht gezeigt) mit einem Niederdruck-Kraftstoffspeicher (nicht gezeigt) in Verbindung. Das Öffnen und Schließen der Steuerventil-Anordnung steuert deshalb den Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerkammer 56. Zusätzlich ist der zweite Durchflusskanal 58 mit einem Durchflussbegrenzer 58a versehen, der dazu dient, die Menge des Kraftstoffflusses aus der Steuerkammer 56 zu niederem Druck zu begrenzen.
Der Gehäuseteil 62 ist außerdem mit einer weiteren Drillbohrung versehen, die einen Durchflusskanal 66 für Kraftstoff bildet, wobei der Durchflusskanal 66 mit dem Kanal 52 im Abstandsstück 50 in Verbindung steht, der seinerseits mit dem Versorgungskanal 40 im Düsenkörper 10 verbunden ist, um es zu ermöglichen, dass unter hohem Druck stehender Kraftstoff in die ringförmige Kammer 38 und damit in die stromabwärts gelegenen Teile des Kraftstoffeinspritzventils fließen kann. Der Gehäuseteil 62 ist außerdem mit einer geschlossenendigen Bohrung 68 ausgestattet, in der ein Kolbenelement 70 verschieblich angeordnet ist. Das Kolbenelement umfasst eine Verlängerung 70a mit verringertem Durchmesser, die zusammen mit der Bohrung 68 eine Federkammer 72 begrenzt. Die Federkammer 72 beherbergt eine Druckfeder 74, die an einer Außenfläche eines T-förmigen Anlageelements 76 anliegt, wobei die gegenüberliegende Außenfläche des Anlageelements 76 an der oberen Endfläche des vergrößerten Bereichs 20a der inneren Ventilnadel 20 anliegt. Auf diese Weise wird die Bewegung des Kolbenelements 70 in Abwärtsrichtung über das Anlageelement 76 auf die innere Ventilnadel 20 übertragen.
ine obere Endfläche 70b des Kolbens 70 und das geschlossene Ende der Bohrung 68 bilden zusammen eine zweite Steuerkammer 80 für Kraftstoff, die über einen verengten Kanal 82 mit dem Versorgungskanal 66 in Verbindung steht, so dass unter hohem Druck stehender Kraftstoff in der Lage ist, in die Steuerkammer 80 zu fließen. Der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer dient dazu, den Kolben 70 gegen die Kraft, die aufgrund des Kraftstoffdrucks innerhalb der durchgehenden Bohrung 19 bzw. der ringförmigen Kammer 38 auf den Druckflächen 20c, 12d lastet, in Abwärtsrichtung zu spannen. Der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 wird mit Hilfe einer zweiten Steuerventil-Anordnung gesteuert, die allgemein mit 85 bezeichnet und in einem zweiten Gehäuseteil 84 angeordnet ist, welches am Gehäuseteil 62 anliegt. Die Steuerventil-Anordnung umfasst ein Steuerventilelement 86, das innerhalb einer im Gehäuseteil 84 ausgebildeten Bohrung 88 unter der Steuerung einer Betätigungsanordnung, die eine Ankerplatte 90 (wie in 1 gezeigt) umfasst, gleiten kann. Alternativ kann die Betätigungsanordnung beispielsweise eine piezoelektrische Betätigungsanordnung sein.
Das Steuerventilelement 86 kann an einem Sitz zur Anlage gebracht werden, der durch die Bohrung 88 gebildet wird, um den Fluss von Kraftstoff zu einem Niederdruck-Kraftstoffspeicher (nicht gezeigt) zu steuern. Kraftstoff kann aus der Steuerkammer 80 über im Gehäuseteil 84 ausgebildete Drillbohrungen 87 am Sitz des Steuerelements 86 vorbei fließen.
Wenn das Steuerventilelement 86 an seinem Sitz anliegt, kann kein unter hohem Druck stehender Kraftstoff innerhalb der Steuerkammer 80 zum Niederdruck-Kraftstoffspeicher fließen. Wenn das Steuerventilelement 86 weg von seinem Sitz bewegt ist, ist die Steuerventil-Anordnung offen, um es zu ermöglichen, dass unter hohem Druck stehender Kraftstoff innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 zum Niederdruck-Kraftstoffspeicher fließt, was den Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 80 verringert.
Die relativen Flächenbereiche der Endfläche 70b des Kolbens 70 und der Druckfläche 20c der inneren Ventilnadel 20 sind so gestaltet, dass dann, wenn die Steuerventil-Anordnung 85 geschlossen ist, unter hohem Druck stehender Kraftstoff innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 dazu dient, das Kolbenelement 70, das Anlageelement 76 und die innere Ventilnadel 20 gegen die Kraft, die durch den Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrung 19 auf der Druckfläche 20c lastet, in Abwärtsrichtung zu spannen. Wenn die Steuerventil-Anordnung 85 geöffnet ist, ist die Kraft, die aufgrund des Kraftstoffdrucks innerhalb der Bohrung 19 auf den Druckflächen 20c der inneren Ventilnadel 20 lastet, ausreichend, um die Kraft, die auf die Endfläche 70b des Kolbens aufgebracht ist, zu überwinden, und die innere Ventilnadel 20 wird von ihrem Sitz 26 abgehoben, wie nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Es sollte klar sein, dass die Steuerventil-Anordnung zum Steuern des Kraftstoffdrucks innerhalb der ersten Steuerkammer 56 von einer der Steuerventil-Anordnung 85 zum Steuern des Kraftstoffdrucks innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 vergleichbaren Art sein kann, aber nicht muss. Alternativ kann der Kraftstoffdruck innerhalb er ersten und der zweiten Steuerkammer mit Hilfe einer gemeinsamen Steuerventil-Anordnung gesteuert werden.
Der Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils wird nun während verschiedener Stadien des Kraftstoffeinspritz-Zyklus beschrieben. Im Betrieb, wenn unter hohem Druck stehender Kraftstoff an die Versorgungskanäle 66, 40 abgegeben wird, so dass Kraftstoff in die ringförmige Kammer 38, die Bohrung 19 und die Abgabekammer 46 fließt, und wenn die zu der ersten Steuerkammer 56 gehörende Steuerventilanordnung geschlossen ist und die Steuerventil-Anordnung 85 geschlossen ist, dient unter hohem Druck stehender Kraftstoff innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 dazu, das Kolbenelement 70, das Anlageelement 76 und die innere Ventilnadel 20 gegen die Kraft, die durch Kraftstoff in der Bohrung 19 auf der Druckfläche 20c lastet, in Abwärtsrichtung zu spannen. Damit verbleibt der kegelstumpfförmige Abschnitt 24 der inneren Ventilnadel 20 in Anlage gegen seinen Sitz 26. Während dieses Betriebsstadiums kann Kraftstoff, der in die ringförmige Kammer 38 und durch die Öffnung 48 in die durchgehende Bohrung 19 fließt, nicht am Sitz 26 vorbei in den ausgestülpten oder sackartigen Bereich 27 fließen, und eine Kraftstoffeinspritzung durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 28 findet nicht statt. Außerdem ist der Oberflächenbereich der Endfläche der inneren Ventilnadel 20, der dem Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 56 ausgesetzt ist, größer als der effektive Flächenbereich der Druckfläche 12d, so dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 56 den äußeren Ventilteil 12b in Abwärtsrichtung gegen seinen Sitz 14 spannt. Kraftstoff innerhalb der Bohrung 19, der durch die Öffnungen 42, 44 in die Abgabekammer 46 fließt, kann am Sitz 14 nicht vorberfließen, und eine Kraftstoffeinspritzung durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 18 findet deshalb nicht statt. Die 1 bis 3 zeigen das Kraftstoffeinspritzventil während dieses Betriebsstadiums.
Unter Bezugnahme auf 4 sei vermerkt, dass dann, wenn die Kraftstoffeinspritzung durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 28 beginnen soll, die Steuerventil-Anordnung, die den Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerkammer 56 steuert, in ihrer geschlossenen Stellung gehalten wird, um einen hohen Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerkammer 56 aufrecht zu erhalten. Ein hoher Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 56 dient dazu, den äußeren Ventilteil 12b gegen die Wirkung der Kraft, die aufgrund des Kraftstoffdrucks innerhalb der ringförmigen Kammer 38 auf den Druckflächen 12d lastet, in Anlage an seinem Sitz 14 zu halten. Zusätzlich ist das Steuerventilelement 86 der Steuerventil-Anordnung 85 geöffnet, so dass Kraftstoff innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 über die Drillbohrungen 87 am Sitz des Steuerventilelements 86 vorbei zum Niederdruckspeicher fließen kann. Da Kraftstoff aus der zweiten Steuerkammer 80 entweichen kann und das Ausmaß, mit dem Kraftstoff zur zweiten Steuerkammer fließen kann, durch den Kanal 82 beschränkt ist, fällt der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 ab, und es wird ein Punkt erreicht, jenseits dessen sich das Anlageelement 76 und die innere Ventilnadel 20 in Aufwärtsrichtung bewegen. Deshalb wird, wie in 4 zu sehen, die innere Ventilnadel 20 weg von dem Sitz 26 angehoben, und Kraftstoff innerhalb der durchgehenden Bohrung 19 ist in der Lage, am Sitz 26 vorbei in den sackartigen Bereich 27 und durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 28 nach außen zu fließen.
Während dieses Betriebsstadiums kann kein Kraftstoff aus der Abgabekammer 46 durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 18 fließen, weil der äußere Ventilteil 12b des äußeren Ventilelements 12 in Anlage gegen den Sitz 14 verbleibt und das Dichtungselement 34, das sich in Anlage gegen den Dichtungssitz 36 befindet, verhindert, dass im sackartigen Bereich 27 befindlicher Kraftstoff möglicherweise durch den Spalt 16 und am Dichtungssitz 36 vorbei sickert und durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 18 fließt. Es sollte deshalb klar sein, dass unter diesen Umständen eine Kraftstoffeinspritzung ausschließlich durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen stattfindet.
Ausgehend von der in 4 gezeigten Stellung wird dann, wenn es gewünscht ist, dass die Kraftstoffeinspritzung aufhört, die Steuerventil-Anordnung 85 geschlossen. Demzufolge kann unter hohem Druck stehender Kraftstoff, der in die zweite Steuerkammer 80 fließt, nicht am Sitz des Steuerventilelements 86 vorbei zum Niederdruck-Kraftstoffspeicher fließen. Der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 steigt an und übersteigt die Kraft, die aufgrund des Kraftstoffdrucks innerhalb der Bohrung 19 auf die Druckfläche 20c einwirkt. Demzufolge wird die innere Ventilnadel 20 in Anlage gegen ihren Sitz 26 zurückgeführt. Kraftstoff innerhalb der Bohrung 19 kann nicht länger am Sitz 26 vorbei in den sackartigen Bereich 27 und durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 28 hindurch nach außen fließen, und die Kraftstoffeinspritzung endet.
Alternativ werden, ausgehend von der in 3 gezeigten Stellung, die Steuerventil-Anordnung für die erste Steuerkammer 56 und die Steuerventil-Anordnung 85 geöffnet, um Kraftstoff vom ersten Satz der Auslassöffnungen 18 aus einzuspritzen. Kraftstoff kann daher aus der ersten Steuerkammer 56 zu niedrigem Druck fließen, was den Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 56 verringert. Da die Steuerventil-Anordnung 85 zu diesem Zeitpunkt ebenfalls offen ist, kann Kraftstoff innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 ebenfalls zu niedrigem Druck fließen, und der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 ist ebenfalls relativ gering.
Weil der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerkammer 56 verringert ist, ist die Kraft, die durch den Kraftstoffdruck innerhalb der ringförmigen Kammer 38 auf die Druckfläche 12d aufgebracht ist, ausreichend, um den Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerkammer 56 zu überkompensieren, und das äußere Ventilelement 12 bewegt sich in Aufwärtsrichtung, wodurch sich der äußere Ventilteil 12b und der innere Ventilteil 12a weg von dem Sitz 14 bewegen. Die Bewegung des äußeren Ventilelements 12 in Aufwärtsrichtung wird auf die innere Ventilnadel 20 übertragen, und zwar aufgrund der Anlage zwischen dem Sitz 26 und dem Zwischenabschnitt 24 der inneren Ventilnadel und aufgrund der aufwärts gerichteten Bewegung der inneren Ventilnadel 20 infolge der Kraft, die gegen die Wirkung des verringerten Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerkammer 80 auf die Druckfläche 20c aufgebracht ist.
Während dieses Betriebsstadiums kann also, wie in den 5 und 6 gezeigt, Kraftstoff innerhalb der Bohrung 19 nicht an dem Sitz 26 vorbei in den sackartigen Bereich 27 und durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 28 nach außen fließen, aber Kraftstoff innerhalb der Abgabekammer 46 ist in der Lage, am Sitz 14 vorbei und durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 18 nach außen zu fließen. Eine Kraftstoffeinspritzung findet deshalb nur durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 18 statt. Weil die Druckfeder 32 das Dichtungselement 34 in Anlage gegen den Dichtungssitz 36 hält, kann Kraftstoff innerhalb der Steuerkammer 46, der am Sitz 14 vorbei fließt, nicht in den sackartigen Bereich 27 und durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 28 nach außen fließen. Außerdem ist die Leckage von Kraftstoff aus der Federkammer 34 durch den engen Spalt, der zwischen dem Dichtungselement 34 und dem inneren Ventilteil 12a ausgebildet ist, aufgrund des Kraftstoffdrucks innerhalb der Abgabekammer 46 und zwischen dem Dichtungselement 34 und dem äußeren Ventilteil 12b behindert. Eine Kraftstoff-Leckage aus dem zweiten Satz von Auslassöffnungen 28 wird deshalb im Wesentlichen vermieden.
Während dieses Betriebsstadiums ist dann, wenn ausschließlich die zur ersten Steuerkammer 56 gehörige Steuerventil-Anordnung geöffnet wird, während die Steuerventil-Anordnung 85 geschlossen bleibt, die Kraft, die durch den Kraftstoffdruck innerhalb der ringförmigen Kammer 38 auf der Druckfläche 12d lastet, nicht ausreichend, um den inneren Ventilteil 12a und den äußeren Ventilteil 12b in Aufwärtsrichtung weg von ihren entsprechenden Sitzen anzuheben. Nur dann, wenn die Steuerventil-Anordnung 85 geöffnet ist und der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer 80 abgefallen ist, heben sich der innere Ventilteil 12a und der äußere Ventilteil 12b beide weg von ihren entsprechenden Sitzen, unterstützt von der durch den Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrung 19 auf die Druckfläche 20c der Ventilnadel 20 aufgebrachten, aufwärts gerichteten Kraft.
Ausgehend von der in den 5 und 6 gezeigten Stellung werden zur Beendigung der Kraftstoffeinspritzung die der zweiten Steuerkammer 80 zugeordnete Steuerventil-Anordnung 85 und die der ersten Steuerkammer 56 zugeordnete Steuerventil-Anordnung beide geschlossen, um einen hohen Kraftstoffdruck sowohl in der zweiten als auch in der ersten Steuerkammer 80, 56 wieder herzustellen. Damit werden die innere Ventilnadel 20 und der äußere Ventilteil 12b des äußeren Ventilelements 12 in Abwärtsrichtung gegen ihre entsprechenden Sitze 26 und 14 vorgespannt. Kraftstoff in der Abgabekammer 46 kann daher nicht am Sitz 14 vorbei aus dem ersten Satz von Auslassöffnungen 18 heraus nach außen fließen, und Kraftstoff in der Bohrung 19 kann nicht am Sitz 26 vorbei in den sackartigen Bereich 27 und durch die zweite Gruppe von Auslassöffnungen 28 heraus nach außen fließen. Deshalb hört die Kraftstoffeinspritzung auf.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung können anstelle der Öffnungen 42, 44 und 48, die in den inneren und äußeren Ventilteilen 12a, 12b vorgesehen sind, Schlitze, Abflachungen, Nuten oder Rillen vorhanden sein, um es möglich zu machen, dass Kraftstoff zwischen der Bohrung 19 und der Abgabekammer 46 und zwischen der Bohrung 19 und der Bohrung 11 fließen kann. Außerdem kann ein zusätzliches Leitungssystem vorgesehen sein, anstatt dass unter Druck stehender Kraftstoff der ersten Steuerkammer 56 von dem "Common rail"-System zugeführt wird, das unter Druck stehenden Kraftstoff an die ringförmige Kammer 38 im Düsenkörper 10 abgibt. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die gleitende Bewegung der inneren Ventilnadel 20 durch die Bohrung 54 in dem Abstandsstück 50 geführt werden, und zwar zusätzlich zu oder anstelle einer Führung durch die Bohrung 19 in Nachbarschaft zum vergrößerten Endbereich 20a der inneren Ventilnadel 20.
Die Anzahl von Auslassöffnungen im ersten Satz 18 kann sich von der Anzahl der Auslassöffnungen im zweiten Satz 28 unterscheiden. Außerdem sollte klar sein, dass weniger oder mehr Auslassöffnungen als die dargestellten vorhanden sein können. Die Auslassöffnungen können in jedem der beiden Sätze eine unterschiedliche Gestalt besitzen, um es zu ermöglichen, dass das Spritzmuster des in den Motor eingespritzten Kraftstoffs während des Betriebs verändert wird, indem verschiedene der ersten und der zweiten Auslassöffnungen 18, 28 ausgewählt werden.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil, umfassend einen Düsenkörper (10), der eine Bohrung (11) begrenzt, in welcher ein äußeres Ventilelement (12) verschieblich angeordnet ist, wobei das äußere Ventilelement (12) an einem ersten Sitz (14) zur Anlage gebracht werden kann, um die Einspritzung von Kraftstoff aus einer ersten, in einem Düsenkörper (10) befindlichen Auslassöffnung (18) zu steuern, wobei das äußere Ventilelement (12) mit einer durchgehenden Bohrung (19) ausgestattet ist, in der ein inneres Ventilelement (20) verschieblich angeordnet ist, wobei das innere Ventilelement (20) an einem zweiten Sitz (26) zur Anlage gebracht werden kann, um die Einspritzung von Kraftstoff durch eine zweite, im Düsenkörper (10) befindliche Auslassöffnung (28) zu steuern, worin das Kraftstoffeinspritzventil weiterhin eine erste und eine zweite Steuerkammer (56,80) für Kraftstoff umfasst, wobei im Betrieb die Bewegung des inneren und des äußeren Ventilelements (20,12) weg von seinem jeweiligen Sitz (26,14) gesteuert wird, indem der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten und der zweiten Steuerkammer (56,80) derart gesteuert wird, dass die Abgabe von Kraftstoff aus einer gewählten Auslassöffnung möglich ist, und worin der zweite Sitz (26) durch das äußere Ventilelement (12) gebildet wird.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, worin das innere Ventilelement (20) und das äußere Ventilelement (12) so angeordnet sind, dass sie eine erste Kraftstoffeinspritz-Stellung besitzen, in der das innere Ventilelement (20) vom zweiten Sitz (26) abgehoben ist, während das äußere Ventilelement (12) an seinem Sitz verbleibt, so dass Kraftstoffeinspritzung nur durch die zweite Auslassöffnung (28) erfolgt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, worin das äußere Ventilelement (12) und das innere Ventilelement (20) so angeordnet sind, dass sie eine zweite Kraftstoffeinspritz-Stellung besitzen, in der das äußere Ventilelement (12) vom ersten Sitz (14) abgehoben ist, um die Einspritzung von Kraftstoff durch die erste Auslassöffnung (18) zu ermöglichen, wobei eine Kraft aufgrund der Bewegung des äußeren Ventilelements (12) auf das innere Ventilelement (20) übertragen wird, um das innere Ventilelement (20) mit dem äußeren Ventilelement (12) zu bewegen, derart, dass das innere Ventilelement (20) in seiner Sitzstellung gegen den zweiten Sitz (26) verbleibt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, umfassend einen sackartigen Bereich (27), in den während des Betriebs Kraftstoff fließt, wenn das innere und das äußere Ventilelement (12,20) ihre zweite Kraftstoffeinspritz-Stellung einnehmen.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das äußere Ventilelement (12) mit einer Öffnung (42,44) versehen ist, wodurch es möglich wird, dass Kraftstoff während des Betriebs in die durchgehende Bohrung (19) fließt.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das äußere Ventilelement (12) einen ersten und einen zweiten Ventilteil (12b,12a) umfasst, wobei der erste Ventilteil (12b) an dem ersten Sitz (14) in Anlage gebracht werden kann, um den Fluss von Kraftstoff durch die erste Auslassöffnung (18) zu steuern.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, worin die beiden Ventilteile, nämlich der erste Teil und der zweite Teil (12b,12a) des äußeren Ventilelements (12) integral ausgebildet sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, worin die beiden Ventilteile, nämlich der erste Teil und der zweite Teil (12a,12b), zusammen eine Kammer (30) zur Aufnahme eines Dichtungselements (34) begrenzen.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, weiterhin umfassend ein Mittel (32) zum Vorspannen des Dichtungselements (34) gegen einen Dichtungssitz (36).
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die erste Steuerkammer (56) innerhalb der im Düsenkörper (10) angeordneten Bohrung (11) ausgebildet ist, wobei der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerkammer (56) dazu dient, das äußere Ventilelement (12) gegen den ersten Sitz (14) zu drücken.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die zweite Steuerkammer (80) derart angeordnet ist, dass der Kraftstoffdruck darin dazu dient, das innere Ventilelement (20) gegen den zweiten Sitz (28) zu drücken.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 11, umfassend ein Kolbenelement (70), das eine Außenfläche besitzt, die dem Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer (80) ausgesetzt ist, wobei das Kolbenelement (70) so angeordnet ist, dass es eine Kraft, die auf dem Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten Steuerkammer (80) beruht, auf das innere Ventilelement (20) überträgt.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend eine erste Steuerventil-Anordnung zum Steuern des Kraftstoffdrucks innerhalb der ersten Steuerkammer (56) und eine zweite Steuerventil-Anordnung zum Steuern des Kraftstoffdrucks innerhalb der zweiten Steuerkammer (80).
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend eine gemeinsame Steuerventil-Anordnung, die so eingerichtet ist, dass sie den Kraftstoffdruck innerhalb beider Kammern, der ersten und der zweiten Steuerkammer (56,80), steuert.