Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Einbringung von Kraftstoff in die Brennräume von direkteinspritzenden Diesel-Brennkraftmaschinen werden vermehrt hubgesteuerte Common-Rail-Systeme eingesetzt. Deren Vorteil liegt darin, dass der Einspritzdruck an Last und Drehzahl angepasst werden kann. Bei derartigen gesteuerten Systemen werden Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen eingesetzt, die ein Einspritzventilelement umfassen, welches hydraulisch über den Druck in einem hydraulischen Steuerraum gesteuert wird. Über das Einspritzventilelement können Kraftstoffaustrittskanäle mit einem Hochdruckanschluss verbunden oder von diesem getrennt werden. Zur Steuerung des Drucks im hydraulischen Steuerraum wird ein elektromagnetisches Steuerventil eingesetzt, welches als Steuerventilelement eine Kugel aufweist. Bei geöffnetem Steuerventil wird der über eine Zulaufdrossel mit dem Hochdruckanschluss in Verbindung stehende hydraulische Steuerraum mit einem Niederdruckanschluss verbunden, wodurch der Druck in dem hydraulischen Steuerraum abfällt.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der auch sehr kurze Mehrfacheinspritzungen möglich sind. Gleichzeitig soll die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung kostengünstig sein und kompakt bauen.

Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Darüber hinaus finden sich für die Erfindung wesentliche Merkmale auch in der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. Dabei können die Merkmale auch in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein, ohne dass hierauf explizit hingewiesen wird.

Die Verwendung eines separaten Ventilstücks erleichtert bei der Fertigung das Einbringen des Steuerraums und/oder der Steuerventilkammer und der entsprechenden Führungen für das Steuerventilelement. Hierdurch werden die Herstellkosten gesenkt. Da das Einspritzventilelement in einem insgesamt mit dem Hochdruckanschluss verbundenen Aufnahmeraum aufgenommen ist, ist eine Druckstufe am Einspritzventilelement nicht erforderlich, wie sie bisher zur Erzeugung einer in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Kraft vorgesehen war. Indem auf eine solche Druckstufe verzichtet werden kann, kann auch eine sonst vorhandene Leckageleitung entfallen, welche das zwangsläufig bei einer solchen Druckstufe auftretende Leckagefluid abführt. Damit wird der Aufbau der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nochmals wesentlich vereinfacht.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ventilstück im Bereich der Führung des Steuerventilelements radial außen wenigstens bereichsweise, beispielsweise in einem fortsatzartigen Abschnitt, von einem Ringraum umgeben ist, der ständig mit dem Hochdruckanschluss verbunden ist. Hierdurch wird einer Aufweitung der Führung des Steuerventilelements durch den vom Hochdruckanschluss her übertragenen Hochdruck entgegengewirkt, wodurch eine sehr kleine Leckage durch diese Führung hindurch realisiert werden kann.

Vor allem dann, wenn die Führung des Steuerventilelements sowie der hydraulische Steuerraum und die Steuerventilkammer und/oder sonstige mit Hochdruck beaufschlagte Kanäle und Räume in diesem von Hochdruck umgebenen Bereich angeordnet sind, wird die Belastung auf das Ventilstück reduziert, was eine kompakte Bauform gestattet und dessen Abdichtfunktion verbessert.

Neben der Führung des Steuerventilelements kann das Ventilstück auch die Führung eines Endbereichs des Einspritzventilelements übernehmen. Da das Ventilstück ein separates Teil ist, kann auch die Führung für das Einspritzventilelement mit hoher Präzision und kostengünstig eingebracht werden.

Für die Reduzierung der Montagekosten ist es günstig, wenn das Ventilstück einstückig ist. Die Fertigung wird jedoch vereinfacht, wenn das Ventilstück mehrstückig ist mit einem ersten Teilventilstück und einem zweiten Teilventilstück, da hierdurch die Zugänglichkeit zur Steuerventilkammer und zum hydraulischen Steuerraum sowie zum Steuerventilsitz verbessert wird. Zur Abdichtung des einen Teilventilstücks gegenüber dem anderen Teilventilstück kann eine zusätzliche Dichtung oder eine Dichtkante vorgesehen sein. Auch können die beiden Teilventilstücke zueinander mittels einer Zentriereinrichtung oder mittels eines Zentrierabschnitts zentriert sein.

Der Einsatz eines druckausgeglichen Steuerventilelements ermöglicht deutlich kleinere Kräfte, die beispielsweise von einem elektromagnetischen Aktor, der mit dem Steuerventilelement verbunden ist, aufzubringen sind. Der Begriff "druckausgeglichen" bedeutet vorliegend, dass zumindest in geschlossenem Zustand des Steuerventils, vorzugsweise auch in geöffnetem Zustand, auf das Steuerventilelement keine oder zumindest keine wesentlichen hydraulischen Kräfte einwirken. Auch die für eine Beeinflussung des Drucks in dem hydraulischen Steuerraum auszuführenden Hübe eines solchen druckausgeglichenen Steuerventilelements sind vergleichsweise gering. Da kleinere Kräfte für die Bewegung des Steuerventilelements aufzubringen sind, kann der entsprechende Aktor kleiner bauen, wodurch die Gesamtmasse, welche zu bewegen ist, geringer und das Dämpfungsverhalten verbessert wird.

All dies gestattet eine schnellere Bewegung des Steuerventilelements, also kürzere Schaltzeiten, welche kurze Abstände zwischen einzelnen Einspritzungen ermöglichen. Darüber hinaus wird durch die vorgeschlagene Bauform eines druckausgeglichenen Steuerventilelements ein einfacher und kostengünstiger konstruktiver Aufbau ermöglicht, der zu einer hoch integrierten und kompakten Bauweise führen kann. Damit können auch neueste Anforderungen an eine reduzierte Bauhöhe der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen aus Gründen des Fußgängerschutzes bei Kraftfahrzeugen erfüllt werden.

Eine einfache und preisgünstig zu bauende Realisierung eines druckausgeglichenen Steuerventilelements umfasst einen Ventilkolben mit einer mindestens im Wesentlichen radial außen liegenden Dichtkante. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Steuerventilsitz als Flachsitz ausgebildet ist. Dieser kann ebenfalls einfach und preiswert hergestellt werden und toleriert gewisse Fehlstellungen des Steuerventilelements. Grundsätzlich sind aber auch andere Ausgestaltungen des Steuerventilsitzes denkbar, beispielsweise ein Kugelsitz oder ein Kegelsitz.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist mindestens ein Anschlusskanal, beispielsweise ein Rücklauf, des Steuerventils im Steuerventilelement angeordnet. Dies vereinfacht den konstruktiven Aufbau der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.

Vorgeschlagen wird auch, dass das Steuerventil eine Steuerventilkammer umfasst, welche über eine Abströmdrossel mit dem hydraulischen Steuerraum und über eine Zbströmdrossel mindestens mittelbar mit einem Hochdruckanschluss verbunden ist, und die bei geöffnetem Steuerventil mit einem Niederdruckanschluss verbunden ist. Damit wird beim Schließen des Steuerventils eine Befüllung der Steuerventilkammer auch über die Abströmdrossel ermöglicht, was die Schließgeschwindigkeit des Steuerventilelements erhöht.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn das Einspritzventilelement mindestens einen steuerraumseitigen und einen ventilsitzseitigen Abschnitt aufweist, die derart miteinander gekoppelt sind, dass ein Biegemoment von einem Abschnitt auf den anderen Abschnitt nicht oder wenigstens nur reduziert übertragen wird. Damit werden Querkräfte auf die Führung und/oder den Ventilsitz des Einspritzventilelements reduziert oder gänzlich unterbunden, wodurch die Lebensdauer verlängert und die Freigängigkeit des Einspritzventilelements verbessert werden. Darüber hinaus kann auf diese Weise die erforderliche Fertigungsgenauigkeit reduziert werden, da Verspannungen des Einspritzventilelements aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten reduziert oder gänzlich vermieden werden.

Eine fertigungstechnisch besonders einfache Realisierung einer solchen Biegemoment-Entkopplung besteht in einer Materialschwächung, welche einen kardanischen Charakter aufweist. Alternativ oder zusätzlich hierzu können die beiden Abschnitte auch hydraulisch miteinander gekoppelt sein.

Letzteres ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Einspritzventilelement und das Steuerventilelement koaxial angeordnet sind. In diesem Fall werden Querkräfte und Biegemomente von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung besonders wirksam fern gehalten.

Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 einen teilweisen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;

2 einen teilweisen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung; und

3 einen teilweisen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.

Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen ihr zugeordneten, jedoch nicht gezeichneten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Hierzu verfügt die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 über einen Hochdruckanschluss 12, der an einen Druckspeicher 14 ("Rail") angeschlossen ist, in dem Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist.

Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 16 mit einem Hauptabschnitt 18 und einem Düsenkörper 20. Das Gehäuse 16 wird beinahe über seine gesamte Länge von einer Ausnehmung 22 durchsetzt, in der unter anderem ein Einspritzventilelement 24, welches aufgrund seiner sehr lang gestreckten Form auch als "Düsennadel" bezeichnet wird, aufgenommen ist. An seinem in 1 unteren Ende ist an dem Einspritzventilelement 24 eine Dichtkante 26 vorhanden, die mit einem gehäuseseitigen Einspritzventilsitz 28 zusammenarbeitet. Je nach Stellung des Einspritzventilelements 24 wird von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 über Kraftstoffaustrittskanäle 30 Kraftstoff in den Brennraum abgegeben oder eine solche Abgabe unterbunden.

Zwischen der Ausnehmung 22 und dem Einspritzventilelement 24 ist, bis auf das in 1 obere Ende des Einspritzventilelements 24, ein ringförmiger Hochdruckraum 32 gebildet, der ständig mit dem Hochdruckanschluss 12 in Verbindung ist. Das Einspritzventilelement 24" schwimmt" also im Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 in dem im Hochdruckraum 32 unter hohem Druck vorhandenen Kraftstoff. Das in 1 obere Ende des Einspritzventilelements 24 ist fluiddicht, aber im Gleitsitz, in einem Ventilstück 34 geführt, welches den Hochdruckraum 32 nach oben abschließt. Die in 1 obere Stirnfläche des Einspritzventilelements 24 bildet eine hydraulische Steuerfläche 36, die zusammen mit einer Ausnehmung (ohne Bezugszeichen) im Ventilstück 34 einen hydraulischen Steuerraum 38 begrenzt. Zwischen dem Ventilstück 34 und einem umlaufenden Bund (ohne Bezugszeichen) am Einspritzventilelement 24 ist eine Ventilfeder 40 verspannt, die das Einspritzventilelement 24 in Schließrichtung gegen den Einspritzventilsitz 28 beaufschlagt.

Im Bereich der Ventilfeder 40 sind in das Einspritzventilelement 24 an einer ersten axialen Position zwei seitliche Einschnitte 42a und 42b vorhanden, zwischen denen nur ein vergleichsweise dünner Materialsteg 44 verblieben ist. Axial hiervon etwas beabstandet sind im Einspritzventilelement 24 zwei weitere seitliche Einschnitte vorhanden, die gegenüber den seitlichen Einschnitten 42a und 42b jedoch um 90° gedreht angeordnet sind, so dass in 1 nur der seitliche Einschnitt 46a und der entsprechende Materialsteg 48 sichtbar sind. Die seitlichen Einschnitte 42a und 426 sowie 46a (und der nicht sichtbare seitliche Einschnitt 46b) bilden insoweit eine Materialschwächung 50, die einen kardanischen Charakter aufweist, durch die ein Biegemoment von dem oberhalb der Materialschwächung 50 gelegenen Abschnitt des Einspritzventilelement 24 auf den unterhalb dieser Materialschwächung 50 gelegenen Abschnitt nur reduziert übertragen wird. Eine ähnliche Materialschwächung 52 befindet sich darüber hinaus am Einspritzventilelement 24 in etwa auf Höhe des Übergangs zwischen dem Hauptabschnitt 18 und dem Düsenkörper 20 des Gehäuses 16.

Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist das Einspritzventilelement 24 zweistückig ausgebildet mit einem steuerraumseitigen Abschnitt 54 und einem ventilsitzseitigen Abschnitt 56. Die beiden Abschnitte 54 und 56 sind durch einen hydraulischen Koppler 58 miteinander gekoppelt, könnten aber auch mechanisch gekoppelt sein. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Einspritzventilelement 24 einstückig ausgebildet, so dass auf einen hydraulischen Koppler verzichtet werden kann. Der ventilsitzseitige Abschnitt 56 des Einspritzventilelements 24 ist im Düsenkörper 20 geführt, wobei die Kontinuität des Hochdruckraumes 32 bis zu den Kraftstoffaustrittskanälen 30 durch Abflachungen 60 am ventilsitzseitigen Abschnitt 56 gewährleistet ist. Der ventilsitzseitige Abschnitt 56 weist darüber hinaus eine konische und in Öffnungsrichtung des Einspritzventilelements 24 wirkende hydraulische Druckfläche 62 auf.

Der Druck in dem hydraulischen Steuerraum 38 wird durch die Stellung eines elektromagnetischen Steuerventils 64 beeinflusst. Letzteres verfügt über ein als Ventilkolben 66 ausgebildetes Steuerventilelement, welches im Ventilstück 34 geführt ist. An seinem in 1 oberen Ende ist am Steuerventilelement 66 ein Anker 68 angebracht, wobei in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel das Steuerventil und der Anker auch einstückig ausgeführt sein können. Der Anker 68 arbeitet mit einer elektromagnetischen Spule 70zusammen. Das Steuerventilelement 66 wird von einer Ventilfeder 72 in seine geschlossene Stellung beaufschlagt. In dieser liegt es mit seinem in 1 unteren Ende mit einer umlaufenden und im Wesentlichen radial außen liegenden Dichtkante 74 an einem im Ventilstück 34 als Flachsitz ausgebildeten Steuerventilsitz 76 an.

Der Steuerventilsitz 76 ist in einer Steuerventilkammer 78 angeordnet, welche über eine Zuströmdrossel 80 mit dem Hochdruckraum 32 in Verbindung steht. Auch der hydraulische Steuerraum 38 steht über eine solche Zuströmdrossel 82 mit dem Hochdruckraum 32 in ständiger Verbindung. Radial außerhalb vom Steuerventilsitz 76 mündet in die Steuerventilkammer 78 eine Verbindung (ohne Bezugszeichen) vom hydraulischen Steuerraum 38 her, in der eine Abströmdrossel 84 angeordnet ist. Das Steuerventilelement 66 wird in seiner Längsrichtung von einem Anschlusskanal 86 durchsetzt, der auf der Oberseite des Steuerventilelements 66 in einen Ankerraum 88 mündet, der wiederum mit einem Niederdruckanschluss 90 verbunden ist.

Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 arbeitet folgendermaßen:

Im Ruhezustand wird das Steuerventilelement 66 von der Ventilfeder 72 mit der Dichtkante 74 gegen den Steuerventilsitz 76 gedrückt. Damit ist der hydraulische Steuerraum 38 vom Niederdruckanschluss 90 getrennt. Aufgrund der Verbindung über die Zuströmdrossel 82 zum Hochdruckraum 32 herrscht in ihm folglich der hohe Druck des Hochdruckraums 32. Durch die entsprechende in Schließrichtung an der hydraulischen Steuerfläche 36 wirkende Kraft und die Kraft der Ventilfeder 40, die in der Summe die an der Druckfläche 62 in Öffnungsrichtung wirkende Kraft übersteigen, wird das Einspritzventilelement 24 mit der Dichtkante 26 gegen den Einspritzventilsitz 28 gedrückt. Die Kraftstoffaustrittskanäle 30 sind daher vom Hochdruckraum 32 getrennt, es kann kein Kraftstoff austreten.

Für eine Einspritzung wird die Spule 70 bestromt, so dass das Steuerventilelement 66 mit seiner Dichtkante 74 vom Steuerventilsitz 76 abhebt. Nun kann Kraftstoff vom hydraulischen Steuerraum 38 über die Abströmdrossel 84, die Steuerventilkammer 78 und den Anschlusskanal 86 zum Niederdruckanschluss 90 abströmen. Der Druck im Hochdruckraum 32 sinkt, und wenn die in Schließrichtung wirkenden Kräfte unterhalb der in Öffnungsrichtung an der Druckfläche 62 wirkenden Kraft liegen, hebt die Dichtkante 26 des Einspritzventilelements 24 vom Einspritzventilsitz 28 ab. Nun kann Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 32 über die Kraftstoffaustrittskanäle 30 in den Brennraum abgegeben werden.

Zum Beenden der Einspritzung wird die Bestromung der Spule 70 beendet, wodurch das Steuerventilelement 66 von der Ventilfeder 72 mit der Dichtkante 74 wieder gegen den Steuerventilsitz 76 gepresst wird. Die Verbindung der Steuerventilkammer 78 mit dem Niederdruckanschluss 90 ist somit unterbrochen. Über die Zuströmdrossel 80 steigt der Druck in der Steuerventilkammer 78 an, und in der Folge und auch wegen der Zuströmdrossel 82 auch der Druck im hydraulischen Steuerraum 38. Sobald die in Schließrichtung wirkenden Kräfte die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft übersteigen, schließt das Einspritzventilelement 24.

Man erkennt aus 1, dass das Ventilstück 34 insbesondere im Bereich des Steuerraums 38, der Steuerventilkammer 78 und der Führung des Steuerventilelements 66 und des Einspritzventilselements 24 vom ringförmigen Hochdruckraum 32 umgeben ist. Eine Aufweitung der Führungen des Einspritzventilelements 24 und des Steuerventilelements 66 im Ventilstück 34 durch den hohen Druck wird daher verringert, und damit wird auch die Leckage in diesem Bereich reduziert. Überhaupt wird die Festigkeitsbelastung des Ventilstücks 34 durch diese Ausgestaltung reduziert. Man erkennt ferner, dass auf das Steuerventilelement 66 im geschlossenen Zustand praktisch keine in seiner Öffnungs- oder Schließrichtung wirkenden hydraulischen Kräfte wirken. Dieses ist also "druckausgeglichen". Damit wird eine einfache, kostengünstige und kompakte Bauweise des Steuerventils 64 und somit auch der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ermöglicht.

Durch die Anordnung des Anschlusskanals 86 im Steuerventilelement 66 wird außerdem eine Beeinflussung der Bewegung des Ankers 68 durch die Strömung des Kraftstoffs von der Steuerventilkammer 78 zum Niederdruckanschluss 90 verhindert oder zumindest vermindert. Das Steuerventil 66 und der Anker 68 können sehr klein dimensioniert werden, wodurch kleine bewegte Massen erreicht werden. Dies gestattet die Realisierung schneller Ventilschaltzeiten und verringert ein Prellen beim Anschlagen des Steuerventilelements 66 am Steuerventilsitz 76. Man erkennt ferner aus 1, dass eine Leckageleitung aufgrund der Anordnung des Einspritzventilelements 24 als im Hochdruckraum "schwimmendes" Ventilelement nicht erforderlich ist. Die Größe des Hochdruckraums 32 führt außerdem dazu, dass dieser eine Druckspeicherfunktion aufweist.

Eine weitere Ausführungsform zeigt 2. Dabei gilt hier wie nachfolgend, dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu vorab beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.

Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 von 2 unterscheidet sich von jener, die in 1 dargestellt ist, vor allem in ihrem unteren Bereich: Dieser entspricht den derzeit vom Markt her bekannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 10, bei denen das Einspritzventilelement 24 nicht im Hochdruck "schwimmt". Stattdessen herrscht in einem oberhalb des Düsenkörpers 20 vorhandenen Ringraum 92 ein niederer Druck. Auch ein hydraulischer Koppler ist nicht vorhanden. Vom Hochdruckraum 32, der bei der in 2 gezeigten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 lediglich im Bereich der Druckfläche 62 vorhanden ist und über einen Kanal 93 mit dem Hochdruckanschluss 12 verbunden ist, zum Niederdruckraum 92 hindurchtretendes Leckagefluid (die Abflachungen 60 sind in diesem Bereich am Einspritzventilelement 24 nicht vorhanden) wird von einer Leckageleitung 94 abgeführt.

Eine nochmals andere Ausführungsform ist in 3 gezeigt. Diese entspricht im unteren Bereich jener von 1. Anders ausgebildet ist allerdings das Ventilstück 34, welches anders als in den 1 und 2 nicht einstückig, sondern zweistückig mit einem ersten TeilVentilstück 96 und einem zweiten TeilVentilstück 98 ausgebildet ist. Das erste TeilVentilstück 96 wird von der Ventilfeder 90 gegen das zweite TeilVentilstück 98 beaufschlagt. Der Steuerventilsitz 76 ist auf der Außenseite des ersten TeilVentilstücks 96 ausgebildet, welches zur Führung des Einspritzventilelements 24 und zur Aufnahme des hydraulischen Steuerraums 38 dient und keine direkte Verbindung zum Niederdruckanschluss 90 hat. Die Steuerventilkammer 78 ist dagegen im zweiten TeilVentilstück 98 vorhanden. Durch eine solche zweiteilige Ausgestaltung des Ventilstücks 34 kann dessen Herstellung vereinfacht werden. Zur Abdichtung kann zwischen den beiden TeilVentilstücken 96 und 98 eine Dichtkante (nicht dargestellt) und/oder zusätzlich eine außen liegende Dichtung 100 vorgesehen sein. Auch können die beiden TeilVentilstücke 96 und 98 über Zentriermittel zueinander zentriert sein, so dass das Steuerventilelement 66 und das Einspritzventilelement 24 möglichst exakt koaxial angeordnet sind.