Diese Erfindung betrifft eine Einspritzventilanordnung, die mit einer gemeinsamen Leitung eines Kraftstoffzuleitungssystems einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verbinden ist.

Nadelventile, in denen das Ventilelement lang und ziemlich dünn ist, werden allgemein zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung benutzt. Insbesondere werden oft Kraftstoffeinspritzanordnungen verwendet, die auf einer gemeinsamen Leitung basieren und zum Beispiel Schweröl verwenden. In solch einer bekannten Anordnung wird die Einspritzsteuerung durch ein zwangsgesteuertes Nadelventil erreicht, oder durch ein separates Steuerventil, das vor einem federbelasteten Nadelventil angeordnet ist. Wenn in einer Anordnung auf der Basis einer Zwangssteuerung eine Dichtfläche des Nadelventils undicht wird oder das Nadelventil in seiner offenen Position stecken bleibt, oder wenn in einer Anordnung auf der Basis eines Vorsteuerventils eine Dichtfläche des Vorsteuerventils undicht wird, kann Kraftstoff in den Zylinder auslaufen, was zu einem schweren Maschinenschaden führen kann.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Einspritzventilanordnung, bevorzugt auf der Basis einer gemeinsamen Kraftstoffzuleitung, welche zuverlässig ist, mit welcher der Einspritzvorgang besser steuerbar ist, und durch welche die Nachteile bekannter Anordnungen im Wesentlichen beseitigt werden.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Einspritzventilanordnung nach Anspruch 1 bereitgetellt. Eine Einspritzventilanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 wird in FR 2478205 A offenbart.

Das Vorsehen von zwei in Reihe geschalteten Nadelventilen, wobei die Einspritzung nur dann erfolgt, wenn beide Ventile gleichzeitig geöffnet sind, macht die Anordnung erheblich sicherer als eine Anordnung mit nur einem Ventil, da die Wahrscheinlichkeit der Undichtigkeit oder des gleichzeitigen Feststeckens beider Ventile in der offenen Position wesentlich geringer ist. Die zwei Nadelventile werden unter verschiedenen Bedingungen betrieben. Während der Öffnung des ersten Nadelventils ist die Druckdifferenz durch die erste Ventilnadel sehr klein, weil das zweite Nadelventil noch geschlossen ist. Während der Öffnung des zweiten Nadelventils entsprechen die Bedingungen denen während der Öffnung eines konventionellen Einspritzventils mit einer Nadel in einem System mit gemeinsamer Leitung.

Bevorzugt wird die Ventilanordnung so gesteuert, dass nach der Kraftstoffeinspritzung das erste Nadelventil zuletzt schließt. Dadurch steuert das zweite Nadelventil die Kraftstoffeinspritzung stets, und es gibt keinen Kraftstofffluss an der Dichtfläche des ersten Nadelventils vorbei, wenn es schließt, da das zweite Nadelventil bereits geschlossen wurde. Auf diese Weise wird die gleichzeitige Fehlfunktion der zwei Nadelventile wegen der unterschiedlichen Betriebsbedingungen noch unwahrscheinlicher gemacht, was eine genaue Steuerung des Einspritzvorgangs und eine erhöhte Sicherheit zur Folge hat.

In der Praxis umfasst jede Kolbenanordnung bevorzugt eine Hauptkolbenvorrichtung, die mit einer Ventilnadel verbunden wird, und einen Hilfskolben, der so mit der Hauptkolbenvorrichtung verbunden ist, dass dazwischen eine Druckkammer geformt wird, die durch einen Drosselungskanal mit dem Steuerdruck in Verbindung steht. Der Hilfskolben ist bevorzugt in eine Richtung von der Hauptkolbenvorrichtung fort federbelastet.

Ein bevorzugtes Mittel, um zu bewirken, dass das erste Nadelventil sich zuerst öffnet, besteht darin, dass die Hauptkolbenvorrichtung des ersten Nadelventils einen kleineren Durchmesser als die Hauptkolbenvorrichtung des zweiten Nadelventils hat.

Der Drosselungskanal kann vorteilhafterweise im Hilfskolben geformt sein. Der Hilfskolben kann durch eine andere Druckkammer beeinflusst werden, in welchen der Drosselungskanal einmündet.

Die andere Druckkammer ist verbunden, um den Druck durch einen Drosselungskanal zu steuern, und ist zusätzlich über einen separaten Drosselungskanal, den der Hilfskolben öffnet, um das Nadelventil zu schließen, mit Steuerdruck verbindbar. Da der Durchmesser des Drosselungskanals, der zur Kolbenanordnung des ersten Nadelventils gehört, das durch den Hilfskolben geöffnet wird, bevorzugt kleiner ist als der Durchmesser des entsprechenden Drosselungskanals, der zur Kolbenanordnung des zweiten Nadelventils gehört, schließt das erste Nadelventil nach dem zweiten Nadelventil. Weil die Öffnung und Schließung der Nadelventile auf diese Weise durch im Wesentlichen verschiedene Mittel erreicht werden, können sie voneinander unabhängig durchgeführt werden.

Die Steuerung der Kolbenvorrichtungen kann vorteilhafterweise durch eine Hydraulikölanordnung oder ähnliches erreicht werden, die auf beide Kolbenanordnungen wirkt, und durch ein separates Steuerventil, durch welches die Druckkammern, die die Kolbenanordnungen beeinflussen, auf selektive Weise mit wesentlich niedrigerem Druck verbunden werden können, bevorzugt mit atmosphärischem Druck. In der Praxis kann die Hydraulikölanordnung zum Beispiel Bestandteil eines Schmiersystems der Maschine sein. Weil der Druck des Schmierölkreises typischerweise etwa 7 bar beträgt, ist eine Druckverstärkerpumpe erforderlich, durch welche der Druck auf ein Niveau von etwa 200 bar erhöht werden kann.

Die Druckkammern, die die erste Kolbenanordnung beeinflussen, und die Druckkammern, die die zweite Kolbenanordnung beeinflussen, sind praktischerweise voneinander getrennt und durch separate Drosselungskanäle mit dem Steuerventil verbunden. Da in der erfindungsgemäßen Anordnung zwei separate Drosselungskanäle vorhanden sind, wird nur ein Steuerventil benötigt, das bevorzugt ein Magnetventil ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit spezifischer Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventilanordnung in einer geschlossenen Anfangsposition ist;

2 eine vergrößerte Ansicht des oberen Abschnitts des Ventilgehäuses der in 1 gezeigten Einspritzventilanordnung ist; und

3-6 schematische Schnittansichten sind, die die Ventilanordnung von 1 in verschiedenen Betriebspositionen zeigen.

In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Ventilgehäuse, in dem zwei separate Nadelventileinheiten untergebracht und so angeordnet sind, dass sie in Reihe geschaltet betrieben werden. Eine erste Nadelventileinheit weist eine erste Ventilnadel 2a auf und ist über einen Kanal 6 mit einer Zuleitung für unter Druck stehenden Kraftstoff verbunden, der bevorzugt über eine gemeinsame Leitung zugeführt wird, die in den Zeichnungen durch einen Pfeil angezeigt wird. Das Nadelventil 2a steuert die Kraftstoffzufuhr aus einer Kammer 6a über eine erste Ventildichtfläche 7a an einem Verbindungskanal 8 entlang zu einer Kammer 8a, von der aus eine zweite Ventilnadel 2b einer zweiten Nadelventileinheit die Kraftstoffzufuhr über eine zweite Ventildichtfläche 7b zu einem Zylinder der Maschine (nicht gezeigt) steuert.

Das erste Nadelventil umfasst ferner ein Steuerelement 3a, eine Kolbenvorrichtung 4a und einen Hilfskolben 5a, die auf betriebsfähige Weise miteinander verbunden sind. Eine Kompressionsfeder 11a ist zwischen dem Steuerelement 3a und der Kolbenvorrichtung 4a angeordnet, wobei die Elemente 3a und 4a entgegen der Federkraft der Feder beweglich sind. Dementsprechend ist eine Kompressionsfeder 12a zwischen der Kolbenvorrichtung 4a und dem Hilfskolben 5a angeordnet. Die zweite Nadelventileinheit ist auf eine Weise aufgebaut, die der der ersten Nadelventileinheit entspricht, und umfasst eine Ventilnadel 2b, ein Steuerelement 3b, eine Kolbenvorrichtung 4b, einen Hilfskolben 5b und Federn 11b und 12b.

Die Nadelventile werden durch einen Hydraulikölkreis 9 gesteuert, der einen Basissteuerdruck für die Nadelventileinheiten bereitstellt, und durch ein Magnetventil 10, mit dessen Unterstützung die Öffnung und Schließung der Nadelventileinheiten durch verschiedene Kammern und Drosselungskanäle unter Ausnutzung von Druckdifferenzen erreicht wird. Zeitsteuerungsdifferenzen zwischen den Nadelventilen werden durch Dimensionierungsfaktoren bewirkt, wie weiter unten eingehender beschrieben wird.

Der Hydraulikölkreis 9 wirkt direkt auf Kammern 13a und 13b, die durch Drosselungskanäle 14a und 14b mit Kammern 15a und 15b verbunden sind. Auf diese Weise wird der Druck des Hydrauliköls mit Kammern 16a und 16b in Verbindung gesetzt und wirkt dadurch auf Hilfskolben 5a und 5b. Zusätzlich ist die Kammer 16a durch einen Drosselungskanal 17a mit einer Kammer 18a zwischen der Kolbenvorrichtung 4a und dem Hilfskolben 5a verbunden.

Dementsprechend ist die Kammer 16b durch einen Drosselungskanal 17b mit einer Kammer 18b zwischen der Kolbenvorrichtung 4b und dem Hilfskolben 5b verbunden. Darüber hinaus sind die Kammern 15a und 15b durch Drosselungskanäle 19a und 19b mit einer Kammer 20 verbunden, wobei diese Kammer 20 mit dem Magnetventil 10 verbunden ist. Die Kammern 13a und 13b sind jeweils mit Kanälen 21a und 21b verbunden. Die Kanäle 21a und 21b werden durch die Hilfskolben 5a und 5b gesperrt, wenn die letzteren in ihrer obersten Position sind (siehe 1-5), doch andernfalls münden die Kanäle 21a und 21b jeweils in die Kammern 16a und 16b ein.

Die Arbeitsweise der Nadelventile ist wie folgt. In der in 1 gezeigten Situation, wo das Magnetventil 10 geschlossen ist, wirkt der Druck des Hydrauliköls im Hydraulikkreis 9 auf alle Kammern und Kanäle, die mit dem Hydraulikölsystem verbunden sind. Die Drucke in den Kammern 18a und 18b drücken die Hilfskolben mit Unterstützung der Federn 12a und 12b in ihre oberste Position, wodurch die Kanäle 21a und 21b gesperrt werden, und drücken die Kolbenvorrichtungen 4a und 4b nach unten, wodurch sie die Ventilnadeln 2a und 2b in die geschlossene Position bringen. Wenn das Magnetventil 10 offen ist (3), wird die Kammer 20 durch das Ventil 10 mit wesentlich niedrigerem Druck verbunden, zum Beispiel mit atmosphärischem Druck, sodass der Druck in der Kammer 20 schnell abnimmt. Weil der Drosselungskanal 19a einen größeren Durchmesser hat als der Drosselungskanal 14a, und dementsprechend, weil der Drosselungskanal 19b einen größeren Durchmesser hat als der Drosselungskanal 14b, nimmt auch in den Kammern 15a und 16a und in den Kammern 15b und 16b der Druck schnell ab, wodurch Hydrauliköl jeweils durch die Drosselungskanäle 17a und 17b aus den Kammern 18a und 18b fließen kann.

Der Zuführungsdruck des Kraftstoffs in der Kammer 6aneigt dazu, die Ventilnadel 2a zu heben, und andrerseits neigt der Druck des in der Kammer 8a bleibenden Kraftstoffs dazu, die Ventilnadel 2b zu heben. Die Geschwindigkeiten, mit welchen sich die Ventilnadeln 2a und 2b heben, hängt davon ab, wie schnell das Öl in den Kammern 18a und 18b durch die Drosselungskanäle 17a und 17b fließen kann, um die Aufwärtsbewegung der Kolbenvorrichtungen 4a und 4b zuzulassen. Weil das erste Nadelventil erfindungsgemäß zuerst geöffnet wird, ist der Durchmesser der Querschnittsfläche der Kolbenvorrichtung 4a so gewählt, dass er kleiner ist als der Durchmesser der Kolbenvorrichtung 4b. Bei gleichem Durchmesser der Drosselungskanäle 17a und 17b bewegt sich die Kolbenvorrichtung 4a daher schneller nach oben (wie in den Zeichnungen gezeigt), und das erste Nadelventil öffnet sich zuerst. Diese Situation entspricht der in 3 gezeigten.

Dementsprechend lässt der Ölstrom aus der Kammer 18b durch den Drosselungskanal 17b in die Kammer 16b die Aufwärtsbewegung der Kolbenvorrichtung 4b zu, wodurch das zweite Nadelventil geöffnet wird. Weil dann beide Nadelventile offen sind, findet die Kraftstoffeinspritzung aus der gemeinsamen Zuführungsleitung an den Dichtflächen 7a und 7b der Ventile vorbei in den Zylinder der Maschine statt. Diese Situation entspricht der in 4 gezeigten.

5 und 6 zeigen die Situation beim Schließen der Nadelventile. Wenn das Magnetventil 10 schließt und die Verbindung der Kammer 20 und damit auch der anderen Kammern zum niedrigeren Druck gesperrt ist, beginnen die Drucke in den Kammern 20, 15a und 15b, und 16a und 16b zu steigen. Daher ist der Druck in Kammer 16a größer als der in Kammer 18a, und der Druck in Kammer 16b ist größer als der in Kammer 18b. Als Ergebnis beginnen die Hilfskolben 5a und 5b, sich nach unten zu bewegen, um die Drosselungskanäle 21a und 21b gleichzeitig zu öffnen. Weil der Drosselungskanal 21b einen größeren Durchmesser hat als der Drosselungskanal 21a, nimmt der Druck, der am Hilfskolben 5b anliegt, mit einer schnelleren Rate zu, was bewirkt, dass das zweite Nadelventil zuerst schließt, wodurch die Kraftstoffeinspritzung endet, siehe die Situation in 5. Wegen der Drosselungskanäle 19a und 19b wird dieser größere Druck, der durch den Drosselungskanal 21b übertragen wird, nicht zur Kammer 16a übertragen und wirkt nicht auf den Hilfskolben 5a. Daher ist die Abwärtsbewegung des Hilfskolbens 5a und daher die Schließung des ersten Nadelventils hauptsächlich vom erhöhten Druck abhängig, der durch den Drosselungskanal 21a übertragen wird. Wenn der Druck ausreichend gestiegen ist, schließt das erste Nadelventil. Die Situation entspricht der in 6 gezeigten.

Nach der Schließung der Nadelventile wird der Druck im Hydraulikölkreis 9 durch die Drosselungskanäle 17a und 17b zu den Kammern 18a und 18b übertragen, woraufhin die steigenden Drucke in den Kammern 18a und 18b und die Kraft der Federn 12a und 12b die Hilfskolben 5a und 5b in ihre in 1 gezeigte Anfangspositionen zurückbewegen, in welcher die Drosselungskanäle 21a und 21b wieder geschlossen sind.

In der beschriebenen Ausführungsform sind die Durchmesser der Drosselungskanäle 14a und 14b gleich. Dasselbe gilt auch für die Durchmesser der Drosselungskanäle 19a und 19b und für die Durchmesser der Drosselungskanäle 17a und 17b. Die Steuerung des relativen Zeitpunkts der Öffnung und Schließung der Nadelventile wird durch eine Differenz im Durchmesser der Kolbenvorrichtung 4a relativ zur Kolbenvorrichtung 4b und eine Differenz im Durchmesser des Drosselungskanals 21a relativ zum Drosselungskanal 21b erreicht. Wenn aber der Drosselungskanal 17a einen größeren Durchmesser als der Drosselungskanal 17b hat, ist es alternativ dazu möglich, sicherzustellen, dass das erste Nadelventil sich vor dem zweiten Nadelventil öffnet, selbst wenn die Durchmesser der Kolbenvorrichtungen 4a und 4b gleich sind. Demnach ist es möglich, den jeweiligen Durchmesser und die genaue Lage der Kanäle zu verändern, um sicherzustellen, dass das erste Nadelventil sich zuerst öffnet und zuletzt schließt, was für den Betrieb des Systems vorteilhaft ist.

Die beschriebene Struktur funktioniert so, dass die Nadelventile sich öffnen können, wenn der Druck im Hydraulikölsystem abnimmt. Deshalb ist es vorteilhaft, die gemeinsame Kraftstoffzuleitung, die zur Kraftstoffeinspritzung benutzt wird, mit einer Sicherheitseinrichtung zu versehen, die den Druck der gemeinsamen Leitung schnell absenkt, wenn der Druck des Hydrauliköls auf ein zu niedriges Niveau abfällt. Solch eine Sicherheitseinrichtung wird in EP-A-0964153 gezeigt.

Der Hydraulikölkreis kann zum Beispiel vorteilhafterweise Bestandteil des Schmierölkreises der Maschine sein, solange der Druck des Schmieröls zum Beispiel durch eine Druckverstärkerpumpe auf ein zum Steuern der Ventile geeignetes Niveau erhöht wird, z. B. auf etwa 200 bar. Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft, wenn Schweröl als eingespritzter Kraftstoff verwendet wird. In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst jedes Nadelventil mehrere Einzelteile, die auf betriebsfähige Weise miteinander verbunden sind. Diese Konstruktion ist hinsichtlich der Herstellung und Montage vorteilhaft. Doch alternative Konstruktionen anderen Typs sind auch möglich. Zum Beispiel können die Ventilnadeln 2a und 2b an den Steuerelementen 3a und 3b angebracht sein, wenn dies gewünscht wird.

Im Normalbetrieb bewegen sich die Kolbenvorrichtung 4 und das Steuerelement 3 jedes Nadelventils zusammen als eine Einheit, es sei denn, der Druck der Kraftstoffleitung und der Druck des Hydraulikölkreises fallen ab, wobei die Feder 11 in diesem Fall das Element 3 von der Kolbenvorrichtung 4 weg drückt und das Nadelventil schließt. Dieses Merkmal stellt sicher, dass die Nadelventile geschlossen sind, wenn das System nicht zum Gebrauch aktiviert ist. Zum Beispiel ist vor dem Anlassen der Maschine der Druck in der gemeinsamen Leitung niedrig, und im Hydraulikölkreis 9 ist kein Druck vorhanden. In diesem Fall schließen die Wirkungen der Federn 11 die Nadelventile und verhindern den Eintritt von Kraftstoff in den Zylinder.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die gezeigte Ausführungsform, sondern verschiedene Modifikationen sind im Rahmen der beiliegenden Ansprüche möglich.