DE10149961A1

DE10149961A1 - Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Common-Rail-Injektor, sowie Kraftstoffsystem und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10149961A1
Application number: DE2001149961
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) für Brennkraftmaschinen, insbesondere ein Common-Rail-Injektor, umfasst ein Gehäuse (32) und eine in dem Gehäuse (32) vorhandene Ausnehmung (38). In dieser ist mindestens ein Ventilelement (42) angeordnet. Ferner ist ein Ventilsitz (46) vorhanden, mit dem das Ventilelement (42) zusammenarbeitet. Zwischen einer Wand der Ausnehmung (38) und dem Ventilelement (42) ist ein Strömungsraum (78) vorhanden, welcher Teil eines Strömungswegs des Kraftstoffs ist. Um das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Ventilelement (42) im Bereich des Strömungsraums (78) einen Steuerabschnitt (80) aufweist, welcher mit einem Steuerabschnitt (82) der Ausnehmung (38) so zusammenwirkt, dass sich während einer axialen Bewegung des Ventilelements (42) eine bestimmte zeitliche Strömungscharakteristik ergibt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem Gehäuse, mit einer in dem Gehäuse vorhandenen Ausnehmung, mit mindestens einem Ventilelement, welches in der Ausnehmung angeordnet ist, mit einem Ventilsitz, mit dem das Ventilelement zusammenarbeitet, und mit einem Strömungsraum, welcher zwischen einer Wand der Ausnehmung und dem Ventilelement gebildet und Teil eines Strömungswegs des Kraftstoffs ist.

Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist vom Markt her bekannt. Bei ihr handelt es sich um einen Common- Rail-Injektor. In dessen Gehäuse ist eine Ventilnadel angeordnet, deren axiale Endfläche einen Steuerraum begrenzt. Der im Steuerraum vorliegende Druck kann variiert werden. An einer Druckfläche der Ventilnadel, deren Kraft- Resultierende entgegengesetzt zur axialen Endfläche der Ventilnadel ausgerichtet ist, liegt der normale hohe Fluiddruck an. Um die Ventilnadel von ihrem Ventilsitz abzuheben, wird der Druck im Steuerraum durch eine entsprechende Schaltung eines Steuerventils abgesenkt. Bei einer ausreichenden Druckdifferenz ergibt sich eine resultierende Kraft, welche die Ventilnadel von ihrem Ventilsitz abhebt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoff- Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit ihr ein besonders emissionsarmer Betrieb der Brennkraftmaschine möglich ist. Ferner soll die Laufruhe der Brennkraftmaschine verbessert werden.

Gleichzeitig soll die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung einfach bauen und preiswert hergestellt werden können. Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Ventilelement im Bereich des Strömungsraums einen Steuerabschnitt aufweist, welcher mit einem Steuerabschnitt der Ausnehmung so zusammenwirkt, dass sich während einer axialen Bewegung des Ventilelements eine bestimmte zeitliche Strömungscharakteristik ergibt.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ergibt sich aufgrund der Steuerabschnitte des Ventilelements und der Ausnehmung während des Öffnens und auch während des Schließens des Ventilelements eine bestimmte zeitliche Strömungscharakteristik ("rate shaping"). Hierunter ist in erster Linie ein bestimmter zeitlicher Verlauf des Kraftstoff-Mengenstroms zu verstehen. Durch die Steuerabschnitte wird während der Bewegung des Ventilelements eine variable Drossel geschaffen.

Durch eine entsprechende Ausbildung der Steuerabchnitte ist es beispielsweise möglich, dass zu Beginn des Öffnungshubs des Ventilelements nur ein geringer Kraftstoff-Mengenstrom vorliegt, welcher im weiteren Verlauf des Öffnungshubs des Ventilelements sehr rasch ansteigt. Umgekehrt ist es mit der erfindungsgemäßen Maßnahme möglich, dass beim Ende einer Einspritzung durch die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung der Kraftstoff-Mengenstrom relativ rasch versiegt. Hierdurch wird eine energetisch günstige Verbrennung im Brennraum möglich. Dies senkt die Emissionswerte im Betrieb der Brennkraftmaschine.

Gleichzeitig wird durch eine gleichmäßigere Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum auch die Laufruhe der Brennkraftmaschine verbessert. Die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung baut dabei sehr einfach und ist preiswert herzustellen, da die gewünschte zeitliche Strömungscharakteristik nicht durch eine komplexe Ventilsteuerung, sondern durch eine geometrische Ausformung bestimmter Bereiche am Ventilelement und der Wand der Ausnehmung des Gehäuses realisiert werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer ersten besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung wird vorgeschlagen, dass das Ventilelement einen Führungsabschnitt aufweist, welcher mit einem Führungsabschnitt der Ausnehmung zusammenarbeitet. Hierdurch wird die Präzision des Zusammenwirkens der beiden Steuerabschnitte verbessert, so dass die gewünschte zeitliche Strömungschakteristik mit hoher Genauigkeit über die gesamte Lebensdauer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung realisiert werden kann. Vorteilhaft ist es, wenn die Führungsabschnitte nahe bei den Steuerabschnitten angeordnet sind.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Führungsabschnitte stromaufwärts von den Steuerabschnitten angeordnet sind. Vor allem für eine Platzierung der Steuerabschnitte in der Nähe des Ventilsitzes steht stromaufwärts von den Steuerabschnitten ausreichend Platz zur Verfügung. Die Präzision der Führung des Ventilelements in der Ausnehmung wird hierdurch nochmals erhöht.

Vorgeschlagen wird auch, dass in der Wand des Ventilelements und/oder in der Wand der Ausnehmung im Bereich mindestens eines der Führungsabschnitte mindestens eine Fluidverbindung ausgebildet ist, welche Teil des Strömungswegs des Kraftstoffs ist. Auf diese Weise kann der Kraftstoff von einem Hochdruck-Einlass auf einfachem und direktem Wege zu den Steuerabschnitten bzw. zum Ventilsitz gelangen. Das Einbringen einer aufwendigen Bohrung in das Gehäuse ist nicht erforderlich, was die Kosten senkt.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung wird hierzu vorgeschlagen, dass die Wand des Führungsabschnitts der Ausnehmung wenigstens bereichsweise kreiszylindrisch ist und die Wand des Führungsabschnitts des Ventilelements mindestens einen Bereich aufweist, welcher komplementär zum Führungsabschnitt der Ausnehmung gekrümmt ist, und mindestens einen weiteren Bereich aufweist, welcher eben ist.

Durch die gekrümmten Bereiche der Führungsabschnitte wird eine sichere Führung des Ventilelements in der Ausnehmung im Gehäuse gewährleistet. Durch den ebenen Abschnitt am Ventilelement wird zwischen dem Ventilelement und der Wand der Ausnehmung ein Fluidkanal geschaffen, durch den der Kraftstoff strömen kann. Ein derartiger ebener Bereich kann sehr einfach und daher preisgünstig beispielsweise durch ein bereichsweises Abfräsen der ansonsten keiszylindrischen Mantelfläche des Ventilelements hergestellt werden.

Ferner ist es möglich, dass mindestens einer der Steuerabschnitte sich von einer Steuerkante aus erstreckt. Durch eine derartige Steuerkante wird eine definierte Begrenzung eines Steuerabschnitts geschaffen. Dies erleichtert die präzise Ausbildung der zeitlichen Strömungscharakteristik des Kraftstoffes während der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilelements.

Dabei wird wiederum vorgeschlagen, dass unmittelbar stromaufwärts des Steuerabschnitts der Ausnehmung in der Wand der Ausnehmung eine Umfangsnut vorhanden ist, deren zum Ventilsitz näher gelegener Rand eine Steuerkante bildet. Durch diese Umfangsnut wird eine gleichmäßige Anströmung der Steuerkante ermöglicht, wodurch die Ausformung der zeitlichen Strömungscharakteristik mit noch höherer Präzision und mit niedrigen Drosselverlusten möglich ist.

Eine einfach herzustellende Ausbildung der Steuerabschnitte besteht darin, dass der Steuerabschnitt der Ausnehmung und der Steuerabschnitt des Ventilelements einander gegenüberliegende und voneinander beabstandete Wandabschnitte umfassen, welche sich jeweils von einer ihnen zugeordneten Steuerkante aus erstrecken und welche sich dann, wenn das Ventilelement am Ventilsitz anliegt, um ein bestimmtes Maß überdecken, wobei die Überdeckung im Verlauf der Öffnungsbewegung des Ventilelements geringer wird. Durch die gegenüberliegenden und voneinander beabstandeten Wandabschnitte wird eine Drosselstelle geschaffen, deren Drosselwirkung vom Grad der Überdeckung der beiden Wandabschnitte abhängt.

Erfindungsgemäß ist die Überdeckung bei geschlossenem Ventilelement maximal, so dass unmittelbar nach Beginn der Öffnungsbewegung des Ventilelements noch eine vergleichsweise starke Drosselwirkung vorhanden ist. Im Verlauf der Öffnungsbewegung des Ventilelements wird die Drosselwirkung geringer, so dass der Kraftstoff-Mengenstrom größer wird. Mit dieser Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist ein für das Emissionsverhalten und die Laufruhe der Brennkraftmaschine günstiger Verlauf des Kraftstoff- Mengenstroms erzielbar, wobei die Formen der entsprechenden Steuerabschnitte am Ventilelement bzw. an der Wand der Ausnehmung leicht und preiswert herstellbar sind.

Möglich ist auch, dass mindestens einer der Wandabschnitte wenigstens bereichweise schräg ist, so dass der Abstand der diesem Wandabschnitt gegenüberliegenden Steuerkante von dem Wandabschnitt im Verlauf der Öffnungsbewegung des Ventilelements größer wird. Somit wird die Drosselwirkung nicht nur aufgrund der abnehmenden Überdeckung der beiden Wandabschnitte geringer, sondern auch aufgrund des im Verlauf der Öffnungsbewegung größer werdenden Strömungsquerschnitts. Auch dies ist einfach herzustellen und ermöglicht die Ausbildung eines beinahe beliebigen zeitlichen Strömungsverlaufs des Kraftstoffs während einer Öffnungs- oder Schließbewegung des Ventilelements. Natürlich ist auch denkbar, den Wandabschnitt so auszubilden, dass die Drosselwirkung während der Öffnungsbewegung des Ventilelements zunimmt.

Wenn die axiale Erstreckung mindestens eines Steuerabschnitts kleiner ist als ein bestimmter Hub des Ventilelements, so dass sich die Randabschnitte der Steuerabschnitte mindestens ab dem bestimmten Hub des Ventilelements nicht mehr überdecken, steht ab diesem bestimmten Hub des Ventilelements ein großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung, welcher die schnelle Einbringung großer Kraftstoffmengen in den Brennraum der Brennkraftmaschine gestattet.

Die Erfindung betrifft auch ein Kraftstoffsystem mit einem Kraftstoffbehälter, mit mindestens einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung, welche den Kraftstoff direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzt, mit mindestens einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, und mit einer Kraftstoff-Sammelleitung, an die die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung angeschlossen ist.

Um mit einem solchen Kraftstoffsystem einen emissionsoptimalen Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung des Kraftstoffsystems in der obigen Art ausgebildet ist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, in den der Kraftstoff direkt eingespritzt wird.

Um die Brennkraftmaschine emissionsoptimal betreiben zu können und um eine hohe Laufruhe im Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleisten zu können, wird vorgeschlagen, dass sie ein Kraftstoffsystem der obigen Art aufweist.

Zeichnung

Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffsystem und mehreren Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen;
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer der Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen von Fig. 1;
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Detailansicht eines Bereichs der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von Fig. 2;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung längs der Linien IV-IV der Fig. 2 und 3;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung längs der Linien V-V der Fig. 2 und 3; und
Fig. 6 eine Detaildarstellung ähnlich Fig. 3 eines Bereichs eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Kraftstoffsystem 12.
Das Kraftstoffsystem 12 weist wiederum einen Kraftstoffbehälter 14 auf, aus dem eine elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe 16 den Kraftstoff zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18. Diese fördert den Kraftstoff weiter in eine Kraftstoff-Sammelleitung 20, welche auch als "Rail" bezeichnet wird und in der der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. An die Kraftstoff- Sammelleitung 20 sind über Hochdruckleitungen 22 mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 24 angeschlossen. Diese werden weiter unten im Detail im Zusammenhang mit den Fig. 2-5 erläutert. Über Niederdruckleitungen 26 und eine Leckageleitung 28 sind die Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen 24 wiederum mit dem Kraftstoffbehälter 14 verbunden. Die Kraftstoff- Einspritzvorrichtungen 24 spritzen den Kraftstoff direkt in Brennräume 30 ein.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Kraftstoff- Einspritzvorrichtung 24 handelt es sich um einen Common- Rail-Injektor, welcher den Kraftstoff vorzugsweise so in den ihm zugeordneten Brennraum 30 einspritzt, dass dieser dort geschichtet vorliegt. Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 wird mit Benzin betrieben. Möglich ist aber auch die Einspritzung von Dieselkraftstoff durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24.
Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 32. Dieses besteht u. a. aus einem Düsenkörper 34 und einer Zwischenscheibe 36. Der Düsenkörper 34 und die Zwischenscheibe 36 sind über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Düsenspannmutter gegeneinander verspannt. Im Düsenkörper 34 verläuft in dessen Längsrichtung eine sacklochartige Ausnehmung 38. Das in Fig. 2 untere Ende des Düsenkörpers 34 ist als Einspritz-Ende ausgebildet. Über eine Austrittsöffnung 40 im Einspritz-Ende des Düsenkörpers 34 ist ein Außenbereich mit der Ausnehmung 38 verbunden.
In der Ausnehmung 38 des Düsenkörpers 34 ist eine Ventilnadel 42 angeordnet. Sie verläuft insgesamt koaxial zur Ausnehmung 38 und ist axial beweglich. An ihrem in Fig. 2 unteren Ende trägt die Ventilnadel 42 eine sich konisch verjüngende Funktionsfläche 44, welche im geschlossenen Zustand der Ventilnadel 42 an einem ringkantenförmigen Ventilsitz 46 anliegt. Die Ventilnadel 42 wird gegen den Ventilsitz 46 u. a. durch eine Druckfeder 48 gedrückt, die sich einerseits an einem Hülsenteil 50 und andererseits an einem Zwischenring 52 abstützt.
Der Zwischenring 52 ist auf einen oberen Endabschnitt 54 der Ventilnadel 42 koaxial aufgesetzt. Mit einem in Fig. 2 unteren und radial nach außen verlaufenden Kragen (ohne Bezugszeichen) stützt sich der Zwischenring 52 wiederum an einem Ringbund 56 der Ventilnadel 42 ab. Unterhalb des Ringbunds 56 ist eine Druckfläche 57 an der Ventilnadel ausgebildet, deren Kraft-Resultierende (gestrichelter Pfeil) nach oben zeigt. Die Wand des Hülsenteils 50 verjüngt sich in Fig. 2 nach oben, so dass eine Schneidkante gebildet wird, mit der sich das Hülsenteil 50 an der Zwischenscheibe 36 fluiddicht abstützt.
Zwischen dem Ringbund 56, dem Zwischenring 52, dem oberen Endabschnitt 54 und dem Hülsenteil 50 einerseits und der Wand der Ausnehmung 38 andererseits ist ein oberer Ringraum 58 vorhanden, der über einen in der Zwischenscheibe 36 vorhandenen Strömungskanal 60 mit der Hochdruckleitung 22 verbunden ist. Der obere Endabschnitt 54 der Ventilnadel 42 wird in Fig. 2 nach oben hin durch eine Steuerfläche 62 begrenzt. Deren Kraft-Resultierende (gestrichelter Pfeil) weist in Fig. 2 nach unten.
Zwischen der Steuerfläche 62, dem Hülsenteil 50 und der Zwischenscheibe 36 ist ein Steuerraum 64 vorhanden. Über ein Steuerventil 66, welches von einem Aktor 68 betätigt wird, kann der Steuerraum 64 über eine Ablauf- Strömungsdrossel 70 und einen Niederdruckkanal 72 mit der Niederdruckleitung 26 verbunden werden. Der Steuerraum 64 ist ferner durch eine Zulaufdrossel 74 mit dem Ringraum 58 verbunden.
Zwischen einem unteren Endabschnitt 76 der Ventilnadel 42 und der Wand der Ausnehmung 38 ist ein unterer Ringraum 78 vorhanden. Zwischen dem unteren Ringraum 78 und dem oberen Ringraum 58 erstrecken sich Steuerabschnitte 80 und 82 der Ventilnadel 42 bzw. der Ausnehmung 38 sowie Führungsabschnitte 84 und 86 ebenfalls der Ventilnadel 42 bzw. der Ausnehmung 38. Deren Ausgestaltung ist im Detail insbesondere aus den Fig. 3-5 ersichtlich. Aus Darstellungsgründen sind in Fig. 2 in diesem Bereich nicht alle Bezugszeichen eingetragen.
Die Führungsabschnitte 84 und 86 sind folgendermaßen gestaltet:
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, hat der Führungsabschnitt 86 der Ausnehmung 38 kreiszylindrischen Querschnitt. Der Führungsabschnitt 84 der Ventilnadel 42 besteht aus vier über den Umfang der Ventilnadel 42 gleichmäßig verteilten Führungsbereichen 88a-d, welche komplementär zum Führungsabschnitt 86 der Ausnehmung 38 gekrümmt sind. Die Führungsbereiche 88a-d der Ventilnadel 42 arbeiten mit dem Führungsabschnitt 86 der Ausnehmung 38 in engem Gleitspiegel zusammen. Auf diese Weise ist die radiale Position der Ventilnadel 42 gegenüber der Ausnehmung 38 mit hoher Präzision festgelegt.
In Umfangsrichtung zwischen den Führungsbereichen 88a-d sind im Bereich des Führungsabschnitts 84 der Ventilnadel 42 vier ebene Flächen 90a-d vorhanden (Fig. 4). Diese können z. B. dadurch hergestellt werden, dass die ursprünglich vollständig kreiszylindrische Ventilnadel 42 in diesen Bereichen jeweils flach abgefräst wird. Auf diese Weise werden zwischen den ebenen Flächen 90a-d der Ventilnadel 42 im Bereich von deren Führungsabschnitt 84 und dem Führungsabschnitt 86 der Ausnehmung 38 Fluidverbindungen 92a-d geschaffen, über die der obere Ringraum 58 mit dem unteren Ringraum 78 verbunden ist.
Die Steuerabschnitte 80 und 82 sind folgendermaßen gestaltet:
Beim Steuerabschnitt 82 der Ausnehmung 38 handelt es sich um einen Bereich, welcher gleich wie der Führungsabschnitt 86 ausgebildet ist (kreiszylindrischer Querschnitt mit gleichem Durchmesser). Zwischen dem Steuerabschnitt 82 und dem Führungsabschnitt 86 ist in die Wand der Ausnehmung 38 eine Umfangsnut 94 eingearbeitet. Der in den Fig. 2 und 3 untere Rand der Umfangsnut 94 bildet eine Steuerkante 96.
Der Steuerabschnitt 80 der Ventilnadel 42 ist als Ringbund ausgebildet. Der Außendurchmesser des Ringbunds 80 ist etwas kleiner als jener der Führungsbereiche 88a-d der Ventilnadel 42. Auf diese Weise ist die radial äußere Wand des Ringbunds 80 von der Wand des Steuerabschnitts 82 der Ausnehmung 38 in radialer Richtung um eine Entfernung d beabstandet (Fig. 3). Der in den Fig. 2 und 3 untere Rand des Ringbunds 80 bildet eine Steuerkante 98. Die Höhe des Ringbunds 80 ist kleiner als der maximal mögliche Hub hmax der Ventilnadel 42 (vgl. Fig. 3). Gleichzeitig ist die Höhe der Umfangsnut 94 größer als der maximal mögliche Hub hmax der Ventilnadel 42. Die Überdeckung der beiden Steuerabschnitte 80 und 82 der Ventilnadel 42 bzw. der Ausnehmung 38 ist in Fig. 3 mit 1 gekennzeichnet.
Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 arbeitet folgendermaßen:
Im Normalbetrieb herrscht im oberen Ringraum 58 und im unteren Ringraum 78 der volle Systemdruck, welcher in die beiden Ringräume über den Hochdruckkanal 60 und die Hochdruckleitungen 22 von der Kraftstoff-Sammelleitung 20 übertragen wird. Die Verbindung zwischen dem oberen Ringraum 58 und dem unteren Ringraum 78 erfolgt über die Fluidverbindungen 92a-d, die Umfangsnut 94 und den zwischen dem Ringbund 80 und der Wand der Ausnehmung 38 vorhandenen Spalt. Der Systemdruck wird über die Zulaufdrossel 74 auch in den Steuerraum 64 übertragen. Zusammen mit der Druckfeder 48 drückt die Kraft-Resultierende der Steuerfläche 62 die Ventilnadel 42 mit der Funktionsfläche 44 gegen den Ventilsitz 46. Der untere Ringraum 78 ist somit von der Austrittsöffnung 40 getrennt. Das Steuerventil 66 ist geschlossen.
Um eine Einspritzung durchzuführen, öffnet das Steuerventil 66. Hierdurch wird der Steuerraum 64 über den Niederdruckkanal 72 mit der Niederdruckleitung 26 verbunden. Da aufgrund der Strömungsdrossel 74 der Kraftstoff nur mit einer gewissen Verzögerung aus dem Ringraum 58 in den Steuerraum 64 nachströmen kann, sinkt der Druck im Steuerraum 64 ab. Der Betrag der Kraft- Resultierenden, welche von der Steuerfläche 62 ausgeht, wird somit kleiner. An der Druckfläche 57 unterhalb des Ringbunds 56 der Ventilnadel 42 und an dem stromaufwärts vom Ventilsitz 46 gelegenen Bereich der Funktionsfläche 44 liegt jedoch weiter der volle Systemdruck an, welcher im oberen Ringraum 58 und im unteren Ringraum 78 herrscht.
Ist der Druck im Steuerraum 64 weit genug abgesunken, wird die Ventilnadel 42 aufgrund der Kraft-Resultierenden, welche an der Druckfläche 57 und der Funktionsfläche 44 angreift, gegen die Kraft der Druckfeder 48 und der Kraft- Resultierenden, welche an der Steuerfläche 62 angreift, geöffnet. Sie bewegt sich somit in den Fig. 2 und 3 nach oben, so dass die Funktionsfläche 44 vom Ventilsitz 46 abhebt und der untere Ringraum 78 mit der Austrittsöffnung 40 verbunden wird.
Unmittelbar nach Beginn der Öffnungsbewegung der Ventilnadel 42 kann der Kraftstoff nur durch den Spalt zwischen dem Ringbund 80 und der Wand des Steuerabschnitts 82 der Ausnehmung 38 strömen, welcher zu diesem Zeitpunkt noch in etwa die Länge 1 hat, was der Überdeckung der beiden Steuerabschnitte 80 und 82 entspricht, hat. Im Verlauf der Öffnungsbewegung wird jedoch die Überdeckung des Steuerabschnitts 80 der Ventilnadel 42 mit dem Steuerabschnitt 82 der Ausnehmung 38 kleiner, da sich die Steuerkante 98 auf die Steuerkante 96 zubewegt, so dass der Kraftstoff-Mengenstrom im Verlauf der Öffnungsbewegung der Ventilnadel 42 ansteigt. Durch die Steuerkanten 96 und 98 wird der Grad der Überdeckung exakt festgelegt.
Wenn der Hub h der Ventilnadel 42 größer als die anfängliche Überdeckung 1 ist, kann der Kraftstoff im Wesentlichen ungedrosselt vom oberen Ringraum 58 in den unteren Ringraum 78 und von dort weiter zur Austrittsöffnung 40 gelangen. Auf diese Weise wird während einer Öffnungsbewegung der Ventilnadel 42 ein bestimmter zeitlicher Verlauf des Kraftstoff-Mengenstroms gebildet, welcher aus der Austrittsöffnung 40 austritt. Die obigen Ausführungen gelten für eine Schließbewegung der Ventilnadel 42 analog.
In Fig. 6 ist eine Variante der Ausbildung des Steuerabschnitts 80 der Ventilnadel 42 dargestellt. Solche Teile, Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Teilen, Elementen und Bereichen des vorhergehenden Ausführungsbeispieles aufweisen, tragen die gleichen Bezugszeichen. Auf sie wird hier nicht nochmals im Detail eingegangen.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, weist der Steuerabschnitt bzw. der Ringbund 80 der Ventilnadel 42 zwei Bereiche auf:
Ein erster Bereich 80a hat konstanten Durchmesser, wohingegen ein zweiter Bereich 80b, welcher in Fig. 6 unterhalb des Bereichs 80a angordnet ist, sich nach unten hin verjüngt. Im Gegensatz zu dem in den Fig. 2-5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird somit während einer Öffnungsbewegung der Ventilnadel 42 der Kraftstoff- Mengenstrom, welcher durch den Spalt zwischen dem Ringbund 80 der Ventilnadel 42 und dem Steuerabschnitt 82 der Ausnehmung 38 hindurchtreten kann, nicht nur durch das Maß der Überdeckung der beiden Steuerabschnitte 80 und 82, sondern auch noch durch den im Verlauf der Öffnungsbewegung der Ventilnadel 42 variablen Abstand des Ringbunds 80 der Ventilnadel 42 vom Steuerabschnitt 82 bzw. der Steuerkante 96 der Ausnehmung 38 beeinflusst. Je nach dem Neigungswinkel der Mantelfläche des Bereichs 80b des Ringbunds 80 der Ventilnadel 42 kann ein bestimmter Kraftstoff-Mengenstrom-Verlauf erzielt werden. Möglich sind auch beliebige gekrümmte Steuerabschnitte.
Aus den Fig. 3-6 geht hervor, dass die Funktion, durch die der zeitliche Strömungsverlauf während einer Bewegung der Ventilnadel 42 geformt wird ("rate shaping"), und die Führung der Ventilnadel 42 im Düsenkörper 34 miteinander im Sinne einer Integration eng verknüpft sind. Somit kann auf eine zusätzliche Führung für die besagte Funktion verzichtet werden.

Claims

1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) für Brennkraftmaschinen (10), insbesondere Common-Rail- Injektor, mit einem Gehäuse (32), mit einer in dem Gehäuse (32) vorhandenen Ausnehmung (38), mit mindestens einem Ventilelement (42), welches in der Ausnehmung (38) angeordnet ist, mit einem Ventilsitz (46), mit dem das Ventilelement (42) zusammenarbeitet, und mit einem Strömungsraum (78), welcher zwischen einer Wand der Ausnehmung (38) und dem Ventilelement (42) gebildet und Teil eines Strömungswegs des Kraftstoffs ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (42) im Bereich des Strömungsraums (78) einen Steuerabschnitt (80) aufweist, welcher mit einem Steuerabschnitt (82) der Ausnehmung (38) so zusammenwirkt, dass sich während einer axialen Bewegung des Ventilelements (42) eine bestimmte zeitliche Strömungscharakteristik ergibt.

2. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (42) einen Führungsabschnitt (84) aufweist, welcher mit einem Führungsabschnitt (86) der Ausnehmung zusammenarbeitet.

3. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsabschnitte (84, 86) stromaufwärts von den Steuerabschnitten (80, 82) angeordnet sind.

4. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand des Ventilelements (42) und/oder in der Wand der Ausnehmung im Bereich mindestens eines der Führungsabschnitte (84) mindestens eine Fluidverbindung (92) ausgebildet ist, welche Teil des Strömungswegs des Kraftstoffs ist.

5. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Führungsabschnitts (86) der Ausnehmung (38) wenigstens bereichsweise kreiszylindrisch ist und die Wand des Führungsabschnitts (84) des Ventilelements (42) mindestens einen Bereich (88) aufweist, welcher komplementär zum Führungsabschnitt (86) der Ausnehmung (38) gekrümmt ist, und mindestens einen weiteren Bereich (90) aufweist, welcher eben ist.

6. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Steuerabschnitte (80, 82) sich von einer Steuerkante (96, 98) aus erstreckt.

7. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar stromaufwärts des Steuerabschnitts (82) der Ausnehmung (38) in der Wand der Ausnehmung (38) eine Umfangsnut (94) vorhanden ist, deren zum Ventilsitz (46) näher gelegener Rand eine Steuerkante (96) bildet.

8. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerabschnitt (82) der Ausnehmung (38) und der Steuerabschnitt (80) des Ventilelements (42) einander gegenüberliegende und voneinander beabstandete Wandabschnitte umfassen, welche sich jeweils von einer ihnen zugeordneten Steuerkante (96, 98) aus erstrecken und welche sich dann, wenn das Ventilelement (42) am Ventilsitz (46) anliegt, um ein bestimmtes Maß (1) überdecken, wobei die Überdeckung im Verlauf der Öffnungsbewegung des Ventilelements (42) geringer wird.

9. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wandabschnitte (80) wenigstens bereichsweise (80b) schräg ist, so dass der Abstand der diesem Wandabschnitt (80b) gegenüberliegenden Steuerkante (96) von dem Wandabschnitt (80b) im Verlauf der Öffnungsbewegung des Ventilelements (42) größer wird.

10. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung (d) mindestens eines Steuerabschnitts (80) kleiner ist als ein bestimmter Hub (hmax) des Ventilelements (42), so dass sich die Steuerabschnitte (80, 82) mindestens bei dem bestimmten Hub (hmax) des Ventilelements (42) nicht mehr überdecken.

11. Kraftstoffsystem (12) mit einem Kraftstoffbehälter (14), mit mindestens einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24), welche den Kraftstoff direkt in den Brennraum (30) einer Brennkraftmaschine (10) einspritzt, mit mindestens einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe (18), und mit einer Kraftstoff-Sammelleitung (20), an die die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung (24) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.

12. Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Brennraum, in den der Kraftstoff direkt eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kraftstoffsystem (12) nach Anspruch 11 aufweist.