DE19941463A1

DE19941463A1 - Magnet-Injektor für Kraftstoff-Speichereinspritzsysteme

Info

Publication number: DE19941463A1
Application number: DE19941463A
Authority: DE
Inventors: Patrick Mattes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2001-03-15
Also published as: KR20010082242A; EP1125050A1; EP1125050B1; CZ20011510A3; JP2003508670A; DE50008748D1; US6422209B1; WO2001016479A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Magnet-Injektor für Kraftstoff-Speichereinspritzsysteme, mit: DOLLAR A - einem Kraftstoffzulauf (12) und einem Kraftstoffablauf (14); DOLLAR A - einem Steuerraum (24), der mit dem Zulauf (12) verbunden ist; DOLLAR A - einer Düse (16), die mit dem Zulauf (12) verbunden ist; und DOLLAR A - einer Düsennadel (26), die eine Spitze (30) zum Verschließen der Düsenöffnung (18) und ein Schaftende (32) aufweist, das an den Steuerraum (24) grenzt; und DOLLAR A - einem Magnetventil (36), das einen ersten Elektromagneten (46), einen Anker (50), einen Ventilraum (38), der über einen ersten Durchgang mit dem Ablauf (14) und über einen zweiten Durchgang (42) mit dem Steuerraum (24) verbunden ist, und einen Drosselkörper (40) aufweist, der sich in dem Ventilraum (38) befindet und mit dem Anker (50) verbunden ist, DOLLAR A wobei der Drosselkörper (40) im Ruhezustand des Injektors in einer ersten Endstellung, in der er einen der beiden Durchgänge versperrt, gehalten wird und durch Ansteuern des ersten Magneten (46) zu einer zweiten Endstellung hin bewegt wird, in der er diesen Durchgang freigibt. Um kürzere Schaltzeiten zu ermöglichen, weist das Magnetventil (36) einen zweiten Elektromagneten (48) auf, der bei Ansteuerung entgegengesetzt zu dem ersten Elektromagneten (46) auf den Anker (50) einwirkt. Der Drosselkörper (40) ist so ausgebildet, dass er in seiner zweiten Endstellung den anderen (42) der beiden Durchgänge versperrt und auf dem Weg zwischen seinen beiden Endstellungen beide Durchgänge freigibt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Magnet-Injektor für Kraftstoff-Speichereinspritzsysteme, mit:

- einem Kraftstoffzulauf und einem Kraftstoffablauf; einem Steuerraum, der mit dem Zulauf verbunden ist; einer Düse, die mit dem Zulauf verbunden ist; und einer Düsennadel, die eine Spitze zum Verschließen der Düsenöffnung und ein Schaftende aufweist, das an den Steuerraum grenzt; und
- einem Magnetventil, das einen ersten Elektromagneten, einen Anker, einen Ventilraum, der über einen ersten Durchgang mit dem Ablauf und über einen zweiten Durchgang mit dem Steuerraum verbunden ist, und einen Drosselkörper aufweist, der sich in dem Ventilraum befindet und mit dem Anker verbunden ist,

wobei der Drosselkörper im Ruhezustand des Injektors in einer ersten Endstellung, in der er einen der beiden Durchgänge versperrt, gehalten wird und durch Ansteuern des ersten Magneten zu einer zweiten Endstellung hin bewegt wird, in der er diesen Durchgang freigibt.

Ein derartiger Magnet-Injektor ist bereits aus dem Buch "Dieselmotor-Management/Bosch", Seiten 274 bis 277 (2. Auflage 1998, herausgegeben von der Robert Bosch GmbH, ISBN 3-528-03873-X) bekannt.

Kraftstoff-Speichereinspritzsysteme werden derzeit überwiegend in Dieselmotoren eingesetzt. Sie weisen neben den Injektoren für die Zylinder noch einen Hochdruckspeicher ("Common Rail") und eine Hochdruckpumpe für den Kraftstoff auf. Die Hochdruckpumpe verdichtet den Kraftstoff in dem Speicher auf den sogenannten Systemdruck, der zur Zeit bei bis zu 1350 bar liegen kann. Dieser Speicher ist mit dem Kraftstoffzulauf des Injektors verbunden.

Bei dem bekannten Magnet-Injektor weist das Magnetventil einen einzelnen Elektromagneten auf, versperrt der Drosselkörper in seiner ersten Endstellung den zweiten Durchgang, über den der Ventilraum mit dem Steuerraum verbunden ist, und ist der erste Durchgang, über den der Ventilraum mit dem Ablauf verbunden ist, derart angeordnet, dass er durch den Drosselkörper nicht versperrt werden kann. Wenn der Magnet angesteuert wird, dann zieht er den Anker an, der den Drosselkörper mitnimmt, bis sie sich in ihrer zweiten Endstellung befindet, in der sowohl der zweite Durchgang zum Steuerraum als auch der erste Durchgang zum Ablauf frei sind.

Die Arbeitsweise des bekannten Magnet-Injektors lässt sich bei laufendem Motor wie folgt zusammenfassen.

Im Ruhezustand ist der Injektor geschlossen, so dass der Kraftstoff nicht durch die Düse in den Brennraum des Zylinders gelangen kann. Zu diesem Zweck ist der Elektromagnet des Magnetventils nicht angesteuert, so dass eine Ventilfeder den Drosselkörper in der ersten Endstellung hält, in der er den zweiten Durchgang zum Steuerraum versperrt. Somit herrscht im Steuerraum der von dem Hochdruckspeicher angelegte Systemdruck, der auch in der Düse herrscht. Da die Düsennadel mit ihrem Schaftende, das ihrer Spitze gegenüberliegt, an den Steuerraum grenzt, wirkt der Druck in dem Steuerraum auf das Schaftende, so dass auf die Düsennadel eine Kraft Richtung Spitze aufgebracht wird. Eine Düsenfeder, die dazu dient, bei nicht laufendem Motor und somit fehlendem Hochdruck im Hochdruckspeicher die Spitze in die Düsenöffnung vorzuspannen und so den Injektor zu schließen, übt ebenfalls eine Kraft Richtung Spitze auf die Düsennadel aus. Diese beiden Schließkräfte übersteigen im Ruhezustand die ebenfalls an der Düsennadel angreifende Öffnungskraft, die von dem Druck in der Düse auf die sich dort verjüngende Spitze der Düsennadel herrührt.

Zum Einspritzbeginn öffnet sich der Injektor, indem das Magnetventil angesteuert wird. Hierzu wird der sogenannte Anzugsstrom durch den Elektromagneten geleitet, was einem schnellen Öffnen des Magnetventils dient. Dieser übt nun eine Kraft auf den Anker aus, die die entgegengesetzte Kraft der Ventilfeder übersteigt, so dass der Anker auf seiner Bewegung zum Elektromagneten hin den Drosselkörper mitnimmt und ihn in die zweite Endstellung bringt. Dadurch wird der zweite Durchgang, über den der Ventilraum mit dem Steuerraum verbunden ist, freigegeben. Nun kann Kraftstoff aus dem Steuerraum durch diesen zweiten Durchgang in den Ventilraum und weiter durch den ersten Durchgang zum Kraftstoffablauf abfließen, der mit dem Kraftstoffbehälter verbunden ist. Folglich sinkt der Druck im Steuerraum, der schnell kleiner ist als der Druck in der Düse, der noch immer dem Systemdruck entspricht. Da nun dieser verringerte Druck im Steuerraum auf das Schaftende der Düsennadel wirkt, sinkt auch diese Schließkraft auf die Düsennadel, so dass die Öffnungskraft durch den Systemdruck in der Düse überwiegt und die Düsennadel aus der Düsenöffnung gezogen wird. Der unter Systemdruck stehende Kraftstoff kann nun durch die Düsenöffnung aus dem Injektor austreten, die Einspritzung beginnt.

Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel wird vom Unterschied zwischen dem Durchfluss von dem Kraftstoffzulauf in den Steuerraum und dem Durchfluss aus dem Steuerraum durch den zweiten Durchgang in den Ventilraum bestimmt. Das Schaftende der Düsennadel dringt so weit in den Steuerraum hinein, bis die Schließ- und Öffnungskräfte auf die Düsennadel ausgeglichen sind, und er verharrt dann auf einem Kraftstoffpolster. Dieses entsteht durch den Kraftstoffstrom, der sich im Steuerraum einstellt. Die Düse ist nun voll geöffnet, und der Kraftstoff wird mit einem Druck, der annähernd dem Systemdruck im Hochdruckspeicher entspricht, in den Brennraum eingespritzt.

Am Ende der Einspritzung wird das Magnetventil nicht mehr angesteuert, so dass der Anker durch die Kraft der Ventilfeder von dem Elektromagneten weg gedrückt wird und der Drosselkörper wieder den zweiten Durchgang versperrt. Folglich baut sich im Steuerraum durch den vom Zulauf weiter einströmenden Kraftstoff wieder der Systemdruck auf. Dieser ansteigende Druck führt zu einer ansteigenden Kraft auf die Düsennadel. Sobald diese Schließkraft aus dem Steuerraum und die Kraft der Düsenfeder die Öffnungskraft aus der Düse überschreiten, wird die Düsennadel zur Düsenöffnung hin bewegt, bis die Düsenöffnung wieder durch die Spitze verschlossen ist. Die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel wird durch den Durchfluss des Kraftstoffs vom Zulauf in den Steuerraum bestimmt. Die Einspritzung endet, wenn die Düsennadel ihren unteren Anschlag erreicht und ihre Spitze in der Düsenöffnung sitzt.

Ein Nachteil dieses bekannten Magnet-Injektors besteht jedoch darin, dass seine Schaltzeiten zu hoch sind, um eine Voreinspritzung mit reproduzierbaren kleinen Voreinspritzmengen von 1 mm³ und weniger zu ermöglichen. Dies liegt daran, dass das verwendete Magnetventil nur eine begrenzte Ankergeschwindigkeit zulässt. Diese kann zwar durch Erhöhung des Anzugsstroms vergrößert werden, jedoch tritt dann zunehmend Ankerprellen auf, was einen ballistischen Betrieb mit Mengenschwankungen von bis zu ±50% der eingespritzten Menge bewirkt. Erhöhte Abgasemissionen und Gleichlaufschwankungen des Motors sind die Folge.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnet-Injektor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, der kürzere Schaltzeiten ermöglicht, so dass auch kleine Einspritzmengen von weniger als 1 mm³ reproduzierbar dargestellt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass:

- das Magnetventil einen zweiten Elektromagneten aufweist, der bei Ansteuerung entgegengesetzt zu dem ersten Elektromagneten auf den Anker einwirkt; und
- der Drosselkörper so ausgebildet ist, dass er in seiner zweiten Endstellung den anderen der beiden Durchgänge versperrt und auf dem Weg zwischen seinen beiden Endstellungen beide Durchgänge freigibt.

Dieser Magnet-Injektor weist folglich ein Magnetventil mit zwei entgegengesetzt wirkenden Elektromagneten und einem gemeinsamen Anker auf. Außerdem ist der Drosselkörper so ausgebildet, dass er in einer seiner beiden Endstellungen einen der beiden in den Ventilraum mündenden Durchgänge versperrt und den anderen Durchgang freigibt und in seiner anderen Endstellung umgekehrt diesen einen Durchgang freigibt und den anderen Durchgang versperrt.

Mit diesem Magnet-Injektor wird eine beispielsweise für die Voreinspritzung gewünschte kleine Einspritzmenge dadurch abgegeben, dass einfach der erste Elektromagnet mit dem Anzugsstrom angesteuert wird, der dann den Anker anzieht.

Dadurch wird der Drosselkörper von seiner ersten Endstellung zu seiner zweiten Endstellung hin bewegt. Die hierfür benötigte Zeit genügt, um den Steuerraum so zu entlasten, dass eine kleine Voreinspritzung erzeugt wird. Da in beiden Endstellungen des Drosselkörpers der Kraftstofffluss vom Steuerraum zum Ablauf unterbrochen ist, nicht aber auf dem Hubweg des Drosselkörpers, wird die Voreinspritzung beendet, ohne dass die Bewegungsrichtung des Drosselkörpers umgekehrt werden muss. Dadurch kann im Vergleich zu dem bekannten Magnet-Injektor mit nur einem Elektromagneten die Schaltzeit deutlich verringert werden.

Außerdem werden durch den definierten Anschlag des Drosselkörpers am zu versperrenden Durchgang Schwankungen der Einspritzmenge vermieden.

Um die Haupteinspritzung zu erzeugen, werden beide Elektromagnete angesteuert, so dass der Drosselkörper aus seiner zweiten Endstellung gebracht und in einer Mittelstellung gehalten wird, in der er beide Durchgänge freigibt. In dieser Mittelstellung fließt der Kraftstoff ständig aus dem Steuerraum durch den zweiten Durchgang in den Ventilraum, weiter durch den ersten Durchgang zum Ablauf und schließlich zurück zum Kraftstoffbehälter. Der Druck im Steuerraum sinkt wie bei dem bekannten Magnet- Injektor ab, so dass das Schaftende der Düsennadel in den Steuerraum und ihre Spitze aus der Düsenöffnung gezogen werden. Der vom Zulauf in den Steuerraum zufließende Kraftstoff sorgt für das Kraftstoffpolster, wenn die Düsennadel ihren oberen Anschlag erreicht hat.

Im Ruhezustand des Injektors kann der Drosselkörper dadurch in seiner ersten Endstellung gehalten werden, dass der zweite Elektromagnet angesteuert wird. In diesem Fall ist zwar der konstruktive Aufwand niedrig, dafür muss jedoch der hierfür erforderliche Strom vom Motor aufgebracht werden, was in Hinblick auf die im Verhältnis zur Einspritzdauer sehr viel längere Pause zwischen zwei Einspritzungen zu einer deutlichen Absenkung des Wirkungsgrades führt. Deshalb ist bevorzugt eine Ventilfeder vorgesehen ist, die den Drosselkörper in seine erste Endstellung vorspannt.

Weiter wird bevorzugt, dass der Steuerraum über eine Ablaufdrossel mit dem Ventilraum und/oder über eine Zulaufdrossel mit dem Zulauf verbunden ist. Mit Hilfe dieser Drosseln können der Durchfluss von dem Kraftstoffzulauf in den Steuerraum bzw. der Durchfluss aus dem Steuerraum in den Ventilraum nach Wunsch vorbestimmt werden, die beispielsweise die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit der Düsennadel oder das Volumen des Kraftstoffpolsters im Steuerraum bei voll geöffnetem Injektor bestimmen.

Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass eine Ausgleichskammer mit dem Zulauf verbunden ist, und dass der Anker mit einem Ankerschaft verbunden ist, dessen freie Stirnfläche an die Ausgleichskammer grenzt. Denn dadurch ist der Drosselkörper fast vollständig kraftausgeglichen, so dass er schnell auf die von den Elektromagneten ausgeübten Kräfte reagieren kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Einzelheiten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Magnet-Injektor gemäß der Erfindung; und

Fig.2a und 2b sind Zeitdiagramme, die den Hub des Drosselkörpers bzw. den daraus resultierenden Hub der Düsennadel während des Einspritzvorgangs darstellen.

In der Fig. 1 ist ein Magnet-Injektor für das Kraftstoff- Speichereinspritzsystem eines Dieselmotors schematisch im Querschnitt dargestellt. Der Injektor weist ein Gehäuse 10 auf, das über einen Kraftstoffzulauf 12 mit dem (nicht dargestellten) Hochdruckspeicher ("Common Rail") des Speichereinspritzsystems und über einen Kraftstoffablauf 14 mit dem Kraftstoffbehälter (nicht dargestellt) verbunden ist. Der Hochdruckspeicher ist seinerseits über eine Hochdruckpumpe (nicht dargestellt) mit dem Kraftstoffbehälter verbunden, die den Kraftstoff in dem Speicher auf den Systemdruck, mit dem die Einspritzung erfolgen soll, verdichtet.

Am unteren Ende weist das Gehäuse 10 eine Düse 16 mit Düsenöffnung 18 und darüber liegender Düsenkammer 20 auf. Die Düsenkammer 20 ist mit dem Zulauf 12 über einen Düsenkanal 22 im Gehäuse 10 verbunden. Das Gehäuse 10 weist zudem eine Längsbohrung auf, die an ihrem unteren Ende in die Düsenkammer 20 und an ihrem oberen Ende in einen Steuerraum 24 mündet.

Der Injektor weist des Weiteren eine Düsennadel 26 auf, die einen Schaft 28 und an ihrem unteren Ende eine Spitze 30 zum Verschließen der Düsenöffnung 18 umfasst. Der Schaft 28 ist in der Längsbohrung des Gehäuses 10 verschiebbar geführt, so dass seine freie, obere Stirnfläche, die hier auch als Schaftende 32 der Nadel 26 bezeichnet wird, den Steuerraum 24 unten begrenzt.

Der Schaft 28 springt in einem mittleren Abschnitt auf einen verringerten Durchmesser zurück, um eine Düsenfeder 34 aufzunehmen, die sich mit ihrem unteren Ende an der Schulter am unteren Ende dieses Abschnitts und mit ihrem oberen Ende an einer weiteren Schulter abstützt, die durch einen Vorsprung der Längsbohrung gebildet ist. Die Düsenfeder 34 übt somit eine nach unten, also zur Düsenöffnung 18 hin gerichtete Vorspannkraft auf die Nadel 26 aus.

Der Injektor weist in seinem Gehäuse 10 außerdem ein Magnetventil 36 auf, das bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform oberhalb des Steuerraums 24 angeordnet ist. Es umfasst einen Ventilraum 38 und einen darin aufgenommenen Drosselkörper 40. Der Ventilraum 38 ist über eine Ablaufdrossel 42 mit dem Steuerraum 24 und dieser seinerseits über eine Zulaufdrossel 44 mit dem Zulauf 12 verbunden. Das Ventil 36 weist außerdem einen ersten Elektromagneten 46 und einen zweiten Elektromagneten 48 sowie einen zwischen diesen angeordneten gemeinsamen Anker 50 auf.

Die beiden Elektromagnete 46, 48 sind koaxial um eine weitere Bohrung (im Folgenden "Ankerbohrung") in dem Gehäuse 10 herum angeordnet, die an ihrem unteren Ende in den Ventilraum 20 und an ihrem oberen Ende in eine mit dem Zulauf 12 verbundene Ausgleichskammer 54 mündet.

Der Anker 50 ist auf einem in der Ankerbohrung verschiebbar geführten Ankerschaft 52 befestigt, dessen freie, obere Stirnfläche die Ausgleichskammer 54 unten begrenzt. Der Ankerschaft 52 erstreckt sich nach unten bis zu dem unteren Ende der Ankerbohrung hin, von dem der Ablauf 14 abzweigt. Sein unteres Ende ist als Taille 56 ausgebildet und an dem Drosselkörper 40 befestigt.

Der Ventilraum 38 ist also über einen ersten Durchgang, der von dem unteren Ende der Ankerbohrung und der Taille 56 definiert ist, mit dem Ablauf 14 und über einen zweiten Durchgang, der von der Ablaufdrossel 42 gebildet ist, mit dem Steuerraum 24 verbunden.

Der Drosselkörper 40 weist angrenzend an das untere Ende des Ankerschafts 52 eine erste Dichtfläche 58 und auf seiner unteren, freien Stirnfläche eine zweite Dichtfläche 60 auf. Passend hierzu sind sowohl der Rand der Mündung der Ankerbohrung in den Ventilraum 38 als auch der Rand der Mündung der Ablaufdrossel 42 in den Ventilraum 38 als erster bzw. zweiter Dichtsitz ausgebildet. Eine Ventilfeder 62 stützt sich an der unteren, freien Stirnfläche des Drosselkörpers 40 und an der unteren Wand des Ventilraums 38 ab und übt somit eine nach oben, also zum ersten Dichtsitz hin gerichtete Vorspannkraft auf den Drosselkörper 40 aus.

Im Folgenden wird die Arbeitsweise dieses Injektors für einen Einspritzvorgang mit Vor- und Haupteinspritzung unter weiterer Bezugnahme auf die Figuren. 2a und 2b beschrieben werden.

Wenn die Hochdruckpumpe des Speichereinspritzsystems nicht läuft, beispielsweise weil sie defekt ist oder der Motor ausgeschaltet ist, dann kann der Systemdruck im Hochdruckspeicher nicht aufrechterhalten werden und der Injektor soll geschlossen bleiben, damit Kraftstoff nicht unkontrolliert in den Brennraum gelangen kann. Da in diesem Fall die beiden entgegengesetzt auf die Düsennadel 26 wirkenden hydraulischen Kräfte, die von den Drücken in dem Steuerraum 24 und der Düsenkammer 20 herrühren, ungefähr gleich groß sind, sorgt die Düsenfeder 34 dafür, dass die Spitze 30 der Düsennadel 26 in die Düsenöffnung 18 gedrückt wird. Der Injektor ist also geschlossen.

Bei laufender Hochdruckpumpe wird der Systemdruck im Speicher aufgebaut und aufrechterhalten, so dass über den Injektor nach Wunsch Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden kann.

Im Ruhezustand, also zwischen zwei Einspritzvorgängen, soll der Injektor geschlossen sein, damit kein Kraftstoff in den Brennraum gelangen kann. Zu diesem Zweck sind beide Elektromagnete 46, 48 nicht angesteuert, so dass sie keine Steuerkräfte auf den Anker 50 und den mit ihm verbundenen Drosselkörper 40 ausüben können. In diesem Fall sind die beiden Drücke in dem Ventilraum 38 und der Ausgleichskammer 54 gleich dem über den Kraftstoffzulauf 12 aus dem Hochdruckspeicher zugeführten Systemdruck. Da zudem die Mündungen der Ventilbohrung in den Ventilraum 38 und in die Ausgleichskammer 54 den gleichen Durchmesser haben, ist der Drosselkörper 40 hinsichtlich der hydraulischen Kräfte ausgeglichen. Die Ventilfeder 62 sorgt also dafür, dass der Drosselkörper 40 mit seiner ersten, oberen Dichtfläche 58 gegen den ersten Dichtsitz gedrückt und in dieser Stellung, im Folgenden auch als erste Endstellung bezeichnet, gehalten wird.

In der Fig. 2a ist der Hub h_d des Drosselkörpers 40 über der Zeit t aufgetragen. Im Ruhezustand des Injektors entspricht demnach die erste Endstellung dem Hub h_d = 0.

In dieser ersten Endstellung versperrt der Drosselkörper 40 also den ersten Durchgang, so dass kein Kraftstoff über den Ablauf 14 aus dem Injektor abfließen kann. Somit herrscht sowohl im Steuerraum 24 als auch im Ventilraum 38 der von dem Hochdruckspeicher über den Zulauf 12 und die Zulaufdrossel 44 angelegte Systemdruck. Über den Zulauf 12 und den Düsenkanal 22 liegt dieser auch in der Düsenkammer 20 an.

Da die Düsennadel 26 mit ihrem Schaftende 32 an den Steuerraum 24 grenzt, wirkt der Systemdruck im Steuerraum 24 auf das Schaftende 32, so dass von dort auf die Düsennadel 26 eine hydraulische Kraft Richtung Spitze 30 aufgebracht wird. Die Düsenfeder 34 übt auf die Düsennadel 26 ebenfalls eine Kraft Richtung Spitze 30 aus. Diese beiden Schließkräfte übersteigen im Ruhezustand die ebenfalls an der Düsennadel 26 angreifende hydraulische Öffnungskraft, die von dem Systemdruck in der Düsenkammer 20 auf das sich dort zur Spitze 30 verjüngende untere Ende der Düsennadel 26 herrührt.

Der Injektor ist also geschlossen.

In der Fig. 2b ist der Hub h_n der Düsennadel 26 analog zu der Fig. 2a über der Zeit t aufgetragen. Im Ruhezustand des Injektors entspricht demnach die in der Düsenöffnung 18 sitzende Nadelspitze 30 dem Hub h_n = 0.

Die Voreinspritzung beginnt zur Zeit t = T_VB in den Fig. 2a und 2b, indem der erste Elektromagnet 46 angesteuert wird. Der Ansteuerstrom ist dabei so bemessen, dass die vom ersten Elektromagneten 46 auf den Anker 50 ausgeübte magnetische Kraft die entgegengesetzte Kraft der Ventilfeder 62 übersteigt, so dass der Anker 50 den Drosselkörper 40 aus der ersten Endstellung weg und in Richtung zweiter Endstellung bewegt.

In der Fig. 2a wird dieser Weg des Drosselkörpers 40 durch die ab t = T_VB von h_d = 0 ansteigende Linie dargestellt.

Sobald die erste Dichtfläche 58 nicht mehr am ersten Dichtsitz anliegt, wird der erste Durchgang freigegeben. Nun kann Kraftstoff aus dem Ventilraum 38 durch den ersten Durchgang zum Ablauf 14 abfließen. Da zudem die zweite Dichtfläche 60 auf dem Weg des Drosselkörpers 40 zwischen seinen beiden Endstellungen ebenfalls (noch) nicht am zweiten Dichtsitz anliegt, kann auch Kraftstoff aus dem Steuerraum 24 durch den zweiten Durchgang, also die Ablaufdrossel 42, in den Ventilraum 38 abfließen. Folglich sinkt der Druck im Steuerraum 24, der schnell kleiner ist als der Druck in der Düsenkammer 20, der noch immer dem Systemdruck entspricht, da die Zulaufdrossel 44 und der lange Düsenkanal 22 eine zu schnelle Entspannung verhindern.

Wegen des sinkenden Drucks im Steuerraum 24 kann der Ansteuerstrom des ersten Elektromagneten 46 verringert werden, da zum einen der Abstand zum Anker 50 abnimmt und zum anderen die hydraulische Kraft der Ausgleichskammer 54, in der nach wie vor der Systemdruck herrscht, über derjenigen des Steuerraums 24 liegt.

Da nun dieser verringerte Druck im Steuerraum 24 auf das Schaftende 32 wirkt, sinkt auch die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 26, so dass die Öffnungskraft durch den Systemdruck in der Düsenkammer 20 überwiegt und die Nadelspitze 30 aus der Düsenöffnung 18 gezogen wird. Der unter Systemdruck stehende Kraftstoff kann nun durch die Düsenöffnung 18 aus dem Injektor austreten, die Voreinspritzung beginnt.

In der Fig. 2b wird diese Bewegung der Düsennadel 26 durch die ab t = T_VB von h_n = 0 zunächst ansteigende Linie dargestellt.

Die Voreinspritzung wird beendet, sobald der Drosselkörper die zweite Endstellung erreicht hat, was in der Fig. 2a zur Zeit t = T_VE erfolgt. Die zweite Dichtfläche 60 liegt nun an dem zweiten Dichtsitz an und wird an diese gedrückt, da der erste Elektromagnet 46 weiter angesteuert bleibt. In dieser zweiten Endstellung des Drosselkörpers 40 ist der zweite Durchgang des Ventilraums 38 versperrt. Folglich wird der Kraftstofffluss aus dem Steuerraum 24 durch den Ventilraum 38 zum Ablauf 14 unterbrochen, so dass der Druck im Steuerraum 24 nicht weiter absinken kann, sondern sich dort vielmehr wieder der Systemdruck aufbaut. Dies wird durch Kraftstoff bewirkt, der weiterhin aus dem Hochdruckspeicher durch den Zulauf 12 und die Zulaufdrossel 44 in den Steuerraum 24 hinein fließt, aber nun nicht mehr durch den zweiten Durchgang in den Ventilraum 38 und weiter zum Ablauf 14 entweichen kann, wie es zuvor während der Bewegung des Drosselkörpers 40 möglich war.

Folglich steigt die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 26, bis sie zusammen mit der Schließkraft der Düsenfeder 34 größer als die hydraulische Öffnungskraft aus der Düsenkammer 20 wird. Dadurch wird die Bewegung der Düsennadel 26 umgekehrt, so dass die Nadelspitze 30 zurück in die Düsenöffnung 18 gedrückt wird.

Obwohl also, wie in der Fig. 2a dargestellt ist, der Hub des Drosselkörpers 40 während der Voreinspritzung stetig bis zum Maximum h_d = H₂ (entsprechend der zweiten Endstellung) bei t = T_VE ansteigt, sinkt der Hub der Düsennadel 26, wie in der Fig. 2b dargestellt ist, nach Erreichen eines Maximums wieder zurück auf h_n = 0.

Der Injektor ist dann wieder geschlossen und die Voreinspritzung beendet.

In der Einspritzpause zwischen Vor- und Haupteinspritzung wird der Drosselkörper 40 in der zweiten Endstellung und damit der Injektor geschlossen gehalten, indem der erste Elektromagnet 46 weiter angesteuert bleibt. Der hierfür erforderliche Ansteuerstrom des ersten Elektromagneten 46 ist deutlich kleiner als zu Beginn der Voreinspritzung, da der Anker 50 sehr viel näher bei diesem liegt.

In den Fig. 2a und 2b ist somit für die Zeitspanne T_VE < t < T_HB (T_HB steht für den Beginn der Haupteinspritzung) der Hub des Drosselkörpers konstant bei h_d = H₂ und der Hub der Düsennadel konstant bei h_n = 0 dargestellt.

Die Haupteinspritzung wird zur Zeit t = T_HB dadurch eingeleitet, dass beide Elektromagnete 46, 48 angesteuert werden. Dabei wird zuerst der Strom durch den ersten Elektromagneten 46 so weit verringert, dass dessen auf den Anker 50 wirkende magnetische Kraft die auf den Drosselkörper 40 wirkende Vorspannkraft der Ventilfeder 62 unterschreitet; die hydraulische Kraft des Steuerraums 24 ist dabei ohne Bedeutung, da sie wie zuvor durch die hydraulische Kraft der Ausgleichskammer 54 ausgeglichen wird. Folglich wird der Drosselkörper 40 aus der zweiten Endstellung weg und in Richtung erster Endstellung verschoben.

Im Unterschied zur Voreinspritzung wird der Drosselkörper 40 aber die erste Endstellung nicht erreichen, sondern in einer Mittelstellung gehalten, indem auch der zweite Elektromagnet 48 angesteuert wird.

In der Fig. 2a wird dieser Weg des Drosselkörpers 40 durch die ab t = T_HB zunächst von h_d = H₂ steil auf h_d = H_M (entsprechend der Mittelstellung) abfallende und dann konstant bleibende Linie dargestellt.

Da in der Mittelstellung beide Durchgänge frei sind, kann wie zuvor bei der Voreinspritzung Kraftstoff aus dem Steuerraum 24 über den Ventilraum 38 zum Ablauf 14 abfließen. Folglich sinkt der Druck im Steuerraum 24, so dass wieder die hydraulische Öffnungskraft der Düsenkammer 20 auf die Düsennadel 26 überwiegt und die Nadelspitze 30 aus der Düsenöffnung 18 gezogen wird. Die Haupteinspritzung beginnt.

In der Fig. 2b wird diese Bewegung der Düsennadel 26 durch die ab t = T_HB zunächst von h_n = 0 immer steiler ansteigende Linie dargestellt.

Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 26 wird vom Unterschied zwischen dem Durchfluss aus dem Zulauf 12 durch die Zulaufdrossel 44 in den Steuerraum 24 und dem Durchfluss aus dem Steuerraum 24 durch die Ablaufdrossel 42 in den Ventilraum 38 bestimmt.

Das Schaftende 32 dringt so weit in den Steuerraum 24 hinein, bis die Schließ- und Öffnungskräfte auf die Düsennadel 26 ausgeglichen sind, und er verharrt dann auf einem Kraftstoffpolster. Dieses entsteht durch den Kraftstoffstrom, der sich im Steuerraum 24 einstellt. Die Düse 16 ist nun voll geöffnet, und der Kraftstoff wird mit einem Druck, der annähernd dem Systemdruck im Hochdruckspeicher entspricht, in den Brennraum eingespritzt.

Solange der Drosselkörper 40 durch die magnetischen Steuerkräfte der beiden Elektromagneten 46, 48 in der Mittelstellung bei h_d = H_M gehalten wird, bleibt auch die Düse 16 voll geöffnet.

In der Fig. 2b wird dies durch die auf dem Maximum h_n = H_V (entsprechend der voll geöffneten Düse) bleibende Linie dargestellt.

Am Ende der Haupteinspritzung werden beide Elektromagnete 46, 48 nicht mehr angesteuert, so dass der Anker 50 durch die Vorspannkraft der Ventilfeder 62 in Richtung zweiter Elektromagnet 48 gedrückt wird, bis der Drosselkörper 40 wieder die erste Endstellung erreicht und den ersten Durchgang versperrt. Diese Bewegung kann dadurch unterstützt werden, dass der erste Elektromagnet 46 vor dem zweiten Elektromagneten 48 ausgeschaltet wird. Der Drosselkörper 40 wird von der Ventilfeder 62 in der ersten Endstellung gehalten.

In der Fig. 2a wird dieser Weg des Drosselkörpers 40 durch die ab t = T_HE (T_HE steht für das Ende der Haupteinspritzung) von h_d = H_M auf h_d = 0 abfallende Linie dargestellt.

Da nun die erste Dichtfläche 58 an dem ersten Dichtsitz anliegt, baut sich im Steuerraum 24 durch den vom Zulauf 12 weiter einströmenden Kraftstoff wieder der Systemdruck auf. Sobald die ansteigende hydraulische Schließkraft des Steuerraums 24 und die Vorspannkraft der Düsenfeder 34 zusammen die hydraulische Öffnungskraft der Düsenkammer 20 überschreiten, wird die Düsennadel 26 in Richtung Düsenöffnung 18 bewegt, bis diese wieder durch die Nadelspitze 30 verschlossen ist.

In der Fig. 2b wird diese Bewegung der Düsennadel 26 durch die ab t = T_HE von h_n = H_V auf h_n = 0 abfallende Linie dargestellt.

Die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel 26 wird durch den Durchfluss des Kraftstoffs aus dem Zulauf 12 durch die Zulaufdrossel 44 in den Steuerraum 24 bestimmt.

Die Haupteinspritzung ist beendet, wenn die Düsennadel 26 ihren unteren Anschlag erreicht und ihre Spitze 30 in der Düsenöffnung 18 sitzt.

Der Injektor befindet sich nun wieder im Ruhezustand.

Claims

1. Magnet-Injektor für Kraftstoff- Speichereinspritzsysteme, mit:

- einem Kraftstoffzulauf (12) und einem Kraftstoffablauf (14);
- einem Steuerraum (24), der mit dem Zulauf (12) verbunden ist;
- einer Düse (16), die mit dem Zulauf (12) verbunden ist; und
- einer Düsennadel (26), die eine Spitze (30) zum Verschließen der Düsenöffnung (18) und ein Schaftende (32) aufweist, das an den Steuerraum (24) grenzt; und
- einem Magnetventil (36), das einen ersten Elektromagneten (46), einen Anker (50), einen Ventilraum (38), der über einen ersten Durchgang mit dem Ablauf (14) und über einen zweiten Durchgang (42) mit dem Steuerraum (24) verbunden ist, und einen Drosselkörper (40) aufweist, der sich in dem Ventilraum (38) befindet und mit dem Anker (50) verbunden ist,

wobei der Drosselkörper (40) im Ruhezustand des Injektors in einer ersten Endstellung, in der er einen der beiden Durchgänge versperrt, gehalten wird und durch Ansteuern des ersten Magneten (46) zu einer zweiten Endstellung hin bewegt wird, in der er diesen Durchgang freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass:

- das Magnetventil (36) einen zweiten Elektromagneten (48) aufweist, der bei Ansteuerung entgegengesetzt zu dem ersten Elektromagneten (46) auf den Anker (50) einwirkt; und
- der Drosselkörper (40) so ausgebildet ist, dass er in seiner zweiten Endstellung den anderen (42) der beiden Durchgänge versperrt und auf dem Weg zwischen seinen beiden Endstellungen beide Durchgänge freigibt.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilfeder (62) vorgesehen ist, die den Drosselkörper (40) in seine erste Endstellung vorspannt.

3. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (24) über eine Ablaufdrossel (42) mit dem Ventilraum (38) und/oder über eine Zulaufdrossel (44) mit dem Zulauf (12) verbunden ist.

4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichskammer (54) mit dem Zulauf (12) verbunden ist, und dass der Anker (50) mit einem Ankerschaft (52) verbunden ist, dessen freie Stirnfläche an die Ausgleichskammer (54) grenzt.

5. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung des ersten Durchgangs in den Ventilraum (38) und/oder die Mündung des zweiten Durchgangs (42) in den Ventilraum (38) einen zu dem Drosselkörper (40) passenden Dichtsitz aufweist.