EP1643118B1

EP1643118B1 - Fuel injection valve for internal combustion engines

Info

Publication number: EP1643118B1
Application number: EP20050107399
Authority: EP
Inventors: Michael Kurz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-02
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2025-08-11
Also published as: DE102004048134A1; EP1643118A1; DE502005003719D1

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, bei dem es sich um eine sogenannte Koaxial-Vario-Düse handelt. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 331 832 A1 bekannt und umfasst eine Ventilaußennadel, die als Hohlnadel ausgeführt ist. In der Ventilaußennadel ist eine Ventilinnennadel angeordnet, wobei beide Ventilnadeln längsverschiebbar im Gehäuse angeordnet sind. Die Ventilnadeln wirken mit einem Ventilsitz zusammen und steuern die Öffnung jeweils wenigstens einer Einspritzöffnung, über die Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Hebt nur die Ventilaußennadel vom Ventilsitz ab, so strömt Kraftstoff nur durch die Einspritzöffnungen, die von der Ventilaußennadel gesteuert werden. Wenn hingegen sowohl die Ventilaußennadel als auch die Ventilinnennadel vom Ventilsitz abheben, so strömt der Kraftstoff aus einem Druckraum zu sämtlichen Einspritzöffnungen und wird durch einen größeren Querschnitt in den Brennraum eingespritzt. Dieser Vario-Effekt kann ausgenutzt werden, um einen unterschiedlichen Einspritzquerschnitt bei verschiedenen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine zur Verfügung zu haben. Dadurch lässt sich die Einspritzung besser dosieren, was einen geringeren Kraftstoffverbrauch ermöglicht und weniger Schadstoffemissionen erzeugt.The invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines, which is a so-called coaxial vario-nozzle. Such a fuel injection valve is for example from the Laid-Open Publication DE 10 331 832 A1 known and includes a valve outer needle, which is designed as a hollow needle. In the valve outer needle, a valve inner needle is arranged, wherein both valve pins are arranged longitudinally displaceable in the housing. The valve needles cooperate with a valve seat and control the opening of at least one injection opening, via which fuel can be injected into the combustion chamber of the internal combustion engine. Only lifts the valve outer needle from the valve seat, so fuel flows only through the injection ports, which are controlled by the valve outer needle. On the other hand, if both the valve outer needle and the valve inner needle lift off the valve seat, the fuel flows from a pressure chamber to all injection ports and is injected through a larger cross-section into the combustion chamber. This vario effect can be exploited in order to have a different injection cross section at different operating points of the internal combustion engine. As a result, the injection can be dosed better, which allows lower fuel consumption and generates less pollutant emissions.

Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil erfolgt die Steuerung über ein 3/3-Wegeventil, bei dem die beiden Steuerräume, die die Ventilaußennadel bzw. die Ventilinnennadel beaufschlagen, mit einem Leckölraum oder mit einem Hochdruckspeicher verbunden werden können, wodurch sich der Druck in den Steuerräumen einstellen lässt. Zusammen mit dem Gegendruck aus dem Druckraum, in dem der Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten wird und der die Ventilaußennadel umgibt, lässt sich die Längsbewegung der Ventilnadeln steuern und damit das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen.In the known fuel injection valve control takes place via a 3/3-way valve, in which the two control chambers, the valve outer needle or the Actuate valve inner needle, can be connected to a leakage oil chamber or with a high-pressure accumulator, which can adjust the pressure in the control chambers. Together with the back pressure from the pressure chamber, in which the fuel is kept under high pressure and surrounds the valve outer needle, the longitudinal movement of the valve needles can be controlled and thus the opening and closing of the injection openings.

Die Steuerung über ein 3/3-Wegeventil ist jedoch technisch aufwendig und entsprechend teuer und fehleranfällig, und so liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die beiden Ventilnadeln in einfacher und zuverlässiger Weise mittels eines einzigen, einfach gebauten Ventils zu steuern.However, the control of a 3/3-way valve is technically complex and correspondingly expensive and error-prone, and so the present invention seeks to control the two valve needles in a simple and reliable manner by means of a single, simply constructed valve.

Advantages of the invention

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Aufgabe der Erfindung mit einfachen Mitteln in technisch vorteilhafter Weise gelöst wird. Hierzu sind an der Ventilinnennadel bzw. an einem Ventilkolben, der auf die Ventilinnennadel wirkt, zwei Steuerräume vorgesehen, die miteinander hydraulisch verbunden sind. Einer der Steuerräume ist mit einem Steuerventil verbunden, das gleichzeitig einen Steuerraum zur Erzeugung einer Schließkraft auf die Ventilaußennadel ansteuert. Dadurch lässt sich mittels eines einzigen Ventils sowohl die Ventilaußennadel als auch die Ventilinnennadel ansteuern, so dass entweder nur die Ventilaußennadel geöffnet wird oder beide Ventilnadeln bewegt werden. Weiterhin vorgesehen ist es hierbei, wenn am Ventilkolben ein Absatz ausgebildet ist, dessen gegenüberliegende Seiten jeweils einen der Steuerräume begrenzen. Hierdurch ist eine sehr kompakte Bauweise des Ventilkolbens möglich und damit des gesamten Kraftstoffeinspritzventils. Die Drossel ist im Absatz des Ventilkolbens ausgebildet.The fuel injection valve according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage over that the object of the invention is achieved by simple means in a technically advantageous manner. For this purpose, two control chambers are provided on the valve inner needle or on a valve piston which acts on the valve inner needle, which are hydraulically connected to one another. One of the control chambers is connected to a control valve which simultaneously controls a control chamber for generating a closing force on the valve outer needle. As a result, both the outer valve needle and the inner valve needle can be actuated by means of a single valve, so that either only the valve outer needle is opened or both valve needles are moved. Furthermore, it is provided in this case if a shoulder is formed on the valve piston, whose opposite sides each delimit one of the control chambers. As a result, a very compact design of the valve piston is possible and thus the entire fuel injection valve. The throttle is formed in the shoulder of the valve piston.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umgibt sowohl der erste Steuerraum als auch der zweite Steuerraum den Ventilkolben. Für eine optimale Steuerung ist es hier besonders vorteilhaft, wenn die vom Kraftstoff beaufschlagt Fläche des Steuerkolbens im ersten und zweiten Steuerraum gleich ist, so dass bei gleichem Druck im ersten und zweiten Steuerraum die resultierende Kraft auf den Ventilkolben verschwindet.By the dependent claims advantageous embodiments of the subject invention are possible. In a first advantageous embodiment, both the first control chamber and the second control chamber surround the valve piston. For optimum control, it is particularly advantageous here if the area of the control piston acted on by the fuel in the first and second control chambers is the same, so that at the same pressure in the first and second control room the resulting force on the valve piston disappears.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ventilkolben einstückig mit der Ventilinnennadel ausgebildet. Hierdurch lässt sich die Ventilinnennadel unabhängig von einer anfänglichen hydraulischen Öffnungskraft in Längsrichtung bewegen, was eine exaktere Steuerbarkeit des Öffnungsvorgangs bedeutet.In a further advantageous embodiment, the valve piston is formed integrally with the valve inner needle. Thereby, the valve inner needle can be moved in the longitudinal direction independently of an initial hydraulic opening force, which means a more precise controllability of the opening operation.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Ventilkolben von einer Schließfeder in Richtung der Ventilinnennadel beaufschlagt. Durch diese Schließfeder ist sichergestellt, dass der Ventilkolben die Ventilinnennadel in ihrer Schließstellung hält, wenn eine Bewegung der Ventilinnennadel nicht gewünscht ist.In a further advantageous embodiment, the valve piston is acted upon by a closing spring in the direction of the valve inner needle. By this closing spring is ensured that the valve piston holds the valve inner needle in its closed position, if a movement of the valve inner needle is not desired.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Ventilinnennadel eine Druckschulter ausgebildet, die vom Kraftstoff eines Druckraums beaufschlagt wird, wobei der Kraftstoffdruck nur dann auf die Ventilinnennadel wirkt, wenn die Ventilaußennadel vom Ventilsitz abhebt. Durch die Druckschulter wirkt auf die Ventilinnennadel eine Öffnungskraft, sobald die Ventilaußennadel vom Ventilsitz abgehoben hat. Um eine Steuerbarkeit durch die Steuerräume sicherzustellen, sollte hier die Schließfeder, die auf den Ventilkolben und damit auf die Ventilinnennadel wirkt, so ausgelegt sein, dass deren Schließkraft stets höher als die hydraulische Kraft auf die Druckschulter ist.In a further advantageous embodiment, a pressure shoulder is formed on the valve inner needle, which is acted upon by the fuel of a pressure chamber, wherein the fuel pressure acts only on the valve inner needle when the valve outer needle lifts from the valve seat. By the pressure shoulder acts on the valve inner needle an opening force as soon as the valve outer needle has lifted from the valve seat. To ensure controllability through the control chambers, the closing spring, which acts on the valve piston and thus on the inner valve needle, should be designed so that their closing force is always higher than the hydraulic force on the pressure shoulder.

Weitere Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibungsunterzeichnung entnehmbar.Further advantages and advantageous embodiments of the subject matter of the invention can be inferred from the description of the description.

drawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt

Figur 1: eine schematische Darstellung des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems, wobei das Kraftstoffeinspritzventil schematisch und zum Teil längsgeschnitten dargestellt ist,
Figur 2: eine Vergrößerung im Bereich des Ventilsitzes von Figur 1 und
Figur 3: den zeitlichen Verlauf einer Reihe von Größen bei der Kraftstoffeinspritzung, wie dem Nadelhub und dem Druck in den Steuerräumen.

In the drawing, an embodiment of the fuel injection valve according to the invention is shown. It shows

FIG. 1: a schematic representation of the entire fuel injection system, wherein the fuel injection valve is shown schematically and partly in longitudinal section,
FIG. 2: an enlargement in the area of the valve seat of FIG. 1 and
FIG. 3: the timing of a number of parameters in the fuel injection, such as the needle stroke and the pressure in the control chambers.

Description of the embodiment

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, wobei auch die sonstigen Komponenten des Kraftstoffeinspritzsystems teilweise schematisch dargestellt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das u. a. einen Ventilkörper 3 umfasst. Im Ventilkörper 3 ist eine Bohrung 4 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 12 begrenzt wird. Im konischen Ventilsitz 12 sind äußere Einspritzöffhungen 14 und innere Einspritzöffnungen 16 ausgebildet, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils 1 in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung 4 ist eine Ventilaußennadel 20 längsverschiebbar angeordnet, die in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung 4 dichtend geführt ist. Die Ventilaußennadel 20 wird hierbei von einer äußeren Schließfeder 24 in Richtung des Ventilsitzes 12 beaufschlagt, sodass sie mit einer äußeren Ventildichtfläche 17 gegen den Ventilsitz 12 gedrückt wird. Figur 2 zeigt hierzu eine Vergrößerung im Bereich des Ventilsitzes 12 von Figur 1. Die Ventilaußennadel 20 ist als Hohlnadel ausgeführt, in deren Mitte eine Ventilinnennadel 22 angeordnet ist, die bezüglich der Ventilaußennadel 20 ebenfalls längsverschiebbar ist. Die Ventilinnennadel 22 weist eine innere Ventildichtfläche 19 auf, mit der sie mit dem Ventilsitz 12 zusammenwirkt. Die Ventilinnennadel 22 deckt hierbei bei Anlage am Ventilsitz 12 die inneren Einspritzöffnungen 16 ab, während die Ventilaußennadel 20 die äußeren Einspritzöffnungen 14 abdeckt.In FIG. 1 an embodiment of the fuel injection valve according to the invention is shown, wherein the other components of the fuel injection system are shown partially schematically. The fuel injection valve 1 has a housing 2, which includes, inter alia, a valve body 3. In the valve body 3, a bore 4 is formed, which is bounded at its combustion-chamber end by a conical valve seat 12. In the conical valve seat 12, outer injection openings 14 and inner injection openings 16 are formed, which open into the combustion chamber of the internal combustion engine in the installation position of the fuel injection valve 1. In the bore 4, a valve outer needle 20 is arranged longitudinally displaceably, which is sealingly guided in a bore away from combustion chamber in the bore 4. The valve outer needle 20 is in this case acted upon by an outer closing spring 24 in the direction of the valve seat 12, so that it is pressed with an outer valve sealing surface 17 against the valve seat 12. FIG. 2 shows this an enlargement in the region of the valve seat 12 of FIG. 1 , The valve outer needle 20 is designed as a hollow needle, in the middle of a valve inner needle 22 is arranged, which is also longitudinally displaceable with respect to the valve outer needle 20. The valve inner needle 22 has an inner valve sealing surface 19, with which it interacts with the valve seat 12. The valve inner needle 22 in this case covers the inner injection openings 16 when resting on the valve seat 12, while the outer valve needle 20 covers the outer injection openings 14.

Die Ventilaußennadel 20 wird in ihrem unteren Abschnitt, der dem Ventilsitz 12 zugewandt ist, von einem Druckraum 10 umgeben, der etwa in der Mitte der Ventilaußennadel 20 eine radiale Erweiterung aufweist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 10 mündet eine Zulaufleitung 11, die den Druckraum 10 mit einem Hochdruckspeicher 5 verbindet, der außerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 1 angeordnet ist. Im Hochdruckspeicher 5 wird Kraftstoff unter hohem, vorgegebenen Druck vorgehalten, der dann über die Einspritzöffnungen 14,16 in den Brennraum eingespritzt wird. Die äußere Ventildichtfläche 17 ist so ausgebildet, wie es auch in Figur 2 deutlich wird, dass die äußeren Einspritzöffnungen 14 gegen den Druckraum 10 abgedichtet sind, wenn die Ventilaußennadel 20 auf dem Ventilsitz 12 aufliegt. Die Ventilaußennadel 20 weist eine äußere Druckschulter 9 auf, durch die eine hydraulische Öffnungskraft auf die Ventilaußennadel 20 ausgeübt wird, die vom Ventilsitz 12 weggerichtet ist. Ebenso weist die Ventilinnennadel 22 eine Druckschulter 18 auf, durch die bei Druckbeaufschlagung eine Öffnungskraft auf die Ventilinnennadel 22 wirkt.The valve outer needle 20 is surrounded in its lower portion, which faces the valve seat 12, by a pressure chamber 10 which has approximately in the middle of the valve outer needle 20 has a radial extension. In the radial extension of the pressure chamber 10 opens a feed line 11 which connects the pressure chamber 10 with a high-pressure accumulator 5, which is arranged outside of the fuel injection valve 1. In the high pressure accumulator 5 fuel is kept under high, predetermined pressure, which is then injected via the injection openings 14,16 into the combustion chamber. The outer valve sealing surface 17 is formed as it is in FIG. 2 it becomes clear that the outer injection openings 14 against the pressure chamber 10 are sealed when the valve outer needle 20 rests on the valve seat 12. The valve outer needle 20 has an outer pressure shoulder 9, through which a hydraulic opening force is exerted on the valve outer needle 20, which is directed away from the valve seat 12. Likewise, the valve inner needle 22 on a pressure shoulder 18 through which an opening force acts on the valve inner needle 22 when pressurized.

Im Gehäuse 2 ist darüber hinaus eine Steuerhülse 25 angeordnet, die koaxial zur Ventilaußennadel 20 angeordnet ist. Die Steuerhülse 25 ist ebenfalls beweglich und begrenzt mit ihrer der Ventilaußennadel 20 abgewandten Stirnseite einen äußeren Steuerraum 27, der über eine vierte Leitung 56 mit dem Hochdruckspeicher 5 verbunden ist, wobei in der vierten Leitung 56 eine vierte Drossel 48 angeordnet ist. Die vierte Drossel 48 dient dazu, den Kraftstofffluss durch die vierte Leitung 56 zu begrenzen. Im Gehäuse 2 ist darüber hinaus ein Ventilkolben 30 angeordnet, der koaxial zur Ventilinnennadel 22 angeordnet ist. Der Ventilkolben 30 wird in seinem mittleren Abschnitt dichtend in Gehäuse 2 geführt und liegt mit seiner der Ventilinnennadel 22 zugewandten Stirnseite auf der Ventilinnennadel 22 auf. Der Ventilkolben 30 ist ebenfalls längsverschiebbar und begrenzt mit seiner Stirnseite, die der Ventilinnennadel 22 abgewandt ist, einen Federraum 37, in dem eine Schließfeder 38 unter Druckvorspannung angeordnet ist, die den Ventilkolben 30 beaufschlagt. Der Federraum 37 ist hierbei über eine sechste Leitung 58 mit einem Leckölraum 7 verbunden, der Teil des Kraftstoffeinspritzsystems ist und in dem stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht, vorzugsweise Umgebungsdruck.In the housing 2, a control sleeve 25 is also arranged, which is arranged coaxially with the valve outer needle 20. The control sleeve 25 is also movable and limited with its valve outer needle 20 facing away from an outer control chamber 27 which is connected via a fourth line 56 to the high-pressure accumulator 5, wherein in the fourth line 56, a fourth throttle 48 is arranged. The fourth throttle 48 serves to limit fuel flow through the fourth conduit 56. In the housing 2, a valve piston 30 is also arranged, which is arranged coaxially with the valve inner needle 22. The valve piston 30 is sealingly guided in its middle portion in the housing 2 and lies with its valve inner needle 22 facing end face on the valve inner needle 22. The valve piston 30 is also longitudinally displaceable and limited with its end face, which faces away from the valve inner needle 22, a spring chamber 37, in which a closing spring 38 is arranged under pressure bias, which acts on the valve piston 30. The spring chamber 37 is in this case connected via a sixth line 58 with a leakage oil chamber 7, which is part of the fuel injection system and in which there is always a low fuel pressure, preferably ambient pressure.

Am Ventilkolben 30 ist ein Absatz 32 ausgebildet, der mit seiner ventilsitzzugewandten Seite einen ersten Steuerraum 34 und mit seiner ventilsitzabgewandten Seite einen zweiten Steuerraum 35 begrenzt. Der erste Steuerraum 34 ist hierbei über eine erste Leitung 50 mit einem Kolbenraum 59 verbunden, wobei in der ersten Leitung 50 eine erste Drossel 42 angeordnet ist, die den Durchfluss der ersten Leitung 50 begrenzt. Der zweite Steuerraum 35 ist über eine zweite Leitung 52, in der eine zweite Drossel 44 ausgebildet ist, mit dem Leckölraum 7 verbunden. Darüber hinaus ist im Absatz 32 eine Drossel 40 ausgebildet, über die der erste Steuerraum 34 und der zweite Steuerraum 35 direkt miteinander verbunden sind. Durch die Bewegung des Ventilkolbens 30 und damit auch des Absatzes 32 vom Ventilsitz 12 weg vergrößert sich das Volumen des ersten Steuerraums 34, während sich das Volumen des zweiten Steuerraums 35 verkleinert. Bei der entgegengesetzten Bewegung des Ventilkolbens 30 kehren sich die Verhältnisse entsprechend um. Über entsprechend dichtende Führungen des Ventilkolbens 30 ist sichergestellt, dass sowohl der erste Steuerraum 34 als auch der zweite Steuerraum 35 bis auf die erste Leitung 50 bzw. die zweite Leitung 52 gegen die sonstigen Komponenten des Kraftstoffeinspritzventils 1 abgedichtet sind.On the valve piston 30, a shoulder 32 is formed, which defines with its valve seat side facing a first control chamber 34 and with its valve seat side facing away from a second control chamber 35. The first control chamber 34 is in this case connected via a first line 50 with a piston chamber 59, wherein in the first conduit 50, a first throttle 42 is arranged, which limits the flow of the first conduit 50. The second control chamber 35 is connected via a second line 52, in which a second throttle 44 is formed, with the leakage oil chamber 7. In addition, in paragraph 32, a throttle 40 is formed, via which the first control chamber 34 and the second control chamber 35 are connected directly to each other. By the movement of the valve piston 30 and thus also the heel 32 away from the valve seat 12, the volume of the first control chamber 34 increases while the volume of the second control chamber 35 reduced. In the opposite movement of the valve piston 30, the conditions reverse accordingly. Appropriate sealing guides of the valve piston 30 ensure that both the first control chamber 34 and the second control chamber 35 are sealed off from the other components of the fuel injection valve 1 except for the first line 50 and the second line 52.

Zur Regelung des Drucks im ersten Steuerraum 34, im zweiten Steuerraum 35 und im äußeren Steuerraum 27 dient ein Steuerkolben 60, der im Kolbenraum 59 angeordnet ist. Der Steuerkolben 60 begrenzt mit seiner Stirnseite einen Steuerdruckraum 62, der über eine vierte Drossel 49 mit dem Steuerventil 70 verbunden ist. Der Steuerdruckraum 62 ist mit einem Steuerventil 70 verbunden, das als 2/2-Wegeventil ausgebildet und über eine Ablaufleitung 72 mit dem Leckölraum 7 verbunden ist. Das Steuerventil 70 arbeitet hierbei so, dass in der ersten Schaltstellung, die in Figur 1 dargestellt ist, die Verbindung des Steuerdruckraums 62 mit dem Leckölraum 7 unterbrochen ist, während in der zweiten Schaltstellung diese Verbindung geöffnet wird. Der Steuerkolben 60 ist längsbeweglich zwischen zwei Schaltpositionen, wobei er in der ersten Schaltposition dem Steuerdruckraum 62 abgewandt an der Wand des Kolbenraums 59 anliegt und hierdurch die erste Leitung 50 verschließt. In der zweiten Schaltstellung des Steuerkolbens 60 liegt dieser an einem zweiten Anschlag an und gibt dadurch die erste Leitung 50 frei, wodurch eine Verbindung zwischen der ersten Leitung 50 und einer fünften Leitung 57 entsteht, über die der Kolbenraum 59 mit dem Hochdruckspeicher 5 verbunden ist.To control the pressure in the first control chamber 34, in the second control chamber 35 and in the outer control chamber 27 is a control piston 60 which is arranged in the piston chamber 59. The control piston 60 defines with its end face a control pressure chamber 62, which is connected via a fourth throttle 49 with the control valve 70. The control pressure chamber 62 is connected to a control valve 70, which is designed as a 2/2-way valve and connected via a drain line 72 to the leakage oil chamber 7. The control valve 70 operates in this case so that in the first switching position, the in FIG. 1 is shown, the connection of the control pressure chamber 62 is interrupted with the leakage oil chamber 7, while in the second switching position, this connection is opened. The control piston 60 is longitudinally movable between two switching positions, wherein it faces away from the control pressure chamber 62 in the first switching position against the wall of the piston chamber 59 and thereby closes the first line 50. In the second switching position of the control piston 60, this is applied to a second stop and thereby releases the first line 50, whereby a connection between the first line 50 and a fifth line 57 is formed, via which the piston chamber 59 is connected to the high-pressure accumulator 5.

Die Arbeitsweise des Kraftstoffeinspritzventils richtet sich nach der gewünschten Art der Einspritzung. Zuerst soll die Funktionsweise beschrieben werden, bei der Kraftstoff nur über die äußeren Einspritzöffnungen 14 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird:The operation of the fuel injection valve depends on the desired type of injection. First, the operation will be described, is injected at the fuel only via the outer injection ports 14 into the combustion chamber of the internal combustion engine:

Zu Beginn des Einspritzzyklus befmdet sich der Steuerkolben 60 in seiner ersten Position, in der er die erste Leitung 50 verschließt. Dies wird erreicht, indem das Steuerventil 70 in seine erste Schaltposition fährt, die in Figur 1 dargestellt ist und in der der Steuerdruckraum 62 von der Ablaufleitung 72 getrennt ist. Der Steuerdruckraum 62 ist über eine dritte Leitung 54, in der sich eine dritte Drossel 46 befindet, mit dem äußeren Steuerraum 27 verbunden, in dem, bedingt durch die vierte Leitung 56, der Druck des Hochdruckspeichers 5 herrscht. Durch den Druck im Steuerdruckraum 62 wird der Steuerkolben 60 in die dem Ventilkörper 3 zugewandte Position gedrückt, wo er die erste Leitung 50 verschließt. Im ersten Steuerraum 34 und im zweiten Steuerraum 35 herrscht der Druck des Leckölraums 7, da der zweite Steuerraum 35 über die zweite Leitung 52 und, wegen der Drossel 40, auch der erste Steuerraum 34 mit dem Leckölraum 7 verbunden sind. Zur Einspritzung wird das Steuerventil 70 in seine zweite Schaltposition gefahren, sodass sich der Druck im Steuerdruckraum 62 erniedrigt. Dadurch fährt der Steuerkolben 60 in seine zweite Position und gibt die erste Leitung 50 frei, die dadurch über die fünfte Leitung 57 mit dem Hochdruckspeicher 5 verbunden wird. Der Kraftstoff druck im Hochdruckspeicher 5 setzt sich so über die erste Leitung 50 in den ersten Steuerraum 34 fort, wo der Druck stark ansteigt, während er im zweiten Steuerraum 35 noch relativ niedrig bleibt, da ein Druckausgleich über die Drossel 40 nur mit einer gewissen Zeitverzögerung geschieht. Dadurch ergibt sich eine resultierende Kraft auf den Absatz 32 und damit auf den Ventilkolben 30, sodass sich dieser von der Ventilinnennadel 22 wegbewegt, bis sich durch die Drossel 40 der Druck im ersten Steuerraum 34 und im zweiten Steuerraum 35 angleicht. Der Ventilkolben 30 wird dann durch die Schließfeder 38 zurück in die Stellung gefahren, bei der er auf der Ventilinnennadel 22 aufliegt.At the beginning of the injection cycle, the control piston 60 is in its first position, in which it closes the first line 50. This is achieved by the control valve 70 moves to its first switching position, which in FIG. 1 is shown and in which the control pressure chamber 62 is separated from the drain line 72. The control pressure chamber 62 is connected via a third line 54, in which a third throttle 46 is connected to the outer control chamber 27, in which, due to the fourth Line 56, the pressure of the high-pressure accumulator 5 prevails. Due to the pressure in the control pressure chamber 62, the control piston 60 is pressed into the position facing the valve body 3, where it closes the first line 50. In the first control chamber 34 and in the second control chamber 35, the pressure of the leakage oil chamber 7 prevails, since the second control chamber 35 via the second line 52 and, because of the throttle 40, and the first control chamber 34 are connected to the leakage oil chamber 7. For injection, the control valve 70 is moved to its second switching position, so that the pressure in the control pressure chamber 62 is lowered. As a result, the control piston 60 moves to its second position and releases the first line 50, which is thereby connected to the high-pressure accumulator 5 via the fifth line 57. The fuel pressure in the high-pressure accumulator 5 is continued via the first line 50 in the first control chamber 34, where the pressure rises sharply, while it still remains relatively low in the second control chamber 35, since a pressure compensation via the throttle 40 only with a certain time delay happens. This results in a resultant force on the shoulder 32 and thus on the valve piston 30 so that it moves away from the valve inner needle 22 until the pressure in the first control chamber 34 and in the second control chamber 35 is adjusted by the throttle 40. The valve piston 30 is then driven by the closing spring 38 back into the position in which it rests on the valve inner needle 22.

Durch das geöffnete Steuerventil 70 und den erniedrigten Druck im Steuerdruckraum 62 sinkt auch der Druck im äußeren Steuerraum 27 ab, da der äußere Steuerraum 27 über die dritte Leitung 54 mit dem Steuerdruckraum 62 verbunden ist. Die dritte Drossel 46 ist hierbei so ausgelegt, dass sie einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als die vierte Drossel 48, sodass mehr Kraftstoff aus dem äußeren Steuerraum 27 abfließt, als über die vierte Leitung 56 nachfließen kann. Durch den abnehmenden Druck im äußeren Steuerraum 27 erniedrigt sich die Schließkraft auf die Ventilaußennadel 20 und zwar soweit, bis der hydraulische Druck auf die äußere Druckschulter 9 der Ventilaußennadel 20 ausreicht, die Ventilaußennadel 20 zusammen mit der Steuerhülse 25 zu bewegen, sodass die äußeren Einspritzöffnungen 14 freigegeben werden. Der Kraftstoff im Druckraum 10 wird dann unter hohem Druck über die äußeren Einspritzöffnungen 14 in den Brennraum eingespritzt. Die Schließfeder 38 und die Steuerräume 34, 35 sind dabei so ausgelegt, dass der Ventilkolben 30 wieder auf der Ventilinnennadel 22 auf liegt, ehe die Ventilaußennadel 20 vom Ventilsitz 12 abhebt. Da die Ventilinnennadel 22 in dem Ausführungsbeispiel, wie es in Figur 1 dargestellt ist, eine Druckschulter 18 aufweist, ergibt sich nach dem Abheben der Ventilaußennadel 20 vom Ventilsitz 12 eine resultierende Öffnungskraft auf die Ventilinnennadel 22. Die Schließfeder 38 sorgt jedoch dafür, dass eine entsprechende Schließkraft auf den Ventilkolben 30 ausgeübt wird, die die Ventilinnennadel 22 in ihrer Schließstellung hält. Zur Beendigung der Einspritzung wird das Steuerventil 70 erneut betätigt, sodass der Steuerventilraum 62 von der Ablaufleitung 72 getrennt wird. Hierdurch erhöht sich der Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum 62 und damit auch im äußeren Steuerraum 27, was schließlich dazu führt, dass die Steuerhülse 25 die Ventilaußennadel 20 zurück in ihre Schließstellung drückt.By the open control valve 70 and the reduced pressure in the control pressure chamber 62 and the pressure in the outer control chamber 27 decreases, since the outer control chamber 27 is connected via the third line 54 to the control pressure chamber 62. The third throttle 46 is in this case designed so that it has a lower flow resistance than the fourth throttle 48, so that more fuel flows from the outer control chamber 27, as can flow on the fourth line 56. Due to the decreasing pressure in the outer control chamber 27, the closing force on the valve outer needle 20 and that until the hydraulic pressure on the outer pressure shoulder 9 of the valve outer needle 20 is sufficient to move the valve outer needle 20 together with the control sleeve 25, so that the outer injection openings 14th be released. The fuel in the pressure chamber 10 is then injected under high pressure via the outer injection openings 14 into the combustion chamber. The closing spring 38 and the control chambers 34, 35 are designed so that the valve piston 30 is again on the valve inner needle 22, before the valve outer needle 20 lifts off the valve seat 12. Because the valve inner needle 22 in the embodiment as it is in FIG. 1 is shown having a pressure shoulder 18, resulting after lifting the valve outer needle 20 from the valve seat 12, a resultant opening force on the valve inner needle 22. The closing spring 38, however, ensures that a corresponding closing force is exerted on the valve piston 30, the valve inner needle 22 in holds its closed position. To complete the injection, the control valve 70 is operated again, so that the control valve chamber 62 is separated from the drain line 72. This increases the fuel pressure in the control pressure chamber 62 and thus also in the outer control chamber 27, which ultimately leads to the control sleeve 25 pressing the valve outer needle 20 back into its closed position.

Figur 3a zeigt den zeitlichen Verlauf der wichtigsten Größen: Von oben nach unten ist im ersten Diagramm der Strom I aufgetragen, mit dem das Steuerventil 70 angesteuert wird, im zweiten Diagramm der Hub h_a der Ventilaußennadel 20, im dritten Diagramm der Druck p₁ im ersten Steuerraum 34 und der Druck p₂ im zweiten Steuerraum 35 und im vierten Diagramm der Hub hi der Ventilinnennadel 22. Der Strom I setzt zu einem Zeitpunkt ein und ist anfänglich etwas erhöht, um ein schnelles Schalten des Steuerventils 70 zu ermöglichen. Anschließend wird der Strom etwas erniedrigt und konstant gehalten, um das Steuerventil 70 offenzuhalten. Wie oben beschrieben nimmt der Druck p1 im ersten Steuerraum 34 sehr rasch zu, während der Druck p₂ im zweiten Steuerraum 35 erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung ansteigt. Nachdem sich der Druck p1 im ersten Steuerraum 34 und der Druck p₂ im zweiten Steuerraum 35 einander angenähert haben, öffnet sich die Ventilaußennadel 20 und die Einspritzung erfolgt in der oben beschriebenen Weise. Die Bewegung der Ventilaußennadel 20 ist im zweiten Diagramm durch die ansteigenden Wert von h_a zu sehen. Die Ventilinnennadel 22 bleibt in ihrer Schließstellung, oder macht ebenfalls eine kleine Hubbewegung, die vor der Bewegung der Ventilaußennadel 20 geschieht. Dies ist dann der Fall, wenn entgegen der obigen Schilderung der Ventilkolben 30 und die Ventilinnennadel 22 einstückig ausgebildet bzw. fest miteinander verbunden sind. Diese kurze Öffnungsbewegung der Ventilinnennadel 22 bewirkt jedoch keine Einspritzung von Kraftstoff, da die Ventilaußennadel 20 den Druckraum 10 gegen die Ventilinnennadel 22 abdichtet. Nach Beendigung der Bestromung des Steuerventils 70 steigt der Druck im äußeren Steuerraum 27 erneut an und drückt die Ventilaußennadel 20 zurück in ihre Schließstellung. Der Druck in den Steuerräumen 34, 35 sinkt hingegen wieder ab, was jedoch keine Bewegung des Ventilkolbens 30 bewirkt. FIG. 3a shows the time course of the most important variables: From top to bottom in the first diagram, the current I is applied, with which the control valve 70 is driven, in the second diagram, the stroke h _{a of} the valve outer needle 20, in the third diagram, the pressure p ₁ in the first control chamber 34 and the pressure p ₂ in the second control chamber 35 and in the fourth diagram, the stroke hi of the valve inner needle 22. The current I starts at a time and is initially increased slightly to allow rapid switching of the control valve 70. Subsequently, the flow is slightly lowered and kept constant to keep the control valve 70 open. As described above, the pressure p1 in the first control chamber 34 increases very rapidly, while the pressure p ₂ in the second control chamber 35 increases only with a certain time delay. After the pressure p1 in the first control chamber 34 and the pressure p ₂ in the second control chamber 35 have approached each other, the valve outer needle 20 opens and the injection takes place in the manner described above. The movement of the valve outer needle 20 can be seen in the second diagram by the increasing value of h _a . The valve inner needle 22 remains in its closed position, or also makes a small lifting movement, which happens before the movement of the valve outer needle 20. This is the case when, contrary to the above description, the valve piston 30 and the valve inner needle 22 are integrally formed or firmly connected to each other. However, this short opening movement of the valve inner needle 22 causes no injection of fuel, since the valve outer needle 20 seals the pressure chamber 10 against the valve inner needle 22. After completion of the energization of the control valve 70, the pressure in the outer control chamber 27 increases again and pushes the valve outer needle 20 back to its closed position. The pressure in the control chambers 34, 35, however, decreases again, but this causes no movement of the valve piston 30.

Soll sowohl durch die äußeren Einspritzöffnungen 14 als auch durch die inneren Einspritzöffnungen 16 Kraftstoff eingespritzt werden, so erfolgt die Ansteuerung in folgender Weise: Der Beginn der Einspritzung ist wie oben bereits beschrieben, sodass die Ventilaußennadel 20 ihre Öffnungshubbewegung beginnt. Dies ist in Figur 3b dargestellt, wo die Bestromung des Steuerventils 70 einsetzt und zu dem bekannten Druckanstieg im ersten Steuerraum 34 und im zweiten Steuerraum 35 fährt. Die Öffnung der Ventilaußennadel 20 beginnt und die Einspritzung durch die äußeren Einspritzöffnungen 14 findet statt. Um die Ventilinnennadel 22 zusätzlich zu öffnen, wird die Bestromung des Steuerventils 70 kurzzeitig unterbrochen, sodass dieses für eine kurze Zeit die Ablaufleitung 72 schließt. Dadurch sinkt der Druck im ersten Steuerraum 34 und im zweiten Steuerraum 35 ab und ebenso setzt sich die Ventilaußennadel 20 in Richtung des Ventilsitzes 12 in Bewegung. Das Steuerventil 70 wird jetzt jedoch erneut bestromt, ehe die Ventilaußennadel 20 auf dem Ventilsitz 12 aufsetzt. Der Druck im ersten Steuerraum 34 steigt dadurch wieder an und zwar, wie schon zuvor, rascher als im zweiten Steuerraum 35, sodass sich eine Druckdifferenz Δp zwischen dem ersten Steuerraum 34 und dem zweiten Steuerraum 35 einstellt. Durch die Kraft auf die Druckschulter 18 bewegt sich die Ventilinnennadel 22 vom Ventilsitz 12 weg, so dass die inneren Einspritzöffnungen 16 geöffnet werden. Da jetzt auch die innere Ventildichtfläche 19 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt ist, wird sie durch den Kraftstoffdruck in ihrer Öffnungsstellung gehalten,. Beide Ventilnadeln 20, 22 bleiben so lange in ihrer Öffnungsstellung, bis das Steuerventil 70 erneut betätigt wird. Der sich erhöhende Druck im äußeren Steuerraum 27 zwingt dann die Ventilaußennadel 20 zurück in ihre Schließstellung, wobei die Steuerhülse 25 bei ihrer Bewegung auf den Ventilsitz 12 zu die Ventilinnennadel 22 mitnimmt, sodass beide Ventilnadeln 20, 22 gleichzeitig in ihrer Schließstellung ankommen. Die Einspritzung erfolgt in diesem Fall über sämtliche Einspritzöffnungen 14,16, sodass im gleichen Zeitabschnitt wesentlich mehr Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.If fuel is to be injected both through the outer injection openings 14 and through the inner injection openings 16, the activation takes place in the following manner: The beginning of the injection is as already described above, so that the valve outer needle 20 starts its opening stroke movement. This is in FIG. 3b shown where the energization of the control valve 70 starts and moves to the known pressure increase in the first control chamber 34 and the second control chamber 35. The opening of the valve outer needle 20 begins and the injection through the outer injection openings 14 takes place. In order to additionally open the valve inner needle 22, the energization of the control valve 70 is briefly interrupted so that it closes the drain line 72 for a short time. As a result, the pressure in the first control chamber 34 and in the second control chamber 35 decreases and also the valve outer needle 20 is in the direction of the valve seat 12 in motion. The control valve 70 is energized again, however, before the valve outer needle 20 touches down on the valve seat 12. The pressure in the first control chamber 34 thereby increases again, and indeed, as before, faster than in the second control chamber 35, so that a pressure difference .DELTA.p between the first control chamber 34 and the second control chamber 35 sets. Due to the force on the pressure shoulder 18, the valve inner needle 22 moves away from the valve seat 12, so that the inner injection openings 16 are opened. Since now also the inner valve sealing surface 19 is acted upon by the fuel pressure, it is held by the fuel pressure in its open position,. Both valve needles 20, 22 remain in their open position until the control valve 70 is actuated again. The increasing pressure in the outer control chamber 27 then forces the valve outer needle 20 back into its closed position, wherein the control sleeve 25 in its movement on the valve seat 12 to the valve inner needle 22 entrains, so that both valve needles 20, 22 arrive simultaneously in its closed position. In this case, the injection takes place via all the injection openings 14, 16, so that substantially more fuel can be injected into the combustion chamber of the internal combustion engine in the same period of time.

Der genaue Zeitpunkt, zu der die Ventilinnennadel 22 öffnet, lässt sich in engen Grenzen variieren, was eine bessere Anpassung an bestimmte Betriebspunkte möglich macht und damit eine Erniedrigung der Schadstoffemissionen. Wenn der Zeitpunkt, zu dem die Ventilinnennadel 22 öffnet, möglichst früh gewählt wird, kann die Einspritzdauer bei Volllast verkürzt werden, so dass sich mehr Kraftstoff in der gleichen Zeit in den Brennraum einbringen lässt.The exact time at which the valve inner needle 22 opens can be varied within narrow limits, which makes better adaptation to specific operating points possible makes and thus a reduction of pollutant emissions. If the time at which the valve inner needle 22 opens is selected as early as possible, the injection duration can be shortened at full load, so that more fuel can be introduced into the combustion chamber in the same time.

Wie schon erwähnt kann es vorgesehen sein, dass der Ventilkolben 30 und die Ventilinnennadel 22 einstückig ausgebildet oder fest miteinander verbunden sind. In diesem Fall kann die Druckschulter 18 an der Ventilinnennadel 22 entfallen, so dass die Ventilinnennadel 22 zylindrisch mit konstantem Außendurchmesser ausgebildet ist, bis sie in die innere Ventildichtfläche 19 übergeht. Da der Ventilkolben 30 durch die Druckdifferenz zwischen dem ersten Steuerraum 34 und dem zweiten Steuerraum 35 die Ventilinnennadel 22 vom Ventilsitz 12 abhebt, wird die Ventilinnennadel 22 dann durch die Beaufschlagung der inneren Ventildichtfläche 19 in ihrer Öffnungsstellung gehalten. Die Öffnungsbewegung der Ventilinnennadel 22 zusammen mit dem Ventilkolben 30 wird auch dann durch die Anlage an der Steuerhülse 25 begrenzt, wenn die Ventilaußennadel 20 in ihrer Schließstellung ist, also am Ventilsitz 12 aufliegt. Die Schließfeder 38 kann in diesem Fall schwächer ausgelegt werden, da sie keine Gegenkraft zu der hydraulischen Beaufschlagung einer Druckschulter aufbringen muss.As already mentioned, it can be provided that the valve piston 30 and the valve inner needle 22 are integrally formed or firmly connected to each other. In this case, the pressure shoulder 18 can be omitted on the valve inner needle 22, so that the valve inner needle 22 is formed cylindrically with a constant outer diameter until it merges into the inner valve sealing surface 19. Since the valve piston 30 lifts the valve inner needle 22 from the valve seat 12 due to the pressure difference between the first control chamber 34 and the second control chamber 35, the valve inner needle 22 is then held in its open position by the action of the inner valve sealing surface 19. The opening movement of the valve inner needle 22 together with the valve piston 30 is then limited by the contact with the control sleeve 25 when the valve outer needle 20 is in its closed position, ie rests on the valve seat 12. The closing spring 38 can be made weaker in this case, since it does not have to counterforce the hydraulic application of a pressure shoulder.

Claims

Fuel injection valve for internal combustion engines having a housing (2) in which are arranged a valve inner needle (22) and a valve outer needle (20) which surrounds the valve inner needle (22), which valve inner needle (22) and valve outer needle (20) interact with a valve seat (12) and, by means of their longitudinal movement, in each case control the opening of at least one injection opening (14; 16), and having a valve piston (30) which acts on the valve inner needle (22) at the side remote from the valve seat (12), and having a first control space (34) and a second control space (35) which are both formed in the housing (2) and which can be filled with fuel, with the pressure in the first control space (34) generating a force on the valve piston (30) in the direction away from the valve inner needle (22), and the pressure in the second control space (35) generating a force in the direction towards the valve inner needle (22), with the first control space (34) and the second control space (35) being hydraulically connected to one another by means of a throttle (40), characterized in that a collar (32) is formed on the valve piston (30), the one side of which delimits the first control space (34) and the other side of which delimits the second control space (35), with the throttle (40) being formed in the collar (32) of the valve piston (30).
Fuel injection valve according to Claim 1, characterized in that both the first control space (34) and also the second control space (35) surround the valve piston (30).
Fuel injection valve according to Claim 1, characterized in that that face of the collar (32) which is acted on by the fuel of the first control space (34) is the same size as that face of the collar (32) which is acted on by the fuel of the second control space (35).
Fuel injection valve according to Claim 1, characterized in that the valve piston (30) is formed in one piece with the valve inner needle (22).
Fuel injection valve according to Claim 1, characterized in that the valve piston (30) is acted on by a closing spring (38) in the direction of the valve inner needle (22).
Fuel injection valve according to Claim 1, characterized in that a pressure space (10) which surrounds the valve outer needle (20) is formed in the housing (2), which pressure space (10) can be filled with highly pressurized fuel.
Fuel injection valve according to Claim 6, characterized in that the valve inner needle (22) has a pressure shoulder (18) which is acted on by the fuel of the pressure space (10) when the valve outer needle (20) lifts up from the valve seat (12).
Fuel injection valve according to Claim 7, characterized in that a closing spring (38) acts on the valve piston (30) in the direction of the valve seat (12), with the spring force always being greater than the hydraulic force on the pressure shoulder (18) of the valve inner needle (22).