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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
Kraftstoffinjektor mit zwei Lochreihen von Einspritzdüsen, denen
eine innere und koaxial dazu eine äußere Düsennadel zugeordnet ist, ist
beispielsweise aus
DE
102 05 970 A1 bekannt. Derartige Einspritzdüsen, die
druckabhängig
ansteuerbar unterschiedliche Einspritzquerschnitte freigeben, werden auch
als Variodüsen
bezeichnet. Der äußeren und
inneren Düsennadel
ist jeweils ein Steuerkolben zugeordnet, die jeweils auf einen kraftstoffgefüllten hydraulischen
Raum einwirken, so dass die hydraulischen Räume als aktiv beschaltete Steuerräume wirken.
Die beiden Steuerräume
sind über
einen Verbindungskanal hydraulisch miteinander verbunden. Der Steuerraum
der äußeren Düsennadel
ist über
eine Ablaufdrossel mit einem Niederdruck-Rücklaufsystem verbindbar. Der
Verbindungskanal ist dabei so bemessen, dass beim Öffnen der
Ablaufdrossel zuerst der Druck im Steuerraum der äußeren Düsennadel
abfällt
und erst mit einer zeitlichen Verzögerung der Druck im Steuerraum
der inneren Düsennadel.
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Zur
Steigerung des Einspritzdrucks, der über dem Druckniveau des Druckspeichers
(Common Rail) liegt, ist aus
DE 102 29 417 A1 eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit Druckübersetzungseinrichtung
bekannt, bei der zusätzlich
zur Verbesserung der Einspritzcharakteristik und zur Erhöhung des Wirkungsgrades
ebenfalls eine Variodüse
eingesetzt ist. Die Variodüse
weist zwei koaxial angeordneten Düsennadeln auf. Dabei wird der Öffnungsdruck
der inneren Düsennadel
per Federunterstützung
auf ein konstantes Niveau bzw. mit Hilfe eines zusätzlichen Assistenzdrucks
auf ein bestimmtes Verhältnis
von Raildruck und Öffnungsdruck
eingestellt. Dadurch ist eine Anpassung des hydraulischen Durchflusses durch
den Kraftstoffinjektor an den Lastpunkt des Verbrennungsmotors möglich. Dabei
wird die innere Düsennadel
so eingestellt, dass sie erst bei relativ hohen Drücken von
beispielsweise größer 1500
bar öffnet,
um somit gute Emissionswerte im Teillastzustand des Verbrennungsmotors
zu erreichen. Die Einstellung des konstanten Öffnungsdrucks für die innere
Düsennadel
ist dabei sehr toleranzempfindlich, da mit der Öffnung der inneren Düsennadel
ein Mengensprung in der Einspritzmenge einhergeht. Insofern machen
sich Exemplarstreuungen besonders unangenehm bemerkbar. Bei der
anderen Variante, den Öffnungsdruck
der inneren Düsennadel über das konstante
Verhältnis
von Assistenzdruck und Düsendruck
zu erreichen, öffnet
die innere Düsennadel auch
bereits bei Teillast des Verbrennungsmotors.
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Um
die Auswirkungen der Streuungen in der Ansteuerdauer des Steuerventils
auf die Einspritzmenge bei Kraftstoffeinspritzeinrichtungen mit
Druckübersetzer
zu verhindern, wurde bereits in
DE
102 29 415.1 vorgeschlagen, die Öffnungsgeschwindigkeit einer
einzelnen Düsennadel
zu dämpfen,
ohne dass ein schnelles Schließen
der Düsennadel
beeinträchtigt
wird. Dabei ist im Schließraum
der Düsennadel ein
Dämpfungskolben
axial geführt
angeordnet, der einen Dämpfungsraum
begrenzt und über
einen Überströmkanal mit
dem Schließraum
der Düsennadel
in Verbindung steht.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass sich die Öffnungsgeschwindigkeit
der inneren Düsennadel
und damit die Einspritzrate abstimmen lässt. Die innere Düsennadel
der Variodüse
ist dabei aktiv oder passiv schaltbar, so dass der Düsenöffnungsdruck
der inneren Düsennadel
so eingestellt werden kann, dass diese erst bei einer Anforderung
im Volllastbereich öffnet.
Dadurch ist eine verbesserte Kleinstmengenfähigkeit und ein flaches Einspritzmengenkennfeld für Kraftstoffinjektoren
mit Variodüse
erzielbar, so dass eine weitere Verbesserung der Emissionswerte und
des Geräuschverhaltens
erreicht wird. Insofern ist ein angepasster Einspritzratenverlauf
mit dem Ziel der Geräuschreduzierung
ohne Voreinspritzung in weiten Lastbereichen auch bei Höchstdruckeinspritzsystemen
mit Drücken über 2000
bar möglich.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Merkmalen, wonach
die äußerer Düsennadel
zusätzlich
mit einer Druckfläche
einem Schließraum
ausgesetzt ist und die mit dem Dämpfungsraum
verbundene Ablaufdrossel eine größere Drosselwirkung
aufweist, werden Druckverhältnisse
im Dämpfungsraum
und im Schließraum
erzielt, die bewirken, dass zuerst der Druck im Schließraum abfällt und
erst mit einer zeitlichen Verzögerung
auch der Druck im Dämpfungsraum.
Dadurch öffnet
zunächst
die äußere Düsennadel
und erst nach Einwirken der äußeren Düsennadel über den äußeren Dämpfungskolben
auf den zugeordneten Dämpfungsraum
hebt die innere Düsennadel
ab.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
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Eine
wirksame druckabhängige
Steuerung der Öffnung
der äußeren und
der inneren Düsenadel in
Abhängigkeit
von den im Dämpfungsraum
und im Schließraum
herrschenden Drücken
wird erreicht, wenn die in Schließrichtung wirkende Druckfläche der äußeren Düsennadel
zwischen dem äußeren Dämpfungskolben
und der Düsennadel
ausgebildet ist und in eine zwischen dem Dämpfungskolben und der äußeren Düsennadel
ausgebildeten Trennfuge weist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Dämpfungsraum über eine
hydraulische Verbindung mit dem Schließraum verbunden ist, wobei
die hydraulische Verbindung von einem zwischen einem der äußeren Düsennadel
zugeordneten äußeren Dämpfungskolben
und einem der inneren Düsennadel
zugeordneten inneren Dämpfungskolben
ausgebildeten Verbindungskanal und einem zwischen der düsennadelseitigen
Stirnflächen
des äußeren Dämpfungskolbens
und der dämpfungskolbenseitigen Stirnfläche der äußeren Düsennadel
ausgebildeten Trennfuge gebildet ist. Dadurch wird ein schnelles Schließen der
inneren Düseennadel
ermöglicht,
wobei die innere Düsennadel
annähend
gleichzeitiges mit der äußeren Düsennadel
schließt.
Zur Unterstützung
der Schließwirkung
der inneren Düsennadel
ist es zweckmäßig, wenn
diese im Schließraum
eine in Schließrichtung
wirkende zusätzliche
Druckfläche aufweist.
Durch eine zusätzliche
raildruckabhängige Entlastung
des inneren Dämpfungskolbens über einen
separaten inneren Dämpfungsraum
wird ein Addieren der Schließkräfte der
inneren Düsennadel
derart bewirkt, dass ein Öffnen
nur oberhalb eines einstellbaren Raildrucks erfolgt.
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Eine
weitere Ausführungsform,
die keine Raildruckunterstützung
benötigt,
besteht darin, dass ein separater Dämpfungsraum für die innere
Düsennadel
mit Hilfe einer Steuerleitung und einer Drossel befüllt wird.
Bei Erreichen eines Öffnungsdrucks
von beispielsweise 1000 bar öffnet
ein Rückschlagventil und
die innere Düsennadel
kann in Abhängigkeit
des Drucks im Dämpfungsraums öffnen. Die
Drossel muss dabei so gestaltet sein, dass die Entlastung des inneren
Dämpfungsraums
während
der Einspritzung mit Raildruck kleiner 1000 bar nicht zu einem ungewollten Öffnen der
inneren Düsennadel
führt.
Die Trägheit
des Rückschlagventils
ist dabei auf die Einspritzdauer abgestimmt, damit das Rückschlagventil nach
Unterschreiten des nominellen Öffnungsdrucks lange
genug geöffnet
bleibt, um die innere Düsennadel
zu aktivieren.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform,
die ebenfalls keine Raildruckunterstützung benötigt, wird der Dämpfungsraum
mittels einer Kombination zweier Rückschlagventile gesteuert.
Das erste Rückschlagventil
hat hierbei einen wesentlich höheren Öffnungsdruck
als das zweite Rückschlagventil.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 das
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 in
einer abgewandelten Ausführungsform,
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3 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel,
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5 eine
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel,
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6 eine
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung
gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel,
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7 eine
Darstellung der Druckverläufe des
Kraftstoffinjektors gemäß 1.
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Ausführungsbeispiele
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Die
in den 1 bis 6 dargestellte Kraftstoffeinspritzeinrichtung
umfasst einen Kraftstoffinjektor 1 und einen Hochdruckspeicher 2 (Common Rail),
wobei der Kraftstoffinjektor 1 über den Hochdruckspeicher 2 mit
unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt wird. Der Kraftstoffinjektor 1 enthält einen
Druckverstärker 5,
ein Steuerventil 8 sowie ein Einspritzventil 6, über welches
in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine
am brennraumseitigen Ende Kraftstoff eingespritzt wird. Das Steuerventil 8,
das beispielsweise als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt ist, wird bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen
von einem Elektromagneten betätigt.
Es ist aber auch möglich,
das Steuerventil 8 von einem Piezo-Aktor zu betätigen.
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Das
Einspritzventil 6 verfügt über eine
koaxiale Düsennadel
mit einer äußeren Düsennadel 11 und
einer inneren Düsennadel 12.
Die Düsennadeln 11, 12 sind
ineinander liegend geführt
und unabhängig
voneinander betätigbar.
Das Einspritzventil 6 besitzt ferner zwei Lochreihen von
Einspritzdüsen,
wobei äußere Einspritzdüsen 61 der äußeren Düsennadel 11 und
innere Einspritzdüsen 62 der
inneren Düsennadel 12 zugeordnet
sind. Die äußere Düsennadel 11 weist
innerhalb eines Düsenraums 27 eine Druckschulter 63 auf.
Brennraumseitig ist die innere Düsennadel 12 mit
einer Druckfläche 64 ausgeführt, die
den inneren Einspritzdüsen 62 vorgeschaltet
ist. An der dem Brennraum abgewandten Seite ist ein Schließraum 29 angeordnet,
in den die äußere Düsennadel 11 mit
einer in Schließrichtung
wirkenden dämpfungskolbenseitigen
Stirnfläche 37 liegt.
Der koaxialen Düsennadel
ist eine Dämpfungseinrichtung 40 zugeordnet,
die im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen näher erläutert wird.
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Vom
schematisch angedeuteten Hochdruckspeicherraum 2 gelangt
Kraftstoff über
eine kombiniertes Rückschlag-/Drosselventil 13 und
eine Raildruckleitung 14 in einen Druckraum 15 des
Druckverstärkers 5.
Der Druckverstärker 5 umfasst
neben dem erwähnten
Druckraum 15, einen Rückraum 16 und
einen Hochdruckraum 25. Innerhalb des Druckverstärkers 5 ist
ein axial verschiebbarer Stufenkolben 9 aufgenommen, der einen
ersten Teilkolben 18 umfasst, der im Vergleich zu einem
zweiten Teilkolben 19 mit einem eine Führung ermöglichenden größeren Durchmesser
ausgebildet ist. Der Stufenkolben 9 kann dabei sowohl aus
zwei separaten Bauteilen bestehen als auch aus einem Bauteil gefertigt werden.
Der Stufenkolben 9 weist ferner eine in den Druckraum 15 hinein
ragende Kolbenstange 17 mit Federhalter 20 für eine Rückstellfeder 21 auf,
die dem Federhalter 21 entgegengesetzt an einer Scheibe 22 aufliegt.
Der zweite Teilkolben 19 begrenzt mit seiner Stirnfläche den
Hochdruckraum 25, an welchem eine Hochdruckleitung 26 angeschlossen
ist, die den Düsenraum 27 des
Einspritzventils 6 mit unter sehr hohem Druck stehendem
Kraftstoff beaufschlagt.
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Vom
Rückraum 16 des
Druckverstärkers 5 zweigt
eine erste Leitung 23 und eine zweite Leitung 24 ab,
wobei die erste Leitung 23 zu einem Anschluss des Steuerventils 8 und
die zweite Leitung 24 über
eine Schließraumdrossel 31 in
den Schließraum 29 des
Einspritzventils 6 führt.
Der Schließraum 29 ist über ein
Rückschlagventil 32 ferner
an die Hochdruckleitung 26 angeschlossen.
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Der
zweite Anschluss des Steuerventils 8 ist über eine
Steuerleitung 33 mit dem Druckraum 15 des Druckverstärkers 5 verbunden.
Der dritte Anschluss des Steuerventils 8 ist an eine Rücklaufleitung 34 angeschlossen,
die in ein Niederdruck-Rücklaufsystem 35 führt.
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Bei
dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
verfügt
die Dämpfungseinrichtung 40 über einen
ersten, äußeren Dämpfungskolben 41,
der in einer an den Schließraum 29 sich
anschließenden
Bohrung 42 geführt
ist, und über
einen zweiten, inneren Dämpfungskolben 43,
der in Form einer Kolbenstange durch den ersten Dämpfungskolben 41 hindurch
geführt
ist. Der äußere Dämpfungskolben 41 ist
mittels einer Druckfeder 44 im Schließraum 29 vorgespannt
und besitzt innerhalb des Schließraums 29 eine düsennadelseitige
Stirnfläche 47,
die an der dämpfungskolbenseitigen
Stirnfläche 37 der äußeren Düsennadel 11 anliegt.
Zwischen der düsennadelseitigen
Stirnfläche 47 und
der dämpfungskolbenseitigen
Stirnfläche 37 ist
eine Trennfuge 45 ausgebildet. Der äußere Dämpfungskolben 41 weist
außerdem
eine ringförmige
Stirnfläche 51 auf. Der
innere Dämpfungskolben 43 hat
eine kreisförmige
Stirnfläche 52 und
steht mit der inneren Düsennadel 12 in
Wirkbeziehung, wobei der innere Dämpfungskolben 43 einstückig oder
zweistückig
mit der inneren Düsennadel 12 hergestellt
werden kann. Die ringförmige
Stirnfläche 51 des äußeren Dämpfungskolbens 41 und
die kreisförmige
Stirnfläche 52 des
inneren Dämpfungskolbens 43 weisen
jeweils in einen Dämpfungsraum 50.
Zwischen dem inneren Dämpfungskolben 43 und
der Innenzylinderwandung des äußeren Dämpfungskolbens 41 ist
ein Strömungskanal 46 in
Form eines Ringspaltes ausgeführt,
der vom Dämpfungsraum 50 zur
Trennfuge 45 führt.
Der Dämpfungsraum 50 ist über eine
Leitung 53 mit einer Ablaufdrossel 54 an die zweite
Leitung 24 angeschlossen.
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Weiterhin
ist zur Unterstützung
der inneren Düsennadel 12 eine
weitere Druckfläche 36 am
inneren Dämpfungskolben 43 ausgebildet,
die beispielsweise innerhalb des Strömungskanals 46 in
Schließrichtung
wirkt. Damit ist das Öffnen
der inneren Düsennadel 12 sowohl
abhängig
vom Druck im Schließraum 29 als
auch vom Druck innerhalb des gemeinsamen Dämpfungsraums 50.
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In
einem Grundzustand, bei dem die Düsen 61, 62 von
der äußeren und
der inneren Düsennadel 11, 12 verschlossen
sind, sind alle Druckräume
im Druckverstärker 5 mit
Rail- bzw. Systemdruck beaufschlagt. Der Stufenkolben 4 ist
dabei druckausgeglichen. In diesem Zustand ist der Druckverstärker 5 deaktiviert,
wobei der Stufenkolben 9 über die Rückstellfeder 21 in
seine Ausgangslage zurückgestellt und
der Druckraum 15 dabei über
das Rückschlagventil 13 befüllt wurde.
Im Grundzustand liegt außerdem
Raildruck im Schließraum 29 und
im Dämpfungsraum 50 an.
Aufgrund der Flächenverhältnisse der
Stirnflächen 51, 52 und
der Druckflächen 63, 64 wirkt
eine hydraulische Schließkraft
auf die innere und äußere Düsennadel 11, 12.
Die auf den äußeren Dämpfungskolben 41 und
damit auf die äußere Düsennadel 11 einwirkende
Druckfeder 44 unterstützt außerdem den
Schließvorgang.
In Folge dessen kann der Raildruck ständig im Düsenraum 27 anstehen,
ohne dass die äußere Düsennadel 11 sich öffnet.
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Um
ein Öffnen
der äußeren Düsennadel 11 zu
bewirken, muss der Druck im Düsenraum 27 über den
Raildruck ansteigen, was durch Zuschalten des Druckverstärkers 5 erreicht
wird. Dies wird, wie in den 1 bis 7 dargestellt,
durch eine Druckentlastung des Rückraums 16 des
Druckverstärkers 5 eingeleitet,
indem durch Aktivierung des Elektromagneten das Steuerventil 8 in
die dargestellte Schaltstellung gebracht wird. Dadurch wird der
Rückraum 16 vom
Raildruck bzw. von der Systemdruckversorgung abgetrennt und mit
der Rücklaufleitung 34 und dadurch
mit dem Niederdruck-Rücklaufsystem 35 verbunden.
Der Druck im Rückraum 16 fällt ab,
wodurch der Druckverstärker 5 aktiviert
wird und dabei der Stufenkolben 9 mit dem Teilkolben 19 den im Hochdruckraum 25 befindlichen
Kraftstoff komprimiert. Der verdichtete Kraftstoff wird über die
Hochdruckleitung 26 in den Düsenraum 27 geleitet. Gleichzeitig
wird der Schließraum 29 über die Schließraumdrossel 31 entlastet,
so dass durch Einwirkung des Hochdrucks auf die Druckschulter 63 die äußere Düsennadel 11,
wie dargestellt, angehoben wird, wodurch die Einspritzung über die äußeren Einspritzdüsen 61 beginnt.
Durch die dabei entstehende Aufwärtsbewegung
der äußeren Düsennadel 11 wird durch
die Stirnfläche 51 des
ersten Dämpfungskolbens 41 ein
Volumen im Dämpfungsraum 50 komprimiert,
wobei der komprimierte Kraftstoff aus dem Dämpfungsraum 50 über die
Ablaufdrossel 54 in die entlastete Leitung 24 strömen kann.
Die Ablaufdrossel 54 besitzt dabei eine größere Drosselwirkung
als die Schließraumdrossel 31,
so dass es zu der Dämpfungswirkung
des äußeren Dämpfungskolbens 41 im Dämpfungsraum 50 kommen
kann. Durch eine geeignete Dimensionierung der Ablaufdrossel 54 lässt sich
die Öffnungsgeschwindigkeit
der äußeren Düsennadel 11 und
damit die Einspritzrate abstimmen. Nach dem Abheben der äußeren Düsennadel 11 und Freigeben
der äußeren Einspritzdüsen 61 wirkt
der Druck im Druckraum 27 ebenfalls auf die Druckfläche 64 der
inneren Düsennadel 12.
Auf Grund des auf die Stirnfläche 52 im
Dämpfungsraum 50 wirkenden Drucks
und des auf die Druckfläche 64 an
der Düsennadel 12 wirkenden
Drucks wird eine resultierende Schließkraft wirksam, die die innere
Düsennadel 12 geöffnet. Der Öffnungszeitpunkt
der inneren Düsennadel 12 lässt sich
dabei über
eine Abstimmung der Druckfläche
der Stirnfläche 52 über den
Durchmessers des inneren Dämpfungskolbens 43 sowie
den Durchfluss der Ablaufdrossel 54 beeinflussen. Die Stirnfläche 52 des
inneren Dämpfungskolbens 43 ist zweckmäßigerweise
derart dimensioniert, dass die innere Düsennadel 12 bei Erreichen
des Maximalhubs der äußeren Düsennadel 11 öffnet. Durch
diese Abstimmung öffnet
die innere Düsennadel 12 für einen
weiten Raildruckbereich, d.h., auch in Teillast passiv durch Erreichen
des Hubanschlags der äußeren Düsennadel 11.
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Der
Schließvorgang
der Variodüse
wird durch einen weiteren Schaltvorgang des Steuerventils 8 durch
Druckbeaufschlagung der Steuerleitung 33 eingeleitet, wodurch über die
Leitungen 23, 24 der Rückraum 16 und der
Schließraum 29 wieder
an den Raildruck bzw. Systemdruck angelegt wird. Das Schließen der äußeren Einspritzdüsen 61 erfolgt durch
Befüllen
des Schließraums 29 und
des dort anliegenden Drucks, der über die Trennfuge 45 auf
die in Schließrichtung
wirkende dämpfungskolbenseitige Stirnfläche 37 der äußeren Düsennadel 11 wirkt,
sowie mit Unterstützung
der auf den äußeren Dämpfungskolben 41 wirkenden
Druckfeder 44. Weil die Drosselwirkung der Ablaufdrossel 54 größer ist
als die Drosselwirkung der Schließraumdrossel 31 entsteht
zwischen Schließraum 29 und
Dämpfungsraum 50 ein
Druckunterschied. Aufgrund des Druckunterschieds wirkt zunächst über die
Trennfuge 45 eine Kraft auf die in Schließrichtung
wirkende dämpfungskolbenseitige
Stirnfläche 37 der äußeren Düsennadel 11.
Gleichzeitig wird durch das Freigeben der Trennfuge 45 Kraftstoff
im Wesentlichen ungedrosselt über die
hydraulische Verbindung Trennfuge 45 und Strömungskanal 46 in
den Dämpfungsraum 50 geleitet, so
dass anhand der Drücke
an der Stirnfläche 52 und der
Druckfläche 64 eine
resultierende Schließkraft auch
auf die innere Düsennadel 12 wirkt,
die diese nach unten zum Schließen
der inneren Einspritzdüsen 62 bewegt.
Dadurch wird ein schnelles Schließen der inneren Düsennadel 12 erreicht,
das gleichzeitig mit der äußeren Düsennadel 11 einsetzt.
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Der
Ablauf der Bewegungen der Düsennadeln 11 und 12 und
des Druckverlaufes an den Druckflächen der Düsennadeln 11, 12 und
im Dämpfungsraum 50 sowie
der resultierenden Schließkraft für die innere
Düsennadel 12 wird
nachfolgend anhand der in 7 dargestellten
Druck- und Kraftverläufe
erläutert,
wobei der Düsendruck
an den Druckflächen
der Düsennadeln 11, 12 mit
p1, der Dämpferdruck
im Dämpfungsraum 50 mit
p2 und die aus den Druckkräften
an der Druckfläche 64 und
der Stirnfläche 52 der
inneren Düsennadel 12 wirkenden
Druckkräfte
resultierenden Schließkraft
der inneren Düsennadel 12 mit
Fs bezeichnet sind. Zunächst
besitzt der Düsendruck
p1 und der Dämpferdruck
p2 den Wert des Raildrucks pR von beispielsweise 1350 bar. Die Schließkraft Fs
ist bis dahin als resultierende Kraft zwischen den Druckkräften an
der Druckfläche 64 und
der Stirnfläche 52 positiv.
Der Zeitpunkt t1 stellt den Schaltzeitpunkt des Steuerventils 8 dar,
mit dem das Steuerventil 8 eine Druckentlastung des Rückraums 16 des
Druckverstärkers 5 durch
die in 1 dargestellte Schaltstellung einleitet. Etwas
zeitverzögert
setzt dann auf Grund der Bewegung des Stufenkolbens 9 eine
Komprimierung des Kraftstoffs im Hochdruckraum 25 ein,
so dass der Düsendruck
p1 ansteigt, wodurch die äußere Düsennadel 11 abhebt und
es zur Einspritzung über
die äußeren Einspritzdüsen 61 kommt.
Dabei wird gleichzeitig der äußere Dämpfungskolben 41 in
Richtung Dämpfungsraum 50 bewegt,
was zunächst
einen leichten Druckanstieg des Dämpferdrucks p2 bis zu einem
Zeitpunkt t2 bewirkt. Das leichte Absinken der Schließkraft Fs an
der inneren Düsennadel 11 kommt
daher, weil aufgrund des Öffnens
der äußeren Düsennadel 11 und des
Druckanstiegs im Dämpfungsraum 50 zunächst nur
eine geringe Kräfteverschiebung
an der inneren Düsennadel 12 eintritt.
Zum Zeitpunkt t2 ist die äußere Düsennadel 11 und
damit der äußere Dämpfungskolben 43 am
oberen Endanschlag und der Druck p2 im Dämpfungsraum 50 sinkt
danach stark ab. Gleichzeitig sinkt die auf die innere Düsennadel 12 wirkende
Schließkraft
Fs sprungartig unterhalb Null, d.h., dass die auf die Druckfläche 64 wirkende
Kraft die auf die Stirnfläche 52 wirkende
Kraft übersteigt.
Dadurch kommt es zum Öffnen
der inneren Düsennadel 12 kurz
nach t2. Der Zeitpunkt t3 ist der zweite Schaltzeitpunkt des Steuerventils 8,
der die Entlastung der Leitung 23 über die Rücklaufleitung 24 abschließt, so dass
der Aufbau eines druckausgeglichenen Systems beginnt. Mit dem Zeitpunkt
t3 wird erneut Rail- bzw. Systemdruck über die Schließraumdrossel 31 im
Schließraum 29 sowie über die
Ablaufdrossel 54 und über
die Trennfuge 45 und den Strömungskanal 46 im Dämpfungsraum 50 aufgebaut. Gleichzeitig
wird der Stufenkolben 9 durch die Rückstellfeder 21 in
seine Ausgangsstellung gebracht. Der Druck p2 im Dämpfungsraum 50 steigt
somit wieder an und gleichzeitig erhöht sich die Kraftkomponente
an der Stirnfläche 52 und
die Schließkraft
Fs steigt ebenfalls, so dass beim Nulldurchgang wieder eine positive
Schließkraft
Fs auf die innere Düsennadel 12 wirkt
und die inneren Einspritzdüsen 62 zum Zeitpunkt
t4 verschlossen werden. Durch die Unterstützung der Druckfeder 44 hat
zum gleichen Zeitpunkt die äußere Düsennadel 11 die äußeren Einspritzdüsen 61 verschlossen.
Gleichzeitig hat der Verlauf des Düsendrucks p1 zum Zeitpunkt
t4 den Raildruck pR von 1350 bar wieder erreicht. Der im Druckverlauf
erkennbare Unterschwinger bezüglich des
Düsendrucks
p1 wird durch die kurzzeitige Dekompression des Druckraums 25 durch
Zurückfahren des
Stufenkolbens 9 ausgelöst.
Kurz darauf ist zum Zeitpunkt t5 der eingeschwungene Zustand erreicht, das
System ist druckausgeglichen und die Einspritzdüsen 61, 62 sind
geschlossen. Ein erneuter Öffnungsvorgang
der Einspritzdüsen 61, 62 setzt
mit erneuter Ansteuerung des Steuerventils 8 ein.
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2 zeigt
eine weitergebildete Ausführungsform
des Ausführungsbeispiels
in 1, wobei zusätzlich
zur Ablaufdrossel 54 eine Befüllungsleitung 55 in
den Dämpfungsraum 50 führt und
ein Rückschlagventil 56 zwischengeschaltet
ist, das gegen eine Entleerung des Dämpfungsraums 50 in
die Leitung 24 wirkt. Dadurch ist in der Schaltstellung zum
Schließen
der Düsennadeln 11, 12 ein
zur Ablaufdrossel 54 zusätzlicher Pfad zum Befüllen des Dämpfungsraums 50 geschaffen.
Bei dieser Ausführungsform
kann die in 1 beschriebene zusätzliche
Befüllung
des Dämpfungsraums 50 über die Trennfuge 45 und
den Strömungskanal 46 entfallen. Es
ist aber genauso denkbar, beide Befüllungspfade vorzusehen.
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Bei
dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist jedem Dämpfungskolben 41, 43 jeweils
ein separater Dämpfungsraum
zugeordnet. Der äußere Dämpfungskolben 41 weist
dabei in einen ersten Dämpfungsraum 71.
Der innere Dämpfungskolben 43 wird
von einem Steuerkolben 70 gebildet, der in einem Zylinderraum 72 geführt ist,
wobei der Zylinderraum 72 einen oberhalb des Steuerkolbens 70 liegenden
zweiten Dämpfungsraum 73 und einen
unterhalb des Steuerkolbens 70 liegenden Steuerraum 74 aufweist.
Der zweite Dämpfungsraum 73 ist
mit einer Leitung 75 über
die Leitung 24 an den Rückraum 16 des
Druckverstärkers 5 angeschlossen.
Der Steuerraum 74 ist über
eine weitere Leitung 76 mit dem Druckraum 15 des
Druckverstärkers 5 verbunden
und mit Raildruck beaufschlagt. Der Steuerkolben 70 weist
eine in den zweiten Dämpfungsraum 73 weisende
Stirnfläche 77 auf.
In den Steuerraum 74 weisend besitzt der Steuerkolben 70 eine Ringfläche 78.
Durch den mit Raildruck beaufschlagten Steuerraum 74 ist
der Steuerkolben 70 zusätzlich raildruckabhängig entlastet.
Mittels einer Rückstellfeder 79 wird
das Abheben des Steuerkolbens 70 vom Dämpfungskolben 43 vermieden.
Gleichzeitig bietet die Rückstellfeder 79 eine
bessere Abstimmbarkeit des Öffnungsmechanismus.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
erfordert die in Schließrichtung
auf die innere Düsennadel 12 wirkende
zusätzliche
Druckfläche 36,
die als Druckstufe am inneren Dämpfungskolben 43 ausgebildet
ist. Die Schließkraft
für die
innere Düsennadel 12 resultiert somit
aus einer "UND"-Funktion der Kräfteverhältnisse
am Steuerkolben 70 und an der Druckstufe 36. Damit
ist das Öffnen
der inneren Düsennadel
sowohl abhängig
vom Raildruck als auch von den Druckverhältnissen im Dämpfungsraum 71.
Das Öffnen
der inneren Düsennadel 12 folgt
somit nur oberhalb eines über
die Kräfteverhältnisse
am Steuerkolben 70 einstellbaren Raildrucks. Zum Öffnen der
koaxialen Düsennadel
wird zunächst
das Steuerventil 8 in die gezeigte Schaltstellung gebracht,
so dass der Rückraum 16,
der Steuerraum 29, der erste Dämpfungsraum 71 und
der zweite Dämpfungsraum 73 duckentlastet
werden. Durch die Druckentlastung des Rückraums 16 erfolgt,
wie bei den Ausführungsbeispielen in 1 beschrieben,
eine Komprimierung des Druckraums 25, so dass eine Druckerhöhung über die
Hochdruckleitung 26 an die Druckschulter 63 der äußeren Düsennadel 11 weitergegeben
wird. Die äußere Düsennadel 11 hebt
von den äußeren Einspritzdüsen 61 ab
und bewegt den äußeren Dämpfungskolben 41 in
die gezeigte Stellung. Durch die Komprimierung des Kraftstoffs im
ersten Dämpfungsraum 71 erfolgt
eine Dämpfung
der äußeren Düsennadel 11 mittels
des Dämpfungskolbens 41.
Gleichzeitig wirkt der komprimierte Kraftstoff über den Strömungskanal 46 auf
die Druckstufe 36 der inneren Düsennadel 12, so dass
diese in ihrer Schließstellung während des Öffnens der äußeren Düsennadel 12 verharrt.
Ein Öffnen
der inneren Düsennadel 12 setzt ein,
wenn die auf die Düsennadel 12 in
Schließrichtung
wirkende Schließkraft
kleiner ist als die auf die Druckfäche 64 wirkende Öffnungskraft.
Die Schließkraft
setzt sich dabei zusammen aus der anhand des Drucks im ersten Dämpfungsraum 71 auf
die Druckstufe 36 wirkenden Kraft und aus der aus dem Flächenverhältnis der
Stirnfläche 77 und
der Ringfläche 78 resultierenden
Kraft am Steuerkolben 70. Da die Kraft an der Druckstufe 36 im
ersten Dämpfungsraum 71 vernachlässigbar
gering ist, ist die Kraft zum Öffnen
der inneren Düsennadel 12 im
Wesentlichen von der am Steuerkolben 70 resultierenden
Kraft abhängig,
die anhand des Raildrucks im Steuerraum 74 festzulegen
ist.
-
Zum
Schließen
der koaxialen Düsennadel wird
das Steuerventil 8 in die zweite Schaltstellung gebracht,
so dass der Steuerraum 29, der erste Dämpfungsraum 71 und
der zweite Dämpfungsraum 73 wieder
mit Raildruck beaufschlagt werden, wobei auf Grund der unterschiedlichen
Drosselwirkungen der Schließraumdrossel 31 und
der Ablaufdrossel 54 der Schließraum 29 schneller
befüllt
wird. Der in den Schließraum 29 gelangende
Kraftstoff strömt
jedoch über
die Trennfuge 45 und den Strömungskanal 46 ebenfalls
in den ersten Dämpfungsraum 71,
so dass ein entsprechender Druck auf die Stirnfläche 51 des äußeren Dämpfungskolbens 41 und
auf die Druckstufe 36 des inneren Dämpfungskolbens 43 wirkt. Gleichzeitig
wird über
die Verbindungsleitung 75 und die weitere Leitung 76 eine
druckausgeglichener Zustand im zweiten Dämpfungsraum 73 und
im Steuerraum 74 eingestellt. Die resultierende Schließkraft für die innere
Düsennadel 12 wird
dabei über
die zusätzliche
Druckfläche 36 erzielt,
wobei die Rückstellfeder 79 die
Schließwirkung
der inneren Düsennadel 12 unterstützt. Die
Rückstellfeder 79 dient
bei einer zweiteiligen Ausführung
von Steuerkolben 70 und von inneren Dämpfungskolben 43 auch
dazu, dass zwischen diesen kein Spalt entsteht bzw. ein Trennen der
Bauteile vermieden wird.
-
Beim
Ausführungsbeispiel
gemäß 4 ist ebenfalls
ein erster Dämpfungsraum 81 und
ein zweiter Dämpfungsraum 82 vorgesehen,
wobei der zweite Dämpfungsraum 82 lediglich
auf die innere Düsennadel 12 wirkt.
Der zweite Dämpfungsraum 82 ist über eine
Leitung 83, an die ein gegen den Zulauf zum Dämpfungsraum 82 gerichtetes
Rückschlagventil 84 eingesetzt
ist, und über
die Leitung 24 an den Rückraum 16 des
Druckverstärkers 5 gelegt.
Parallel zum Rückschlagventil 84 ist
eine weitere Drossel 85 geschaltet, über die ein Befüllen des
zweiten Dämpfungsraums 82 erfolgt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
mit einem separaten zweiten Dämpfungsraum 82 für die innere
Düsennadel 12 ist
somit keine Raildruckunterstützung
notwendig. Der Öffnungsdruck für die innere
Düsennadel 12 wird über das
Rückschlagventil 84 eingestellt,
so dass beispielsweise bei Erreichen eines Öffnungs-Raildrucks von 1000 bar
das Rückschlagventil 84 öffnet und
die innere Düsennadel 12 in
Abhängigkeit
vom Druck im ersten Dämpfungsraum 81 öffnet. Die
Drossel 85 muss dabei so gestaltet sein, dass die Entlastung
des zweiten Dämpfungsraums 82 während der
Einspritzung mit Raildruck kleiner 1000 bar nicht zu einem ungewollten Öffnen der
Innennadel führt.
Die Trägheit
des Rückschlagventils 84 ist
auf die Einspritzdauer des Einspritzventils 6 abgestimmt,
damit das Rückschlagventil 84 nach
Unterschreiten des nominalen Öffnungsdrucks
lange genug geöffnet
bleibt, um die innere Düsennadel 12 zu
aktivieren.
-
Beim
Ausführungsbeispiel
nach 5 benötigt
der zweite Dämpfungsraum 82 ebenfalls
keine Raildruckunterstützung.
Hierbei ist der zweite Dämpfungsraum 82 an
Stelle der Drossel 85 in 4 über ein
weiteres Rückschlagventil 86 mit
der Leitung 24 verbunden, wobei das weitere Rückschlagventil 86 in entgegengesetzte
Richtung zum Rückschlagventil 84 wirkt.
Das Rückschlagventil 84 hat
hierbei beispielsweise wieder einen Öffnungsdruck von ca. 1000 bar, während das
weitere Rückschlagventil 86 einen Öffnungsdruck
von beispielsweise nur ca. 100 bar aufweist. Dadurch wird der zweite
Dämpfungsraum 82 erst
bei einem Raildruck von größer 1000
bar entlastet, aber über
das weitere Rückschlagventil 86 schon ab
ca. 100 bar wieder befüllt.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
muss die Trägheit
der Rückschlagventile 84, 86 geeignet
abgestimmt sein, wobei das weitere Rückschlagventil 86 ein
möglichst
schnelles und das Rückschlagventil 84 ein
eher träges
Schaltverhalten aufweisen sollte.
-
6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem der zweite Dämpfungsraum 82 über das
Rückschlagventil 84,
wie bei den Ausführungsbeispielen in 4 und 5,
mit dem Rückraum 16 der
Dämpfungseinrichtung 5 verbunden
ist. Hierbei existiert eine zusätzliche
Verbindung des zweiten Dämpfungsraums 82 über eine
in den Druckraum 15 des Druckverstärkers 5 führende Leitung 87,
wobei in die Leitung 87 eine weitere Drossel 88 integriert
ist. Damit ist der zweite Dämpfungsraum 82 über die
Drossel 88 an Raildruck angekoppelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist eine zusätzliche
Steuermenge während
der Einspritzdauer über
die inneren Einspritzdüsen 62 notwendig.
-
Bei
allen Ausführungsbeispielen
sind die Düsen 61, 62 und
die Dämpfungsräume 50, 71, 81, 82 druckbeaufschlagt.
Um eine Leckage über
die Führung
zwischen der inneren Düsennadel 12 und
der äußeren Düsennadel 11 zu
vermeiden, sind an sich bekannte Maßnahmen zu wählen, wie
zum Beispiel doppelter Düsennadelsitz
an der äußeren Düsennadel 11 oder
es ist eine zusätzliche
Leckageabfuhr zwischen den Düsennadeln 11, 12 vorzusehen.
-
Es
ist außerdem
denkbar, die in den 1 bis 7 beschriebene
Dämpfungseinrichtung 40 für die koaxiale
Düsennadel
auch ohne Druckverstärker 5 einzusetzen.
Dabei ist die in den Hochdruckraum 25 führende Leitung 26 an
Raildruck anzuschließen.
-
- 1
- Kraftstoffinjektor
- 2
- Hochdruckspeicherraum
- 5
- Druckverstärker
- 6
- Einspritzventil
- 8
- Steuerventil
- 9
- Stufenkolben
- 11
- Äußere Düsennadel
- 12
- Innere
Düsennadel
- 13
- Kombiniertes
Rückschlag-/Drosselventil
- 14
- System-
bzw. Raildruckleitung
- 15
- Druckraum
- 16
- Rückraum
- 17
- Kolbenstange
- 18
- Erster
Teilkolben
- 19
- Zweiter
Teilkolben
- 20
- Federhalter
- 21
- Rückstellfeder
- 22
- Scheibe
- 23
- Erste
Leitung
- 24
- Zweite
Leitung
- 25
- Hochdruckraum
- 26
- Hochdruckleitung
- 27
- Düsenraum
- 29
- Schließraum
- 31
- Schließraumdrossel
- 32
- Erstes
Rückschlagventil
- 33
- Steuerleitung
- 34
- Rücklaufleitung
- 35
- Niederdruck-Rücklaufsystem
- 36
- Weitere
Druckfläche
- 37
- Dämpfungskolbenseitige
Stirnfläche
- 40
- Dämpfungseinrichtung
- 41
- Erster
Dämpfungskolben
- 42
- Bohrung
- 43
- Zweiter
Dämpfungskolben
- 44
- Druckfeder
- 45
- Trennfuge
- 46
- Strömungskanal
- 47
- Düsennadelseitige
Stirnfläche
- 50
- Dämpfungsraum
- 51
- Ringförmige Stirnfläche
- 52
- Kreisförmige Stirnfläche
- 53
- Leitung
- 54
- Ablaufdrossel
- 55
- Befüllunasleitung
- 56
- Zusätzliches
Rückschlagventil
- 61
- äußere Einspritzdüsen
- 62
- innere
Einspritzdüsen
- 63
- Druckschulter
- 64
- Druckfläche
- 70
- Steuerkolben
- 71
- erster
Dämpfungsraum
- 72
- Zylinderraum
- 73
- Zweiter
Dämpfungsraum
- 74
- Steuerraum
- 75
- Verbindungsleitung
- 76
- Weitere
Leitung
- 77
- Stirnfläche
- 78
- Ringfläche
- 79
- Rückstellfeder
- 81
- Erster
Dämpfungsraum
- 82
- Zweiter
Dämpfungsraum/Steuerraum
- 83
- Leitung
- 84
- Rückschlagventil
- 85
- Drossel
- 86
- Weiteres
Rückschlagventil
- 87
- Leitung
- 88
- Weitere
Drossel
- 90
- weiteres
Schaltventil