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Bei
Kraftstoffeinspritzsystemen mit Rail wird der Raildruck von Hochdruckpumpe
erzeugt und in einem Rail gespeichert. Dabei ist eine Formung des Einspritzverlaufs
nicht möglich.
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Aus
der
DE 199 10 970
A1 ist ein Injektor mit Druckübersetzer bekannt. Dieser Druckübersetzer dient
dazu, den von einem Rail oder Kraftstoffhochdruckpumpe bereitgestellten
Kraftstoffdruck zu erhöhen,
um zu höheren
Einspritzdrücken
zu gelangen, ohne dass in der Kraftstoffhochdruckpumpe und dem Rail
der Einspritzdruck herrscht.
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Bei
einem Injektor für
ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer in einem Injektorgehäuse dichtend geführten Düsennadel,
wobei ein Ende der Düsennadel
einen Steuerraum begrenzt, und mit einem ersten Steuerventil, das
in einer ersten Schaltstellung den Steuerraum hydraulisch von einem
Rücklauf
trennt und das in einer zweiten Schaltstellung den Steuerraum hydraulisch über eine
Ablaufdrossel mit dem Rücklauf
verbindet, und mit einem Hochdruckanschluss, der eine Druckschulter
der Düsennadel
mit unter Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt und über eine
Zulaufdrossel den Steuerraum mit Kraftstoff versorgt, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass zwischen dem Hochdruckanschluss einerseits und dem Steuerraum
sowie der Druckschulter andererseits ein Druckübersetzer angeordnet ist, und
dass der Druckübersetzer
aktivierbar oder deaktivierbar ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Dadurch
ist es möglich,
wahlweise eine Einspritzung mit dem im Rail herrschenden Druck vorzunehmen
oder den im Rail herrschenden Druck mit Hilfe des Druckübersetzers
noch weiter zu erhöhen. Auch
sind Zwischenformen dieser beiden Betriebsweisen möglich, so
dass in weiten Bereichen eine Einspritzverlaufsformung mit Hilfe
des erfindungsgemäßen Injektors
möglich
ist.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine Leckage
im Bereich der Düsennadel
nur zu den Zeiten auftritt, in denen die Düsennadel geöffnet ist. Zu diesen Zeiten
ist die Leckage jedoch unproblematisch.
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Da
durch den Druckübersetzer
nur sehr wenige Bauteile des Injektors mit dem höchstmöglichen Einspritzdruck beaufschlagt
werden, kann eine kostengünstigere
Konstruktion des Injektors gewählt werden.
Außerdem
verlängert
sich dadurch die Lebensdauer der nicht mit dem höchsten Einspritzdruck beaufschlagten
Bauteile.
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Vorteilhafterweise
weist der Druckübersetzer einen
in einer Bohrung verschiebbaren Übersetzungskolben
auf, dessen Stirnflächen
jeweils einen Druckraum begrenzen, wobei eine erste größere Stirnfläche des Übersetzungskolbens
einen ersten, mit dem Hochdruckanschluss verbundenen Druckraum begrenzt,
wobei eine zweite, gegenüberliegende
kleine Stirnfläche
des Druckübersetzerkolbens
einen zweiten, mit der Druckschulter und dem Steuerraum verbundenen
Druckraum begrenzt, und wobei zwischen erstem Druckraum und zweitem
Druckraum eine hydraulisch Verbindung mit einem ersten Rückschlagventil
vorgesehen ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
des Druckübersetzers
ist es möglich,
dass Kraftstoff vom ersten Druckraum in den zweiten Druckraum strömt, während das
Rückströmen von
Kraftstoff aus dem zweiten Druckraum in den ersten Druckraum durch
das Rückschlagventil
verhindert wird. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, den
Steuerraum und die Druckschulter mit Kraftstoff zu beaufschlagen,
der lediglich den im Rail herrschenden Druck aufweist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die hydraulische Verbindung als Längsbohrung
im Übersetzerkolben
ausgeführt
ist. Die wesentlichen Gründe hierfür sind die
einfache Herstellung und dass keine zusätzlichen Leitungen abgedichtet
werden müssen.
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Eine
besonders kompakte Bauweise zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich auch
das erste Rückschlagventil
im Übersetzerkolben
angeordnet ist. Dadurch ist es möglich,
das erste Rückschlagventil,
sobald es vormontiert im Übersetzerkolben
ist, außerhalb
des eigentlichen Injektors zu prüfen
und gegebenenfalls auf den gewünschten Öffnungsdruck einzustellen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckübersetzers
sieht vor, dass eine Querschnittsänderung des Übersetzerkolbens
und ein Absatz in einem Gehäuse
des Druckübersetzers
einen Entlastungsraum begrenzen, und dass der Entlastungsraum wahlweise
mit dem Rücklauf
oder dem Hochdruckanschluss verbindbar ist. Wenn der Entlastungsraum
mit dem Rücklauf
hydraulisch verbunden ist, kann sich der Übersetzungskolben bewegen,
sobald der erste Druckraum mit Druck aus dem Rail beaufschlagt wird
und so eine Druckerhöhung
vornehmen.
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Sobald
der Entlastungsraum mit dem Hochdruckanschluss hydraulisch verbunden
ist, gleichen sich die auf den Übersetzerkolben
wirkenden Kräfte aus
dem Entlastungsraum und dem ersten Druckraum so weit aus, dass der
Druckübersetzer
nicht aktiv ist.
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Vorteilhafterweise
wird das Einschalten und das Ausschalten des Druckübersetzers
mit Hilfe eines zweiten Steuerventils vorgenommen, welches den Entlastungsraum
wahlweise mit dem Rücklauf oder
dem Hochdruckanschluss verbindet,
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Vorteilhafterweise
ist in dem Druckübersetzer
eine Rückstellfeder
vorgesehen, die den Übersetzungskolben
mit einer in Richtung des ersten Druckraums wirkenden Rückstellkraft
beaufschlagt. Dadurch nimmt der Übersetzerkolben
nach erfolgter Einspritzung wieder seine ursprüngliche Lage ein und außerdem wird
der aus dem zweiten Druckraum ausgeschobene Kraftstoff durch die
Rückbewegung des Übersetzungskolbens
wieder ersetzt.
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Vorteilhafterweise
kann die Rückstellfeder
im ersten Druckraum oder im Entlastungsraum angeordnet sein.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
es möglich,
den Verlauf einer Einspritzung in weiten Bereichen zu formen, so
dass sich bezüglich Brennstoffverbrauch,
Emissionsverhalten und Geräuschentwicklung
weitere Verbesserungen ergeben.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Zeichnung
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem
erfindungsgemäßen Injektor
und
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2 die
Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Einspritzdrucks.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Kraftstoffeinspritzsystem, bestehend aus einem Tank 1,
einer Kraftstoffhochdruckpumpe 3, einem Rail 5 sowie
einem Injektor 7 stark vereinfacht dargestellt. In 1 ist
lediglich ein Injektor 7 dargestellt.
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Die
anderen Injektoren sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur durch Pfeile 9 angedeutet.
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Über einen
Hochdruckanschluss 11 ist der Injektor 7 mit dem
Rail 5 verbunden. Ein Rücklauf 13 des
Injektors 7 führt
die Steuer- und Leckagemengen in den Tank 1 zurück.
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Der
erfindungsgemäße Injektor 7 lässt sich
in drei Baugruppen unterteilen. Die erste Baugruppe umfasst ein
Einspritzmodul 15, die zweite Baugruppe umfasst einen Druckübersetzer 17,
während
die dritten Baugruppe aus einem ersten Steuerventil 19 und einem
Steuerventil 21 besteht.
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Das
Einspritzmodul 15 ist wie bei herkömmlichen Injektoren aufgebaut.
In einem Gehäuse
wird eine Düsennadel 23 geführt, die
an ihrem einen Ende einen Dichtkegel 25 aufweist.
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Der
Dichtkegel 25 wird mit Hilfe einer Schließfeder 27 gegen
einen Dichtsitz (ohne Bezugszeichen) des Gehäuses gepresst. In dieser Position der
Düsennadel 23 ist
der Injektor 7 geschlossen und es findet keine Einspritzung
statt.
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An
dem dem Dichtkegel 25 entgegengesetzten Ende begrenzt die
Düsennadel 23 einen
Steuerraum 29. In radialer Richtung wird der Steuerraum 29 von
einer Hülse 31 begrenzt,
gegen den sich die Schließfeder 25 abstützt. Dadurch
wird die Hülse 31 dichtend
gegen einen Absatz im Gehäuse
des Injektors 7 gepresst. Da der Durchmesser der Düsennadel 23 im
Bereich des Steuerraums 29 größer ist als der Durchmesser
des Dichtsitzes zwischen dem Dichtkegel 25 und dem Gehäuse, bildet
sich eine Druckschulter an der Düsennadel 23 aus,
die eine hydraulische Kraft auf die Düsennadel 23 ausübt, die
der von der Schließfeder 27 ausgeübten Kraft
entgegengesetzt gerichtet ist.
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Über einen
Hochdruckkanal 29 werden sowohl eine Druckkammer 30,
welche die Düsennadel 23 umgibt,
als auch der Steuerraum 29 mit unter Druck stehendem Kraftstoff
versorgt. In dem Abschnitt 33a des Hochdruckkanals ist
eine nicht dargestellte Zulaufdrossel vorgesehen.
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Der
Steuerraum 29 ist über
eine Ablaufdrossel (nicht dargestellt) und das erste Steuerventil 19 mit
dem Rücklauf 13 verbunden,
wenn das erste Steuerventil geöffnet
ist. Diese Schaltstellung des ersten Steuerventils 19 ist
in 1 dargestellt.
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Sobald
diese hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum 29 und
Rücklauf 13 geöffnet ist, sinkt
der Druck im Steuerraum 29 ab, so dass die in der Druckkammer 30 auf
die Düsennadel 23 wirkenden
hydraulischen Kräfte
größer sind
als die Schließkraft
der Schließfeder 27 und
die von dem im Stauerraum 29 befindlichen Kraftstoff auf
die Düsennadel 23 ausgeübte Druckkraft
ist, hebt die Düsennadel 23 vom
Gehäuse
des Injektors 7 ab. Mit dem Abheben der Düsennadel 23 beginnt
die Einspritzung.
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Sobald
das erste Steuerventil 19 geschlossen wird, baut sich im
Steuerraum 29 der gleiche Druck wie in der Druckkammer 30 auf
und infolgedessen schließt
die Düsennadel 23 wieder.
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Zwischen
dem Hochdruckanschluss 11 und dem Hochdruckkanal 33 ist
der Druckübersetzer 17 angeordnet.
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Der
Druckübersetzer 17 weist
einen Übersetzerkolben 35 auf.
Ein erster Druckraum 37 des Druckübersetzers 17 ist
direkt mit dem Hochdruckanschluss 11 verbunden, während ein
zweiter Druckraum 39 mit dem Hochdruckkanal 33 hydraulisch
verbunden ist.
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Die
Stirnflächen
des Übersetzerkolbens 35 sind
bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
nicht als ebene Flächen
ausgebildet. Dies ändert
jedoch nichts daran, dass bei einer Beaufschlagung des ersten Druckraums 37 mit
dem Druck aus dem Rail 5 der Übersetzerkolben 35 nach
unten gepresst wird und wegen des kleineren Durchmessers des zweiten
Druckraums 37 dort ein entsprechend größerer Druck erzeugt wird. Dies
gilt jedoch nur, wenn ein zwischen einem Absatz im Gehäuse des
Injektors und einer Querschnittsänderung 41 des Übersetzerkolbens 35 angeordneter
Entlastungsraum 43 drucklos ist.
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In
der in 1 dargestellten Schaltstellung des zweiten Steuerventils 31 ist
der Entlastungsraum 43 mit dem Rücklauf 13 verbunden,
so dass sich im Entlastungsraum 43 kein Druck aufbauen
kann.
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Dies
bedeutet, dass in der in 1 dargestellten Schaltstellung
des ersten Steuerventils 19 und des zweiten Steuerventils 21 der
Druckübersetzer
aktiv ist und infolgedessen die Einspritzung mit einem Druck erfolgt,
der höher
ist als der im Rail 5 herrschende Kraftstoffdruck.
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Der
Druckübersetzer 17 kann
deaktiviert werden, indem das zweite Steuerventil 21 in
die in 2 nicht dargestellte zweite Schaltstellung gebracht
wird. In dieser zweiten Schaltstellung wird der Entlastungsraum 43 mit
dem im Rail 5 herrschenden Druck beaufschlagt, so dass
auf den Absatz 41 des Übersetzerkolbens 35 eine
Kraft wirkt, die den Übersetzerkolben 35 in 1 nach
oben drückt.
Diese Rückstellbewegung
des Übersetzerkolbens 35 wird zusätzlich unterstützt von
einer Rückstellfeder 45,
die bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des
Druckübersetzers 17 innerhalb
des ersten Druckraums 37 angeordnet ist.
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Dazu
sind ein Hubanschlag 47 und eine Auskragung 49 am Übersetzerkolben 35 vorgesehen. Dazwischen
ist die Rückstellfeder 45 eingespannt.
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Wenn
der Druckübersetzer 17 deaktiviert
ist, indem das zweite Steuerventil 21 in die in 1 nicht dargestellte zweite
Schaltstellung gebracht wird, kann durch eine Längsbohrung 51 und
ein Rückschlagventil 53,
die beide im Übersetzerkolben 35 angeordnet
sind, der Kraftstoff vom Rail 5 über den Hochdruckanschluss 11,
die Längsbohrung 51,
das Rückschlagventil 53 und
den Hochdruckkanal 33 in den Steuerraum 29 und
die Druckkammer 30 gelangen.
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Dies
bedeutet, dass bei deaktiviertem Druckübersetzer 17 das Einspritzmodul 15 so
arbeitet wie ein herkömmlicher
Injektor ohne Druckübersetzer.
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In
anderen Worten: Durch das Einschalten des Druckübersetzers 17 mit
Hilfe des zweiten Steuerventils 21 kann ein höherer Einspritzdruck
erreicht werden als der im Rail 5 herrschende Druck, während bei
ausgeschaltetem Druckübersetzer 17 die Einspritzung
mit dem im Rail 5 herrschenden Druck erfolgt.
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Weil
durch eine geeignete Ansteuerungen der Steuerventile 19 und 21 auch
Kombinationen dieser Betriebsweisen möglich sind, ergeben sich erhebliche
Freiheitsgrade bei der Gestaltung eines Einspritzverlaufs.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel tritt lediglich
bei geöffnetem
ersten Steuerventil 19 Leckage entlang der durch eine Schließfeder 27 vorgespannten
Hülse 31 auf.
Dagegen tritt keine oder nur eine kleine Leckage auf, wenn das Einspritzventil
geschlossen ist. Zum Beispiel tritt eine solche Leckage an dem Führungsdurchmesser
der Ventilnadel eines Magnetventils auf.
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In 2 ist
der zeitliche Verlauf des Einspritzdrucks in Diagrammform dargestellt.
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Bei
diesem in 2 dargestellten Beispiel einer
Kraftstoffeinspritzung wird eine Voreinspritzung VE mit niedrigem
Einspritzdruck vorgenommen. Daran schließt sich eine Haupteinspritzung
HE an, die beispielsweise gemäß der Linie 55a, 55b oder 55c erfolgen
kann. Diese drei exemplarisch dargestellten Einspritzverläufe der
Haupteinspritzung HE zeigen sehr deutlich, dass eine Einspritzverlaufsformung
in weiten Grenzen möglich
ist.
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Nach
der eigentlichen Haupteinspritzung HE findet eine erste Nacheinspritzung
NE1 statt, bei der der Druck kleiner ist
als bei der Haupteinspritzung, aber größer als bei der Voreinspritzung
VE.
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Daran
schließt
sich eine weitere Nacheinspritzung NE2 an,
die beispielsweise einen zeitlichen Verlauf gemäß der Linie 57a oder
gemäß der Linie 57b aufweisen
kann. Auch bei dieser zweiten Nacheinspritzung NE2,
die mit einem ähnlichen
Einspritzdruck wie die Voreinspritzung VE erfolgt, kann durch eine
geeignete Ansteuerung des ersten Steuerventils 19 die Einspritzdauer
in weiten Grenzen variiert werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Injektor
können
durch die zwei Steuerventile 19 und 21 die Druckübersetzung
und die Dauer beziehungsweise der Beginn und das Ende einer Einspritzung
unabhängig
voneinander gesteuert werden.
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Wenn
die Druckübersetzung
und die Einspritzung zeitlich versetzt voneinander aktiviert werden,
kann der Einspritzverlauf in sehr weiten Grenzen variabel geformt
werden. Beispielsweise ist ein rampenförmiger Einspritzverlauf, ein
rechteckiger Einspritzverlauf oder ein bootförmiger Einspritzverlauf möglich.
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Für die Steuerventile 19 und 21 sind
alle aus dem Stand der Technik bekannten Bauarten von Ventilen,
seien es Schieber und/oder schlitzgesteuerte Ventile denkbar. Auch
kann die Ansteuerung der Ventile durch Elektromagneten oder Piezoaktoren
oder andere Aktoren erfolgen.