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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor nach der Gattung
des Patentanspruchs 1.
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Die
Einhaltung der Schadstoffgrenzwerte hat bei der Entwicklung von
Verbrennungsmotoren die höchste
Priorität.
Gerade das Common-Rail-Einspritzsystem
hat einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der Schadstoffe
geleistet. Der Vorteil der Common-Rail-Systeme liegt in ihrer Unabhängigkeit
des Einspritzdruckes von Drehzahl und Last. Für die Einhaltung zukünftiger
Abgasgrenzwerte sind jedoch gerade bei Dieselmotoren eine signifikante
Erhöhung
des Einspritzdruckes und eine Mehrfacheinspritzung notwendig.
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Bekannt
sind hubgesteuerte Common-Rail-Injektoren, deren Düsennadel
servobetrieben ist. Als Drucksteller sind Piezo- und Magnetventile
im Einsatz, mit denen der Servokreislauf gesteuert wird. Heutige
Serien-Magnetventile sind als Kugelventile ausgeführt, bei
denen die auf das Ventil wirkende Druckkraft mit einer starken Feder
zugehalten wird. Um das Magnetventil schalten zu können, muss
die Magnetkraft somit höher
sein als die Kraft, die zum Zuhalten notwendig ist. Hier sind die
heutigen Magnetventile in ihrer Auslegungsgrenze. Soll der Raildruck
weiter gesteigert werden, müsste
die wirkende Druckfläche
am Ventil verringert werden. Dies ist jedoch aufgrund der geforderten
Durchflüsse nicht
möglich.
Aus diesem Grund werden heute Magnetventile vermehrt druckausgeglichen
ausgeführt. Der
Vorteil besteht darin, dass an dem Ventil keine resultierende Druckkraft
angreift. Die Zuhaltekraft der Ventilfeder muss lediglich die nötige Dichtkraft
vorhalten und kann dementsprechend klein ausgeführt werden. Der Nachteil ist
die hohe Leckage, die sich zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe
einstellt. Eine Leckage führt
unweigerlich zu einer höheren Pumpleistung
und somit zu Einbußen
in der Effizienz des Systems. Dieser Sachverhalt wird besonders
bei hohen Drücken
problematisch. Des Weiteren können sich
Schmutzpartikel in der mit Hochdruck unterwanderten Führung anlagern
und zum Systemausfall führen.
Schon heute sind Piezoventile im Serieneinsatz, die hohe Drücke zuverlässig schalten
können.
Im Gegensatz zum Magnetventil hält
ein Piezoventil genügend
Potential vor, um auch bei gesteigerten Raildrücken genügend Kraft zur Verfügung zu
stellen. Die Problematik beim Piezoventil sind vor allem die hohen
Kosten.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
können
hohe Raildrücke
problemlos geschaltet werden. Der Vorteil besteht darin, dass das
Druckabbauventil nicht den Servokreislauf des Injektors (Ablaufdrossel)
schaltet, sondern einen sekundären
Hydraulikkreislauf, der eine wesentlich geringere Steuermenge benötigt. Aufgrund
der geringeren Steuermenge kann das Druckabbauventil konstruktiv
kleiner als heutige Ventile ausgeführt werden, wodurch sich Gewicht
und Hub des Druckabbauventils reduzieren. Beides ist bei der Realisierung
eines schnell schaltenden Druckabbauventils äußerst vorteilhaft. Durch die
Gewichtsreduzierung kann das Druckabbauventil einteilig ausgeführt werden,
was im Hinblick auf Mehrfacheinspritzung und nah angelagerte Vor-
und Nacheinspritzungen einen entscheidenden Vorteil hat. Der Servokreislauf
des Injektors (Ablaufdrossel) wird vorzugsweise mithilfe einer Kugel
geschaltet, die durch den sekundären
Hydraulikkreislauf gesteuert wird. Da die Kugel servo-gesteuert
ist, kann diese beliebig groß ausgeführt werden.
Eine dadurch bedingte Steigerung des Durchflusses der Ablaufdrossel
führt zu
einer vorteilhafteren Abstimmbarkeit des Injektors. Dem Druckabbauventil
haftet keine Leckage an, was bezüglich
Effizienz von großem Vorteil
ist. Aufgrund der einfachen Bauweise ist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor
kostengünstig, insbesondere
weil das Druckabbauventil zum größten Teil
aus Serienbauteilen besteht.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Der
erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor
ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Die
in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu
verstehen. Es zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
mit einem Steuerventil, dessen kugelförmiges Ventilelement zentrisch
zur Achse der Düsennadel
angeordnet ist;
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2 den
Kraftstoffinjektor von 1 mit nicht zentrisch angeordnetem
Ventilelement; und
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
mit einem hydraulischen Koppler zwischen Kopplerstange und Düsennadel.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Der
in 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 wird üblicherweise
bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern verwendet, wobei
jedem dieser Zylinder ein solcher Injektor (Kraftstoffeinspritzventil)
zugeordnet ist. Der Injektor 1 ist in einer mit Hochdruck beaufschlagten
Zuleitung 2 des Kraftstoffs angeordnet und ragt in den
Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine. In einer axialen
Führungsbohrung 3 eines
Düsenkörpers 4 ist
ein kolbenförmiges Ventilglied
(Düsennadel) 5 mit
einer konischen Ventildichtfläche 6 verschiebbar
gelagert, welche durch eine Schließfeder 7 gegen eine
konische Ventilsitzfläche 8 des
Düsenkörpers 4 gedrückt wird
und die dort vorgesehenen Spritzlöcher 9 verschließt. Die Einspritzleitung 2 mündet im
Düsenkörper 4 in
einen ringförmigen
Düsenraum 10,
von dem ein zwischen Führungsbohrung 3 und
Düsennadel 5 verlaufender Ringspalt
bis zur Ventilsitzfläche 8 führt. Die
Düsennadel 5 hat
im Bereich des Düsenraumes 10 eine
als Druckschulter ausgebildete Steuerfläche 11, an welcher
der über
die Hochdruck-Zuleitung 2 zugeführte Kraftstoff im Öffnungssinn
an der Düsennadel 5 angreift.
Die Hochdruck-Zulaufleitung 2 ist an einen zentralen Hochdruckspeicher
(Common Rail) 12 angeschlossen.
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Die Öffnungs-
und Schließbewegung
der Düsennadel 5 wird
durch eine Steuerstange 13 gesteuert, die in einem Injektorgehäuse 14 axial
verschiebbar geführt
ist und deren eines Ende über
eine Distanzscheibe (Pille) 15 an der der Ventildichtfläche 6 abgewandte
Stirnseite der Düsennadel 5 anliegt.
Die Steuerstange 13 begrenzt anderenends mit einer in Schließrichtung
wirkenden Steuerfläche 16 in
einem Ventilstück 17 einen
Steuerraum 18, der über
eine Zulauf(Z)-Drossel 19 dauerhaft mit der Hochdruck-Zuleitung 2 verbunden
und über
ein 2/2-Wege-Steuerventil 20 mit einer Niederdruckseite
(Rücklauf) 21 verbindbar
ist. Das Steuerventil 20 weist einen Ventilraum 22 und
eine darin zwischen einer geschlossenen und einer offenen Ventilstellung
verschiebbar geführte
Kugel (Ventilelement) 23 auf, durch die der Ventilraum 22 in
einen ersten und einen zweiten Teilraum 22a, 22b getrennt
ist. Der erste Teilraum 22a ist über eine kavitierenden Ablauf(A)-Drossel 24 an
den Steuerraum 18 angeschlossen und weist eine zur Niederdruckseite 21 abgehende
Ventilöffnung
(Ventil- bzw. Kugelsitz) 25 auf, die in der geschlossenen
Ventilstellung der Kugel 23 durch die Kugel 23 verschlossen
ist. Der zweite Teilraum 22b ist über eine Fülldrossel 26 an die Hochdruck-Zuleitung 2 angeschlossen
und über
ein Druckabbauventil 27 mit der Niederdruckseite 21 verbindbar.
Die Steuerstange 13 ist unter Ausbildung des Steuerraums 2 in
dem Ventilstück 17 geführt, in
dem auch die Drosseln 19, 24, 26 vorgesehen
sind.
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Das
Ventilstück 17 ist
in eine gestufte Bohrung des Injektorgehäuses 14 unter Ausbildung
eines Ringsraums 28 und eines Federraums 29 eingesetzt. Der
Ringraum 28 ist an die Hochdruck-Zuleitung 2 angeschlossen
und über
die Fülldrossel 26 mit
dem zweiten Teilraum 22b verbunden. Optional kann der Ringraum 28 so
vergrößert werden,
dass er als „Mini-Rail" wirkt und hydraulische
Schwingungen zwischen Hochdruckspeicher 12 und Injektor 1 dämpft. Der
Federraum 29 ist an die Niederdruckseite 21 angeschlossen
und vom Ringraum 28 durch einen Dichtring 30 getrennt.
Im Federraum 29 erstreckt sich die Steuerstange 13 vom
Ventilstück 17 bis
zur Düsennadel 5 und
ist die Schließfeder 7 einenends
am Ventilstück 17 und
anderenends an einem Absatz der Steuerstange 13 abgestützt. Durch
die Distanzscheibe 15 ist zwischen Düsennadel 5 und Kopplerstange 12 ein
Zwischenraum 31 vorhanden, der über den Führungsspalt zwischen Steuerstange 13 und
Injektorgehäuse 14 mit
dem Federraum 29, also mit der Niederdruckseite 21,
verbunden ist. Aufgrund der resultierenden Druckkräfte (Hochdruck
bzw. Raildruck im Düsenraum 10 und
im Steuerraum 18 sowie Niederdruck im Zwischenraum 31)
werden Düsennadel 5 und
Steuerstange 13 in Anlage aneinander gehalten. Soll die
Düsennadel 5 mit
einem Hubanschlag ausgeführt
werden (nicht ballistisch), kann der Hub mit der Distanzscheibe 15 eingestellt
werden.
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In 1 sind
das Steuerventil 20 und das Druckabbauventil 27 geschlossen.
In beiden Teilräumen 22a, 22b herrscht
daher der gleiche Hochdruck (Raildruck), aber aufgrund der verschlossen
Ventilöffnung 25 ist
die im ersten Teilraum 22a in Öffnungsrichtung wirkende Fläche 32a der
Kugel 23 kleiner als die im zweiten Teilraum 22b in
Schließrichtung
wirkende Fläche 32b der
Kugel 23. Die auf die Kugel 23 wirkende hydraulische
Schließkraft
ist somit größer als
die hydraulische Öffnungskraft,
so dass die Kugel 23 die Ventilöffnung 25 zuhält und die
Verbindung des Steuerraums 18 zur Niederdruckseite 21 gesperrt
ist. Die Düsennadel 5 ist
durch den im Steuerraum 18 herrschenden Hochdruck geschlossen.
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Wird
das Druckabbauventil 27 geöffnet, reduziert sich der Druck
im zweiten Teilraum 22b, während im ersten Teilraum 22a weiterhin
Raildruck anliegt. Die auf die Kugel 23 wirkende hydraulische Öffnungskraft
ist nun größer als
die hydraulische Schließkraft,
so dass die Kugel 23 von der Ventilöffnung 25 abhebt und
das Steuerventil 20 öffnet.
Dadurch wird der Steuerraum 18 mit der Niederdruckseite 21 verbunden
und der Druck im Steuerraum 18 reduziert, so dass die Düsennadel 5 gegen
die Wirkung der Schließfeder 7 öffnet. Bei
geöffnetem
Steuerventil 20 ist die im ersten Teilraum 22a in Öffnungsrichtung
wirkende Fläche 32a der
Kugel 23 gleich der im zweiten Teilraum 22b in
Schließrichtung
wirkenden Fläche 32b.
Bei geöffnetem
Steuerventil 20 findet außerdem über die Ventilöffnung 25 eine
solche Drosselung statt, dass der Druck im ersten Teilraum 22a größer als
der Druck im zweiten Teilraum 22b ist und die Kugel 23 in
ihrer offenen Ventilstellung bleibt. Der Ablauf des zweiten Teilraums 22b kann
vorteilhafterweise so ausgeführt
sein, dass dieser beim Aufspringen der Kugel 23 gedrosselt
wird. Dadurch wird die Absteuermenge des Sekundärkreislaufs auf ein Minimum
reduziert.
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Wird
das Druckabbauventil 27 geschlossen, steigt der Druck im
zweiten Teilraum 22b wieder auf Raildruck an und die Kugel 23 schließt. Dadurch
wird der Steuerraum 18 von der Niederdruckseite 21 getrennt,
wodurch der Druck im Steuerraum 18 ebenfalls ansteigt und
die Düsennadel 5 schließt.
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Das
Spiel zwischen der Kugel 23 und dem Ventilstück 17 muss
lediglich so eng toleriert werden, dass die druckgesteuerte Schaltung
der Kugel 23 problemlos funktioniert. Eine dauerhafte Leckage kann
an dieser Stelle nicht auftreten, da bei geschlossenen Druckabbauventil 27 beide
Teilräume 22a, 22b auf
Raildruck liegen.
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Das
Druckabbauventil 27 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
ein 2/2-Wege-Magnetventil
mit einer Ventilnadel 33, die in einem Ventilstück 34 über ein
Polygonprofil 35 verschiebbar geführt ist, mit einem geschlitzten
Ventilanker 36, mit einer Feder 37, welche die
Ventilnadel 33 zuhält,
und mit einer Magnetspule 38. Durch Bestromen der Magnetspule 38 wird
ein Magnetfeld erzeugt und dadurch der Ventilanker 36 gegen
die Wirkung der Feder 37 angezogen. Die Ventilnadel 33 öffnet, wobei
der Ventilhub durch eine Anschlaghülse 39 begrenzt wird,
und die Absteuermenge aus dem Sekundärkreislauf, d. h. aus dem Teilraum 22b,
wird über die
Polygonführung 35 in
einen Ankerraum 40 geleitet, der mit der Niederdruckseite 21 verbunden
ist.
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Ein
Vorteil des Injektors 1 ist darin begründet, dass die Hauptsteuermenge
des Injektors 1 aus dem Steuerraum 18 nicht in
den Ankerraum 40, sondern direkt in den Rücklauf 21 abgesteuert
wird. Gerade bei kleinen Ventilen kann der Absteuerstoß zu Strömungskräften am
Ventilanker 36 führen,
die ein verzögertes
Schließen
zur Folge haben. Dies verursacht Welligkeiten im Kennfeld und Streuungen
in der Einspritzmenge. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die
Anschlaghülse 39 hydraulisch
geschlossen wird, sobald der Ventilanker 36 an der Anschlaghülse 39 anliegt.
Dadurch ergibt sich eine hydraulische Dämpfung, die ein mechanisches
Anschlagprellen verhindert. Dennoch kommt es beim Schließen zu keinem hydraulischen
Kleben, wie das bei einem reinen hydraulischen Anschlag (Quetschspalt)
auftritt.
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Im
Gegensatz zum Steuerventil 20 der 1, bei dem
sich der Ventilraum 22 zentrisch zur Achse 41 der
Düsennadel 5 bzw.
der Steuerstange 13 und die den Steuerraum 18 und
den ersten Teilraum 22a miteinander verbindende Verbindungsleitung
bzw. Ablaufdrossel 24 parallel versetzt (außermittig)
zur Achse 41 erstrecken, erstrecken sich bei dem in 2 gezeigten
Steuerventil 20 die Verbindungsleitung bzw. Ablaufdrossel 24 zentrisch
zur Achse 41 der Düsennadel 5 und
der Ventilraum 22 parallel versetzt (außermittig) zur Achse 41.
Durch diese zentrische Anordnung der Ablaufdrossel 24 können der
Fertigungsprozess vereinfacht und die Stückkosten reduziert werden.
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Vom
Injektor der 1 und 2 unterscheidet
sich der in 3 gezeigte Injektor 1 dadurch,
dass hier der Federraum 29 an den zentralen Hochdruckspeicher 12 angeschlossen
ist und zusätzlich
die Funktion eines Mini-Rails übernimmt,
mit dem Druckschwingungen zwischen Injektor 1 und Hochdruckspeicher 12 gedämpft werden
können.
Mit dem Federraum 29 sind der Düsenraum 10 über die Zuleitung 2,
der Steuerraum 18 über
die Z-Drossel 19 und der zweite Teilraum 22b über die
Fülldrossel 26 verbunden.
Aufgrund der fehlenden Niederdruckstufe tritt an der Führung der
Düsennadel 5 keine
Leckage auf und wird ein hydraulischer Koppler 42 zur Bewegungskopplung
von Düsennadel 5 und
Steuerstange 13 verwendet. Das Kopplungsvolumen 43 des
Kopplers 42 ist durch eine Kopplerhülse 44 definiert,
die im Federraum 29 auf der Steuerstange 13 geführt und
durch eine an der Steuerstange 13 abgestützte Zuhaltefeder 45 in
dichtender Anlage am Düsenkörper 4 gehalten
ist. Die Federkraft der Schließfeder 7 ergibt
sich somit aus der geforderten Düsennadelzuhaltekraft
und der Federkraft der Zuhaltefeder 45. Der Koppler 42 verbindet
zum einen die Düsennadel 5 und
die Kopplerstange 13 hydraulisch und erzeugt zum anderen
eine schließende
Kraft, da im Zwischenraum 31 der im Düsenkörper 4 geführte Durchmesser
der Steuerstange 13 größer ist
als der der Düsennadel 5.
Dadurch wird mit der Öffnungsbewegung
der Düsennadel 5 ein
Druckabfall im Kopplungsvolumen 43 und somit eine schließende Nadelkraft
erzeugt. Ergänzend
kann mit einer Schließdrossel 46 in
der Zuleitung 2 eine zusätzliche Nadelschließkraft erzeugt
werden. Um eine Niederdruckanbindung an das Druckabbauventil 27 zu
ermöglichen,
ist der Ringraum 29 mit der Niederdruckseite 21 verbunden.
Die Hauptabsteuermenge aus dem Steuerraum 18 wird somit über die
Ablaufdrossel 24 in den Ringraum 29 und somit
in den Rücklauf 21 geleitet.
Auch die Steuermenge des Druckabbauventils 27 wird vom
zweiten Teilraum 22b direkt in den Ringraum 29 geleitet.
Auf eine Polygonführung an
der Ventilnadel 33 kann daher verzichtet werden. Dieser
in 3 gezeigte Injektor zeichnet sich durch eine äußerst geringe
Leckage und Steuermenge aus. Hohe Raildrücke, wie sie in Zukunft vom
Motorenhersteller gefordert werden, lassen sich dennoch problemlos
schalten.
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Mit
anderen Worten sind bei allen oben beschriebenen Injektoren bei
offener Ventilöffnung 25 die
im ersten Teilraum 22a in Öffnungsrichtung wirkende Fläche 32a der
Kugel 23, die im zweiten Teilraum 22b in Schließrichtung
wirkende Fläche 32b der
Kugel 23 und die jeweiligen Verbindungen der beiden Teilräume 22a, 22b mit
der Hochdruckseite 2 und mit der Niederdruckseite 21 derart
ausgelegt, dass die auf die Kugel 23 in Schließrichtung
wirkende hydraulische Schließkraft
bei geschlossenem Druckabbauventil 27 größer und
bei geöffnetem Druckabbauventil 27 kleiner
als die auf die Kugel 23 in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Öffnungskraft
ist. Weiterhin sind die jeweiligen Verbindungen der beiden Teilräume 22a, 22b mit
der Hochdruckseite 2 und mit der Niederdruckseite 21 derart
ausgelegt, dass bei offener Ventilöffnung 25 und bei
geöffnetem
Druckabbauventil 27 der im ersten Teilraum 22a herrschende
Druck größer als
der im zweiten Teilraum 22b herrschende Druck ist. Die
auf die Kugel 23 in Schließrichtung wirkende hydraulische Schließkraft ist
bei geschlossenem Druckabbauventil 27 größer und
bei geöffnetem
Druckabbauventil 27 kleiner als die auf die Kugel 23 in Öffnungsrichtung wirkende
hydraulische Öffnungskraft.