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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für eine
Brennkraftmaschine mit einem Steuerventil zur Steuerung eines Einspritzventilgliedes,
das wenigstens eine Einspritzöffnung freigibt oder verschließt,
wobei das Steuerventil ein Schließelement mit einer zentralen
Bohrung zur Aufnahme und Führung eines Druckstiftes sowie
eine ringförmige Dichtkante besitzt, deren Innendurchmesser
dem Durchmesser der Bohrung entspricht, so dass das Schließelement
in der Schließstellung, in der die Dichtkante dichtend
an einem Ventilsitz anliegt, druckausgeglichen ist.
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Stand der Technik
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Kraftstoffeinspritzventile
bzw. Kraftstoffinjektoren der vorstehend genannten Art sind aus
dem Stand der Technik bekannt. Als Beispiel wird auf die Druckschrift
DE 10 2006 021 741
A1 verwiesen, aus der ein gattungsgemäßer
Kraftstoffinjektor mit einem Steuerventil zur Steuerung eines Einspritzventilgliedes
hervorgeht. Das Steuerventil weist ein Schließelement mit
einer zentralen Bohrung, in der ein Druckstift aufgenommen ist,
sowie eine ringförmige Dichtkante auf. Der Innendurchmesser
der Dichtkante entspricht dabei im Wesentlichen dem Durchmesser
der zentralen Bohrung. Dies bewirkt, dass in Schließstellung
des Steuerventils, in der die Dichtkante in Anlage mit einem Ventilsitz
gehalten wird, nur geringe oder keine axialen Druckkräfte
auf das Schließelement wirken. Das Steuerventil ist somit
druckausgeglichen. Druckausgeglichene Steuerventile haben den Vorteil,
dass beispielsweise geringe Schließkräfte erforderlich sind,
um das Schließelement in seinem Dichtsitz zu halten. Der
Einsatz eines druckausgeglichenen Ventils ermöglicht somit
geringere Federkräfte, geringere Magnetkräfte,
kleinere Ventilhübe und folglich schnellere Schaltreiten.
Dadurch wird wiederum die Einsetzbarkeit des Ventils bei der Mehrfacheinspritzung
gegeben.
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Als
nachteilig erweist sich jedoch bei den aus dem Stand der Technik
bekannten druckausgeglichenen Ventilen, dass sie bei einem fehlerhaften Überdruck
im System nicht selbständig öffnen. Aus diesem
Grund ist daher in der Regel zusätzlich ein Druckbegrenzungsventil
vorgesehen, das sich jedoch ungünstig auf den erforderlichen
Bauraum und die Kosten auswirkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzventil
der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass die
vorstehend genannten Nachteile beseitigt werden. Insbesondere soll
der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor einfach aufgebaut und kostengünstig
herstellbar sein.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffeinspritzventil mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzventil zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch
aus, dass das Steuerventil zudem eine Druckbegrenzungsfunktion besitzt,
indem der Druckstift bei einer definierten Druckkraft an seiner
dem Ventilsitz zugewandten Stirnfläche durch Veränderung
seiner axialen Lage eine hydraulische Verbindung der Bohrung mit
einem Rücklauf bewirkt. Aufgrund der Ausführung
des Steuerventils als druckausgeglichenes Ventil, liegt am Druckstift,
der hochdruckdicht in der zentralen Bohrung des Schließelementes
des Steuerventils geführt ist und damit zumindest in einem
Teilbereich im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Bohrung
besitzt, der Systemdruck an. Um bei einem fehlerhaften Überdruck
im System zur Druckbegrenzung eine hydraulische Verbindung der Bohrung
zum Rücklauf herzustellen, wird dieser fehlerhafte Systemdruck
als Druckkraft definiert, die eine Veränderung der axialen
Lage des Druckstiftes bewirkt. Vorzugsweise wird die Druckkraft
als Grenzwert definiert, den es zur Auslösung der Druckbegrenzungsfunktion
zu überschreiten gilt. Durch die Veränderung der
axialen Lage des Druckstiftes wird dann eine hydraulische Verbindung
der Bohrung zum Rücklauf und damit zu einem Niederdruckbereich
bewirkt, so dass eine Druckabnahme innerhalb der Bohrung erfolgt.
Da die Bohrung über Drosseln in Verbindung mit einem als
Steuerraum ausgelegten Druckraum steht, wird durch die Druckbegrenzungsfunktion
zugleich vermieden, dass der Steuerdruck einen bestimmten Grenzwert übersteigt.
Zur Druckbegrenzung ist somit kein zusätzliches Druckbegrenzungsventil
erforderlich, sondern lediglich ein druckausgeglichenes Steuerventil
mit einem hülsenförmigen Schließelement
und einem innen liegenden, losen Druckstift zum Druckausgleich.
Ein Kraftstoffinjektor mit einem solchen Steuerventil kann demnach
kompakt und damit bauraumschonend ausgeführt werden. Zudem
ist es aufgrund des Verzichtes auf ein zusätzliches Druckbegrenzungsventil
kostengünstig herstellbar.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur
Herstellung der hydraulischen Verbindung der Bohrung mit dem Rücklauf
eine radiale Aufweitung zumindest in einem Teilbereich der Bohrung
vorgesehen, die durch eine Veränderung der axialen Lage
des Druckstiftes freigebbar ist. In dem Bereich der radialen Aufweitung
wird somit die hochdruckdichte Führung des Druckstiftes
innerhalb der Bohrung aufgegeben. Dabei kann die radiale Aufweitung
umlaufend, beispielsweise durch Ausführung der Bohrung
als Stufenbohrung, oder lediglich in einem sich über einen
begrenzten Winkelbereich erstreckenden Teilabschnitt erfolgen. Gegebenenfalls ist
bei einer umlaufenden ringförmigen Aufweitung der zentralen
Bohrung des Schließelementes für eine zusätzliche,
beispielsweise gehäuseseitige Führung des Druckstiftes
zu sorgen. Besteht eine solche zusätzliche Führung
kann der Druckstift den Führungsbereich der Bohrung zur
Herstellung einer hydraulischen Verbindung der Bohrung mit dem Rücklauf
den Führungsbereich auch vollständig verlassen.
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Alternativ
oder ergänzend kann zur Herstellung der hydraulischen Verbindung
der Bohrung mit dem Rücklauf wenigstens ein axial und/oder
radial geführter Ablaufkanal in der Wandung der Bohrung vorgesehen
sein, der durch eine Veränderung der axialen Lage des Druckstiftes
freigebbar ist. Beispielsweise kann ein solcher Ablaufkanal in Form
einer axial verlaufenden Nut in der Wandung der Bohrung und/oder
als radial oder schräg geführte und von der zentralen
Bohrung abzweigende Bohrung ausgebildet sein.
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Ebenfalls
alternativ oder ergänzend kann zur hydraulischen Verbindung
der Bohrung mit dem Rücklauf eine sich in die Bohrung nach
radial innen erstreckende Anschlagfläche vorgesehen sein,
die in Anlage mit einer am Druckstift ausgebildeten Anschlagfläche
bringbar ist, so dass bei einer Veränderung der axialen
Lage des Druckstiftes das Schließelement zumindest über
eine Teilstrecke mitgeführt wird. Dabei wird das Schließelement
aus seinem Dichtsitz gehoben. Die Strömungsverbindung zum Rücklauf
kann demnach dadurch bewirkt werden, dass das Schließelement über
eine axiale Verschiebung des Druckstiftes in eine Offenstellung überführt wird
und/oder über die axiale Verschiebung des Druckstiftes
eine weitere Strömungsverbindung freigegeben wird. Die
einzelnen Maßnahmen sind somit auch kumulativ anwendbar.
Soll bei einer axialen Verschiebung des Druckstiftes die Mitnahme
des Schließelementes zumindest über eine Teilstrecke
erfolgen, kann hierzu am Schließelement ein sich in die Bohrung
nach radial innen erstreckender ringförmiger Absatz vorgesehen
sein, der eine Anschlagfläche für eine korrespondierend
am Druckstift ausgebildete Anschlagfläche, beispielsweise
in Form eines ringförmigen Absatzes, bildet. Die Mitnahme
des Schließelementes über lediglich eine Teilstrecke
setzt voraus, dass der Druckstift zunächst über
eine erste Teilstrecke eine axiale Verschiebung gegenüber
dem Schließelement erfährt, bis er am ringförmigen
Absatz der Bohrung anschlägt. Erst dann wird das Schließelement über
eine weitere Teilstrecke mitgeführt. Hierbei hebt es vom
Dichtsitz ab, so dass ein Druckausgleich über den Ventilsitz
erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Druckstift
gehäuseseitig abgestützt. Zur Abstützung
kann beispielsweise eine Anschlagscheibe vorgesehen sein, die bei Überschreiten
einer definierten Druckkraft an der dem Ventilsitz zugewandten Stirnfläche
des Druckstiftes bricht, um eine axiale Verschiebung des Druckstiftes
zuzulassen. Der Sollbruch der Anschlagscheibe erfolgt erst bei Überschreiten
eines vorher festgelegten Grenzwertes, der einem fehlerhaften Überdruck
im System entspricht. Die gehäuseseitge Abstützung
kann vorzugsweise auch eine zusätzliche Führung
des Druckstiftes bewirken, wenn zum Beispiel der Druckstift zur Herstellung
einer hydraulischen Verbindung der Bohrung mit dem Rücklauf
den Führungsbereich der Bohrung verlässt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist alternativ vorgesehen, dass
der Druckstift mittelbar oder unmittelbar durch die Druckkraft einer
Feder beaufschlagt wird, die vorzugsweise gehäuseseitig
abgestützt ist. Dabei bewirkt die Feder einen Druckausgleich,
so dass der Druckstift in einer bestimmten axialen Lage gehalten
wird. Steigt jedoch der Systemdruck an, kann die Federkraft überwunden
werden, so dass der Druckstift seine axiale Lage verändert, das
heißt, sich in Richtung der Feder bewegt. Die Federkraft
bestimmt demnach den Grenzwert, dessen Überschreiten eine
Veränderung der axialen Lage des Druckstiftes und damit
eine Druckbegrenzung bewirkt. Die Einstellung erfolgt demnach über
die Federkraft der Feder und die am Druckstift ausgebildete Druckfläche.
Als Feder eigenen sich verschiedene Arten von Federelementen. Beispielsweise
kann eine Schraubenfeder, eine Federhülse oder eine Tellerfeder
eingesetzt werden, die den Druckstift an seiner dem Ventilsitz abgewandten
Stirnseite unmittelbar oder mittelbar mit einer Druckkraft beaufschlagt,
die dem Systemdruck entgegengesetzt ist. Zur mittelbaren Druckkraftbeaufschlagung
kann die Feder einerseits am Gehäuse, andererseits an einer
Platte abgestützt sein, die zugleich eine Anlage- bzw.
Anschlagfläche für den Druckstift bildet. Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist daher zwischen Druckstift
und Feder eine Druckplatte angeordnet.
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Weiterhin
vorzugsweise ist das Steuerventil ein Magnetventil und besitzt einen über
einen Elektromagneten bewegbaren Anker, der mit dem Schließelement
verbunden ist. Alternativ kann auch der Anker als Schließelement
des Steuerventils ausgebildet sein. Hierzu weist der Anker vorzugsweise
eine Ankerplatte mit einem ventilsitzseitig angeordneten, hülsenförmigen
Ansatz auf. Der Hülsenkörper umschließt
eine Bohrung, die der Aufnahme und Führung des Druckstiftes
dient und an dessen Stirnseite eine ringförmige Dichtkante
ausgebildet ist, die mit einem Ventilsitz dichtend zusammenwirkt.
Vorzugsweise ist die Dichtkante linienförmig, das heißt,
dass die Ringfläche eine geringe radiale Erstreckung aufweist,
um die Dichtkraft zu erhöhen. Beispielsweise kann die Dichtkante
als Beißkante ausgeführt sein. Der Ventilsitz
ist hierzu bevorzugt kegelförmig oder als Flachsitz ausgebildet.
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Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine
Schnittansicht längs durch ein Kraftstoffeinspritzventil
gemäß einer ersten Ausführungsform und
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2 eine
Schnittansicht längs durch ein Kraftstoffeinspritzventil
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung.
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Das
in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
weist ein Magnetventil als Steuerventil 1 auf. Das Magnetventil
umfasst einen Elektromagneten 14, der bei Bestromung auf
einen Anker 15 des Magnetventiles einwirkt, so dass dieser
in Richtung des Elektromagneten 14 bewegt wird. Da der
Anker 15 zugleich als Schließelement 4 ausgebildet
ist, das mit einem Ventilsitz 8 an einem Ventilstück 16 zusammenwirkt,
bewirkt die Bestromung des Magnetventils ein Anheben des Schließelementes 4 und
damit ein Öffnen des Ventils. In einer Offenstellung des
Ventils kann Kraftstoff über eine Ablaufdrossel 17 aus
einem Steuerraum 18 abfließen, so dass der Druck
im Steuerraum 18 sinkt. Dies ermöglicht einem
Einspritzventilglied 2 in Form einer ein- oder mehrteiligen
Ventilnadel sich aus einer Schließstellung in eine Offenstellung
zu bewegen, so dass wenigstens eine Einspritzöffnung 3 des
Kraftstoffeinspritzventils freigegeben wird. Endet die Bestromung
des Magnetventils, bewirkt eine am Anker 15 anliegende
Ventilschließfeder 19, dass eine Rückstellung
des Ankers in die Schließstellung des Ventils erfolgt,
in der das Schließelement 4 mit seiner ringförmigen
Dichtkante 7 am Ventilsitz 8 des Ventilstückes 16 dichtend
anliegt. Über einen Zulauf wird dem Steuerraum 18 Kraftstoff zugeführt,
so dass der Druck im Steuerraum 18 wieder auf einen Druck
ansteigt, der schließlich das Schließen der Düsennadel
bewirkt, wodurch der Einspritzvorgang beendet wird.
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Das
hülsenförmige Schließelement 4 des Magnetventils
bildet eine Bohrung 5 aus, in der ein Druckstift 6 aufgenommen
und hochdruckdicht geführt ist. Der Druckstift 6 weist
somit – zumindest in einem Führungsbereich – den
gleichen Durchmesser wie die Bohrung 5 auf. Indem die Dichtkante 7 des Schließelementes 4 radial
innenliegend ausgebildet ist, entspricht der Innendurchmesser der
Dichtkante 7 ebenfalls dem Durchmesser der Bohrung 5.
Das Ventil ist somit druckausgeglichen.
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Zur
Umsetzung der Druckbegrenzungsfunktion weist das Schließelement 4 des
Steuerventils 1 wenigstens einen radial geführten
Ablaufkanal 20 zur hydraulischen Verbindung der Bohrung 5 mit
einem Rücklauf auf. Der Darstellung in 1 sind
zwei radial geführte Ablaufkanäle 20 in
Form von Bohrungen zu entnehmen, die in die Bohrung 5 münden.
Die axiale Lage der Ablaufkanäle 20 ist derart
gewählt, dass ihre Freigabe zur Herstellung einer hydraulischen Verbindung
der Bohrung 5 mit einem Rücklauf eine axiale Verschiebung
des Druckstiftes 6 erfordert. Dies wiederum setzt voraus,
dass die Druckkraft einer Feder 12 überwunden
wird, die den Druckstift 6 beaufschlagt und gehäuseseitig
abgestützt ist. Eine axiale Verschiebung des Druckstiftes 6 ist
somit erst bei Überschreiten eines festlegbaren Grenzwertes möglich,
wobei die Festlegung über die Einstellung der Federkraft
erfolgt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist
die Feder 12 zudem an eine Platte 13 abgestützt,
die zwischen der Feder 12 und dem Druckstift 6 angeordnet
ist. Der Druckstift 6 kann aber auch unmittelbar an der
Feder 12 anliegen.
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Zur
Umsetzung der Druckbegrenzungsfunktion weist das in 1 dargestellte
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils ferner axial geführte Ablaufkanäle 20 in
Form von Nuten 21 auf (dargestellt mittels unterbrochener Linien).
Diese können alternativ oder ergänzend zu radial
geführten Ablaufkanälen 20 angeordnet
werden. Vorteilhafterweise münden die Nuten 21 in
die radial geführten Ablaufkanäle 20.
Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Nuten 21 können auch
in einem axialen Abstand zu den radial geführten Ablaufkanälen 20 angeordnet
sein, so dass die Freilegung der Nuten 21 eine größere
axiale Verschiebung des Druckstiftes 6 erfordert. Ferner
können die Nuten 21 über einen bestimmten
Winkelbereich versetzt zu den radial geführten Ablaufkanälen 20 angeordnet
sein. Die Anzahl der Nuten 21 wie auch die Anzahl der radial
geführten Ablaufkanäle 20 kann den jeweiligen
Erfordernissen entsprechend gewählt werden.
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Das
in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils unterscheidet
sich von dem der 1 insbesondere dadurch, dass
das Schließelement 4 des Steuerventils 1 zur
Umsetzung der Druckbegrenzungsfunktion eine ringförmige,
sich in die Bohrung 5 nach radial innen erstreckende Anschlagfläche 10 aufweist,
die in Anlage mit einer am Druckstift 6 entsprechend ausgebildeten
Anschlagfläche 11 bringbar ist. Zur Ausbildung
der Anschlagfläche 10 am Schließelement 4 ist
die Bohrung 5 vorliegend als Stufenbohrung ausgeführt.
Der Druckstift 6 weist dagegen eine umlaufenden radialen
Rücksprung auf, so dass der Druckstift in einem an den
Rücksprung anschließenden Abschnitt einen geringeren
Durchmesser besitzt. Liegt nunmehr an der dem Ventilsitz 8 zugewandten
Stirnfläche 9 des Druckstiftes 6 eine
definierte Druckkraft an, die einen fehlerhaften Überdruck
im System darstellt, wird der Druckstift 6 entgegen der
Druckkraft der Feder 12 vom Ventilsitz 8 weg bewegt,
bis dass seine Anschlagfläche 11 in Anlage mit
der Anschlagfläche 10 des Schließelementes 4 gelangt.
Bei einer weiteren Veränderung der axialen Lage des Druckstiftes 6 wird
das Schließelement 4 nunmehr mitgeführt,
so dass dieses aus dem Ventilsitz 8 abhebt und das Ventil öffnet. Über
den Dichtsitz ist somit eine hydraulische Verbindung der Bohrung 5 mit
einem Rücklauf hergestellt, so dass der Druck in der Bohrung 5 und
damit im Steuerraum 18 abfällt.
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Ein
weiteres unterscheidendes Merkmal der Ausführungsform der 2 gegenüber
der der 1 stellt die Verwendung einer
Tellerfeder als Feder 12 dar, die in einer gehäuseseitigen
Ausnehmung des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist.
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Beide
beispielhaft gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung zeigen einfach und kompakt aufgebaute Kraftstoffeinspritzventile, die
wenig Bauraum beanspruchen und ferner kostengünstig herstellbar
sind. Zudem kommen die Vorteile eines druckausgeglichenen Ventils
zum Tragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006021741
A1 [0002]
