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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aktuelle Hochdruck-Einspritzinjektoren für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Benzin-Direkteinspritzung, werden derzeit auf dem Markt grundsätzlich entweder als Spritzlochinjektoren angeboten, bei denen sich die Düsennadel nach innen hin öffnet oder als Ringspaltinjektoren, bei denen sich die Düsennadel nach außen hin öffnet. Als Antrieb dienen in der Regel entweder ein Magnet-Aktor oder ein Piezo-Aktor. Die am Weitesten verbreitete Bauform ist ein magnetisch angetriebener Spritzlochinjektor mit einer nach innen öffnender Nadel.
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Bei dieser Bauform wird der Kraftstoffzufluss dadurch unterbrochen, dass eine im Weitesten Sinne spitze, kegelförmige Nadel mit einem Dichtbereich in der Nähe des Grundkreises des Kegels gegen einen weiteren Dichtbereich auf der Innenseite einer an der Spitze weitestgehend kegelförmig ausgebildeten Düse drückt. Zwischen dem Dichtbereich und dem Spritzloch (den Spritzlöchern bei Mehrlochdüsen) befindet sich ein kleines Totvolumen. Zur Einspritzung wird die Nadel angehoben, so dass der Durchfluss vom Kraftstoff in Richtung Spritzloch freigegeben wird. Zur Beendigung der Kraftstoffeinspritzung wird die Nadel wieder gesenkt und der Durchfluss von Kraftstoff gestoppt.
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Nach Beenden der Einspritzung sind somit das gesamte Totvolumen sowie auch der gesamte Innenbereich des Spritzloches (der Spritzlöcher) mit Kraftstoff gefüllt. An der Außenseite der Spritzlöcher, die weitgehend in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ragen, kommt es nun dazu, dass Kraftstoff vom Spritzlochrand aufgrund verschiedener physikalischer Effekte, wie z. B. dem Kapillareffekt, auf die äußere Oberfläche der Düse gelangt und dort entweder verbrennt, kaltverbrennt, sauerstoffarm verbrennt oder verkohlt. Hierdurch entsteht eine große Anzahl von Russpartikel im Abgas, was sich negativ auf das Erreichen einer Emissionsgesetzgebung, wie z. B. EU 6c auswirkt. Dies ist in nachteiliger Weise sogar der Fall, wenn durch eine optimierte Gestaltung von Nadel und Düse das Totvolumen minimiert wird.
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Mit diesem Problem befasst sich beispielsweise die Deutsche Patentschrift
DE 10 2009 009 796 B3 . Aus dieser Patentschrift ist ein Verfahren zur Diagnose und/oder Steuerung von Brennkraftmaschinen bekannt. Bei diesem Verfahren zur Diagnose und/oder Steuerung von Brennkraftmaschinen mit über Spritzlöcher einspritzenden Kraftstoffinjektoren werden Querschnittsänderungen, insbesondere durch Verkokung der Spritzlöcher festgestellt und es werden bei auftretenden Querschnittsänderungen Korrekturmaßnahmen, insbesondere auch Maßnahmen zur Reinigung der Spritzlöcher eingeleitet.
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Auch wenn ein derartiges Verfahren beim Betrieb der Brennkraftmaschine von großem Vorteil ist, so wäre es besser, die Verkokung der Spritzlöcher eines Kraftstoffinjektors für eine Brennkraftmaschine zu vermeiden.
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Weiter ist mit der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 00 177 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, die Aufgabe gelöst, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung aufzuzeigen, die ein besseres Emissions- und Verbrauchsverhalten aufweist. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bekannt, mit einem Gehäuse mit einem Ventilsitz, mit mindestens einer Kraftstoff-Auslassvorrichtung, welche stromabwärts vom Ventilsitz angeordnet ist, mit mindestens einem Ventilelement, welches mit dem gehäuseseitigen Ventilsitz zusammenarbeitet und einen Wandabschnitt aufweist, welcher der Kraftstoff-Auslassöffnung gegenüber liegt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der der Kraftstoff-Auslassöffnung gegenüber liegende Wandabschnitt des Ventilelements wenigstens in etwa parallel zur Wand des Gehäuses im Bereich der Kraftstoff-Auslassöffnung ist.
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Auch wenn dieser bekannte Kraftstoffinjektor das Emissions- und Verbrauchsproblem einigermaßen löst, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe vor, einen Kraftstoffinjektor aufzuzeigen, bei dem ein Verkoken der Spritzlöcher und der Injektorspitze (Düse) vermieden ist.
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Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch die Erfindung wird in den Spritzlöchern der Kraftstoff nach erfolgter Kraftstoff-Einspritzung in den Zylinder der Brennkraftmaschine aufgrund der rückfedernden erfindungsgemäßen Elastizität etwas zurückgesaugt, wodurch mindestens ein negativer Meniskus an der Kraftstoff-Oberfläche im Spritzloch entsteht. Es kann auch so weit gehen, dass das Spritzloch, bzw. die Spritzlöcher teilweise von Kraftstoff durch Rücksaugen entleert werden. Dadurch kann kein Kraftstoff aus dem Spritzloch auf die Oberfläche der Düse gelangen und dort verkoken oder verbrennen. Ein weiterer Vorteil ist die reduzierte Verkokungsneigung des Spritzlochs selbst. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme können die zukünftigen Emissionsgesetze leichter erfüllt werden ohne gegebenenfalls weiterer teurer Zusatzmaßnahmen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von 5 Figuren mit 4 Ausführungsbeispielen und zwei Bestromungsdiagrammen eines Kraftstoffinjektors näher erläutert.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor für ein erstes Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor für ein zweites Ausführungsbeispiel.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor für ein drittes Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor für ein viertes Ausführungsbeispiel.
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5 zeigt in einem Diagramm eine Bestromung eines Kraftstoffinjektors gem. dem Stand der Technik und einem zweiten Diagramm eine Bestromung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Im Folgenden gelten in den 1 bis 4 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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In den 1 bis 4 ist jeweils auf einer linken Seite einer nicht bezifferten, strichpunktierten Mittelachse eine erfindungsgemäße Ausgestaltung dargestellt und rechts der Mittelachse eine Injektorspitze gemäß dem Stand der Technik (S. d. T.).
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1 zeigt einen Schnitt durch eine Spitze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1 für ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Der Kraftstoffinjektor 1 ist für eine Einspritzung von Kraftstoff, vorzugsweise Benzin, direkt in einen nicht dargestellten Zylinder einer Brennkraftmaschine vorgesehen, mit einem Injektorgehäuse 2 an dessen, in einem eingebauten Zustand dem Zylinder zugewandten Ende ein Spritzloch 3 angeordnet ist, zum Einbringen des Kraftstoffs in den Zylinder, wobei das Spritzloch 3 von einem in dem Injektorgehäuse 2 angeordneten, von einem nicht dargestellten Stellelement (z. B. Piezo- oder Magnet-Aktor), lageveränderbarem Ventilelement 4 über einen Dichtsitz 5 schließbar ist, wobei das Spritzloch 3 von Kraftstoff durchströmt ist, wenn das Ventilelement 4 in einer zylinderfernen Lage ist. Erfindungsgemäß ist in einem Bereich des Dichtsitzes 5 in dem Ventilelement 4 und/oder in dem Injektorgehäuse 2 eine Elastizität eingebracht.
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In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist die Elastizität durch eine Materialschwächung erzeugt. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist die Materialschwächung durch eine außen radial umlaufende Ringnut 6 in dem Injektorgehäuse 2 erzeugt.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine Spitze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1 für ein zweites Ausführungsbeispiel. Der Gegenstand in 2 unterscheidet sich vom Gegenstand in 1 dadurch, dass die Elastizität durch eine Materialschwächung durch eine radial außen umlaufende Ringnut 6 in dem Ventilelement 4 erzeugt ist.
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3 zeigt einen Schnitt durch eine Spitze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1 für ein drittes Ausführungsbeispiel. Der Gegenstand in 3 unterscheidet sich von den Gegenständen in 1 und 2 dadurch, dass die Elastizität durch einen radial außen umlaufenden, elastischen erhabenen Bereich 7 an der Spitze des Ventilelements 4 erzeugt ist.
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4 zeigt einen Schnitt durch eine Spitze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1 für ein viertes Ausführungsbeispiel. Der Gegenstand in 4 unterscheidet sich von den Gegenständen in den 1 bis 3 dadurch, dass die Elastizität durch einen radial innen umlaufenden, elastischen erhabenen Bereich 7 in dem Injektorgehäuse 2 im Bereich der Spitze des Ventilelementes 4 erzeugt ist.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches figürlich nicht dargestellt ist, kann die Elastizität auch durch einen weicheren Werkstoff in dem Injektorgehäuse 2 und/oder in dem Ventilelement 4 im Bereich des Dichtsitzes 5 erzeugt sein.
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Bevorzugt befindet sich stromabwärts des Dichtsitzes 5 zwischen dem Injektorgehäuse 2 und dem Ventilelement 4 ein Totvolumen 8, durch welches das Rücksaugen des Kraftstoffs aus dem Spritzloch 3 unterstützt wird.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Rückfedern des Ventilelements 4 in geschlossenem Zustand von dem nicht dargestellten Stellelement (Piezo- oder Magnet-Aktor) unterstützt. Dies ist in 5 anhand in zwei Diagrammen anhand des Standes der Technik und gemäß der Erfindung näher erläutert.
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5 zeigt in einem Diagramm eine Bestromung des Stellelementes, in diesem Fall ein Magnet-Aktor, eines Kraftstoffinjektors 1 gem. dem Stand der Technik und einem zweiten Diagramm eine Bestromung des Stellelementes des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1.
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Über eine y-Achse ist jeweils ein Bestromungsstrom I(t) für das Stellelement und über eine x-Achse ist die Zeit t dargestellt. Direkt auf der Zeitachse x ist das Stellelement unbestromt (I = 0), SOI bedeutet „start of injection” (Start der Einspritzung), EOI bedeutet „end of injection” (Ende der Einspritzung). Durch Bestromen des Stellelements zum Zeitpunkt SOI wird das Ventilelement 4 von seinem Sitz abgehoben und der Kraftstoff tritt durch Spritzloch 3 in den Brennraum ein. Ab dem Zeitpunkt EOI ist das Stellelement unbestromt und das Ventilelement 4 verschließt wieder das Spritzloch 3. Dies entspricht im oberen Diagramm dem bekannten Stand der Technik.
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Im zweiten Diagramm, unten, ist dieser Sachverhalt, nochmal verdeutlicht, jedoch ist auch eine Entlastung des Ventilelements 4 durch ein zeitlich nachgelagertes Bestromen des Stellelementes 4 dargestellt. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Stellelement 4 nach EOI für einen definierten Zeitraum nochmals ein wenig bestromt, wodurch das Ventilelement 4 eine Entlastung zum Rücksaugen des Kraftstoffs aus dem Spritzloch 3 erfährt, ohne dass das Ventilelement 4 von dem Dichtsitz 5 abhebt und Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird.
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Es wird somit erfindungsgemäß eine, durch einen elastisch gestalteten Dichtbereich 5 leicht federnd gelagerte Nadelspitze 4 in der Kraftstoffdüse 2 vorgeschlagen. Beispielsweise durch eine elastisch gestaltete Nadelspitze 4, durch gegebenenfalls eine umlaufende Rille, die der Nadelspitze 4 die Funktion eines, im weitesten Sinne eines Federtellers gibt oder eine geeignete Materialpaarung (partiell weicheres Material) für die Nadelspitze 4 und/oder die Kraftstoffdüse 2 im Bereich des Dichtbereichs 5.
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Ebenfalls ist eine elektrische Ansteuerung des Stellelementes dahingehend denkbar, dass im Augenblick des Schließens der Nadelspitze 4 eine höhere Schließkraft auf die Nadelspitze 4 wirkt als in den daran anschließenden Zeitbereich im geschlossenen Zustand (5, unten). Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Nadel 4 nach Beendigung des Durchflusses des Kraftstoffes sich leicht zurückbewegt und dadurch – ohne den Durchfluss erneut freizugeben – das Totvolumen 8 zwischen dem Dichtbereich 5 und dem Spritzloch 3 wieder etwas vergrößert. Somit wird durch die Erfindung in den Spritzlöchern 3 der Kraftstoff etwas zurückgesaugt, wodurch mindestens ein negativer Meniskus im Spritzloch 3 entsteht. Es kann auch so weit gehen, dass das Spritzloch oder die Spritzlöcher 3 teilweise von Kraftstoff entleert werden. Dadurch kann kein Kraftstoff aus dem Spritzloch 3 auf die Oberfläche der Kraftstoffdüse 2 gelangen und dort verkoken oder verbrennen.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Maßnahme können die zukünftigen Emissionsgesetze leichter erfüllt werden ohne gegebenenfalls teure Zusatzmaßnahmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftstoffinjektor
- 2
- Injektorgehäuse
- 3
- Spritzloch
- 4
- Ventilelement
- 5
- Dichtsitz
- 6
- Ringnut
- 7
- erhabener Bereich
- 8
- Totvolumen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009009796 B3 [0005]
- DE 10300177 A1 [0007]
