Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung, insbesondere Common-Rail-Injektor für
Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit
einem Gehäuse mit einem Einspritz-Ende, mit einer in dem
Gehäuse aufgenommenen Ventileinrichtung, welche mit einem
Ventilsitz im Bereich des Einspritz-Endes zusammenarbeitet,
welche an dem vom Einspritz-Ende abgewandten Ende eine
Druckfläche aufweist, und welche ein Ventilelement mit
einem Schaftbereich und mit einem Führungsbereich aufweist,
mit dem das Ventilelement im Gehäuse gleitend und
fluiddicht gehalten ist, und mit einem hydraulischen
Steuerraum, welcher von der Druckfläche der
Ventileinrichtung begrenzt wird und in welchem
unterschiedliche Drücke herrschen können.
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Eine solche Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist vom Markt
her bekannt. Mit ihr wird Kraftstoff unter sehr hohem Druck
direkt in einen der jeweiligen Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung zugeordneten Brennraum eingespritzt.
Als Kraftstoff kommt Benzin als auch Diesel in Frage. Der
Kraftstoff wird der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von
einem Kraftstoffsystem mit einer Kraftstoff-Sammelleitung
("Rail") bereitgestellt.
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Der Steuerraum der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist mit
einem Schaltventil verbunden, welches den normalerweise
unter hohem Druck stehenden Steuerraum mit einem
Niederdruckbereich verbinden kann. Auf diese Weise kann der
Druck im Steuerraum kurzzeitig abgesenkt werden. Durch
Federkraft oder ebenfalls durch hydraulischen Druck ergibt
sich hierdurch eine Kraftresultierende, welche dazu führt,
dass die Ventileinrichtung mit dem Ventilelement vom
Ventilsitz abhebt. Auf diese Weise kann Kraftstoff von der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in den Brennraum abgegeben
werden.
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Problematisch ist die Verwendung der bekannten Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung bei Brennkraftmaschinen mit sehr
kleinem Hubraum. Wenn bei derartigen Brennkraftmaschine die
Gesamteinspritzung des Kraftstoffes in mehrere einzelne
Einspritzungen aufgeteilt werden soll, ergibt sich eine
sehr kleine Kraftstoffmenge, welche bei einer
Einzeleinspritzung von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
in den ihr zugeteilten Brennraum abgegeben werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art so
weiterzubilden, dass mit ihr auch sehr kleine
Einspritzmengen mit großer Präzision abgegeben werden
können.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass die Ventileinrichtung mindestens ein zwischen
Ventilsitz und Steuerraum angeordnetes elastisches
Verzögerungsglied aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
können auch sehr kleine Kraftstoffmengen in den Brennraum
einer Brennkraftmaschine eingebracht werden. Dies ist
dadurch möglich, dass die Öffnungszeit der
Ventileinrichtung, also der Zeitraum, während dem das
Ventilelement vom Ventilsitz abgehoben ist, kleiner ist als
der Zeitraum, während dem der Druck im Steuerraum gegenüber
dem normalen Betriebsdruck abgesenkt ist.
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Ursache hierfür ist das erfindungsgemäß vorgesehene
elastische Verzögerungsglied: Bei geschlossener
Ventileinrichtung wird das Ventilelement zusammen mit dem
elastischen Verzögerungsglied aufgrund der an der
Druckfläche anliegenden Druckkraft gegen den Ventilsitz
gedrückt und das elastische Verzögerungsglied komprimiert.
Wird der Druck im Steuerraum nun abgesenkt, um eine Öffnung
der Ventileinrichtung und eine Einspritzung von Kraftstoff
durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zu bewirken,
führt dies zunächst nur dazu, dass sich das elastische
Verzögerungsglied ausdehnt, ohne dass das Ventilelement vom
Ventilsitz abhebt.
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Erst wenn das elastische Verzögerungsglied sich vollständig
bis auf seine weitgehend entlastete Länge ausgedehnt hat,
hebt das Ventilelement vom Ventilsitz ab und gibt so den
Durchfluss für den Kraftstoff frei. Auf diese Weise können
auch sehr kleine Voreinspritzmengen realisiert werden, wie
sie insbesondere bei Motoren mit kleinem Hubraum und mit in
mehrere Einzeleinspritzungen aufgeteilter Einspritzung
erforderlich sind. Diese kleinen Einspritzmengen können
auch bei solchen Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
realisiert werden, welche vergleichsweise langsam
schaltende Schaltventile aufweisen, mit denen der Druck im
Steuerraum gesteuert wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das
Verzögerungsglied eine Druckstange umfasst. Diese kann auf
einfache Art und Weise so dimensioniert werden, dass sie
die gewünschte Elastizität aufweist. Die entsprechende
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung arbeitet daher sicher und
kann preiswert hergestellt werden.
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Dabei kann das Ventilelement und die Druckstange aus
unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Somit
kann die gewünschte Elastizität auch durch eine
entsprechende Materialwahl für die Druckstange beeinflusst
werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein elastisches
Verzögerungsglied in den Schaftbereich des Ventilelements
einstückig integriert ist. Dies erleichtert die Montage der
erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.
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Vorgeschlagen wird auch, dass der Schaftbereich mindestens
dreimal so lang ist wie der Führungsbereich. Eine derartige
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung baut in ihrem unteren
Bereich sehr schmal, wodurch sie insbesondere für den
Einsatz in kleinen Brennkraftmaschinen geeignet ist. Bei
derartigen Brennkraftmaschinen ist nämlich nur wenig
Bauraum im Bereich des Zylinderkopfs vorhanden. Durch die
Länge des Schaftbereichs wird darüber hinaus durch eine
einfache geometrische Maßnahme der Schaftbereich selbst zum
elastischen Verzögerungsglied, ohne dass eine komplexe
Geometrie des Schaftbereichs oder eine spezielle
Materialwahl unbedingt erforderlich ist.
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In Weiterbildung hierzu wird wiederum vorgeschlagen, dass
zwischen dem Schaftbereich des Ventilelements und dem
Gehäuse wenigstens bereichsweise ein Ringraum vorhanden
ist, und dass der Schaftbereich des Ventilelements an
seinem dem Einspritz-Ende des Gehäuses zugewandten Ende
einen Führungsbereich aufweist, welcher mit dem Gehäuse
zusammenarbeitet. Somit wird trotz des langen
Schaftbereichs eine sichere Führung des Ventilelements im
Gehäuse der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gewährleistet.
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Dabei kann der zweite Führungsbereich mindestens einen
Kraftstoffdurchlass aufweisen. Dieser kann bspw. in Form
einer ebenen Fräsung des ansonsten kreisrunden Querschnitt
aufweisenden Schaftbereichs bestehen. Dies ermöglicht eine
widerstandsarme Strömung zum Ventilsitz hin.
Zeichnung
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die
beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. Die einzige
Figur zeigt einen Teilschnitt durch eine Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung.
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Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in Fig. 1 trägt
insgesamt das Bezugszeichen 10. Bei ihr handelt es sich um
einen Injektor für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-
Direkteinspritzung. Über eine Kraftstoffleitung 12 kann der
Injektor 10 an eine Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail")
angeschlossen werden. Über ein 2/2-Schaltventil 14 und eine
Kraftstoffleitung 16 kann der Injektor 10 auch mit einem
Niederdruckbereich verbunden werden. Weder der
Niederdruckbereich noch die Kraftstoff-Sammelleitung sind
in Fig. 1 dargestellt.
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Der Injektor 10 umfasst ein Gehäuse 18, welches aus einem
Düsenkörper 20, einem Zwischenelement 22 und einer
Endscheibe 24 besteht. Der Düsenkörper 20 wird mit der
Endscheibe 24 durch eine nicht dargestellte
Düsenspannmutter verspannt. Hierdurch wird auch das
Zwischenelement zwischen Düsenkörper 20 und Endscheibe 24
verklemmt.
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Im Düsenkörper 20 ist eine sacklochartige Ausnehmung 26
vorhanden. Das Zwischenelement 22 ist hülsenförmig
ausgebildet ebenfalls mit einer durchgehenden
stufenförmigen Ausnehmung 28, die koaxial zur Ausnehmung 26
im Düsenkörper 20 ist. In die Ausnehmung 26 im Düsenkörper
20 ist ein Ventilelement 30 eingesetzt. Dieses weist einen
Führungsbereich 32 auf, der mit einem komplementären
Abschnitt (ohne Bezugszeichen) der Ausnehmung 26 im
Gleitspiel und fluiddicht zusammenarbeitet.
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Unterhalb des Führungsbereichs 32 weist das Ventilelement
30 einen Schaftbereich 34 auf. Dieser erstreckt sich in
Fig. 1 bis nach unten zu einem Einspritz-Ende 36 des
Düsenkörpers 20. Er hat einen kleineren Durchmesser als und
ist etwa dreimal so lang wie der Führungsbereich 32. Ein
konischer Abschnitt 38 des Ventilelements 30 unterhalb des
Schaftbereichs 34 arbeitet mit einem Ventilsitz (ohne
Bezugszeichen) zusammen, der in der Ausnehmung 26 des
Düsenkörpers 20 im Bereich des Einspritz-Endes 36
ausgebildet ist. Eine Auslassöffnung 40 führt im Bereich
des Einspritz-Endes 36 von der Ausnehmung 26 im Düsenkörper
20 nach außen.
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Der Übergang zwischen Führungsbereich 32 und Schaftbereich
34 des Ventilelements 30 ist als Druckfläche 42
ausgebildet, deren Kraftresultierende in Fig. 1 nach oben
zeigt. Die Ausnehmung 26 im Düsenkörper 20 ist im Bereich
der Druckfläche 42 als Druckraum 44 ausgebildet. Der
Druckraum 44 ist über einen Kanal 45 mit der
Kraftstoffleitung 12 verbunden.
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Der Durchmesser der Ausnehmung 26 im Düsenkörper 20 ist vom
Druckraum 44 bis zum Ventilsitz im Einspritz-Ende 36 des
Düsenkörpers 20 größer als der Durchmesser des
Schaftbereichs 34 des Ventilelements 30, so dass zwischen
Düsenkörper 20 und Schaftbereich 34 ein Ringraum 46
vorhanden ist. Eine Ausnahme bildet eine
Durchmesserverengung 48 knapp oberhalb des Einspritzendes
36, welche so ausgebildet ist, dass am Schaftbereich 34 ein
zweiter Führungsbereich 50 geschaffen wird, durch den das
Ventilelement 30 im Bereich des Einspritz-Endes 36
zusätzlich gleitend gehalten ist. Der zweite
Führungsbereich 50 des Schaftbereichs 34 des Ventilelements
30 weist eine ebene Abfräsung 52 auf, durch welche ein
Spalt zwischen der kreisförmigen Querschnitt aufweisenden
Einengung 48 der Ausnehmung 26 im Düsenkörper 20 und dem
Schaftbereich 34 des Ventilelements 30 geschaffen wird.
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In der Ausnehmung 28 im Zwischenelement 22 ist eine
Druckstange 54 aufgenommen. Diese weist einen in Fig. 1
oberen Abschnitt 56 mit größerem Durchmesser auf, der
gleitend und fluiddicht mit der Ausnehmung 28 im
Zwischenelement 22 zusammenarbeitet. Ein in Fig. 1 unterer
Abschnitt 58 der Druckstange 54 weist einen kleineren
Durchmesser auf und liegt mit seinem in Fig. 1 unteren Ende
an der Oberseite des Führungsbereichs 32 des Ventilelements
30 an. Die Druckstange 54 ist aus einem Material mit
anderen Elastizitätseigenschaften als das Ventilelement 30.
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Die in Fig. 1 obere Grenzfläche der Druckstange 54 wirkt
als Druckfläche 60, welche einen Steuerraum 62 begrenzt.
Dieser ist über eine Zulaufdrossel 64 mit dem Kanal 45
verbunden. Eine Ablaufdrossel 66 verbindet den Steuerraum
62 mit dem Schaltventil 14. Die Kraftresultierende der
Druckfläche 60 weist in Fig. 1 nach unten.
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Die in Fig. 1 dargestellte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
10 arbeitet folgendermaßen: Über die Kraftstoffleitung 12und den Kanal 45 wird der in der Kraftstoff-Sammelleitung
herrschende hohe Kraftstoffdruck in den Druckraum 44
übertragen. Bei geschlossenem Schaltventil 40 herrscht auch
im Steuerraum 62 aufgrund der durch die Zulaufdrossel 64
geschaffenen Verbindung zum Kanal 45 der hohe
Kraftstoffdruck der Kraftstoff-Sammelleitung.
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Da die Fläche der Druckfläche 60 größer ist als jene der
Druckfläche 42, drückt die Druckstange 54 das Ventilelement
30 mit dem konischen Bereich 38 gegen den Ventilsitz im
Bereich des Einlass-Endes 36 des Düsenkörpers 20. Die
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 ist somit geschlossen,
so dass kein Kraftstoff durch die Auslassöffnung 40
austreten kann.
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Soll eine Einspritzung erfolgen, wird das Schaltventil 14
(bei diesem kann es sich bspw. um ein Magnetventil handeln)
kurzzeitig geöffnet. Hierdurch sinkt der Druck im
Steuerraum 62, so dass auch die an der Druckfläche 60
angreifende hydraulische Kraft abnimmt. Dies führt jedoch
noch nicht sofort zu einer Öffnungsbewegung des
Ventilelements 30, sondern zunächst zu einer Ausdehnung
einerseits der Druckstange 54 und andererseits des
Schaftbereichs 34.
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Erst wenn einerseits die Druckstange 54 und andererseits
der Schaftbereich 34 weitgehend entlastet sind, und wenn
die an der Druckfläche 60 angreifende hydraulische Kraft
kleiner ist als die an der Druckfläche 42 wirkende
hydraulische Kraft, hebt das Ventilelement 30 mit dem
konischen Bereich 38 vom Ventilsitz im Bereich des
Einspritz-Endes 36 ab. Somit kann Kraftstoff über die
Kraftstoffleitung 12, den Kanal 45 und den Ringraum 46
durch den sich zwischen dem konischen Bereich 38 und dem
Ventilsitz ergebenden Spalt hindurchströmen und über die
Auslassöffnung 40 in den Brennraum der Brennkraftmaschine
gelangen.
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Sobald das Schaltventil 14 wieder geschlossen wird, steigt
der Druck im Steuerraum 62 wieder, was sofort zu einer
Schließbewegung des Ventilelements 30 führt.
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Durch die Elastizität der Druckstange 54 einerseits und des
sehr langen Schaftbereichs 34 des Ventilelements 30
andererseits wird also das Öffnen des Injektors 10
verzögert. Die Druckstange 54 und der Schaftbereich 34 des
Ventilelements 30 bilden also insgesamt ein elastisches
Verzögerungsglied.
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Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel eines
Injektors ist keine separate Druckstange vorhanden.
Stattdessen reicht das Ventilelement vom Einspritz-Ende bis
zum Steuerraum.
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Aus Fig. 1 ist ohne Weiteres ersichtlich, dass der
dargestellte Injektor 10 einen vergleichsweise langen und
schmalen Düsenkörper 20 aufweist, welcher auch bei den
beengten Einbauverhältnissen kleiner Brennkraftmaschinen
verwendet werden kann. Die Ausbildung des Schaftbereichs 34
des Ventilelements 30 und der Druckstange 54 als
Verzögerungsglied ermöglicht darüber hinaus sehr kurze
Öffnungszeiten des Injektors 10, auch bei vergleichsweise
langsamer Schaltzeit des Schaltventils 14.