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Die
Erfindung betrifft ein Magnetventil für einen Injektor für ein Common-Rail-Einspritzsystem mit
einer Ventilsteuerung zum Öffnen
und Schließen einer
Düse, wobei
innerhalb des Magnetventils ein beweglich gelagerter Magnetventilanker
vorgesehen ist, der über
ein Drosselventil mit einem Ventilsteuerkolben und dieser wiederum
mit einer Düsennadel, die
in der Düse
angeordnet ist, in Verbindung steht.
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Ein
Injektor soll unter Hochdruck stehenden Kraftstoff in sehr kleinen
Teilmengen in einen Brennraum einer Brennstoffkraftmaschine einspritzen.
Der Injektor besteht aus einem Steuerteil und aus einem Einspritzteil.
Das Steuerteil umfasst unter anderem einen Zulauf, der für den in
den Injektor hinein führenden
Kraftstoff, der unter Hochdruck steht, vorgesehen ist. Zudem ist
in dem Steu erteil ein Magnetventil angeordnet, das im Wesentlichen
einen Magnetventilanker sowie eine den Magnetventilanker umgebende
Spule umfasst. Der Magnetventilanker ist über eine Feder entsprechend
in einer Position gehalten. Der Magnetventilanker umfasst ferner
einen Steuerventilsitz, der mit einem Drosselventil korrespondiert.
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Das
Einspritzteil des Injektors umfasst den Ventilsteuerkolben, der
wiederum mit dem Drosselventil in Verbindung steht und eine Düsennadel,
die in einer Düse
angeordnet ist. Die Düsennadel
selbst ist ebenfalls federbelastet.
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Im
Ruhezustand ist das Magnetventil nicht stromangesteuert und daher
wird der Magnetventilanker aufgrund der Feder in Richtung Düse gedrückt. Damit
ist das Drosselventil geschlossen und der Ventilsteuerkolben drückt gegen
die Düsennadel, die
wiederum die Düse
selbst verschließt.
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Zusätzlich steht
der Kraftstoffdruck kontinuierlich am Sitz der Düsennadel an. Zudem herrscht derselbe
Druck an dem Steuerteil oberhalb des Ventilsteuerkolbens.
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Aufgrund
der unterschiedlichen Querschnittsflächenverhältnisse von Ventilsteuerkolben und
Düsennadel
wirkt die gesamte resultierende hydraulische Kraftkomponente in
Schließrichtung.
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Sobald
das Magnetventil bestromt wird, wird der Magnetventilanker in Öffnungsrichtung
angehoben. Er gibt dadurch einen sehr exakt tolerierten und gefertigten
Querschnitt des Drosselventils in dem Steuerteil frei, wodurch der
Druck, der an sich auf den Ventilsteuerkolben wirkt, schnell einbricht.
Die Düsennadel
wird da durch von dem Sitz abgehoben und der Einspritzvorgang startet.
Dieser wird durch das Unterbrechen des Magnetstroms begrenzt.
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Nachteile des Standes
der Technik
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Durch
das Einpumpen des Kraftstoffs in das Common-Rail-Einspritzsystem kann es dazu kommen,
dass Luft mit dem Kraftstoff angesaugt wird, insbesondere bei Verwendung
von Saugpumpen.
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In
dem Hochdruckspeicher (Common-Rail) ist die Luft in dem Kraftstoff
gelöst.
Es tritt jedoch der Zustand ein, dass bei geöffnetem Drosselventil Kraftstoff
in den Rücklauf
gerät,
indem wesentlich geringere Drücke
vorliegen, so dass die entsprechende Luft den gelösten Zustand
verlässt.
Somit kann die Wegstrecke, die der Magnetventilanker zurück legt, da
dieser ebenfalls von Kraftstoff umspült ist, sehr stark davon abhängen, wie
groß der
Luftanteil in dem Kraftstoff ist.
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Die
Bewegung des Magnetventilankers und insbesondere das Anschlagverhalten
ist seinerseits von der Druckumgebung abhängig. Bei Lufteinschlüssen kann
es daher zu ungewollten und unkontrollierten Prallverhalten kommen,
die wiederum zur Folge haben, dass die Öffnungszeiten des Injektors mit
einer Unsicherheit behaftet und somit die Einspritzmengen nicht
korrekt definiert sind.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Injektor der vorstehenden
Art derart weiter zu bilden, dass das durch Lufteinschlüsse, die
in einem Kraftstoff vorhanden sind, hervorgerufene Prellverhalten
durch entsprechende Ausbildung des Injektors verringert wird.
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Lösung der Aufgabe
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass innerhalb des Steuerteils des Injektors zwischen dem Magnetventil
und dem Magnetventilanker ein Dämpfungselement
angeordnet ist, das eine entsprechende Dämpfungskraft ausübt.
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Vorteile der Erfindung
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Das
Dämpfungselement
kompensiert Druckabfälle
im Ventilsteuerraum und leichte Variationen des Druckes aus. Das
Prellverhalten des Magnetventilankers wird dadurch vorhersehbar
und durch die Wahl der Dämpfungsparameter
einstellbar.
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Die
Dynamik der Bewegungen des Magnetventilankers hat unmittelbaren
Einfluss auf die Einspritzmenge des Kraftstoffs in den Brennraum.
Führt der
Magnetventilanker eine kontrollierte Bewegung aus, so ist die Kraftstoffeinspritzmenge
ebenfalls kontrollierbar. Aus diesem Grund ist es angebracht, Dämpfungsmittel
in diesem Bereich einzusetzen.
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Diese
zusätzliche
Dämpfung
wirkt sich besonders in zwei Extrembereichen aus.
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Zunächst hat
sie einen Einfluss auf die Bewegung des Magnetventilankers beim Öffnen des
Injektors. Bewegt sich der Magnetventilanker dabei ohne Gegendruck,
so öffnet
sich die Düse
schlagartig und es kann sofort eine gewisse Menge Kraftstoff in den
Brennraum einströmen.
Bewegt sich der Magnetventilanker hingegen gegen einen Gegendruck, der
im Ventilsteuerraum vorliegt, so wird die Düse erst allmählich geöffnet und
es kann zunächst
nur wenig Kraftstoff in den Brennraum einströmen. Die Menge steigert sich
graduell mit der Auslenkung des Magnetventilankers und somit mit
der Verschiebung des Ventilsteuerkolbens.
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Für die optimale
Verbrennung ist ein anfänglich
langsamerer Anstieg der Kraftstoffmenge von Vorteil.
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Der
andere Extrembereich, in dem der Dämpfung eine besondere Bedeutung
zukommt, ist der Schließvorgang
des Injektors.
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Wird
die Beaufschlagung des Magnetventilankers mit Strom beendet, so
bewegt sich der Magnetventilanker in Schließrichtung in seine sogenannte
Gleichgewichtsposition. Dabei wird er von Kraftstoff umströmt und unterliegt
neben dem eigentlichen Federdruck auch einem hydraulischen Druck.
Liegen in dem Kraftstoff jedoch Lufteinschlüsse vor, so kommt es zu einem
Druckabfall des hydraulischen Gleichgewichtsdrucks und der Magnetventilanker prallt
nahezu ohne Widerstand in seine Gleichgewichtsposition, was wiederum
dazu führt,
dass ein sogenanntes Schließprellverhalten
des Magnetventilankers mit mehreren Nachschwingungen vorliegt, das
sich wiederum auf das Öffnen
und Schließen
der Düse
auswirkt.
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Bei
jedem Nachschwingen wird somit der Injektor wieder geöffnet und
es kann auch noch nach dem durch das Ende der Bestromung festgelegten Schließzeitpunkt
Kraftstoff in den Brennraum fließen und damit die Laufeigenschaften
der Brennstoffkraftmaschine erheblich verändern.
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Das
erfindungsgemäße zusätzliche
Dämpfungselement
stellt jedoch sicher, dass es ungeachtet der Druckverhältnisse
im Ventilsteuerraum zu einem gedämpften
Schließvorgang
des Magnetventilankers kommt. Es wird verhindert, dass der Magnetventilanker
nach dem Ende der Bestromung eine länger andauernde Schwingung
ausführt,
ohne dass weiterer Kraftstoff in den Brennraum einströmen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Dämpfungselement
derart ausgebildet, dass es eine Feder und eine definierte Masse
aufweist. Die durch das Dämpfungselement
ausgeübte
Dämpfungskraft
wird in diesem Fall durch die Trägheit
der Masse und die Federkonstante der Feder erzeugt. Durch eine geeignete
Auswahl dieser Parameter kann die entsprechende Dämpfungskraft
derart eingestellt werden, dass die im Ventilsteuerraum vorkommenden
Druckschwankungen entsprechend kompensiert werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den nachfolgenden Beschreibungen,
Zeichnungen sowie Ansprüchen
hervor.
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Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Injektors im Ruhezustand;
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2 eine
schematische Darstellung des Injektors wie in 1,
jedoch gegenüber 1 im
Einspritzzustand;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Injektors
im Schnitt;
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4 Messkurven,
in denen die Bewegung des Magnetventilankers sowie die Einspritzrate
des Kraftstoffs in den Brennraum einer Brennstoffkraftmaschine in
Abhängigkeit
der Zeit dargestellt sind, zum einen für einen Injektor, in dem Kraftstoff
mit Lufteinschluss im Ventilsteuerraum vorgesehen ist, einmal mit
Dämpfungselement
und einmal ohne Dämpfungselement.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
eine Gesamtdarstellung eines Injektors 1, bestehend aus
einem Steuerteil S und einem Einspritzteil E dargestellt. Der Kraftstoff,
der in den Brennraum einer Brennstoffkraftmaschine einzuspritzen
ist, wird von einem nicht näher
dargestellten Common-Rail-Einspritzsystem über eine Kraftstoffzuleitung 2,
die an dem Steuerteil S des Injektors 1 angeordnet ist, über Zulaufkanäle 3 zum
Einspritzteil E in Richtung der Düse 4 geführt. Die
Düse 4 selbst wird über eine
Düsennadel 5 gesteuert,
die wiederum mit einem Ventilsteuerkolben 6 und dieser
wiederum mit einem Ventilsteuerraum 7 verbunden ist.
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Der
Ventilsteuerraum 7, der in dem Steuerteil S des Injektors 1 angeordnet
ist, umfasst ein Magnetventil 8 mit einem Magnetventilanker 9,
wobei der Magnetventilanker 9 einen Steuerventilsitz 10 vorsieht,
der in dem in 1 dargestellten Zustand mit einem Drosselventil 11 korrespondiert.
Der Magnetventilanker 9 wird von einer Spule 12 gesteuert.
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Ferner
ist eine Rücklaufleitung 13 für den Kraftstoff
in dem Steuerteil S des Injektors 1 vorgesehen.
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Wird
die Spule 12 des Magnetenventils 8 bestromt (2),
so bewegt sich der Magnetventilanker 9 in Öffnungsrichtung 14 und
das entsprechende Drosselventil 11 wird frei gegeben, so
dass Kraftstoff über
den Zulauf 3 in Richtung der Düse 4 als auch in den
Ventilsteuerraum 7 und über
die Rücklaufleitung 13 fließen kann.
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In 3 ist
eine Teildarstellung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels dargestellt.
In dem Steuerteil S ist im Bereich des Magnetventilankers 9 ein
Dämpfungselement 15 angeordnet,
das aus einer Feder 16 und einer Massenscheibe 17 besteht.
Das Dämpfungselement 15 ist
sowohl mit dem Magnetventilanker 9 als auch mit dem Magnetventil 8 verbunden,
so dass der Magnetventilanker 9 bei einer Bewegung in Schließrichtung 18 und
in Öffnungsrichtung 14 gegen
die von dem Dämpfungselement 15 erzeugte
Dämpfungskraft
arbeitet.
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Das
Dämpfungselement 15 hat
somit eine dämpfende
Wirkung, die der hydraulischen Dämpfungskraft
eines den Magnetventilanker 9 umströmenden in der Figur nicht gezeigten
Kraftstoffs entspricht.
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In 4 ist
die Ausführung,
die die erfindungsgemäße Ausbildung
des Magnetventils 8 gemäß 3 aufweist,
anhand von Messkurven im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik
dargestellten Lösungen
aufgezeigt.
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Die
Messkurven zeigen die sogenannte Einspritzrate (Menge des eingespritzten
Kraftstoffs) in der Ordinate rechts über der Zeit dargestellt. In
der Ordinate links ist die Auslenkung des Magnetventilankers 9 aus
seiner Ruhelage dargestellt. Die Größenangaben hierfür sind willkürlich.
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Zunächst ist
in der Kurve 101 die negative Auslenkung des Magnetventilankers 9 aus
der Schließposition über der
Zeit aufgetragen, wenn aufgrund eines Lufteinschlusses (hier ca.
44%) im Kraftstoff nur geringe Dämpfungskräfte vorliegen.
Die Kurve 101 weist unmittelbar nach dem Öffnen, welches bei
einer Zeit t = 0 stattfindet, sogenannte Öffnungspreller 103 auf.
Diese entstehen, da der Magnetventilanker 9 wenig gedämpft von
seinem Sitz abhebt, wodurch er in eine Schwingung gerät.
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Nach
der Beendigung der Beaufschlagung des Magnetventils 8 mit
Strom kehrt der Magnetventilanker 9 nicht in einer überdämpften Bewegung
in die Schließposition
zurück,
sondern führt
eine Reihe von Schließprellern
aus, die als starke Ausschläge 104 der
Kurve 101 erkennbar sind.
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In
der Kurve 102 ist die negative Auslenkung des Magnetventilankers 9 aus
der Schließposition über die
Zeit aufgetragen, wobei in diesem gezeigten Fall eine Dämpfung vorliegt.
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Diese
wird zum einen deutlich, da die Öffnung
des Magnetventilankers 9 (Kurve 106 des Öffnungsverlaufs)
wesentlich langsamer verläuft
als vergleichbar im ungedämpften
Fall und der Schließverlauf quasi überdampft
ist, also keine erkennbaren Schwingungsausschläge vorliegen.
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Die
entsprechenden Einspritzraten des Kraftstoffs in den Brennraum über die
Zeit sind in den Kurven 201 und 202 aufgetragen.
Kurve 201 zeigt die Einspritzrate für einen Magnetventilanker 9 mit
praktisch ungedämpfter
Bewegung, wobei diese Kurve 201 mit der Kurve 101 vergleichbar
ist.
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Kurve 202 zeigt
für einen
Magnetventilanker 9 eine gedämpfte Bewegung, vergleichbar
mit Kurve 102. Das schnelle Öffnen 103 des ungedämpften Magnetventilankers 9 führt zu einem
schnellen Anstieg der Einspritzrate und die Schwingungen beim Schließen (Bereich 104)
des ungedämpften
Magnetventilankers 9 resultieren in einer längeren Dauer
der Einspritzung und damit in einer höheren Einspritzrate beim Schließen.
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Im
Vergleich mit dem Schließverhalten
des gedämpften
Magnetventilankers 9 zeigt sich, dass der Kraftstoff im
ungedämpften
Fall um eine bestimmte Zeitspanne 206 länger einströmen kann.
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Diese
Zeitspanne 206 ist maßgeblich
für den Unterschied
der eingeströmten
Kraftstoffmengen, die sich aus den zeitlichen Integralen der Kurven 201 und 202 für die Kraftstoffrate
ergeben.
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Das
erfindungsgemäß eingeführte Dämpfungselement 15 führt somit
zu einer Glättung
der Kurve 106 des Magnetventilankers 9.
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Der
Injektor 1 wird unempfindlich gegenüber einem höheren Luftanteil, der im Kraftstoff
eingeschlossen ist, obwohl sich die hydraulische Dämpfung aufgrund
dieser Lufteinschlüsse
reduziert.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
ist sehr einfach und effektiv und kann ohne besondere Ausgestaltung
des Injektors 1 eingefügt
werden.