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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoff-Einspritzventil für Brennstoff
Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen
von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Grundsätzlich ist
es möglich, die
Erfindung sowohl bei direkt einspritzenden, als auch bei konventionellen,
in das Saugrohr einspritzenden Motoren zu verwenden.
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Durch
die stetig steigenden Anforderungen der Abgasgesetzgebung mit weiter
sinkenden Grenzwerten ergibt sich die Herausforderung, durch eine Optimierung
des Einspritzvorgangs von Kraftstoff in die Brennkammer die Entstehung
von Schadstoffen am Ort ihrer Entstehung zu optimieren. Kritisch
sind insbesondere NOx- und Ruß-Emissionen. Durch
die Entwicklung von Einspritzsystemen mit immer höheren Einspritzdrücken und
hochdynamischen Injektoren, sowie durch gekühlte Abgasrückführung und Oxidationskatalysatoren
ist es zwar möglich
gegenwärtige
Grenzwerte einzuhalten. Allerdings scheint das Potenzial der bisherigen
Maßnahmen
zur Emissionsreduzierung erreicht zu sein.
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Für eine saubere
Verbrennung ist es wichtig, den Kraftstoff besonders fein zu zerstäuben. Bei
einem Einspritzdruck von zum Beispiel etwa 200 Bar beträgt der mittlere
Durchmesser der Kraftstofftröpfchen
nur noch ca. 15 Tausendstel Millimeter.
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Im
Stand der Technik sind sog. "Common Rail"-Systeme bekannt,
die auch als Speichereinspritzsysteme bezeichnet werden. Die Druckerzeugung
und die Kraftstoffeinspritzung sind beim Common-Rail-System voneinander
entkoppelt. Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt für alle Einspritzventile
eines Verbrennungsmotors kontinuierlich Druck in der Brennstoffzufuhrleitung.
Damit wird der Brennstoffdruck unabhängig von der Einspritzfolge aufgebaut
und steht in der Kraftstoffleitung permanent zur Verfügung. Der
ständig
anstehende hohe Druck von mehr als 1350 bar wird in der so genannten
Rail (= Schiene, Leitung) gespeichert und über kurze Einspritzleitungen
den Injektoren einer Zylinderbank des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt.
Der Einspritzzeitpunkt und die Kraftstoffmenge werden für jeden
Zylinder individuell berechnet und über schnell schaltende Magnetventile
(Injektoren) eingespritzt.
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Hierbei
ist die Hochdruckpumpe ein zentrales, für die Funktion kritisches Element.
Es kommen im Stand der Technik meist Drei-Kolbenpumpen mit einem
zentralen Exzenter oder Zweischeiben-Radialkolben-Pumpen zum Einsatz.
Derartige Hochdruckpumpe sind aufwendig. Auch die Leitungen und
die Dichtungen zwischen der Hochdruckpumpe und den einzelnen Injektoren
sind für
diesen hohen Druck auszulegen. Außerdem ist es erforderlich,
einen Brennstoff-Rücklauf
von jedem einzelnen Injektor zu der Hochdruckpumpe bzw. zum Brennstoffreservoir mit
einer Brennstoffkühlung
vorzusehen. Weiterhin ist es notwendig, dass der Brennstoffdruck
im Rail von einem Druckregelventil eingeregelt und von einem Raildrucksensor überwacht
wird. Dies stellt einen erheblichen apparativen Aufwand dar, der
solche Common-Rail-Systeme sehr kostspielig macht. Außerdem sind
diese Systeme wegen des hohen Drucks auch risikobehaftet. So dürfen bei
laufendem Motor grundsätzlich
keine Hochdruckleitungen gelöst werden.
Falls bei einem Common-Rail-System das Öffnen des Hochdruck Kreislaufs
erforderlich ist, müssen
nach dem Abstellen des Motors Wartezeiten zum Abbau des Systemdrucks
eingehalten werden. Neuere Speichereinspritzsysteme mit mengengeregelter
Hochdruckpumpe stehen sogar bis zu fünf Minuten nach dem Abstellen
des Verbrennungsmotors noch unter Hochdruck.
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Weiterhin
sind im Stand der Technik sog. Pumpe-Düse-Einspritzsysteme bekannt.
Hierbei sind die Kraftstoffeinspritzpumpe und die Einspritzdüse für jeden
Zylinder des Verbrennungsmotors in einem einzigen Bauteil zusammengefasst.
Das heißt,
der Hochdruck (ca. 2000 bar) wird am Einspritzelement jedes Zylinders
separat erzeugt. Im Zylinderkopf ist für jeden Zylinder ein Pumpe-Düse-Einspritz-Element
montiert und die Pumpenkolben werden von der Nockenwelle des Verbrennungsmotors über Kipphebel
angetrieben. Der Kraftstoffzu- und Rücklauf erfolgt über im Zylinderkopf
integrierte Kanäle. Die
Nockenwelle bewirkt über
den Kipphebel und eine Plungerrückstellfeder
einen festgelegten Hub für jeden
Kolben. Bei einer Aufwärtsbewegung
des Kolbens strömt
der Brennstoff vom Zylinderkopf durch ein Absteuerventil in eine
unter dem Plunger liegende Kammer. Zu einem von einem Steuergerät bestimmten
Zeitpunkt erregt ein elektrischer Impuls das Absteuerventil um dieses
zu schließen.
Der Plunger fährt
nun abwärts
und bewirkt dadurch einen raschen Druckanstieg in den Druckkanälen. Bei
einem vorgegebenen Druck öffnet
die Düse
und die Einspritzung beginnt. Wenn das Absteuerventil stromlos ist, öffnet es.
Dadurch bricht der Druck zusammen, die Düse schließt und die Einspritzung ist
beendet.
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Dieses
System ist wegen der separaten Kipphebel an jedem Zylinderkopf mechanisch
sehr aufwendig. Außerdem
ist der Druckverlauf bzw. der Öffnungsdruck
der Düse
nur schwer kontrollierbar.
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Der Erfindung zugrunde
liegendes Problem
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Nachteile der oben genannten
bekannten Systeme zumindest teilweise zu überwinden, sowie eine kompakt
bauende und kostengünstige
Anordnung eines Brennstoff Einspritzventils bereitzustellen, die
in der Lage ist, Brennstoff mit hohem Druck einzuspritzen.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch ein Brennstoff Einspritzventil für Brennstoff
Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten
Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
mit einem Brennstoff Einlass, der dazu eingerichtet ist, Brennstoff
aus einer Brennstoff-Verteil-Leitung aufzunehmen, einer elektrisch
ansteuerbaren Betätigungseinrichtung
die mit einer Einspritz-Ventilanordnung zusammenwirkt, um Brennstoff
in direkt oder indirekt gesteuerter Weise durch einen Brennstoff-Auslass
ausströmen
zu lassen, wobei der Brennstoff-Einlass durch einen Strömungskanal
mit einer Vorkammer verbunden ist, in die Vorkammer ein verschiebbarer
Kolben ragt, der dazu vorgesehen ist, das Volumen der Vorkammer
zu verändern,
und der Kolben durch eine Elektromagnet-Anordnung im Sinne einer
Volumenverringerung zu betätigen
ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Brennstoff-Einspritzventils ist es möglich ohne die Hochdruckleitungen
des Common-Rail-Systems auszukommen, da der hohe Druck lokal, (unmittelbar)
bei dem Brennstoff Injektor erzeugt wird. Dies verringert die Anforderungen
an die Brennstoff Zufuhr-Leitungen signifikant. Außerdem ist
es nicht erforderlich, den hohen Druck permanent vorzuhalten. Vielmehr
ist es ausreichend, den Druck zeitlich kurz vor dem (ersten) Einspritzvorgang
des gesamten Einspritz-Zyklus des Verbrennungsmotors anzuheben.
Gleichermaßen
besteht nicht die Einschränkung von
Pumpe-Düse-Systemen,
bei denen der apparative Aufwand der Kipphebelanordnungen mit entsprechender
Montage und Justierung erforderlich ist.
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Die
Erfindung erlaubt weiterhin, den hohen Druck des Brennstoffs während eines
Einspritz-Zyklus praktisch konstant zu lassen, was eine optimal feine
und rasche Zer stäubung
des Brennstoffs im Zylinder des Verbrennungsmotors sicherstellt.
Es ist jedoch auch möglich,
den hohen Druck des Brennstoffs während eines Einspritz-Zyklus – durch
Variation des Erregerstroms der auf den Kolben wirkenden Elektromagnet-Anordnung – zu verändern, sollte
dies aus Gründen
des Motormanagement gewünscht
sein. Diese Möglichkeit
bieten weder das herkömmliche Pumpe-Düse-System, noch das
Common-Rail-System.
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Ein
weiterer Vorzug der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
dass – anders
als bei dem Pumpe-Düse-System – die Erzeugung
des Druckes in dem Brennstoff unabhängig von der Betätigung des
Injektors erfolgt. Dazu sind erfindungsgemäß zwei unabhängig voneinander
zu anzusteuernde Aktoren in Gestalt der elektrisch ansteuerbaren
Betätigungseinrichtung
für die
Einspritz-Ventilanordnung einerseits und der Elektromagnet-Anordnung
zur Betätigung
des Kolbens im Sinne einer Volumenverringerung andererseits vorgesehen.
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Die
Erfindung macht sich das Prinzip zunutze, zwischen dem Brennstoff
Einlass und dem eigentlichen Brennstoff Injektor, also der Einspritzventil-Anordnung,
eine lokale, kompakte Druckgeberanordnung für ein kleines Volumen (nämlich die
Brennstoffmenge eines Einspritzvorgangs) vorzusehen, das für einen
kurzen Zeitraum (nämlich
die Dauer eines Einspritzvorgangs) mit einem hohen Druck zu beaufschlagen
ist. Dazu ist die Druckgeberanordnung mit einer Kammer vorgesehen,
in die ein Kolben eintaucht, sowie mit einer Elektromagnet-Anordnung
zur Betätigung
des Kolbens.
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Weiterbildungen und Ausgestaltungen
der Erfindung
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Bei
einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoff-Einspritzventils
ist ein Rückschlagventil
vorgesehen, durch das ein Austreten von in der Vorkammer befindlichem
Brennstoff in Richtung Brennstoff-Einlass verhindert ist. Dabei kann
das Rückschlagventil
in dem Strömungskanal, oder
in dem verschiebbaren Kolben, vorzugsweise in einem in dem Kolben
befindlichen Brennstoff-Durchlass angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß hat die
Elektromagnet-Anordnung einen Stator und einen Anker, wobei der
Anker mit dem verschiebbaren Kolben fest oder getrieblich verbunden
ist. Alternativ dazu kann der Kolben auch ein einstückiges Teil
des Ankers sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Stator als Multipolstator ausgebildet ist,
der eine oder mehrere, den jeweiligen Statorpolen zugeordnete Erre gerspulen
aufweist. Dies erlaubt das Erzeugen einer hohen magnetischen Kraftdichte, die
sich in einem schnell auf- und abbauenden Magnetfeld und in einem
hohen hydraulischen Druck in dem Brennstoff manifestiert.
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In ähnlicher
Weise kann auch der Anker als Multipolanker ausgebildet sein, dessen
Ankerpole auf die jeweiligen Statorpole hin ausgerichtet sind.
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Die
Elektromagnet-Anordnung hat zwischen dem Stator und dem Anker einen
vorzugsweise im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Ankers
orientierten Arbeitsluftspalt. Je nach räumlicher Gegebenheit ist es
jedoch auch möglich,
den Arbeitsluftspalt anders zu orientieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind der Stator und/oder der Anker im Innern der Vorkammer
angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass zwischen dem Niederdruckbereich,
(etwa bis 20 bar Fluiddruck) und dem Hochdruckbereich (etwa 100
bar – 3000
bar Fluiddruck) keine druckfesten Leitungen und Dichtungen vorzusehen
sind. Vielmehr ist in diesem Fall eine gekapselte Ausführungsform
möglich,
in der sämtliche
Komponenten aufgenommen sind.
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Um
einen möglichst
ungehinderten Fluss des Brennstoffs zu ermöglichen, haben der Stator und/oder
der Anker wenigstens einen Brennstoffkanal für Brennstoff in Richtung zu
der Einspritz-Ventilanordnung hin.
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Damit
nach Beendigung eines Einspritz-Zyklus wieder neuer Brennstoff in
die Vorkammer zum Druckaufbau beim nächsten Einspritz-Zyklus angesaugt
wird, bzw. damit sich der verscheibbare Kolbe wieder in seine Ausgangsstellung
zurückbewegt,
ist auf einer von dem Stator abliegenden Seite des Ankers eine,
vorzugsweise Permanent-Magnete aufweisende Magnetanordnung vorgesehen,
die den Anker in dessen Ruhestellung zieht und dabei im Sinne einer
Volumenvergrößerung der
Vorkammer den Kolben aus der Vorkammer hinausdrängt. Es wäre jedoch auch möglich, anstelle
der Permanent-Magnete eine Elektromagnet-Anordnung zu verwenden.
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Erfindungsgemäß sind die
Vorkammer, die Einspritz-Ventilanordnung, der Kolben und die Elektromagnet-Anordnung
als gemeinsam handhabbare Baugruppe ausgestaltet.
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Die
Betätigungseinrichtung
des Injektors (also des Einspritzelementes) wirkt auf ein bewegliches Ventilglied
der Ventilanordnung ein, um dieses gegenüber einem mit dem Ventilglied
zusammenwirkenden und stromabwärts
zu dem Brennstoff-Einlass angeordneten ortsfesten Ventilsitz zwischen
einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung zu bewegen.
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Um
besonders schlanke oder lang gezogene Bauformen mit großen Halte-
oder Schließkräften zu realisieren
kann eine Kaskadierung von mehreren auf die Ventilanordnung wirkende
Betätigungseinrichtungen,
und/oder mehrere auf den Kolben wirkende Elektromagnet-Anordnungen
erfolgen. Dabei können
die Betätigungseinrichtungen
dabei gemeinsam auf die Ventilanordnung wirken – entweder gleichsinnig oder
gegensinnig. Entsprechendes gilt für die auf den Kolben wirkenden
Elektromagnet-Anordnungen.
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Erfindungsgemäß wirkt
die Betätigungseinrichtung
auf ein bewegliches Ventilglied ein, um dieses gegenüber einem
mit dem Ventilglied zusammenwirkenden und stromabwärts zu dem
Brennstoff Einlaß angeordneten
ortsfesten Ventilsitz zwischen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung zu
bewegen. Damit kann eine direkt schaltende Ventilanordnung realisiert
werden.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoff-Einspritzventils
wirkt die Betätigungseinrichtung
auf ein bewegliches Ventilglied ein, um dieses gegenüber einem
mit dem Ventilglied zusammenwirkenden ortsfesten Ventilsitz zwischen
einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung zu bewegen.
Damit ist ein gesteuertes Ablassen von Brennstoff in eine Rückführleitung
ermöglicht,
wenn ein zweites, federbelastetes Ventilglied zusammen mit einem
zweiten Ventilsitz durch den im Brennraum herrschenden Druck nicht
geöffnet
wird, und ein gesteuertes Ablassen von Brennstoff in den Brennraum
ermöglicht,
wenn das zweite, federbelastete Ventilglied zusammen mit dem zweiten
Ventilsitz durch den im Brennraum herrschenden Druck geöffnet wird.
Damit kann eine indirekt schaltende Ventilanordnung realisiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoff
Einspritzventil kann dazu eingerichtet und dimensioniert sein, in
den Brennraum einer fremd gezündeten
Brennkraftmaschine, oder in den Brennraum einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine zu ragen.
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Weitere
Vorteile, Ausgestaltungen oder Variationsmöglichkeiten ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung der Figuren in denen die Erfindung
im Detail erläutert ist.
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Kuzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt
eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch ein Brennstoff-Einspritzventil gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch ein Brennstoff
Einspritzventil gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung der Funktion des erfindungsgemäßen Brennstoff
Einspritzventils als graphischer Verlauf.
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Detaillierte Beschreibung
derzeitig bevorzugter Ausführungsformen
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In 1 ist
Brennstoff Einspritzventil mit einem zu einer Mittellängsachse
M im wesentlichen rotationssymmetrischen Ventilgehäuse 10 im
schematischen Längsschnitt
in einer halb geöffneten
Stellung gezeigt. Ein derartiges Brennstoff Einspritzventil dient
zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den nicht weiter veranschaulichten
Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Brennstoff Einspritzventil hat
(in 1 oben) einen zentralen Brennstoff-Einlaß 12,
durch den aus einer Brennstoff-Verteil-Leitung mittels einer nicht weiter veranschaulichten
Pumpe oder sonstigen Druckgeber unter Druck (etwa 10 – 20 bar
Fluiddruck) gesetzter Brennstoff in das Brennstoff Einspritzventil
einströmen
kann. Es ist jedoch auch möglich,
den Brennstoff Einlaß 12 seitlich
im in 1 oberen Bereich des Brennstoff Einspritzventils
vorzusehen. Von dem Brennstoff-Einlaß 12 reicht ein zentraler
Brennstoff-Kanal 14 zu einer Vorkammer 16. Der
zentrale Brennstoff Kanal 14 hat einen kreisrunden Querschnitt
und ist zu der Vorkammer 16 hin aufgeweitet. In dem aufgeweiteten
Abschnitt des Brennstoff Kanals 14 ist ein kreiszylindrischer
Kolben 18 verschiebbar und fluiddicht geführt, der
in die Vorkammer 16 ragt. Durch ein Verschieben des Kolbens 18 längs der
Mittellängsachse
M wird das Volumen der Vorkammer 16 verändert.
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In
dem Kolben 18 ist mittig ein Brennstoff-Durchlass 20 angeordnet,
der sich – in
Strömungsrichtung
des Brennstoffs gesehen – konisch erweitert
um einen Ventilsitz 22 für ein als Kugel ausgestaltetes
Ventilglied 24 zu bilden, das mittels einer Schraubenfeder 26 gegen
den Ventilsitz 22 gedrängt ist.
Damit ist ein Rückschlagventil 22, 24, 26 gebildet, durch
das ein Austreten von in der Vorkammer 16 befindlichem
Brennstoff in Richtung Brennstoff-Einlass 12 verhindert
ist.
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Der
Kolben 18 ist durch eine Elektromagnet-Anordnung im Sinne
einer Volumenverringerung zu betätigen.
Dazu hat die Elektromagnet-Anordnung 28, 30, 32 einen
im Innern der Vorkammer 16 angeordneten, aus Weicheisen(-platten)
geformten Stator 28 mit im Wesentlichen kreiszylindrischer
Gestalt und einen ebenfalls im Innern der Vorkammer 16 angeordneten,
im Wesentlichen kreiszylindrischen Anker 30. Der Anker 30 ist
an seiner einen (in 1 oberen) Stirnfläche 30a mit
dem verschiebbaren Kolben 18 starr verbunden. Dabei ist
der Stator 28 als Multipolstator mit kreisringzylindrischen
Statorpolen ausgebildet ist, der mehrere, den jeweiligen Statorpolen 28a, 28b, 28c zugeordnete
Erregerspulen 32a, 32b, 32c aufweist.
Gleichermaßen
ist der Anker 30 als Multipolanker ausgebildet ist, dessen
Ankerpole auf die jeweiligen Statorpole ausgerichtet sind. Damit kann
sich der Anker 30 und mit ihm der Kolben 18 entlang
der Mittellängsachse
M bewegen. Zwischen dem Stator 28 und dem Anker 30 ist
ein quer zur Bewegungsrichtung des Ankers 30 orientierter
Arbeitsluftspalt 34 gebildet. Dabei stellt der Unterschied
zwischen der minimalen und der maximalen Erstreckung des Arbeitsluftspalts
das Maß dar,
um das der verschiebbare Kolben 18 in die Vorkammer eintaucht und
darin befindlichen Brennstoff mit Druck beaufschlagt.
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Der
Stator 28 und der Anker 30 haben jeweils einen
bzw. mehrere Brennstoffkanäle 36, 38 damit
der in der Vorkammer 16 befindliche Brennstoff in Richtung
zu der Einspritz-Ventilanordnung 40 gelangen kann.
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An
der von dem Stator 28 abliegenden Seite des Ankers 30 (in 1 oben)
ist an der Innenwand des Ventilgehäuses 10 ist eine aus
Permanent-Magneten gebildete Magnetanordnung 42 vorgesehen, die
den Anker 30 – bei
nicht bestromten Erregerspulen 32a, 32b, 32c – in dessen
Ruhestellung – (in 1 nach
oben) zieht und dabei im Sinne einer Volumenvergrößerung der
Vorkammer 16 den Kolben 18 aus der Vorkammer 16 hinausdrängt.
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Die
Vorkammer 16 ist von der eigentlichen Einspritz-Ventilanordnung 40 durch
eine Trennwand 42 getrennt. Dennoch sind die Vorkammer 16 mit dem
Kolben 18 und der ihn bewegenden Elektromagnet-Anordnung 28, 30, 32 einerseits
und die sich daran anschließende
Einspritz-Ventilanordnung 40 als gemeinsam handhabbare
Baugruppe ausgestaltet.
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Die
Einspritz-Ventilanordnung 40 hat eine weiter unten im Detail
beschriebene Betätigungseinrichtung 44,
die auf ein bewegliches Ventilglied 46 der Einspritz-Ventilan ordnung 40 einwirkt.
Dadurch wird das Ventilglied 46 gegenüber einem mit dem Ventilglied 46 zusammenwirkenden
und stromabwärts
zu dem Brennstoff-Einlass 12 angeordneten ortsfesten Ventilsitz 48 zwischen
einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung (in 1 auf
und ab) bewegt.
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Die
Betätigungseinrichtung 44 ist
gebildet durch eine Elektromagnet-Spulenanordnung 44a, eine
mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Jochanordnung 44b,
sowie eine mit dieser zusammenwirkende weichmagnetische Magnet-Ankeranordnung 44c.
Dabei ist die weichmagnetische Magnet Jochanordnung 44b aus
zwei kreiszylindrischen Hälften 44b' und 44b" mit konzentrischen Ausnehmungen
für entsprechende
Erregerspulen der Elektromagnet-Spulenanordnung 44a gebildet.
In den Ausnehmungen ist jeweils eine Erregerspule aufgenommen, die
bündig
mit den jeweiligen Stirnflächen 72a, 72b der
Schalen-Hälften 44b' und 44b" abschließen.
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Die
Stirnflächen 46a, 46b der
Magnetjoch-Hälften 44b' und 44b" begrenzen einen
Hohlraum 50, in dem die Magnet-Ankeranordnung 24c längs der
Mittelachse M beweglich aufgenommen ist.
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Die
Magnetjochanordnung kann hier aus einstückigem Weicheisen gebildet
sein, aus dem die Polstege bzw. die Zwischenräume ausgeformt sind. In ein
derartiges einstückiges
Weicheisen-Formteil können
Unterbrechungen in Form von Schlitzen oder Langlöchern eingearbeitet sein, die
mit elektrisch isolierendem Material gefüllt sind. Es ist aber auch
möglich,
die Magnetjochanordnung als Formteil aus gesintertem Eisenpulver
herzustellen oder aus mehreren gegeneinander isolierten Teilstücken zu
montieren und zu ggf. verkleben.
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Die
Magnet-Ankeranordnung 44c ist eine kreisrunde weicheisenhaltige
Scheibe mit einer weiter unten im Detail beschriebenen Gestalt.
Die Elektromagnet-Spulenanordnung 44a und die Magnet-Ankeranordnung 44c überlappen
sich in radialer Richtung bezogen auf die Mittelachse M. Wie in
der 1 gezeigt ist, hat die Elektromagnet-Spulenanordnung 44a einen
geringeren Außendurchmesser
als die Ankerscheibe 44c, so dass der aus der Elektromagnet-Spulenanordnung 44a hervorgerufene
magnetische Fluss praktisch ohne nennenswerte Streu-Verluste in
die Ankerscheibe 44c eindringen kann. Damit wird ein besonders
effizienter Magnetkreis realisiert, der sehr geringe Ventil-Öffnungs-/Schließ-Zeiten
sowie hohe Haltekräfte
erlaubt.
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Die
Ankerscheibe 44c kann – unabhängig von
der Gestaltung des Magnetjoches bzw. der Magnet-Spulenanordnung – auch eine
geschlossene Kreisscheibe aus Weicheisen sein, sofern die Ausgestaltung
des Magnetjoches bzw. der Magnet-Spulenanordnung sicherstellt, dass
die Streuverluste bzw. Wirbelstromverluste gering genug für den jeweiligen Einsatzzweck
sind.
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Wie
in 1 veranschaulicht, ist die Ankerscheibe 44c mit
einer Ventilglied-Betätigungsstange 52 starr
verbunden und in einem durch die Schalen-Hälften 44b' und 44b" der Magnet-Jochanordnung 44b begrenzten
Arbeitsraum 56 längs
der Mittelachse M in einem rohrförmigen
Düsenstock 60 geführt längsbeweglich
aufgenommen. Am Ende des Düsenstocks 60 ist
eine Ventilanordnung bestehend aus dem Ventilglied 46 und
dem Ventilsitz 48 angeordnet, um den Brennstoff in gesteuerter
Weise auszustoßen.
Die Ventilanordnung ist durch einen sich Ventilsitz der sich am
(in 1 unteren) Ende des Düsenstocks 60 befindet
und in Strömungsrichtung konisch
erweitert, sowie ein entsprechend geformtes und mit dem Ventilsitz
zusammenwirkendes Ventilglied gebildet. Dabei ist die Ankerscheibe 44c mit
der Betätigungsstange 22 durch
eine zur Mittelachse M koaxial angeordnete Schraubenfeder 62 belastet,
so dass das am Ende der Betätigungsstange 22 befindliche
Ventilglied 46 in dem Ventilsitz 48 fluiddicht
sitzt, also in seine Geschlossen-Stellung gedrängt ist. Beim Bestromen der
(in 1 unteren) Spulen der Elektromagnet-Spulenanordnung 44a wird
in der Magnet-Jochanordnung 44b ein wirbelstromarmes Magnetfeld
induziert, das die Ankerscheibe 44c mit der Betätigungsstange 52 in
Richtung der jeweiligen Schalen-Hälfte 44b', 44b" zieht in der
sich die bestromte Spule befindet. Damit bewegt sich das Ventilglied 46 von
dem Ventilsitz 48 weg in seine Offen-Stellung. Beim Bestromen
der anderen Spule der Elektromagnet-Spulenanordnung 44a bewegt
sich das Ventilglied 46 in die jeweils andere Stellung
zu dem Ventilsitz 48 hin in seine Geschlossen-Stellung.
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Damit
wird von dem Brennstoff-Einlaß 12 kommender
und in der Vorkammer 16 durch den Kolben 18 unter
hohen Druck gesetzter Brennstoff von der Einspritz-Ventilanordnung 40 in
gesteuerter Weise durch das Ventilglied 46 bzw. den Ventilsitz 48 in den
Brennraum der Verbrennungsmaschine ausgestoßen. Dabei kann es sich entweder
um den Brennraum einer fremdgezündeten
Brennkraftmaschine oder um den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine
handeln.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform veranschaulicht,
bei der zur Steigerung des maximalen Drucks, der in der Vorkammer 16 erzeugt
wird, zwei auf den Kolben 18 wirkende Elektromagnet-Anordnungen 28, 30, 32 bzw. 128, 130, 132 vorgesehen sind.
Dabei sind die beiden Anker 30, 130 durch ein Rohr 140 starr
miteinander verbunden. Die jeweils dazugehörenden Statoren 28, 128 wirken
gleichsinnig auf die Anker und ziehen im Falle einer Bestromung
der jeweiligen Erregerspulen 32, 132 die Anker und
mit ihnen den Kolben 18 in das Innere der Vorkammer 16 (in 2 nach
unten). Damit kann die Kraft zur Erzeugung des Drucks, und damit
der Druck selbst in dem Brennstoff erhöht werden. Es versteht sich,
dass auch mehr als zwei auf den Kolben 18 wirkende Elektromagnet-Anordnungen
vorgesehen werden können.
Gleichermaßen
können
auch zwei oder mehr Betätigungseinrichtungen 44,
vorgesehen werden, die auf das Ventilglied 46 der Einspritz-Ventilanordnung 40 wirken.
Dabei können
insbesondere zur Realisierung besonders schlanker Bauformen auch
auf den Kolben 18 wirkende Elektromagnet-Anordnungen und
auf das Ventilglied 46 wirkende Betätigungseinrichtungen 44 kaskadiert
werden.
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Im Übrigen sind
in der 2 Teile mit vergleichbarer oder identischer Gestalt
und/oder Funktion wie in 1 mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen und nicht noch einmal separat beschrieben.
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In 3 ist
die Funktion des erfindungsgemäßen druckverstärkenden
Brennstoff-Einspritzventils
graphisch veranschaulicht. Dazu ist auf der Abszisse der vier Graphen
der Kurbelwellenwinkel der Verbrennungsmaschine aufgetragen. Die
Ordinate des ersten (obersten) Graphen zeigt die von der Elektromagnet-Anordnung 28, 30, 32 bei
Bestromen der Erregerspule erzeugte Kraft, die auf den Kolben 18 wirkt.
Zunächst
steigt ab dem Punkt a beim Bestromen der Erregerspule die Kraft
sprunghaft von Null auf einen maximalen Wert an. Dadurch presst der
Kolben auf den Brennstoff in der Vorkammer und erzeugt einen konstanten
Druck in dem Brennstoff (siehe dritter Graph von oben). Da jedoch
das Ventilglied 46 von seiner Betätigungseinrichtung noch in seiner
geschlossenen Stellung gehalten wird und der Brennstoff inkompressibel
ist, verändert
sich die Position des Kolbens längs
der Mittellängsachse
M in der Vorkammer nicht. Nach einer Vorsteuerzeit V wird beim Punkt
b das Ventilglied 46 von seiner Betätigungseinrichtung noch in
seine offene Stellung gebracht. wird dieses wird der Kolben in die
Vorkammer hineingezogen und seine Position verändert sich (siehe zweiter Graph
von oben). Wenn der Kolben beim Punkt c seine Auslenkung in die
Vorkammer hinein ausgeführt
hat, ist die Einspritzung des Brennstoffs beendet und das Ventilglied 46 wird
von seiner Betätigungseinrichtung
in seine geschlossene Stellung zurückgebracht (siehe unterster
Graph). Nach einer Nachsteuerzeit n, die am Punkt d beendet ist, läßt die Kraft
auf den Kolben nach und der Permanentmag net beginnt, den Anker – und damit
den Kolben – in
seine obere Stellung zurückzuführen, die
er im Punkt e erreicht. Anschließend kann der Zyklus wieder
von neuem beginnen. Dies ist anhand des Ablaufs zwischen den Punkten
f bis k für
eine längere Einspritzung
veranschaulicht, bei der der Kolben von der Elektromagnet-Anordnung 28, 30, 32 weiter
in die Vorkammer 16 hineingezogen wird. Im Übrigen verläuft der
Vorgang jedoch identisch wie zwischen den Punkten a und e.