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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Der Erfindung umfasst auch die
Gestaltung einer inneren und äußeren Ventilnadel
in deren Endbereich, der im Betrieb Einspritzdüsen einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
zugewandt ist.
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Ein
bekannter CR-Injektor mit KVD-Düse
der Anmelderin (KVD = Koaxial-Vario-Düse) hat
eine sogenannte erste Ventilnadel oder äußere Ventilnadel, die im Wesentlichen
koaxial eine sogenannte zweite Ventilnadel oder innere Ventilnadel
umgibt. Die innere Ventilnadel ist etwa bolzenförmig. Sie dichtet im Sperrzustand
mit einer ringförmigen
Dichtkante an einem Ventilsitz an einem Gehäuse der Einspritzvorrichtung
und sperrt die Zufuhr von Kraftstoff zu üblicherweise mehreren radial
inneren Einspritzöffnungen,
oder gibt den Kraftstoffzuflüss
zu diesen frei. Im letztgenannten Fall fließt Kraftstoff in einem Kanal zwischen
der inneren und der äußeren Ventilnadel.
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Die äußere Ventilnadel
liegt im gesperrten Zustand mit zwei kreisförmigen Dichtkanten an dem Gehäuse an,
und zwar eine innerhalb und die andere außerhalb des Bereichs, der von
den äußeren Einspritzöffnungen
eingenommen wird. Die äußere Ventilnadel
gibt je nach ihrer Stellung die Kraftstoffzufuhr zu den äußeren Einspritzöffnungen
frei oder sperrt die Kraftstoffzufuhr. Bei geöffneter äußerer Ventilnadel fließt Kraftstoff
an deren Außenfläche und
durch den dann bestehenden Spalt zwischen der äußeren Dichtkante und dem Ventilsitz.
Der genannte von den äußeren Einspritzöffnungen
einnehmbare Bereich ist in radialer Richtung relativ schmal. Er
ist nach innen durch die innere Ventilnadel eingeschränkt. Zwischen
den beiden Dichtkanten der äußeren Ventilnadel
ist diese im Querschnitt bogenförmig
ausgespart und bildet eine Nut, damit auch bei auftretendem Verschleiß noch eine
etwa linienförmige
Anlage der beiden Dichtkanten gewährleistet ist. Der soeben genannte
Bereich wird daher hier als Nutbereich bezeichnet. Durch den Verschleiß bewegt
sich die radial äußere und/oder
innere Dichtkante der äußeren Ventilnadel
in die Nähe
der radial äußeren Einspritzöffnungen
und bei zu starkem Verschleiß in
deren Bereich hinein, so dass eine Dauereinspritzung möglich ist.
Es wäre
nützlich,
gegenüber
der bekannten Anordnung die mögliche
Gebrauchsdauer zu verlängern.
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Vorteile der
Erfindung
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Demgegenüber ist
es bei der Erfindung gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1, bei der ein neues Konzept verwirklicht
ist und die innere Nadel auf der äußeren Nadel dichtet, möglich, den
Nutbereich gegenüber
der bekannten KVD-Düse
zu erweitern und auch die Höhe
der Nut zwischen den Dichtkanten zu vergrößern. Dies hat den Vorteil,
dass die Düse
beziehungsweise die gesamte Einspritzvorrichtung eine längere Gebrauchsdauer
als bisher hat. Ähnliche
Vorteile gelten für
die Erfindung nach Anspruch 8.
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Anspruch
2 beschreibt eine zweckmäßige Gestaltung.
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Bei
der Ausführungsform
nach Anspruch 3 ist eine sehr stabile Konstruktion möglich.
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Die
Ausführungsform
nach Anspruch 4 weist eine einfache Steuerung der Ventilnadeln auf,
wobei der Druck z. B. durch einen verschiebbaren Kolben verändert werden
kann.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
ist in der nicht maßstäblichen
Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die
Figur ist nicht maßstäblich. Insbesondere
können
die Außendurchmesser
der beiden Ventilnadeln in der Praxis relativ zueinander andere
Größen haben.
Eine Einspritzvorrichtung 1 wird im Betrieb von einem Hochdruckspeicher
(Common Rail) 3 über
eine Hochdruckleitung 5 mit Kraftstoff unter hohem Druck
versorgt. Die Einspritzvorrichtung 1 weist ein Einspritzventil 8 auf.
Dieses enthält
in einem Gehäuse 9 einen
mit der Hochdruckleitung 5 verbundenen generell hohlzylindrischen
Raum 10, und radial innerhalb von diesem eine äußere Ventilnadel 11,
die auf einem großen
Teil ihrer Länge,
von oben her gerechnet, im wesentlichen als Hohlzylinder mit runden Querschnitt
ausgebildet ist. In ihrem unteren (d. h. radial äußeren Einspritzöffnungen 12 zugewandten) Bereich
ist die äußere Ventilnadel 11 bei 13 mit
einem von oben nach unten abnehmenden Außendurchmesser und einem von
oben nach unten abnehmenden und anschließend konstanten Innendurchmesser
versehen. Die Wanddicke verringert sich dadurch etwas.
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Die
Außenseite
der äußeren Ventilnadel 11 ist,
beginnend ab der Kante 13, die etwa auf gleicher Höhe liegt
wie der Beginn einer Verjüngung
des Gehäuses 9 nach
unten, zunächst
relativ steil kegelstumpfförmig
verjüngt
und geht bei einem eine Dichtkante 16 bildenden Knick in
einen im Längsschnitt konkaven
bogenförmigen
Abschnitt 17 über.
Dieser überbrückt bei
geschlossener äußerer Ventilnadel 11 die
inneren Enden der radial äußeren Einspritzöffnungen 12.
Das untere Ende der äußeren Ventilnadel 11 bildet
nicht eine Dichtkante, sondern eine abgerundete Dichtlippe 18,
die gegenüber
Abnutzung wenig anfällig
ist. Der Abstand der Dichtkante 16 von der Dichtlippe 18 hat
den Wert "a" in der Figur. Die weiter
unten (und radial weiter innen liegende) Dichtlippe 18 bildet
bei geschlossener äußerer Ventilnadel 11 eine
Abdichtung, die verhindert, dass bei geöffneter innerer Ventilnadel 20,
die noch beschrieben wird, Kraftstoff durch die radial äußeren Einspritzöffnungen 12 austreten
kann. Die obere Dichtkante 16 verhindert, dass bei geschlossener äußerer Ventilnadel 11 Kraftstoff
aus dem Raum 10 zu den äußeren Einspritzöffnungen 12 gelangen
kann.
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Die
weiter oben liegende Dichtkante 16 liegt kurz oberhalb
der inneren Enden der äußeren Einspritzöffnungen 12.
Die untere Dichtlippe 18 liegt relativ weit entfernt sowohl
von den radial äußeren Einspritzöffnungen 12 als
auch den noch zu erläuternden
radial innen liegenden Einspritzöffnungen 32.
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Etwa
in dem unteren Endbereich der äußeren Ventilnadel 11,
der bei der Kante 13 beginnt, verkleinert sich der Innendurchmesser
der äußeren Ventilnadel,
so dass die Innenseite, im Längsschnitt
der 1 gesehen, etwa unter einem Winkel von 45° sich von
oben nach unten verjüngt,
wobei scharfe Knicke im Bereich der Innenwand vermieden sind, und
weiter unten setzt sich die Innenwand dann mit unverändertem
Durchmesser nach unten fort.
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Die
radial innerhalb der äußeren Ventilnadel 11 angeordnete
innere Ventilnadel 20 ist in ihrem in der Figur oberen
Bereich im wesentlichen von der Form eines Vollzylinders, der an
der Innenfläche 31 der äußeren Ventilnadel 11 geführt ist, wobei
im Bereich der gegenseitig aneinander anliegenden Führungsflächen allenfalls
eine minimale Strömung
von Kraftstoff stattfinden kann. Die innere Ventilnadel 20 wird
bei 21 auf einen Bereich 22 mit etwas geringerem
Durchmesser verjüngt,
anschließend
an diesen ist eine kegelstumpfförmige
Verjüngung 23 mit
relativ geringem Winkel gegenüber
der Mittelachse der gesamten Anordnung gebildet, und an den Bereich 23 schließt sich
ein gegenüber
der Mittelachse stärker geneigter
Abschnitt 24 an, der schließlich wieder in einen zylindrischen
Bereich 25 übergeht,
an den sich unten ein kegelstumpfförmiger Bereich 26 und
an diesen, das untere Ende bildend, ein Kegel 27 anschließt.
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Im
Bereich 22 ist der ringförmige Raum 10 durch
Kanäle 30,
die die Wandung der äußeren Ventilnadel 11 durchdringen,
mit einem zwischen der Außenseite
des Bereichs 22 und der Innenfläche der äußeren Ventilnadel 11 gebildeten
Ringraum verbunden. Dieser steht so lange nicht in Verbindung mit den
radial innen liegenden Einspritzöffnungen 32, wie
eine zwischen den Bereichen 23 und 24 gebildete
Dichtkante 33 an der Innenfläche der äußeren Ventilnadel 11 dichtend
anliegt. Soweit es auf die Abdichtung ankommt, könnte die innere Ventilnadel
an der Dichtkante 33 enden. Der sich nach unten anschließende Bereich
dient zur Führung
des Kraftstoffs nach unten.
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Das
untere Ende, insbesondere der kegelstumpfförmige Bereich 26,
der sich im Beispiel in der Verlängerung
der radial inneren Einspritzöffnung 32 nach
innen befindet, hat stets einen Abstand von der Innenseite des unteren
kegelförmigen
Teils des Gehäuses 9.
Die Bewegung der inneren Ventilnadel 20 nach unten (in
die Schließstellung)
wird somit durch die Dichtkante 33 und den mit dieser zusammenwirkenden
Dichtsitz an der äußeren Ventilnadel 11 bestimmt.
Auch bei einer Abnutzung im Bereich der Dichtkante 33 und
der Dichtkante 16 kommt das untere Ende der inneren Ventilnadel
nicht in Berührung mit
dem Gehäuse 9,
wenn die Abnutzung ein vorbestimmtes Maß nicht überschreitet.
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Im
Betrieb ist es, wie aus der Figur offensichtlich ist, nicht möglich, in
der gezeigten Stellung die äußere Ventilnadel 11 anzuheben,
solange sich die innere Ventilnadel 20 an der gezeigten
Stelle befindet. Möglich
ist aber, nur die innere Ventilnadel 20 anzuheben, also
den Strom von Kraftstoff zu den inneren Einspritzöffnungen 32 freizugeben,
und es ist auch möglich,
während
des Anhebens der inneren Ventilnadel oder nach deren Anheben die äußere Ventilnadel
anzuheben.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
erstreckt sich die äußere Ventilnadel 11 in
ihrem unteren Bereich in radialer Richtung weiter nach innen als
dem größten Durchmesser
der inneren Ventilnadel 20 entspricht. Die äußere Ventilnadel 11 hat
an ihrer kreissymmetrischen Innenfläche, vorzugsweise nahe ihrem
unteren Ende, einen sich radial nach innen verengenden Abschnitt,
der eine Schulter bildet, die vorzugsweise eine kegelstumpf-ähnliche
Fläche
aufweist. Die Schulter dient als Ventilsitz für die innere Ventilnadel 20.
Das untere Ende der inneren Ventilnadel 20, das bei der
bekannten Anordnung in nächster
Nähe der inneren
Einspritzöffnungen 32 an
dem Gehäuse 9 im gesperrten
Zustand anliegt und abdichtet, ist dagegen bei der Erfindung mit
dem Gehäuse 9 nicht
in Berührung.
Die innere Ventilnadel 20 ist im Vergleich zu bekannten
Anordnungen in ihrem unteren Bereich so verjüngt, dass die äußere Ventilnadel 11 mit
ihrem etwa ab der Kante 13 sich kegelstumpfähnlich nach innen
verjüngenden
Endbereich sich (in Verschieberichtung der Ventilnadeln gesehen)
unterhalb von weiter oben liegenden Teilen der inneren Ventilnadel 20 befindet.
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Unterhalb
der Kante 13 nimmt die Wanddicke der äußeren Ventilnadel 11 ab,
wobei in Richtung nach unten die Dicke schwankt, aber noch mehr
als die halbe Wanddicke im oberen, hohlzylindrischen Teil der äußeren Ventilnadel 11 beträgt. Zur
Dichtlippe 18 hin nimmt die Dicke weiter ab. Die Dicke
wird aber nicht so klein, dass das untere Ende der äußeren Ventilnadel
stark flexibel ist.
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Die äußere Ventilnadel 11 ist
im unteren, verjüngten
Bereich sehr stabil und stützt
die innere Ventilnadel sicher ab. Diese Funktion wird auch durch Verschleiß nicht
beeinträchtigt.
Vorteilhaft ist auch, dass dadurch die maximale Höhe und die
Länge des bogenförmigen Verlaufs
der Fläche 17 relativ
groß gemacht
werden kann, so dass bei Verschleiß die Dichtkante 16 und
die Dichtlippe 18 zu den äußeren Einspritzöffnungen 12 während einer
Benutzungszeit, die länger
ist als beim Stand der Technik, in einem Abstand bleiben.
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Der
Durchmesser der Dichtkante 33 ist etwa gleich dem Durchmesser
der Dichtlippe 18. Dies bewirkt eine mechanisch stabile
Abstützung.
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Die
genannten Vorteile und Wirkungen der Erfindung beruhen hauptsächlich auf
der besonderen Gestaltung von koaxial zueinander angeordneten Ventilnadeln
für eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Bereich des im betriebsbereiten
Zustand den Einspritzöffnungen
der Einspritzvorrichtung zugewandten Endbereichs der Ventilnadeln.
Dabei ist erforderlich, dass Kraftstoff unter Druck dem zwischen
der inneren und der äußeren Ventilnadel
gebildeten Ventilsitz zuführbar
ist. Die hier soeben genannten Merkmale können bei Einspritzvorrichtungen
mit beliebigen Antrieben für
die Ventilnadeln verwirklicht sein.
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Im
Ausführungsbeispiel
trägt die
zylindrische Außenfläche der äußeren Ventilnadel 11 in
ihrem oberen Endbereich eine von einer Druckfeder 35 beaufschlagte
Dichthülse 36.
Die Druckfeder 35 ist an der äußeren Ventilnadel 11 abgestützt und
hält die Dichthülse 36 in
Anlage an der Unterseite 37 eines unter anderem mehrere
Kanäle
enthaltenden Teils 38. Zusammen mit den genannten Teilen
begrenzen die oberen Flächen
der beiden Ventilnadeln 11 und 20 einen Steuerraum 39.
An der genannten Unterseite 37 stützt sich eine die innere Ventilnadel
in die Schließstellung
(Sperrstellung) vorspannende Druckfeder 40 ab.
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Der
Steuerraum 39 wird über
eine im Teil 38 vorhandene Zuflussdrossel 41 mit
CR-Druck gefüllt und über ein
Abflussdrossel 42 mittels eines Steuerventils 43 vom
Druck entlastet.
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Das
Steuerventil 43 weist ein bewegliches Ventilteil 44 auf,
das im Ruhezustand durch eine Feder 45 gegen einen Ventilsitz 46 gedrückt wird
und das Ausfließen
von Kraftstoff aus dem Steuerraum 39 verhindert. Wenn das
Steuerventil ausreichend lang gesperrt ist, sind beide Ventilnadeln
wegen des CR-Drucks im Steuerraum geschlossen.
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Zum Öffnen des
Steuerventils dient eine auf das Ventilteil 44 von oben
drückende
Stange 47, die von einem Betätiger 48, im Beispiel
von einem Piezoaktor, bewegt wird. Bei abnehmendem Druck im Steuerraum 39 öffnet bei
der vorliegenden Dimensionierung der Einspritzvorrichtung 1 die
innere Ventilnadel 20 zuerst. Wird der Druck im Steuerraum 39 stärker abgesenkt,
so wird schließlich
auch die äußere Ventilnadel
geöffnet
(angehoben).
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Die
Ventilnadeln 11 und 20 sind hubgesteuert. Auf
sie wirken die von den Federn 35, 40 ausgeübten Kräfte in Schließrichtung.
In Öffnungsrichtung wirken
die durch den Druck des Kraftstoffs auf in Öffnungsrichtung wirkende Druckstufen
erzeugten Kräfte.
Die wirksamen Flächen
dieser Druckstufen sind bei der äußeren Ventilnadel 11 ein
ebener Kreisring mit dem Durchmesser der Kante 13 als Außendurchmesser
und dem Durchmesser der Dichtkante 16 als Innendurchmesser.
Bei der inneren Ventilnadel 20 ist die Druckstufe ebenfalls
ein Kreisring mit dem maximalen Außendurchmesser (entsprechend
der zylindrischen Fläche 31)
der inneren Ventilnadel 20 als Außendurchmesser und dem Durchmesser
der Dichtkante 33 als Innendurchmesser.
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Die
Konstruktion kann so dimensioniert werden, dass bei sehr raschem Öffnen des
Steuerventils beide Ventile praktisch gleichzeitig öffnen.
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Im
Betrieb arbeitet die Anordnung so, dass der Betätiger 33 in der Sperrstellung
beider Ventilnadeln die Stange 47 in einer nach unten gedrückten Stellung
hält. Wenn
der Betätiger 48 durch
entsprechende elektrische Ansteuerung die Stange 47 nach unten
bewegt, so öffnet
das Steuerventil 43 und dabei sinkt der Druck im Steuerraum 39.
Die Anordnung ist durch die Druckstufen an den Dichtkanten 16 und 33,
durch die Kräfte
der Federn 35 und 40, und durch die den Steuerraum 39 begrenzenden
oberen Flächen
der Ventilnadeln so gewählt,
dass bei einer relativ geringen Absenkung des Drucks im Steuerraum 39 zunächst sich
die Ventilnadel 20 allein nach oben bewegt. Wenn der Betätiger 48 so
angesteuert wird, dass er den Druck im Steuerraum 39 weiter
verringert, bewegt sich auch die äußere Ventilnadel 11 nach
oben.
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Wenn
beide Ventilnadeln angehoben sind und der Betätiger 48 so betätigt wird,
dass der Druck im Steuerraum 39 allmählich ansteigt, so schließt zuerst
die äußere Ventilnadel 11,
später
die innere Ventilnadel 20. Bei raschem Anstieg des Drucks
im Steuerraum schließen
die Ventilnadeln fast gleichzeitig.
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Eine
Einspritzvorrichtung der beschriebenen Art kann dazu dienen, bei
Verbrennungskraftmaschinen, wie Dieselmotoren, im Teillastbetrieb
Kraftstoff lediglich z. B. durch die inneren Einspritzöffnungen
in den Brennraum des Motors einzuspritzen. Zweckmäßig können dann
die äußeren Einspritzöffnungen dazu
verwendet werden, bei Volllast zusätzlich zu den inneren Einspritzöffnungen
Kraftstoff in den Brennraum einzuspritzen.