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Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil bzw. Einspritzdüse zum Einspritzen
eines Fluids, insbesondere zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum
eines Kraftfahrzeugmotors, insbesondere eines Dieselmotors.
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Für eine gute
Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemischs muss der Kraftstoff, je
nach Verbrennungsverfahren, mit einem Druck zwischen 350 und mehr
als 2.000 bar in einen Brennraum eines Motors eingespritzt und dabei
mit der größtmöglichen Genauigkeit
pro Einspritzung (Vor- und Haupteinspritzung, evtl. getaktet) dosiert
werden. Um einen Kompromiss zwischen geringem Kraftstoffverbrauch und
der Einhaltung der Grenzwerte für
Emissionen (Abgase und Geräuschentwicklung
des Motors) zu realisieren, ist es notwendig, den Einspritzvorgang präzise zu
steuern. Dabei sind wesentliche Parameter der Einspritzbeginn (Vor-
und Haupteinspritzung), die Einspritzdauer, das jeweilige Einspritzende
und das dynamische Verhalten der Einspritznadel bei Beginn und bei
Ende der Einspritzung. Da sehr hohe Kraftstoffdrücke notwendig sind, bestehen
hohe Anforderungen an ein dynamisches Verhalten der Einspritzventile.
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Ein
solches Einspritzsystem ist die Pumpe-Düse-Einheit, auch UIS (Unit
Injektor System) genannt, bei der eine Pumpe, ein Steuerventil und
das Einspritzventil eine Einheit bilden. Pro Motorzylinder wird
eine solche Pumpe-Düse-Einheit
in den Zylinderkopf eines Dieselmotors eingebaut und entweder direkt über einen
Stößel oder
indirekt über
einen Kipphebel von einer obenliegenden Nockenwelle angetrieben.
Bei diesem System wird der erforderliche Einspritzdruck jeweils
zum Zeitpunkt der Einspritzung erzeugt, wobei der Einspritzmengenverlauf nicht
nur durch die Auslegung der Nockenkontur, sondern auch von der Ansteuerung
des Steuerventils (magnet- oder piezobetätigt) beeinflussbar ist. Je
höher der
Kraftstoffdruck ist, desto mehr Kraftstoff lässt sich in der kurzen zur
Verfügung
stehenden Zeit (wenige Tausendstel Sekunden) durch die klei nen Löcher des
Einspritzventils drücken.
Das Pumpe-Düse-System kann den hohen
Druck deshalb gut aufbauen, weil dieser auf sehr engem Raum direkt
dort erzeugt wird, wo er eingespritzt wird.
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Pumpe-Düse-Einspritzsysteme
neigen im Leerlaufbetrieb zu erhöhten
Geräuschemissionen, die
mechanisch und hydraulisch angeregt werden. Die mechanischen Geräuschemissionen
entstehen in Folge einer sprungartigen Be- und Entlastung der kraftführenden
Bauteile des Pumpe-Düse-Antriebs beim
Zu- und Absteuern, wohingegen die hydraulisch bedingten Geräuschemissionen
in Folge Überentlastung
von Hochdruckräumen
entstehen. So entstehen z. B. beim Absteuern im unteren und mittleren
Drehzahlbereich gasförmige
Hohlräume,
die kurz nach ihrem Entstehen schlagartig implodieren (Kavitation) und überwiegend
hochfrequente Geräusche
anregen. Diese Hohlräume
bilden sich überall
dort, wo der momentane örtliche
Druck unter den Siededruck des Kraftstoffs fällt.
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Im
Stand der Technik wurde versucht, den mechanisch bedingten Geräuschemissionen
mittels eines niedrigst möglichen,
statisch einstellbaren Öffnungsdruck
der Einspritznadel zu begegnen.
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Ferner
wurde im Stand der Technik versucht, den hydraulisch bedingten Geräuschemissionen
mit Hilfe einer Staudrossel in einer Zulaufbohrung des Einspritzventils
und einer zwischen dem Steuerventil und der Staudrossel angeordneten,
gedrosselten Verbindungsbohrung im Düsenraum zu begegnen. Hiermit
kann die Schließkraft
an der Einspritznadel mittels eines im Federraum geführten Kolbens
erhöht werden.
Eine solche Schließkrafterhöhung setzt
allerdings Druck im Zulauf voraus, der nur während des Absteuerns und vor
dem Zusteuern vorhanden ist, sodass eine aus Sicht der Emissionen
vorteilhafte Erhöhung
des Öffnungsdrucks
der Einspritznadel bei der Haupteinspritzung und damit des Druckniveaus im
Federraum im unteren Drehzahlbereich gering ausfällt.
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Aus
der
EP 0 675 282 B1 ist
eine solche Pumpe-Düse-Anordnung
bekannt, bei welcher aus einem Kraftstofftank über ein Steuerventil Kraftstoff einer
Kraftstoffpumpe zur Verfügung
gestellt wird. Die Kraftstoffpumpe ist über eine Leitung mit einem Druckraum
verbunden, in welchem eine Einspritznadel des Einspritzventils angeordnet
ist. Die Einspritznadel weist im Druckraum eine Druckschulter auf,
an welcher die Einspritznadel mittels eines Kraftstoffdrucks von
ihrem Dichtsitz aus anhebbar ist. Die Einspritznadel ist über eine
Vorspannfeder, die in einem Federraum angeordnet ist, gegen den
Dichtsitz vorgespannt. Der Federraum ist über eine Kraftstoffleitung
an einen Überstromventilsitz
und an ein Rückschlagventil
angeschlossen. Durch die Ankopplung des Federraums an die Zuleitung
wird die Einspritznadel über
den Kraftstoffdruck zusätzlich
zur Vorspannfeder gegen deren Dichtsitz gepresst. In Abhängigkeit
von einer Schließstellung
des Überstromventils
wird der von der Kraftstoffpumpe verdichtete Kraftstoff in den Druckraum
oder über
die Zuleitung wieder zum Kraftstofftank geführt. Eine Einspritzung beginnt,
wenn beim Verdichtungsvorgang der Pumpe das Überstromventil geschlossen
ist und dadurch der Kraftstoffdruck im Druckraum über einen
festgelegten Wert steigt, sodass die Einspritznadel aufgrund des
Druckes im Druckraum gegen die Vorspannung der Vorspannfeder und
gegen den Kraftstoffdruck im Federraum vom Dichtsitz abgehoben wird.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung eine möglichst geräuscharme Pumpe-Düse-Einheit
zur Verfügung
zu stellen, die heutige und auch künftig absehbare Emissionsziele
realisieren kann und darüber
hinaus kostengünstig
herstellbar ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird einerseits durch ein Einspritzventil
gelöst,
bei welchem in oder an einem Federraum des Einspritzventils ein
Druckhalteventil vorgesehen ist, mittels welchem es möglich ist,
den Federraum an einen Druck im Zulauf zu koppeln. Dieser auf den
Federraum aufgebrachte Fluiddruck, wirkt zusammen mit einer Feder,
bevorzugt, auf einen im Federraum hin- und herbeweglichen Kolben,
welcher mit der Kraft aus der Feder sowie der Kraft aufgrund des
Fluiddrucks im Federraum beaufschlagt ist, wobei der Kolben diese
beiden Kräfte
im Wesentlichen axial auf die Einspritznadel des Einspritzventils überträgt.
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Andererseits
wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Verringerung eines Pumpenkolbendurchmessers
einer dem Einspritzventil zugeordneten Pumpe realisiert, welche
das Einspritzventil mit Kraftstoff versorgt. Im Stand der Technik
beträgt
ein solcher Pumpenkolbendurchmesser derzeit 7,65 mm. Mittels einer
Verkleinerung auf ca. 6,0 bis 6,5 mm, insbesondere 6,25 mm erreicht
man auf Grund der damit einhergehenden Verkleinerung der Pumpenkolbenfläche eine
Reduzierung der Spitzenkräfte
im Antrieb um ca. 30%, was die mechanische Geräuschanregung bei gleichem Druckniveau
deutlich verringert.
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Mittels
dieser Anordnung ist der Düsenöffnungsdruck
im Leerlauf des Motors mit kleiner oder gleich 160 bar im Neuzustand
des Einspritzventils geräuschoptimal
wählbar.
Das Kriterium für
die untere Grenze des Düsenöffnungsdrucks
ist die Sicherheit gegen Gaseintritt aus dem Motorzylinder. Diese untere
Grenze wird vom Abfall des Düsenöffnungsdrucks über der
Lebensdauer des Einspritzventils – typischerweise 25 bis 30
bar -, von der hydraulischen Schließkraft zu Folge des Drucks
im Federraum, von der mechanischen Schließkraft auf Grund der Kraft der
Feder im Federraum auf den Kolben und vom maximalen Motorzylinderdruck
beim Düsenschließen bestimmt.
Durch Auswahl einer geeigneten Vorspannfeder ist dann der Düsenöffnungsdruck
frei wählbar.
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Ferner
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine getaktete
Einspritzung sehr gut geeignet, da auf Grund des Absteuerns einer
Voreinspritzung die entstehende Druckwelle das Druckhalteventil öffnet und
den Druck im Federraum erhöht.
Somit erhöht sich
auch der Öffnungsdruck
für die
Haupteinspritzung und folglich der Impuls, mit welcher der Kraftstoff in
den Brennraum einspritzbar ist, was insbesondere für geringere
Schadstoffemissionen vorteilhaft ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Druckhalteventil oben im Federraum vorgesehen, wobei ein
Zulauf des Druckhalteventils von einer Zulaufbohrung abgezweigt,
durch welche der Kraftstoff in einen Pumpenraum der Pumpe gefördert wird.
Ein Ventilglied des Druckhalteventils dichtet diese Zulaufbohrung
vorgespannt ab. Ein Widerlager des Druckhalteventils befindet sich
bevorzugt oben im Federraum und besteht bevorzugt aus einer im Federraum über einen
Presssitz befestigte Hülse,
die an ihrer Oberseite eine Ventilfeder des Ventilglieds des Druckhalteventils
abstützt.
An der Unterseite der Hülse
stützt
sich eine im Federraum vorgesehene Vorspannfeder der Einspritznadel
ab.
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Diese
Ausführungsform
ist insbesondere von Vorteil, da sich bereits bestehende Pumpe-Düse-Konzepte
ohne aufwändige
konstruktive Maßnahmen
mit dem Druckhalteventil ausrüsten
lassen.
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In
einer Variante der Erfindung ist das Druckhalteventil nicht oben
im Federraum, sondern außerhalb
des Federraums vorgesehen, wobei das Ventilglied des Druckhalteventils
eine Abzweigung (Abschnitt einer Zulaufbohrung, die den Zulaufkanal
mit dem Federraum verbindet) von der Zulaufbohrung vorgespannt abdichtet.
Hierbei können
Ventilglied, dessen Dichtsitz, Zulaufkanal und Abzweigung derart angeordnet
werden, dass das Ventilglied zur Reduzierung einer Flatterneigung
geführt
ist. Das Widerlager des Druckhalteventils ist hierbei in einer bevorzugten
Ausführungsform
eine einfache Bohrung in welcher eine Ventilfeder angeordnet ist,
die an ihrem freien Ende einen Ventilkörper aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Dichtabschnitt (Ventilkörper) des Ventilglieds des
Druckhalteventils eine Kugel, insbesondere eine Halbkugel, die an
einem korrespondierend geformten Dichtsitz, bevorzugt einem Ke gelsitz, in
einem Schließzustand
des Druckhalteventils dichtend ansitzt.
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Diese
Anordnung ist sehr einfach ausgelegt und daher kostengünstig zu
realisieren, wobei mit einer Halbkugel als Ventilglied eine besonders
kompakte Bauweise erreicht werden kann.
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Zur
Verringerung einer Querbewegung des Ventilglieds bzw. Ventilkörpers (Kugel,
Halbkugel) ist dieses an seinem Außendurchmesser bevorzugt mit einem
engen Spiel geführt.
Vorzugsweise beträgt dieses
Spiel 3 bis 5μm,
insbesondere 4μm.
Ferner ist bei einer solchen Ausführungsform eine gedrosselte Verbindung
zwischen Dichtabschnitt/-sitz und Federraum zur Verminderung einer
Flatterneigung des Ventils besonders vorteilhaft. Dies ist vor allem
bei kleinen Druckdifferenzen und zur Beeinflussung des Druckanstiegs
im Federraum vorteilhaft.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist im Zulaufkanal (vom Kraftstoffreservoir) des Einspritzventils
eine Staudrossel vorgesehen, wobei der Zulauf zum Druckhalteventil
stromabwärts nach
der Staudrossel vom Zulaufkanal abzweigt. Stromabwärts soll
heißen,
dass bei einem Ansaugtakt der Pumpe des Einspritzventils der Kraftstoff vom
Kraftstoffreservoir durch den Zulaufkanal hindurch in den Pumpenraum
der Pumpe gefördert
wird, wobei die Zulaufbohrung hinter der Staudrossel angeordnet
ist.
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Die
Fläche
der Staudrossel wird dabei so ausgelegt, dass bis zu mittleren Drehzahlen
des Motors der Staudruck im Zulaufkanal (und der Zulaufbohrung zum
Druckhalteventil) und demzufolge der durch das Druckhalteventil
gehaltene Druck im Federraum nur wenig ansteigen. Somit bleibt die
Zunahme des Öffnungsdrucks
der Einspritznadel vor dem ersten Schließen (Voreinspritzung) des Steuerventils
klein, was sich günstig
auf die Zumessgenauigkeit kleiner Voreinspritzmengen in einem emissionsbestimmenden
Bereich des Motorkennfelds auswirkt. D. h. bis zu mittleren Drehzahlen
des Motors erhöht
sich der Druck im Federraum für
eine Voreinspritzung einer Einspritzung nicht wesentlich, wodurch
ein schnelles Öffnen
(geringe Öffnungskraft) der
Einspritznadel sichergestellt ist. Andererseits existiert nach dem
Absteuern der Voreinspritzung aufgrund der Druckwelle im Zulaufkanal
(s. o.) ein erhöhtes
Druckniveau im Federraum, was für
eine auf die Voreinspritzung folgende Haupteinspritzung einen erhöhten Öffnungsdruck
ermöglicht,
was sich wiederum positiv auf die Schadstoffemissionen auswirkt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Staudrossel, ein Abschnitt des Zulaufkanals
und bevorzugt auch die Zulaufbohrung und deren Abzweigung stromabwärts der
Staudrossel in einer Platte vorgesehen, welche den Federraum nach
oben abschließt
und abdichtet. Bevorzugt ist hierbei auch der Dichtsitz des Druckhalteventils
in der Platte ausgebildet. Eine solche Anordnung ermöglicht ein
einfaches Herstellen der Zulaufbohrung sowie der Staudrossel, was
kostengünstig
bei der Herstellung und auch kostengünstig bei der Wartung des Einspritzventils
ist. Ferner können
in der Platte auch Einrichtungen für die Hochdruckseite des Einspritzventils,
wie z. B. eine Pumpenraumdrossel und ein Abschnitt des Druckkanals
vorgesehen sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Raum unterhalb des Nadelkolbens, welcher im
Federraum auf- und
abbewegbar ist und im Wesentlichen axial auf die Einspritznadel
drückt, mit
dem Zulaufkanal stromaufwärts
der Staudrossel mittels einer Bohrung oder eines Kanals verbunden. Ferner
ist es möglich,
diesen Raum nicht mit dem Zulaufkanal, sondern mit einer anderen
Drainage- oder Leckageleitung, die z. B. zum Kraftstoffbehälter führt, zu
verbinden. Hierbei wird das Spiel des Nadelkolbens an der Innenwand
des Federraums derart gewählt,
dass der Druck im Federraum bei jeweils einer ersten Einspritzung
(Voreinspritzung) im Wesentlichen vollständig abgebaut ist und dem Druck
im Zulaufkanal entspricht. Hierdurch wird gewährleistet, dass jede Einspritzung
(bzw, jeder Einspritzzyklus: Pilot/Voreinspritzung, einfache oder
mehrfache Haupteinspritzungen) immer unter denselben Druckbedingungen
stattfindet und sich das Verhalten der Pumpe-Düse-Einheit vorhersagbar gestaltet.
Ferner ist dadurch sichergestellt, dass für ein schnelles Öffnen der
Einspritznadel bei einer Voreinspritzung kein oder nur ein geringes
Fluiddruckniveau im Federraum herrscht.
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Um
ein Verkanten des Nadelkolbens zu verhindern ist dessen umlaufende
Seitenwand ballig ausgebildet.
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Weitere,
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbespielen anhand der
zugehörigen Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
prinzipiellen Aufbau einer Pumpe-Düse-Einheit ohne Fluiddruckbeaufschlagung
einer Einspritznadel in einem Federraum,
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2 eine
erfindungsgemäße Pumpe-Düse-Einheit
mit einem zentralen Druckhalteventil,
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3 einen
Ausschnitt A der 2
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4 einen
Ausschnitt B der 2,
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5 eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Dichtabschnitts eines Druckhalteventils der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit,
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6 eine
weitere erfindungsgemäße Pumpe-Düse-Einheit
mit einem dezentralen Druckhalteventil,
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7a eine erste Schnittansicht des Bereichs
C aus der 6, und
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7b eine zweite Schnittansicht des Bereichs
C aus der 6.
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Im
Folgenden soll ein Absteuern eines Steuerventils 3 eines
Einspritzventils 1 bedeuten, dass der Steuerventilkolben
in seine Ruhestellung (nicht bestromter Zustand des Steuerventils 3)
bewegt wird, wobei das Steuerventil 3 offen ist, d.h. eine
Fluidverbindung zwischen einem Kraftstoffvorrat und einer Pumpe 2 des
Einspritzventils 1 ermöglicht.
Ein An- oder Zusteuern des Steuerventils 3 soll entsprechend
heißen,
dass der Steuerkolben des Steuerventils 3 geschlossen ist
(Steuerventil 3 befindet sich im bestromten Zustand), wodurch
ein Hochdruckbereich des Einspritzventils 1 vom Kraftstoffreservoir abgetrennt
ist und ein Verdichten eines Kraftstoffs 192 mittels der
Pumpe 2 ermöglicht
wird.
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1 zeigt
eine schematische Ausführungsform
einer Pumpe-Düse-Einheit
ohne zusätzliche Fluiddruckbeaufschlagung
der Einspritznadel im Federraum. Die Pumpe-Düse-Einheit zum Einspritzen von
Kraftstoff in einen Verbrennungsraum 190 einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Dieselmotors, weist eine Kraftstoffpumpe (im
Folgenden mit Pumpe bezeichnet) 2 auf, bei welcher ein
Pumpenkolben 210 in einem Pumpenzylinder 230 hin-
und herbewegbar ist. Der Pumpenkolben 210 wird direkt oder
indirekt über
eine nicht dargestellte, obenliegende Nockenwelle der Brennkraftmaschine
angetrieben. Der Kompressionsraum des Pumpenzylinders 230 ist
der Pumpenraum 220, der über eine Kraftstoffleitung 240 mit
einem Ventilsitz eines piezoelektrisch oder elektromagnetisch betriebenen
Steuerventils 3 verbunden ist. Das Steuerventil 3 dient
dazu, die Kraftstoffleitung 240 entweder zu verschließen oder mit
einem Kraftstoffniederdruckbereich, dargestellt durch einen Zulaufkanal 140,
aus dem Kraftstoff angesaugt werden kann, zu verbinden. In der geöffneten
Ruhestellung des Steuerventils 3 wird bei einer bezogen
auf 1 nach oben gerichteten Bewegung des Pumpenkolbens 210 Kraftstoff
aus dem Kraftstoffreservoir über
eine Leitung im Zylinderkopf, den Zulaufkanal 140 und über den
Zylinderkolben des Steuerventils 3 in den Pumpenraum 220 angesaugt. Befindet
sich das Steuerventil 3 nach wie vor in seiner Offenstellung
und bewegt sich der Pumpenkolben 210 nach unten, kann vorher
in den Pumpenraum 220 angesaugter Kraftstoff wieder zurück in den
Kraftstoffniederdruckbereich gedrückt werden. Bei einer Ansteuerung
des Steuerventils 3 (Steuerventil 3 bestromt)
verschließt
dieses die Fluidverbindung zwischen Kraftstoffleitung 240 und
dem Zu laufkanal 140. Bei einer nach unten gerichteten Bewegung
des Pumpenkolbens 210 wird der im Pumpenraum 220 befindliche
Kraftstoff komprimiert, wodurch ein Hochdruck p220 im
Pumpenraum 220 erzeugt wird.
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Ferner
umfasst die Pumpe-Düse-Einheit eine
Einspritzdüse 1,
die eine zwischen einer Schließstellung
und einer Offenstellung hin- und herbewegbare Einspritznadel 170 aufweist.
Auf die Einspritznadel 170 wirkt eine Vorspannfeder 110 über einen
Nadelkolben 115 und einen Schaft 117 mit einer durch
die Federkonstante der Vorspannfeder 110 bestimmten Schließkraft ein.
Die Vorspannfeder 110 ist zwischen dem Nadelkolben 115 und
dem oberen Ende des Federraums 105 (Sackloch) eingespannt. Ein
eine Druckschulter 172 aufweisender Abschnitt der Einspritznadel 170 ist
von einem Druckraum 176 umgeben, der mit dem Pumpenraum 220 über einen Druckkanal 145 kommuniziert.
In Abhängigkeit
von der Drosselwirkung des Druckkanals 145 und ggf. weiterer
nicht dargestellter Drosseleinrichtungen wird von dem im Pumpenraum 220 herrschenden
Druck p220 im Druckraum 176 ein
dritter Druck p17 6 aufgebaut.
Der im Druckraum 176 unter dem Druck p1 76 stehende Kraftstoff übt eine bezogen auf die Darstellung
von 1 nach oben gerichtete Öffnungskraft an der Druckschulter 172 auf
die Einspritznadel 170 aus. Die Einspritznadel 170 nimmt
ihre Offenstellung ein, sobald die durch den Druck p176 verursachte Öffnungskraft
größer als
die Summe der der Öffnung
der Einspritznadel 170 entgegengerichteten Reibungskräfte und
der durch die Vorspannfeder 110 nach unten ausgeübte Kraft
auf die Einspritznadel 170 ist.
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Der
Raum oberhalb des Nadelkolbens 115 mit einem Fluiddruck
beaufschlagt, der über
den Nadelkolben 115 die Einspritznadel 170 bezüglich ihres Dichtsitzes über einem
Motorraum 190 noch weiter vorspannt. Da ein vollständiges und
dauerhaftes Abdichten des Federraums 105 gegenüber der
Einspritznadel 170 bzw. des Nadelkolbens 115 und
dem Schaft 117 nicht möglich
ist, ist der Nadelkolben 115 im Federraum 105 mit
einem Dichtspalt geführt,
wobei der Raum (bezüglich. 1)
unter halb des Federraums 105 über einer Bohrung an den Zulaufkanal 140 angeschlossen
ist.
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Einspritzbeginn
und Einspritzmenge des Einspritzventils 1 werden über das
schnell schaltende Steuerventil 3 (Magnetventil oder, bevorzugt,
piezoelektrisch betätigtes
Ventil) bestimmt, wobei diese Größen im Kennfeld
frei wählbar
sind. Das Steuerventil 3 ermöglicht im geöffneten
Zustand einen freien Durchlass vom Kraftstoffzulauf des Niederdruckbereichs über die
Pumpe 2 zum Hochdruckbereich und wieder zurück zum Niederdruckbereich
im Zylinderkopf des Motors, wodurch ein Befüllen des Pumpenraums 220 während eines
Saughubs des Pumpenkolbens 210 und ein Ausdrücken von
Kraftstoff während
eines Förderhubs
des Pumpenkolbens 210 ermöglicht wird. Durch bestromen
des Magnetventils während
eines Förderhubs
des Pumpenkolbens 210 wird dieser Bypass geschlossen, was
zu einem Druckaufbau im Hochdruckbereich des Einspritzventils 1 führt und
nach Überschreiten
eines Düsenöffnungsdrucks
p176 zum Einspritzen von Kraftstoff 192 in
den Brennraum des Motors führt.
Durch die kompakte Bauweise der Pumpe-Düse-Einheit ergibt sich ein
sehr geringes Hochdruckvolumen und eine große hydraulische Streifigkeit.
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Das
Steuerventil 3 erhält
seine Steuersignale von einer elektronischen Regelung, die bekannte Eingangsinformationen
wie z. B. Gaspedalstellung, Motordrehzahl, Nockenwellenposition,
Saugrohrtemperatur, Saugrohrdruck und Kühlmitteltemperatur verarbeitet
und entsprechende Steuersignale an das Steuerventil 3 abgibt.
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Die
Einspritzperiode wird durch Bestromen und Schließen des Steuerventils 3 während des
Förderhubs
des Pumpenkolbens 210 eingeleitet. Nach Druckaufbau im
Hochdruckbereich und Erreichen des Düsenöffnungsdrucks p176 beginnt
die Voreinspritzung. Das Ende der Voreinspritzung ergibt sich neben
einer Fluiddruckbeaufschlagung des Federraums 105 mittels
des erfindungsgemäßen Vorsehens
eines Druckhalteventils 4 (s. u.) am Federraum 105 z.
B. zusätzlich
durch das Öffnen
eines Ventils (Ausweichkolben), das den Druck im Hochdruckraum 176 schlagartig
absenkt und die Einspritznadel 170 schließt. Hub-
und Schaftdurchmesser des Ausweichkolbens bestimmen den zeitlichen
Abstand zwischen dem Ende der Voreinspritzung und dem Beginn der
Haupteinspritzung, d. h. die Spritzpause.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Pumpe-Düse-Einheit
mit dem erfindungsgemäßen Einspritzventil 1,
wobei hauptsächlich
der Niederdruckbereich in 2 zu sehen
ist. Wie zusätzlich
in 2 zu sehen ist, befindet sich ein Kraftstoffeinlass 142, sowie
der Zulaufkanal 140 in einem Abschnitt des Einspritzventils 1,
in welchem auch der Federraum 105 ausgebildet ist. Oben
an diesen Abschnitt schließt
sich eine Platte 150 an, welche den Abschnitt oben fluiddicht
abschließt.
U. a. ist der Zulaufkanal 140 durch diese Platte 150 hindurch
geführt und
eine Zulaufbohrung 152 eines Druckhalteventils 4 ist
in der Platte 150 ausgebildet, wobei das Druckhalteventil 4 weiter
unten näher
erläutert
wird.
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Im
Federraum 105 wirkt die Vorspannfeder 110 über einen
Nadelkolben 115 und den Schaft 117 im Wesentlichen
axial von oben auf die Einspritznadel 170, welche in einem
unteren Abschnitt des Einspritzventils 1 über einen
kleinen Hub nach oben und nach unten bewegbar ist. Wie zu 1 schon
erläutert,
ist die Druckschulter 172 der Einspritznadel 170 im
Druckraum 176 angeordnet, der mit dem Druckkanal 145 und
der Kraftstoffleitung 240 in Fluidverbindung steht.
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Mit
Bezug auf die 2 und 3 ist oben im
Federraum 105 das Druckhalteventil 4 vorgesehen,
welches an einem Widerlager 405 abgestützt ist. Das Widerlager 405 des
Druckhalteventils 4 ist in einem oberen Bereich des Federraums 105 befestigt, wobei
sich für
die Befestigung ein Presssitz gut eignet. Unten an das Widerlager 405 stößt in diesem Ausführungsbeispiel
die Vorspannfeder 110 an, wobei das Widerlager 405 ebenso
ein Widerlager der Vorspannfeder 110 darstellt. In einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist dieses Widerlager 405 eine U-förmige Hülse, wobei
der Horizontalabschnitt der Hülse 405 weiter
unten im Federraum 105 angeordnet ist. Andere Widerlager 405 des
Druckhalteventils 4 sind ebenso möglich, wie z. B. eine eingepresste
Scheibe oder Ausnehmungen in der Federrauminnenwand, an welchen
sich Vorspannfeder 110 und/oder Druckhalteventil 4 abstützen. Das
Widerlager 405 lässt
auf Grund von Bohrungen oder Schlitzen eine Fluidverbindung zwischen
dem Raum über dem
Widerlager 405 und dem Raum darunter, dem eigentlichen
Federraum 105, zu. Bevorzugt für den Druckausgleich zwischen
diesen beiden Räumen
ist eine zentrische Bohrung im Horizontalabschnitt der Hülse 405.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des Druckhalteventils 4 stützt sich eine Ventilfeder 415 am
Widerlager 405 ab und spannt ein Ventilglied 410 gegen
einen Dichtsitz 430 vor. Das Ventilglied 410 besteht
in einer einfachen Ausführungsform
nur aus einem wenigstens teilweise sphärischen Körper 420, z. B. einer
Kugel oder einer Halbkugel, der direkt auf der Ventilfeder 415 sitzt,
die sich am Widerlager 405 abstützt und den Körper 420 gegen
den Dichtsitz 430 vorspannt. In einer bevorzugten Ausführungsform sitzt
der teilweise sphärische
Körper 420,
insbesondere die Halbkugel, auf einer Scheibe 440, welche wiederum
mit der Ventilfeder 415 verbunden ist. Die Außenabmessungen
der Scheibe 440 sind etwas kleiner als die Innenabmessungen
des Federraums 105, sodass diese Scheibe 440 im Federraum 105 mit
etwas Spiel geführt
ist, was dem Dichtkörper 420 des
Druckhalteventils 4 eine ausreichende Vertikalführung im
Federraum 105 verleiht. Ferner kann die Scheibe 440 an
den Vertikalabschnitten der Hülse 405 oben
aufsitzen (3), was dem Druckhalteventil 4 einen
definierten Maximalhub verleiht und das Ventilglied 410 vor
einem Flattern bzw. unkontrollierten Bewegungen bewahrt. Damit bei
Aufliegen der Scheibe 440 auf den Vertikalabschnitten der
Hülse 405 trotzdem
ein Druckaustausch zwischen dem Bereich über dem Druckhalteventil 4 und
darunter in ausreichender Zeit möglich
ist, so kann die Scheibe 440 Bohrungen oder an ihrer Unterseite/Umfangsseite
Nuten aufweisen.
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Der
Dichtsitz 430 des Druckhalteventils 4 ist bevorzugt
in der Platte 150 ausgebildet, wobei der Dichtsitz 430 mit
dem Dichtabschnitt 422 des Ventilglieds 410 derart
zusammenwirkt, dass in einer Schließstellung des Druckhalteventils 4 über diesen Bereich
kein Fluid transportierbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Dichtsitz 430 ein Kegelsitz, von welchem sich nach
oben eine Sacklochbohrung in die Platte 150 hinein fortsetzt,
wobei von der Sacklochbohrung die Zulaufbohrung 152 zum Zulaufkanal 140 abzweigt.
Möglich
ist auch, dass die Zulaufbohrung 152 direkt vom Dichtsitz 430 wegführt.
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In
der Platte 150 ist ferner eine Bohrung vorgesehen, welche
Teil des Zulaufkanals 140 des Einspritzventils 1 ist,
sodass sich der Zulaufkanal 140 vom unteren Abschnitt des
Einspritzventils 1 kommend, weiter zum Ventilsitz des Steuerventils 3 durch die
Platte 150 hindurcherstrecken kann. In einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist der Abschnitt des Zulaufkanals 140, welcher
sich in der Platte 150 befindet, mit einer Staudrossel 154 ausgebildet,
die den Zulaufkanal 140 verengt. Stromabwärts, d.h.
bei einem Ansaugtakt der Pumpe 2 in Strömungsrichtung hinter der Staudrossel 154, zweigt
bevorzugt innerhalb der Platte 150 die Zulaufbohrung 152 zum
Druckhalteventil 4 ab, wodurch eine Fluidverbindung zwischen
Zulaufkanal 140 und Dichtsitz 430 des Druckhalteventils 4 geschaffen
ist. In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Zulaufbohrung 152 z. B. direkt von
Staudrossel 154 abzweigen.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Vorsehens des
Druckhalteventils 4 im Federraum 105 ist es möglich, einen
Druck stromabwärts
der Staudrossel 154 des Zulaufkanals 140 dem Federraum 105 aufzuprägen. Das
Druckhalteventil 4 ist derart ausgelegt, dass es nur ein
Aufprägen
des Drucks im Zulaufkanal 140 auf den Federraum 105 zulässt, wobei
ein Druck p140 im Zulaufkanal 140 (stromabwärts der Staudrossel 154) über dem
Druck p105 im Federraum 105 liegen
muss. Ist der Federraumdruck p105 größer als
der Druck p140 im Zulaufkanal 140 (stromabwärts der
Stau drossel 154), so bleibt das Druckhalteventil 4 geschlossen
und der Druck p105 im Federraum 105 aufrechterhalten.
Es findet aufgrund der konstruktiven Auslegung des Druckhalteventils 4 nur
ein Druckübertrag
vom Zulaufkanal 140 auf dem Federraum 105 statt
und dies auch nur, wenn der Druck im Zulaufkanal 140 über dem
des Federraums 105 liegt. Dieser jetzt im Federraum 105 herrschende
Druck p105 wirkt (zusammen mit der Vorspannfeder 110) über den
Nadelkolben 115 und den Schaft 117 auf die Einspritznadel 170 in
Richtung deren Dichtsitz, was in 4 dargestellt
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung schließt
sich an die Platte 150 nach oben der Pumpenraum 220 an
( 3), was eine kompakte Pumpe-Düse-Einheit ermöglicht.
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4 zeigt
einen unteren Abschnitt des Federraums 105, in welchem
der Nadelkolben 115 geführt
ist. An den Nadelkolben 115 nach unten schließt sich
der Schaft 117 an, welcher entweder mit dem Nadelkolben 115 oder
mit der Einspritznadel 170 einstückig ausgestaltet sein kann.
Ferner kann der Nadelkolben 117 auch als ein eigenes Teil
in einer Bohrung oberhalb der Einspritznadel 170 geführt sein. Auf
den Nadelkolben 115 wirken zwei Kräfte, eine statische, aufgrund
der Vorspannfeder 110, und eine hydraulische, aufgrund
des Fluiddrucks p105 im Federraum 105.
Diese beiden Kräfte
werden mittels des Nadelkolbens 115 und des Schafts 117 zur
Einspritznadel 170 weitergeleitet, welche diese mit einer
Kraft in Richtung ihres Dichtsitzes vorspannen.
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Der
Schaft 117 ist in einem oberen Bereich über fast seine gesamte Länge bevorzugt
als Dreiflach ausgebildet, sodass eine Fluidverbindung zwischen
dem Federraum 105 und einem Ringraum 120 besteht,
der in einem oberen Bereich der Einspritznadel 170 vorgesehen
ist. Der Schaft 117 wirkt bevorzugt als Dämpfungselement
für die
Einspritznadel 170, wobei zur Dämpfung einer Bewegung der Einspritznadel 170 eine
Steuerkante 118 des Schafts 117 mit einer Steuerkante 119 im
Einspritzventil 1 zusammenwirkt, wobei dieser Abschnitt
(mit Steuer kante 119) im Einspritzventilkörper z.
B. als sog. Dämpfungsplatte
ausgebildet sein kann. Die beiden Steuerkanten 118, 119 wirken
derart zusammen, dass bei entsprechender Stellung der Einspritznadel 170 der Ringraum 120 vom
Federraum 105 abgetrennt wird.
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So
kommt mit zunehmenden Hub der Einspritznadel 170 die Steuerkante 118 des
Schafts 117 in den Bereich der Steuerkante 119 und
verschließt dabei
den Ringraum 120 bezüglich
des Federraums 105, sodass der im Ringraum 120 eingeschlossene Kraftstoff
komprimiert werden muss, was die Hubbewegung der Einspritznadel 170 dämpft. Bevorzugt
ist das Profil der Steuerkanten 118 und/oder 119 wie eine
stetig differenzierbare Funktion derart ausgebildet, dass sich eine
von der Drehzahl des Motors abhängige
Dämpfungswirkung
ergibt. Bei hoher Drehzahl und entsprechend schneller Hubbewegung
der Einspritznadel 170 ergibt sich aufgrund strömungsmechanischer
Prozesse eine erhöhte
Dämpfungswirkung.
Bei niedriger Drehzahl des Motors hingegen ergibt sich eine verringerte
Dämpfungswirkung.
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Im
Raum unter dem Nadelkolben 115 herrscht ein Druck, der
entweder geringer (nach Voreinspritzung und während Haupteinspritzphase)
oder gleich (direkt vor der Voreinspritzung) dem Druck p105 im Federraum 105 ist. Für eine ordnungsgemäße Funktion
des Einspritzventils 1 ist es, zur Sicherstellung der Stabilität von Hub
zu Hub der Einspritznadel 170, vorteilhaft, dass der Druck
im Raum unterhalb des Nadelkolbens 115 bei jeweils einer
ersten Einspritzung (meist Voreinspritzung) derart abgebaut ist, dass
er einem Druck p140 im Zulaufkanal 140 stromaufwärts der
Staudrossel 154, oder einem anderen Niederdruck entspricht.
Hierzu ist der Raum unterhalb des Nadelkolbens 115 mittels
einer Fluidverbindung 180 zum Zulaufkanal 140 verbunden.
Diese Fluidverbindung 180 kann jedoch auch zu anderen Drainage-
oder Leckagekanälen
geführt
sein, wodurch der Druck unterhalb des Nadelkolbens 115 ein anderer
ist als im Zulaufkanal 140 stromaufwärts der Staudrossel 154.
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Um
einen Druckabbau im Federraum 105 zu ermöglichen,
wird das Spiel (Dichtspalt 445) zwischen Nadelkolben 115 und
Innenwand der Federraumbohrung 105 derart ausgelegt, dass
der Druck p105 im Federraum 105 über die
Fluidverbindung 180 jeweils vor einer ersten Einspritzung
abgebaut ist. D. h. während
einer Spritzpause muss der Druck p105 im Federraum 105 über den
Dichtspalt 445 derart abgebaut sein, dass ein schnelles Öffnen der
Einspritznadel 170 nach wie vor möglich ist. Der dadurch eingestellte
Druck im Federraum 105 entspricht entweder dem Druck im
Zulaufkanal 140 stromaufwärts Staudrossel 154 oder
dem Druck einer anderen Dränageleitung.
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Für die Bemessung
des Dichtspalts 445 muss ein Kompromiss über den
Drehzahlbereich des Motors gefunden werden. Idealerweise ist der
Druck unterhalb des Nadelkolbens 115 vor einer ersten Einspritzung über den
gesamten Drehzahlbereich hinweg abgebaut. Will man dies auch für hohe Drehzahlen
realisieren, so ist ein Druckabfall im niedrigen bis mittleren Drehzahlbereich
vor einer Haupeinspritzung zu hoch, was einem sicheren Geschlossenhalten
der Einspritznadel 170 in diesem Drehzahlbereich bei einer
gewählten
Vorspannfeder 110 zuwiderlaufen kann. Es müsste dann
eine stärkere
Vorspannfeder 110 gewählt
werden, die zu einem erhöhten Öffnungsdruck
der Einspritznadel 170 führen würde.
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Um
ein Kippen des Nadelkolbens 115 zu kompensieren und ein
Verkannten des Nadelkolbens 115 zu vermeiden ist der Nadelkolben 115 an
seinem Umfang bevorzugt abgerundet ausgestaltet.
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5 zeigt
eine bevorzugte Ausgestaltung eines dichtenden Abschnitts des Druckhalteventils 4 in
einer Schließ-
und einer Offenstellung, wobei der Dichtkörper 420 mit einem
geringen Spiel geführt
ist. Dieses geringe Spiel wird bevorzugt mittels einer Führungsbohrung 450 realisiert,
welche einen ca. 1 bis 6μm,
bevorzugt 3 bis 5μm,
insbesondere bevorzugt 4 ± 0,5μm, größeren Durchmesser
aufweist als der Außendurchmesser
des Dichtkörpers 420 ist.
Bevorzugt ist die Führungsboh rung 450 in
der Platte 150 ausgebildet, wobei sie eine Querbewegung
des Ventilglieds 410 verhindert.
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Um
ein Flattern des Ventilglieds 410 zu vermeiden ist eine
Fluidverbindung zwischen dem Federraum 105 und dem Dichtsitz 430 des
Druckhalteventils 4 mittels wenigstens einer Drossel 435 ausgeführt.
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Ein
vorteilhaftes Flächenverhältnis von
Sitz- und Führungsbohrung
für den
Dichtkörper 420 beträgt ca. 1:1,1
bis 1:3, bevorzugt 1:1,2 bis 1:2,5, insbesondere bevorzugt 1:1,5
bis 1:2,0.
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Die 6, 7a und 7b zeigen
eine zweite Variante der Erfindung, wobei für gleiche Bestandteile mit
obigen Ausführungsformen
gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Gemäß der Erfindung
ist das Druckhalteventil 4 nicht im Federraum 105,
sondern außerhalb
des Federraums 105 angeordnet, wobei sich das Druckhalteventil 4 bevorzugt
benachbart zu einem oberen Bereich des Federraums 105 befindet.
Dies ermöglicht
wiederum eine einfache Herstellung und ein Vorsehen der maßhaltig
zu bearbeitenden Abschnitte des Druckhalteventils 4 in
der Platte 150. Eine andere Position des Druckhalteventils 4 im
Einspritzventil 1 ist natürlich möglich, wobei entsprechende
Leitungsbohrungen zum Ventilkörper 420 hin
und vom Ventilkörper 420 weg
zum Federraum 105 vorgesehen sein müssen.
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In
dieser Ausführungsform
dichtet der Ventilkörper 420 des
Druckhalteventils 4 eine Zulaufbohrung 153 mittig
ab, die vom Zulaufkanal 140 abzweigt und in einen oberen
Bereich des Federraums 105 führt, was in den 7a und 7b zu
sehen ist. Bevorzugt erstreckt sich ein stromaufwärtiger Abschnitt
der Zulaufbohrung 153 (s. 7a)
senkrecht durch die Platte 150, wobei sich in einem unteren
Bereich der Platte 150 der Dichtsitz 430 des Druckhalteventils 4 an
den stromaufwärtigen
Abschnitt der Zulaufbohrung 153 anschließt. Unterhalb
des Dichtsitzes 430 schließt sich ein Ringraum an, von
welchem ein schräger
Abschnitt (s. 7b) der Zulaufbohrung 153 in
einen oberen Bereich des Federraums 105 mündet. Dieser
Abschnitt kann z. B, als Drossel ausgeführt sein.
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Das
Druckhalteventil weist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Ventilglied 410 auf,
das eine Ventilfeder 415 und an deren freien Ende einen bevorzugt
als Halbkugel ausgestalteten Ventilkörper 420 umfasst,
wobei die Ventilfeder 415 in einer Bohrung sitzt, die in
einem Teil des Einspritzventils vorgesehen ist, in welchem auch
der Federraum 105 ausgestaltet ist. Der Ventilkörper 420 liegt
in seiner Dichtstellung am bevorzugt als Kegelsitz ausgestalteten Dichtsitz 430 vorgespannt
an. In seiner Offenstellung sitzt der Ventilkörper 420 mit seiner
unteren Kante bevorzugt an dem Bauteil des Einspritzventils an,
in welchem auch der Federraum 105 ausgeführt ist. Ferner
ist der Ventilkörper 420 an
seinem Außendurchmesser
zur Reduzierung einer Flatterneigung bevorzugt in der Platte 150 in
einer kurzen maßhaltigen
Führungsbohrung 450 senkrecht
geführt.
Eine Entlastung des Raums unterhalb des Ventilglieds 420 erfolgt
bevorzugt über
den Dichtspalt zwischen Führungsbohrung 450 und
Ventilkörper 420.
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Der
Zulaufkanal 140 ist in diesem Ausführungsbeispiel am Druckhalteventil 4 vorbei
geführt
(s. 7a). Hierbei kann der in der 7a in der Platte 150 schräg verlaufende
Abschnitt des Zulaufkanals 140 als Drossel 154 ausgestaltet
sein.
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Für das Druckhalteventil 4 der
zweiten Variante vorteilhafte relative Abmessungen von Führungsbohrung 450 und
Ventilkörper 420 sowie
ein vorteilhaftes Flächenverhältnis von
Sitz- und Führungsbohrung
des Ventilkörpers 420 entsprechen den
zu 5 gemachten Angaben.
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- 1
- Einspritzventil
- 105
- Federraum
- 110
- Vorspannfeder
- 115
- Nadelkolben
- 117
- Schaft
(bevorzugt als Dämpfungselement ausgebildet)
- 118
- Steuerkante
- 119
- Steuerkante
- 120
- Ringraum
- 140
- Zulaufkanal
- 142
- Einlass
- 145
- Druckkanal
- 150
- Platte
- 152
- Zulaufbohrung
- 153
- Zulaufbohrung
(2. Variante)
- 154
- Staudrossel
- 170
- Einspritznadel
- 172
- Druckschulter
- 174
- Nadelraum
- 176
- Druckraum
- 180
- Fluidverbindung
- 190
- Motorraum
- 192
- Kraftstoff
- 2
- Pumpe
(Kraftstoffpumpe)
- 210
- Pumpenkolben
- 220
- Pumpenraum
- 230
- Pumpenzylinder
- 240
- Kraftstoffleitung
- 245
- Kolbenfeder
- 3
- Steuerventil
- 4
- Druckhalteventil
- 405
- Widerlager
(Hülse)
- 410
- Ventilglied
- 415
- Ventilfeder
- 420
- sphärischer
Körper
(Ventilkörper,
Kugel, Halbkugel)
- 422
- Dichtabschnitt
(des Ventilglieds 410)
- 430
- Dichtsitz
- 435
- Drossel
- 440
- Scheibe
- 445
- Dichtspalt
(Spiel des Nadelkolbens 115 im Federraum 105
- 450
- Führungsbohrung
- P105
- Federraumdruck 105
- p140
- Zulaufkanaldruck 140 stromabwärts der Staudrossel 154
- P176
- Druckraumdruck 176
- P220
- Pumpenraumdruck 220