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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Die
EP 1 612 403 A1 beschreibt
einen Common-Rail-Injektor mit einem in axialer Richtung druckausgeglichenen
Steuerventil zum Sperren und Öffnen
eines Kraftstoff-Ablaufweges aus einer Steuerkammer. Mittels des
Steuerventils kann der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer
beeinflusst werden, wobei die Steuerkammer über einen Druckkanal mit Kraftstoff
aus einem Kraftstoffhochdruckspeicher versorgt wird. Durch die Variation
des Kraftstoffdruckes innerhalb der Steuerkammer wird eine Düsennadel,
deren obere Stirnseite in die Steuerkammer hineinragt, zwischen
einer Öffnungsstellung und
einer Schließstellung
verstellt, wobei die Düsennadel
in ihrer Öffnungsstellung
den Kraftstofffluss in den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigibt. Das
Steuerventil weist eine in axialer Richtung mittels eines Elektromagnetantriebes
verstellbare Ventilhülse
auf, die mit einer konisch ausgeformten Ventilsitzfläche dichtend
zusammenwirkt. Die Ventilsitzfläche des
Steuerventils ist dabei an einem innerhalb des Injektorkörpers festgelegten
Bauteil angeformt, durch welches der Kraftstoff-Ablaufweg für Kraftstoff
aus der Steuerkammer hindurchgeführt
ist, und an dem ein die Hülse
durchsetzender, axiale Druckkräfte
aufnehmender Bolzen angeformt ist. Nachteilig bei dem bekannten
Injektor ist, dass die axial verschiebliche Ventilhülse in axialer
Richtung ausschließlich
durch ihren Innenumfang am Außenumfang
des Bolzens geführt
ist. Hierdurch treten hohe Leckageverluste an der Ventilsitzfläche und/oder
in dem radialen Führungsspalt
zwischen Ventilhülse
und Bolzen auf. Die Leckagemenge lässt sich durch Verwendung kleinerer
Führungsdurchmesser
reduzieren. Aufgrund des Innendrucks in der Kraftstoffdurchführung und
den damit verbundenen Festigkeitsproblemen ist ein Mindestdurchmesser
nicht zu unterschreiten.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Injektor vorzuschlagen,
bei dem die Leckageverluste im Bereich des Steuerventils minimiert
sind.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Zudem fallen
in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei
der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten
Merkmale.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den die Ventilhülse durchsetzenden
Bolzen auf der dem Ventilsitz gegenüberliegenden Seite an einem Injektorkörper abzustützen, an
diesem zu befestigen oder einstückig
mit diesem auszubilden. Bevorzugt ist hierbei eine Lösung, bei
der sich der Bolzen lediglich am Injektorkörper abstützt, oder am Injektorkörper befestigt
ist, da in diesem Fall der Bolzen als separates Bauteil herstellbar
und damit einfacher zu fertigen ist. Durch die Abstützung und/oder
Befestigung des Bolzens an der der Ventilfläche gegenüberliegenden Seite am Injektorkörper können höhere Genauigkeiten
in Bezug auf die Lage der mit der Ventilhülse wirkverbundenen Ankerplatte
in Bezug auf einen Elektromagneten realisiert werden, wodurch geringe
Querkräfte
auf die Ventilhülse
und den Bolzen wirken, was wiederum den Verschleiß der Bauteile sowie
Leckageverluste minimiert.
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Mit
Vorteil ist die Kraftstoffabführung
aus der Steuerkammer nicht in den Bolzen integriert, wodurch kleinere
Durchmesser und damit geringere Leckagemengen realisiert werden
können.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass axial
zwischen der Ventilhülse
und der Düsennadel,
welche einteilig oder mehrteilig ausgeführt werden kann, ein Drosselkörper angeordnet ist,
innerhalb dem der Druckkanal mit Zulaufdrossel zur Versorgung der
Steuerkammer mit Kraftstoff, beispielsweise aus einem die Steuerkammer
umgebenden Druckraum oder unmittelbar aus einer mit einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher
verbundenen Versorgungsleitung und/oder ein Ablaufkanal mit Ablaufdrossel
zur hydraulischen Verbindung der Steuerkammer mit dem Steuerventil
eingebracht sind. Der Ablaufkanal bildet dabei den Kraftstoff-Ablaufweg für Kraftstoff
aus der Steuerkammer zu einem Niederdruckraum oder ist zumindest
Teil desselben. Bevorzugt sind innerhalb des Drosselkörpers sowohl
der Druckkanal mit Zulaufdrossel als auch der Ablaufkanal mit Ablaufdrossel
eingebracht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventilhülse einstückig mit der Ankerplatte ausgebildet
ist. Hierdurch kann ein separates Bauteil eingespart werden, was
die Gesamtfertigungstoleranz des Injektors reduziert. Weiterhin
ist vorgesehen, dass die einstückig mit
der Ankerplatte ausgebildete Ventilhülse innerhalb einer Aufnahmebohrung
aufgenommen ist, wobei nicht die Hülse radial außen an der
Umfangswand der Aufnahmebohrung geführt ist, sondern ausschließlich die
Ankerplatte. Somit ist ein erster Führungsbereich der Kombination
aus Ventilhülse
und Ankerplatte relativ weit entfernt von der Ventilsitzfläche angeordnet,
wodurch auf eine lange zylindrische Führung an der Außenfläche der
Ventilhülse
verzichtet werden kann. Somit müssen
lediglich die Außenumfangsflächen der
Ankerplatte sowie der korrespondierende kurze zylindrische Abschnitt
der Aufnahmebohrung geschliffen werden. Ein exaktes Schleifen der
Ankerfläche
der Ventilhülse
und der übrigen
Aufnahmebohrungswand kann mit Vorteil entfallen. Wenn es sich bei
dem Bauteil, in das die Aufnahmebohrung zur Aufnahme der einstückig mit
der Ankerplatte ausgebildeten Ventilhülse eingebracht ist, um den
Drosselkörper
handelt, kann auf einen separaten Ventilkörper verzichtet werden, wodurch
die Gesamttoleranzen reduziert werden. Außerdem wird die Anzahl der
abzudichtenden Flächen
minimiert. Vorteilhaft ist weiterhin die mit der Ausgestaltung erzielbare
exakte Konzentrizität
zwischen dem Elektromagneten des Elektromagnetantriebs und der Ankerplatte.
Abweichungen von dieser Konzentrizität führen in der Regel zu radialen
Störkräften im
Magnetkreis.
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Bevorzugt
ist die Ventilsitzfläche
teilkugelförmig
ausgeformt, beschreibt also zumindest im Anlagebereich der Ventilhülse eine
Kugelform. Hierdurch wird eine optimale Zent rierung der Ventilhülse auf
der Ventilsitzfläche
erreicht, was in Kombination mit der Führung der Ankerplatte innerhalb
der Aufnahmebohrung eine radiale Verschiebung und ein Verkippen
der Ventilhülse
um den Mittelpunkt des Ventilsitzes wirksam verhindert.
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Mit
Vorteil ist die Aufnahmebohrung innerhalb des die Ankerplatte und
die Ventilhülse
aufnehmenden Bauteils als Stufenbohrung ausgeführt, wobei sich der Elektromagnet
auf einem ringförmigen Absatz
der Stufenbohrung innerhalb des Bauteils abstützt. Hierdurch wird die Parallelität zwischen
Ankerplatte und Elektromagnet verbessert. Alternativ hierzu ist
es denkbar, dass sich der Elektromagnet auf der, bevorzugt ebenen,
Oberfläche
des Bauteils, insbesondere der Drosselplatte, abstützt.
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Gemäß einer
alternativen, vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass die Ankerplatte und die Ventilhülse als separate Bauteile ausgebildet
sind, wobei der von der Ventilhülse umschlossene
Bolzen zusätzlich
auch die Ankerplatte durchsetzt. Auch bei dieser Ausgestaltungsvariante
kann auf eine unmittelbare axiale Führung der Ventilhülse über ihren
gesamten Außenumfang
verzichtet werden. Der Bolzen hat neben der Führungsfunktion für die Ventilhülse die
Aufgabe, die Ankerplatte in radialer Richtung grob zu zentrieren.
Die Ventilfeder zum Schließen
des Steuerventils wirkt in axialer Richtung auf die Ankerplatte,
wodurch die Ankerplatte auf die Ventilhülse und diese wiederum in Richtung
Ventilsitzfläche
federkraftbeaufschlagt wird. Der Ventilfeder wirkt eine schwächere Feder
entgegen, die auf die Ventilhülse
eine Federkraft in Öffnungsrichtung
ausübt.
Aufgrund der separaten Ausbildung von Ankerplatte und Ventilhülse können die beiden
Bauteile aus unterschied lichen Materialien ausgebildet werden. Insbesondere
ist die Ankerplatte aus stark magnetisch leitendem Material ausgebildet, wohingegen
die Ventilhülse
verschleißoptimiert
ist.
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Um
Winkelfehler zwischen Ankerplatte und Ventilhülse auszugleichen und um eine
großflächige Kraftübertragung
zwischen Ankerplatte und Ventilhülse
sicherzustellen, ist in Ausgestaltung der Erfindung mit Vorteil
vorgesehen, dass entweder unmittelbar zwischen Ankerplatte und Ventilhülse oder
aber zwischen einem Einstellring, auf dem sich die Ankerplatte abstützt und
der Ventilhülse
eine konvex-konkav Paarung realisiert ist. Beispielsweise stützt sich der
Einstellring mit einer konkaven Ausnehmung auf einer konvexen Erhebung
an der Stirnseite der Ventilhülse
ab, so dass eine Art Kugelgelenk realisiert wird, wodurch Winkelfehler
ausgeglichen werden können.
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Um
Parallelitätsfehler
zwischen Ankerplatte und Elektromagnet zu minimieren, ist in Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, dass zwischen einem die Ankerplatte umfangsseitig
umschließenden Bauteil
und der Ankerplatte ein Radialspalt vorgesehen ist, die Ankerplatte
also mit ihrer Umfangsfläche nicht
unmittelbar an dem sie umschließenden
Bauteil anliegt und dadurch frei am Elektromagneten ausrichtbar
ist. Die Ausnehmung, in der die Ankerplatte aufgenommen ist, ist
derart bemessen, dass bei angenommener exakt paralleler Ausrichtung
zwischen Ankerplatte und einer Parallelfläche der Ausnehmung, insbesondere
einem (bodenseitigen) Absatz der Ausnehmung, und bei gleichzeitig
auf die Ventilsitzfläche
verstellter Ventilhülse
ein Axialspalt zwischen der Ankerplatte und der Parallelfläche verbleibt.
Anders ausgedrückt,
ist in dem Fall exakt paralleler Ausrichtung zwischen Ankerplatte
und Parallelfläche
ein allumfänglicher Axialspalt
zwischen unterem Anschlag (Parallelfläche) und Ankerplatte vorgesehen.
Durch diesen Axialspalt ist sichergestellt, dass die Federkraft
von der Ventilhülse
nicht in die Parallelfläche,
sondern vorzugsweise ausschließlich in
die Ventilhülse
eingeleitet wird. Die Ankerplatte kann sich bei Vorliegen eines
Winkelfehlers ausschließlich
einseitig und nicht vollumfänglich
auf der Parallelfläche
abstützen.
Die Parallelfläche
begrenzt dabei den maximalen Ausrichtwinkel der Ankerscheibe zu
der Längsachse
des Bolzens. Bevorzugt ist die Parallelfläche als Absatz in einer Haltehülse ausgebildet,
welche sich wiederum auf einer Drosselplatte abstützt. Durch
Doppelplanschleifen der Ankerplatte und des Absatzes (Parallelfläche) der
Haltehülse
lassen sich sehr geringe Parallelitätsfehler herstellen, die bei
herkömmlichen
Injektoren nur über
stark eingeschränkte
Planläufe
realisiert werden können.
Auf der der Parallelfläche
gegenüberliegenden
Seite der Ankerplatte ist zwischen Ankerplatte und Elektromagnet
ein Hubspalt vorgesehen, der bei Bestromung des Elektromagneten
von der Ankerplatte (zusammen mit der Ventilhülse) überwunden wird. Der Restluftspalt,
also der verbleibende Spalt zwischen Ankerplatte und Magnet im geöffnetem
Steuerventilzustand, kann durch eine Beschichtung des Elektromagneten
oder eine Stufe in der Ankerplatte dargestellt werden. Die Ankerplatte
schlägt
im Falle des Vorsehens einer Beschichtung direkt an dieser an.
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Bei
kleinen Sitzwinkeln von etwa 90° Gesamtwinkel
kann sich die Ventilhülse
bei geöffnetem Steuerventil
nur wenig in radialer Richtung von ihrer zentrischen Position weg
bewegen. Damit auch größere Sitzwinkel,
also vergleichsweise flache Ventilsitzflächen realisierbar sind, ist
in Ausgestaltung der Erfindung eine zusätzliche Führungshülse radial benachbart zur Ventilsitzfläche vorgesehen,
die ein radiales Verschwenken der Ventilhülse bei geöffnetem Steuerventil verhindert.
Auch bei dieser Lösung
wird die Ventilhülse
nicht zylindrisch über
ihre gesamte Länge
geführt,
sondern nur in einem kurzen, unteren Abschnitt. Dabei muss die Ventilhülse und/oder
die die Ventilhülse
umgebende Führungshülse derart ausgeformt
werden, beispielsweise durch Vorsehen von Abflachungen, dass ein
Kraftstofffluss aus dem Ventilhülseninneren
in den Niederdruckraum gewährleistet
ist. Beispielsweise kann diese Abströmmöglichkeit des Kraftstoffes
durch in axialer Richtung verlaufende Nuten am Außendurchmesser
der Ventilhülse
oder am Innendurchmesser der Führungshülse realisiert
werden.
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Gemäß einer
weiteren alternativen, vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist
vorgesehen, dass die Ventilhülse
einen Führungsring
durchsetzt und über
diesen an einer Umfangswand einer Bohrung geführt ist. Die Ventilhülse stützt sich
also nur mittelbar an der Umfangswand ab. Auch bei dieser alternativen
Ausführungsform
der Erfindung wird eine zylindrische Führung der Ventilhülse über ihre gesamte äußere Umfangsfläche vermieden,
wodurch die zu schleifenden Führungsflächen minimiert
werden. Zusätzlich
ist die Ventilhülse
an dem von ihr umschlossenen Bolzen geführt, der bevorzugt zweiteilig ausgeführt ist,
wobei sich die beiden in axialer Richtung benachbarten Teilstücke des
Bolzens über
eine Art Kugelgelenk (konvex-konkav Paarung) aneinander abstützen, u.a.
um Winkelfehler auszugleichen. Damit der Führungsring relativ zu der Ventilhülse nicht
verschoben werden kann, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
dass der Führungsring über die
Ventilfeder in axialer Richtung federkraftbeaufschlagt ist. Dabei
stützt
sich der Führungsring
mittelbar oder unmittelbar an der Ventilhülse ab.
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Bevorzugt
ist zur mittelbaren Abstützung
ein Sicherungsring vorgesehen, der in einer Umfangsnut der Ventilhülse gehalten
ist.
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Bevorzugt
ist bei der zuvor beschriebenen Variante der Erfindung die Ankerplatte
mit Radialspiel in einer Aufnahmebohrung, insbesondere eines Ventilkörpers aufgenommen,
so dass die Ausrichtung der Ventilhülse nur über den Führungsring und die Sitzfläche erfolgt.
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Ferner
ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Ventilsitzfläche flach,
d.h. eben, ausgebildet ist, wodurch die Ventilsitzfläche aufgrund
der kurz über
dieser an der Ventilhülse
angreifenden Ventilfeder parallel zur Ventilsitzfläche bzw.
dem diese aufweisenden Bauteil, insbesondere der Drosselplatte ausgerichtet wird.
Hierdurch ist es möglich,
die Führungsflächen an
der Ventilhülse
und dem Führungsring
einerseits und an dem Führungsring
und der Umfangswand andererseits mit relativ großen Toleranzen zu fertigen, was
die Herstellungskosten reduziert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnung; diese zeigt in:
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1a:
eine geschnittene Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Injektors,
bei dem die Ankerplatte und die Ventilhülse einstückig ausgebildet sind,
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1b:
eine weitere geschnittene Teilansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 1a,
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2:
ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Injektors, bei dem ebenfalls die Ankerplatte und die Ventilhülse einstückig ausgebildet
sind und bei dem sich ein Elektromagnet eines Elektromagnetantriebs
auf einer ebenen Oberseite einer Drosselplatte abstützt,
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3a:
eine geschnittene Teilansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Injektors,
bei dem die Ankerplatte und die Ventilhülse separat ausgebildet sind,
und bei dem sich die Ankerplatte über einen Einstellring gelenkig
an der Ventilhülse
in axialer Richtung abstützt,
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3b:
eine geschnittene Ansicht eines Details aus
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3a,
das die Anordnung der Ankerplatte innerhalb des Injektorkörpers zeigt,
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4a:
eine geschnittene Teilansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Injektors
mit getrennt ausgebildeter Ankerplatte und Ventilhülse, wobei
radial benachbart zur Ventilsitzfläche ein zusätzlicher Führungsring für die Ventilhülse vorgesehen
ist,
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4b:
eine Draufsicht auf die Ventilhülse und
den Führungsring,
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4c:
eine Seitenansicht der Ventilhülse,
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4d:
eine Draufsicht auf eine mögliche Ausführungsform
des Führungsrings,
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5a:
eine geschnittene Teilansicht eines fünften Ausführungsbeispiels, bei dem die
Ankerplatte einstückig
mit der Ventilhülse
ausgebildet ist, wobei die Ventilhülse über einen radialen Führungsring an
einer Umfangswand geführt
ist,
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5b:
eine perspektivische Ansicht der Einheit aus Ankerplatte und Ventilhülse gemäß 5a mit
Ventilfeder, Führungsring
und einem Sicherungsring.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Allen
gezeigten Ausführungsbeispielen
ist gemeinsam, dass diese ohne eine bzw. nur mit einer vergleichsweise
kurzen Führung
am Außenumfang der
Ventilhülse
auskommen.
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In
1 ist ausschnittsweise ein Injektor
1 dargestellt.
Der Injektor
1 weist einen Injektorkörper
2, einen Düsenkörper
3 und
einen zwischen Injektorkörper
2 und
Düsenkörper
3 aufgenommenen
zylindrischen Drosselkörper
4 auf.
Eine Düsenspannmutter
5 ist
mit dem Injektorkörper
2 verschraubt
und verspannt so den Düsenkörper
3 und
den Drosselkörper
4 gegen
den Injektorkörper
2.
Der untere Abschnitt des Injektors
1 ist nicht vollständig dargestellt,
kann aber beispielsweise wie in der
DE 100 24 703 A1 beschrieben ausgeführt werden.
Nicht gezeigt ist, dass die Düsenspannmutter
5 von
dem Düsenkörper
3 in axialer
Richtung durchsetzt ist. Innerhalb des Düsenkörpers
3 ist eine Bohrung
6 eingebracht,
in der eine längliche
Düsennadel
7 axial
beweglich geführt
ist. An einer nicht gezeigten Nadelspitze der Düsennadel
7 ist eine
Schließfläche vorgesehen,
mit welcher die Düsennadel
in dichte Anlage an ein innerhalb des Düsenkörpers
3 ausgebildeten
Nadelsitz bringbar ist. Wenn die Düsennadel
8 an dem
nicht dargestellten Nadelsitz anliegt (vgl.
DE 100 24 703 A1 ), d.h.
sich in einer Schließstellung
befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer Düsenlochanordnung gesperrt.
Ist sie dagegen vom Nadelsitz angehoben, kann Kraftstoff aus einem
zwischen der Düsennadel
7 und
dem Innenumfang der Bohrung
6 ausgebildeten Ringraum
8 an
dem Nadelsitz vorbei zur Düsenlochanordnung strömen und
dort im Wesentlichen unter dem Hochdruck (Rail-Druck) stehend in
einen Brennraum gespritzt werden.
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Die
Düsennadel 7 ist
durch eine Vorspannfeder 9 in Richtung auf ihre Schließstellung
vorgespannt.
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Die
Vorspannfeder stützt
sich einerseits an der Düsennadel 7 (nicht
dargestellt) und andererseits an einem hülsenförmigen Bauteil 10 ab,
welches hierdurch an die Unterseite des Drosselkörpers 4 gedrückt wird.
Das hülsenförmige Bauteil
ist dabei von dem als Druckraum ausgebildeten Ringraum 8 umgeben.
Radial innerhalb des hülsenförmigen Bauteils 10 und
in axialer Richtung von dem Drosselkörper 4 und einer oberen
Stirnseite 11 der Düsennadel 7 begrenzt
befindet sich eine Steuerkammer 12, die über einen
Druckkanal 13 mit Zulaufdrossel 14 innerhalb des
Drosselkörpers 4 mit
einer Versorgungsleitung 15 verbunden ist, über die
Kraftstoff aus einem nicht gezeigten Hochdruck-Kraftstoffspeicher
zuströmen kann. Über einen
Ablaufkanal 16 mit Ablaufdrossel 17 innerhalb
des Drosselkörpers 4 kann
Kraftstoff aus der Steuerkammer 12 durch ein Steuerventil 18 in
einen Niederdruckraum 19 und von dort aus über einen
nicht dargestellten Rücklaufkanal
abströmen. Der
Kraftstoffdruck innerhalb des Niederdruckraums beträgt je nach
Betriebszustand etwa zwischen 0 und 10 bar, wohingegen über den
Versorgungskanal 15 Kraftstoff unter einem Druck zwischen
etwa 1800 und 2000 bar zufließt.
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Mittels
eines elektromagnetischen Aktuators 20, der einen Elektromagneten 21 und
eine axial relativ hierzu verstellbare Ankerplatte 22 umfasst,
kann das Steuerventil 18 von der dargestellten Schließposition
in eine Öffnungsposition
verstellt werden.
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Durch
die Vorspannfeder 9 und die Einwirkung des in der Steuerkammer 12 herrschenden Kraftstoffdruckes
auf die Stirnfläche 11 der
Düsennadel 7 wird
eine axial zum Brennraum hingerichtete Schließkraft auf die Düsennadel 7 ausgeübt. Diese Schließkraft wirkt
axial einer Öffnungskraft
entgegen, die infolge der Einwirkung des unter Hochdruck stehenden
Kraftstoffes auf eine an der Düsennadel 7, nicht
dargestellte Stufenfläche
ausgeübt
wird. Befindet sich das Steuerventil 18 in einer geschlossenen Stellung
und ist der Kraftstoffabfluss durch den Ablaufweg 22 gesperrt,
ist im stationären
Zustand die Schließkraft
größer als
die Öffnungskraft,
weshalb die Düsennadel 7 dann
ihre Schließstellung
einnimmt. Wird das Steuerventil 18 daraufhin geöffnet, fließt Kraftstoff
aus der Steuerkammer 12 über den Ablaufkanal 16 (Teil
des Kraftstoff-Ablaufweges) in den Niederdruckraum 19 ab.
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Die
Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 14 und der Ablaufdrossel 17 sind
dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Zufluss durch den Druckkanal 13 schwächer als
der Abfluss durch den Ablaufkanal 16 ist und demnach bei
geöffnetem Steuerventil 18 ein
Nettoabfluss von Kraftstoff resultiert. Der daraus resultierende
Druckabfall in der Steuerkammer 12 bewirkt, dass der Betrag
der Schließkraft
unter den Betrag der Öffnungskraft
sinkt und die Düsennadel 7 vom
Nadelsitz abhebt.
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Diese
allgemeine Funktionsbeschreibung des Injektors 1 betrifft
sämtliche
dargestellten Ausführungsbeispiele,
ggf. mit geringfügigen
Abwandlungen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 1a und 1b ist
die Ankerplatte 22 einstückig mit einer Ventilhülse 23 des
Steuerventils 18 ausgebildet, wobei die Ventilhülse 23 dichtend
mit einer in diesem Ausführungsbeispiel
teilkugelförmigen
Ventilsitzfläche 24 zusammenwirkt.
Die Ventilhülse 23 umschließt einen
langgestreckten (Führungs-)Bolzen 25,
der sich axial beabstandet von der Ventilsitzfläche 24 an dem Injektorkörper 2 abstützt. Der
Bolzen 25 wird durch den Kraftstoffdruck innerhalb der
Ventilhülse 25 gegen
den Ventilkörper 2 gedrückt und
leitet somit sämtliche
Axialkräfte
an den Injektorkörper 2 weiter,
so dass auf die Ventilhülse 23 nur
ein Kraftstoffdruck in radialer Richtung wirkt, wodurch das Steuerventil 18 in
axialer Richtung druckausgeglichen ist.
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Die
Ventilhülse 23 wird über die
teilkugelförmige
Ventilsitzfläche 24 zentriert
und führt über ihren Innenumfang
am Außenumfang
den Bolzen 25. Eine zusätzliche
Führung
ist im Bereich der Umfangswand 26 der Ankerplatte 22 vorgesehen.
Die Umfangswand 26 ist an einer Innenwand 27 einer
Aufnahmebohrung 28 innerhalb des Drosselkörpers 4 geführt. Es
existieren bei den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1a, 1b und 2 immer
zwei Führungen.
Im geschlossenen, drucklosen Zustand (Motor aus) des Steuerventils
sind dies der Ventilsitz und der Außendurchmesser der Ankerplatte.
Dabei wird der Bolzen durch den Anker ausgerichtet. Bei Druckbeaufschlagung
wird der Bolzen nach oben gedrückt und
sein oberes Ende nimmt aufgrund der Haftreibung eine feste Position
ein. Somit definiert in offenem Zustand das obere Ende des Bolzens
einen festen Punkt. Die Ausrichtung des Ankers erfolgt also über den
Bolzen mit seinem oberen festen Ende und weiterhin über den
Außendurchmesser
der Ankerplatte. Im offenen Zustand hat die Ventilhülse 23 kein Kontakt
mehr zum Ventilsitz, wodurch der Ventilsitz den Anker nicht mehr
zentrieren kann.
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Der
Elektromagnet 21 der Aktuators 20 ist in einer
Bohrung 29 des Injektorkörpers 2 aufgenommen
und wird über
ein Federelement 30, welches sich einerseits am Injektorkörper 2 und
andererseits an einer Stirnfläche
des Elektromagneten 21 abstützt, in Richtung der Ankerplatte 22 federbeaufschlagt.
Die Aufnahmebohrung 28 innerhalb des Drosselkörpers 4 ist
als Stufenbohrung ausgeführt, so
dass ein ringförmiger
Absatz 31 innerhalb der Aufnahmebohrung 28 entsteht,
auf dem sich der Elektromagnet 21 abstützt. Die Aufnahmebohrung 28 hat dabei
im Bereich in der Zeichnungsebene oberhalb des Absatzes 31 den
gleichen Durchmesser wie die Bohrung 29 innerhalb des Injektorkörpers 2.
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Innerhalb
des Elektromagneten 21 ist eine Durchgangsöffnung 32 vorgesehen,
die von dem Bolzen 25 durchsetzt ist. In der Durchgangsöffnung 32 ist
eine Ventilfeder 33 angeordnet, die sich einerseits auf
einem Einstellring 34 zur Einstellung der Ventilfederkraft
und andererseits auf der in der Zeichnungsebene oberen, dem Elektromagneten 21 zugewandten
Seite der Ankerplatte 22 abstützt, wodurch die Ankerplatte 22 auf
die Ventilsitzfläche 24 hin
federkraftbelastet wird.
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Bei
Bestromung des Elektromagneten 21 wirkt eine axiale Zugkraft
auf die Ankerplatte 22, die hierdurch bis zum Anschlag
an den Elektromagneten 21 angehoben wird, wodurch unter
Hochdruck stehender Kraftstoff aus der Steuerkammer 12 radial zwischen
Ventilsitzfläche 24 und
unterer Stirnfläche der
Ventilhülse 23 in
den Niederdruckraum 19 abfließen kann, der radial innerhalb
der Aufnahmebohrung 28 in dem Drosselkörper 4 gebildet ist
und die Ventilhülse 23 aufnimmt.
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Aus 1b,
die eine versetzte Schnittansicht des in 1a dargestellten
Injektors darstellt, ist ein Abschnitt der Versorgungsleitung 15 innerhalb des
Drosselkörpers 4 gezeigt,
der den als Druckraum ausgebildeten Ringraum 8 mit unter
Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt. Aus dem Ringraum 8 kann
dieser Kraftstoff aus der nicht dargestellten Düsenlochanordnung im Bereich
der Nadelspitze bei vom Nadelsitz abgehobener Düsennadel 7 abströmen.
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Von
Vorteil ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel, dass der Drosselkörper gleichzeitig
einen Ventilkörper
bildet und somit ein separates Bauteil eingespart werden kann. Gleichzeitig
werden Dichtflächen
eingespart und aufgrund der Abstützung
des Elektromagneten 21 innerhalb der Aufnahmebohrung 28 eine
hohe Genauigkeit der Konzentrizität zwischen Elektromagnet und
Ankerplatte 22 erreicht.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 entspricht
im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1a und 1b,
so dass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangenen wird. Bezüglich der
Gemeinsamkeiten wird auf die vorherige Beschreibung verwiesen. Im
Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1a ist
die Aufnahmebohrung 28 nicht als Stufenbohrung ausgebildet, so
dass sich der Elektromagnet 21 in axialer Richtung nicht
innerhalb der Aufnahmebohrung 28 abstützt. Als Abstützfläche für den Elektromagneten 21 dient
vielmehr die dem Elektromagneten 21 zugewandte ebene Oberfläche 36 des
Drosselkörpers 4.
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In
den 3a und 3b ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Injektors 1 dargestellt. Die Ankerplatte 22 und
die Ventilhülse 23 sind
als separate Bauteile ausgeführt.
Die Ankerplatte 22 ist durch eine einfache symmetrische
Scheibe ausgebildet. Dabei wird die Ankerplatte 22 von
der Ventilfeder 33, die in der zentrischen Durchgangsöffnung 32 des Elektromagneten 21 aufgenommen
ist, axial in Richtung auf einen Einstellring 36 federkraftbeaufschlagt, der
sich wiederum in axialer Richtung an der Ventilhülse 23 abstützt, die
hierdurch auf den flachkonischen Ventilsitz 24 gedrückt wird.
Ankerplatte 22, Einstellring 36, über dessen
Dickenwahl der Ankerplattenhub einstellbar ist, und Ventilhülse 23 werden von
dem Bolzen 25 durchsetzt, der sich am Injektorkörper 22,
genauer am Boden 37 der Bohrung 29 im Injektorkörper 2 abstützt. Im
Einstellring 36 ist eine konkave Ausnehmung 38 vorgesehen, über die
sich der Einstellring 36 und damit die Ankerplatte 22 an der
konvexen, zur Ausnehmung 38 formkongruenten Stirnfläche 39 der
Ventilhülse 23 abstützt.
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Über eine
Schraubenfeder 40, die sich einerseits am Boden 41 einer
Bohrung 42 im Drosselkörper 4 und
andererseits an einer Ringschulter 43 der Ventilhülse 23 abstützt, wird
die Ventilhülse 23 in Öffnungsrichtung
federkraftbeaufschlagt. Somit muss der elektromagnetische Aktuator 20 lediglich
die Differenz der Federkräfte,
der Ventilfeder 33 und der schwächeren Feder 40 überwinden.
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Die
Ankerplatte 22 ist innerhalb einer Haltehülse 44 aufgenommen,
die sich in axialer Richtung am Drosselkörper 4 abstützt. Durch
das Federelement 30 wird der Elektromagnet 21 auf
die Haltehülse 44 federkraftbeaufschlagt
und mitsamt der Haltehülse 44 auf
den Drosselkörper 4 gedrückt. Von
einem ringförmigen
Absatz 45 innerhalb der Haltehülse 44 wird eine Parallelfläche zu der
in der Zeichnungsebene unteren Oberfläche 46 der Ankerplatte 2 gebildet.
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Die
Lage der Ankerplatte 22 innerhalb der Haltehülse 44 sowie
unterhalb des Elektromagneten 21 ist in 3b im
Detail dargestellt. Zu erkennen ist, dass zwischen der Umfangswand 26 der
Ankerplatte 22 und der Innenwand 47 der Haltehülse 44 ein
Radialspalt 48 vorgesehen ist. Gleichzeitig ist bei exakt paralleler
Ausrichtung der Oberfläche 45 der
Ankerplatte 22 zu der Parallelfläche (Absatz 45) der
Haltehülse 44 ein
vollumfänglicher
Axialspalt 49 vorhanden. Gleichzeitig ist bei nicht bestromtem
Elektromagnet 21 ein axialer Hubspalt 50 zwischen
Elektromagnet 21 und Ankerplatte 22 vorgesehen.
Der untere Axialspalt 49 (Orientierungsspalt) wird dadurch
realisiert, dass der Einstellring 36 den Absatz 45 in
axialer Richtung leicht überragt.
Hierdurch wird sichergestellt, dass die Federkraft der Ventilfeder 33 in
die Ventilhülse 23 und
nicht in den Absatz 45 eingeleitet wird. Der Hubspalt 50 gewährleistet
eine freie Ausrichtung zwischen Elektromagnet 21 und Ankerplatte 22,
wohingegen die kugelgelenkförmige
Verbindung zwischen Ventilhülse 32 und
Einstellring 36 eine großflächige Kraftübertragung zwischen Ankerplatte 22 und
Ventilhülse 23 und
einen Ausgleich von Winkelfehlern ermöglicht.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 4a entspricht
im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 3a,
so dass bezüglich
der Gemeinsamkeiten auf die vorherige Beschreibung verwiesen wird.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3a ist
die Ventilsitzfläche 24 weniger stark
geneigt, wodurch die Ventilhülse 23 in
radialer Richtung leichter verrutschen kann. Um dies zu verhindern,
ist eine Führungshülse 51 vorgesehen,
die radial benachbart zu der Ventilsitzfläche 24 angeordnet
ist und die Ventilhülse 23 über einen
geringen axialen Abschnitt führt.
Die Führungshülse 51 wird
bei geschlossenem Ventil durch die Ventilhülse zentriert, welche wiederum
durch den Ventilsitz zentriert wird. Im geöffnetem Zustand behält die Führungshülse ihre
Position bei, da sie von der Schraubenfeder 40 in Richtung
Drosselkörper 4 federkraftbeaufschlagt und
somit in ihrer Position gehalten wird.
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Um
einen Kraftstoffabfluss von dem Ablaufkanal 16 über das
Innere 52 der Ventilhülse 23 in
den Niederdruckraum 19 zu ermöglichen, ist die Ventilhülse in einem
unteren Abschnitt, wie aus 4b ersichtlich
ist, mit drei um 120° zueinander
versetzten, in axialer Richtung verlaufenden Abflachungen 53 versehen,
durch die zwischen Führungshülse 51 und Ventilhülse 23 axiale
Kanäle 54 gebildet
werden, durch die Kraftstoff in den Niederdruckraum 19 strömen kann.
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In 4c ist
eine Abflachung 53 der Ventilhülse 23 in einer Seitenansicht
gezeigt.
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Zusätzlich oder
alternativ können
am Innenumfang des Führungsrings 21 in
axialer Richtung verlaufende Nuten 55 vorgesehen werden,
durch die der Kraftstoff in den Niederdruckraum 19 abfließen kann.
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In 5a ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Injektors 1 gezeigt.
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Im
Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Ventilfeder 33 nicht
innerhalb der Durchgangsöffnung 32 im
Elektromagneten 21 aufgenommen, wodurch die Durchgangsöffnung 32 einen
geringeren Querschnitt aufweisen kann, wodurch wiederum höhere Magnetkräfte bei gleicher
Baubreite des Elektromagneten 21 realisiert werden können.
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Die
Ankerplatte 22 ist wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1a einstückig mit
der Ventilhülse 23 ausgebildet.
Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1a ist
zwischen der Umfangswand 26 der Ankerplatte 22 und
der Umfangswand 56 einer Bohrung 57 innerhalb
eines Ventilkörpers 58 ein
Radialspiel vorgesehen. Der Ventilkörper 28 ist in axialer
Richtung zwischen dem Ventilkörper 2 und
dem Drosselkörper 4 angeordnet. Durch
den Ventilkörper 58 hindurch
verläuft
die Versorgungsleitung 15, die in einer Tasche 59 mündet, von
wo aus unter Hochdruck stehender Kraftstoff einerseits in dem als
Druckraum ausgebildeten Ringraum 8 und über den Zulaufkanal 14 mit
Zulaufdrossel 15 in die Steuerkammer 12 und von
dort aus über den
Ablaufkanal 16 mit Ablaufdrossel 17 in den Niederdruckraum 19 abströmen kann.
Von dort aus führt eine
nicht dargestellte Rücklaufleitung weiter
zu einem Vorratstank. Die Einheit aus Ankerplatte 22 und Ventilhülse 23 nimmt
einen zweistückig
ausgebildeten Bolzen 25 auf, wobei sich der Bolzen 25,
welcher ebenfalls den Elektromagneten 21 durchsetzt, am
Injektorkörper 2 abstützt. Ein
oberes Bolzenteil 60 weist dabei einen geringeren Querschnitt
auf, als ein axial benachbartes unteres Bolzenteil 61.
Das untere Bolzenteil 61 stützt sich über eine konvex-konkav Paarung 62 (eine
Art Kugelgelenk) am oberen Bolzenteil 60 ab, wodurch Winkelfehler
ausgeglichen werden können.
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Die
Ventilfeder 33, die die Ventilhülse 23 in Schließrichtung
federkraftbeaufschlagt, stützt
sich einerseits an einem Absatz 63 innerhalb des Ventilkörpers 58 und
andererseits an einem Führungsring 64 ab.
Der Führungsring 64 wiederum
stützt
sich an einem Sicherungsring 65 in axialer Richtung ab,
wobei der Sicherungsring 65 in einer Umfangsnut 66 im
Bereich des in der Zeichnungsebene unteren Endes der Ventilhülse 23 gehalten
ist. Die Ventilhülse 23 wirkt mit
einer als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitzfläche 24 zusammen. Die
Ventilhülse 23 richtet
sich durch die kurz oberhalb der Ventilsitzfläche 24 an der Ventilhülse 23 angreifenden
Ventilfederkraft automatisch parallel zur Oberfläche des Drosselkörpers 4 aus. Hierdurch
ist die Parallelität
im Axialspalt 50 zwischen Ankerplatte 22 und Elektromagnet 21 sichergestellt. Über den
Führungsring 64,
der als Einstellscheibe zur Einstellung der Federkraft der Ventilfeder 33 dient,
wird die Ventilhülse 23 an
der inneren Umfangswand 67 einer Ventilkörperbohrung 68 geführt. Eine
Führung
der gesamten Außenfläche der
Ventilhülse 23 ist
nicht notwendig. Hierdurch muss nur ein kleiner Bereich der inneren
Umfangswand 67 der Ventilkörperbohrung geschliffen werden.
Die Positionierung der Ventilhülse 23 über den
Füh rungsring 64 in
radialer Richtung muss nur so genau sein, dass der Radialspalt zwischen
Umfangswand der Ankerplatte 22 und Ventilkörper vollumfänglich vorhanden ist,
d.h. über
360°, um
Störkräfte und
Kippmomente auf die Ankerplatte 22 und damit auf die Ventilhülse 23 zu
vermeiden. Hierdurch können
die Führungsflächen an
der Ventilhülse 23 und
dem Führungsring 58 sowie
dem Innenumfang 67 mit relativ großen Toleranzen gefertigt werden.
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In 5b ist
in einer perspektivischen Ansicht die Einheit aus Ankerplatte 22 und
Ventilhülse 23 gezeigt,
wobei die Ventilhülse 23 über einen
Axialabschnitt von der als Schraubenfeder ausgebildeten Ventilfeder 33 umschlungen
wird, welche sich radial in der Zeichnungsebene nach unten an dem
Führungsring 64 und
dieser wiederum an dem Sicherungsring 65 abstützt. Zu
erkennen ist, dass sich der Sicherungsring 65 in der Umfangsnut 66 im
Bereich des unteren Endes der Ventilhülse 23 abstützt.