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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
DE 102 07 227 A1 beschreibt
einen Common-Rail-Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume
von Brennkraftmaschinen. Der bekannte Injektor weist ein zweiteiliges,
aus einer Steuerstange und einer Düsennadel bestehendes
Ventilelement auf. Die Steuerstange begrenzt mit einer stirnseitigen
Steuerfläche eine Steuerkammer, deren Steuerdruck mit Hilfe
eines Steuerventils variierbar ist. Mittels des Steuerventils kann
hierzu ein Kraftstoff-Abflussweg aus der Steuerkammer mit einem Niederdruck-
bzw. Rücklaufbereich des Injektors für Kraftstoff
verbunden werden. Bei geöffnetem Steuerventil sinkt der
Steuerdruck in der Steuerkammer, so dass das Ventilelement von seiner
Sitzfläche abgehoben wird und so den Kraftstofffluss aus
einem Druckraum des Injektors in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
freigibt. Die Steuerstange und die Düsennadel sind nicht
fest miteinander verbunden, sondern liegen in einem Kopplerraum
(Niederdruckraum) aneinander an. Der Kopplerraum ist dabei dauerhaft
mit einem Niederdruckbereich des Injektors verbunden. Innerhalb
des Kopplerraums weist das Ventilelement eine Durchmesserstufe auf, welche
bei dem bekannten Injektor dadurch realisiert ist, dass der Führungsdurchmesser
der Steuerstange größer ist als der Führungsdurchmesser
der Düsennadel. Hierdurch wirkt wegen des dauerhaften Anschlusses
des Kopplerraums an den Niederdruckbereich eine geringere Druckkraft
in Öffnungsrichtung auf die Steuerstange als in Schließrichtung,
so dass bei geschlossenen Steuerventil dauerhaft eine Schließkraft über
die Steuerstange auf die Düsennadel aufgebracht wird. Diese
hydraulische Schließkraft ermöglicht ein schnelles
Schließen des Ventilelements. Die zusätzlich vorhandene
Schließfeder dient lediglich dazu, um bei abgestelltem
Fahrzeug die Einspritzöffnungen durch die Düsennadel
zu schließen. Nachteilig bei dem bekannten Injektor ist,
dass aufgrund der großen Druckdifferenz von etwa 1800 bis 2000
bar zwischen den Druckräumen des Injektors und dem Kopplerraum
ständig Kraftstoff über die Führungsspalte
in letzteren einströmt und von dort aus dem Kraftstoffrücklauf
als Leckagemenge zugeleitet wird. Eine der Leckagemenge entsprechende Kraftstoffmenge
muss von einer Hochdruckpumpe ständig zusätzlich
gefördert werden, wodurch die hierauf entfallende Pumpenleistung
nicht zur Erzeugung höherer Einspritzdrücke genutzt
werden kann.
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Neben
den zuvor beschriebenen Injektoren mit dauerhafter Niederdruckstufe
existieren Injektoren, bei denen der Kopplerraum nicht an den Niederbereich
des Injektors angeschlossen ist. Vielmehr herrscht innerhalb des
Kopplerraums zumindest im Wesentlichen der gleiche Kraftstoffdruck
wie im Kraftstoff-Hochdruckspeicher. Der Vorteil einer derartigen
Konstruktion besteht darin, dass kein Kraftstoff-Leckagefluss durch
die Führungsspalte in den Kopplerraum auftritt. Als Leckagemenge
fließt somit nur die Steuermenge aus der Steuerkammer in
den Niederdruckbereich bzw. das Rücklaufsystem des Injektors
ab, was dazu führt, dass ein größerer
Leistungsanteil der Hochdruckpumpe zur Erzeugung höherer
Einspritzdrücke genutzt werden kann. Nachteilig bei derartigen
Injektoren ist jedoch, dass durch das Fehlen der Niederdruckstufe
im Kopplerraum nur geringe Düsennadelschließkräfte
zur Verfügung stehen, da, wenn das Ventilelement zweiteilig
ausgeführt wird, die Steuerstange bei gleichgroßen
Druckangriffsflächen im Steuerraum und im Kopplerraum druckausgeglichen
ist. Um ein schnelleres Schließen des Ventilelements zu
bewirken, wird daher in der Regel der Kraftstoffzufluss zu einem
die Düsennadelspitze mit Kraftstoff versorgenden Druckraum
gedrosselt, was jedoch unweigerlich zu einer Reduzierung des effektiven
Einspritzdruckes führt.
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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 eine hydraulische Schließkraft auf das Ventilelement
wirkt und gleichzeitig hohe Einspritzdrücke realisierbar 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 den 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, eine temporäre Niederdruckstufe
vorzusehen, also einen Kraftstoffraum, der nicht dauerhaft, sondern
lediglich zeitweise hydraulisch mit dem Niederdruckbereich des Injektors,
insbesondere ei nem Niederdruckraum oder einer Kraftstoff-Rücklaufleitung
verbunden ist. Hierdurch wird erreicht, dass nicht während
der gesamten Betriebszeit Niederdruck im Kraftstoffraum anliegt,
also nicht während der gesamten Betriebszeit eine hydraulische
Schließkraft auf das Ventilelement wirkt. Bevorzugt, jedoch
nicht zwingend, wird der Injektor so konstruiert, dass die Schließkraft
nur während der Schließphase wirkt. In den Phasen,
in denen im Kraftstoffraum Hochdruck anliegt, treten mit Vorteil
keine Leckageverluste in den Kraftstoffraum hinein und von dort
aus zu dem Rücklaufsystem auf. Hierdurch muss die den Kraftstoff-Hochdruckspeicher
versorgende Hochdruckpumpe nicht dauerhaft, sondern nur zeitweise
eine der Leckagemenge entsprechende Kraftstoffmenge zusätzlich
fördern, so dass insgesamt ein höherer Leistungsanteil
zur Erhöhung des effektiven Einspritzdruckes genutzt werden
kann. Aufgrund der Erfindung muss auf eine Niederdruckstufe bei
insgesamt weniger Leckageverlusten nicht verzichtet werden, so dass
schnellere Schließzeiten realisierbar sind. Mit Vorteil
kann auf eine zusätzliche Drosselung des bei geöffnetem
Ventilelement abströmenden Kraftstoffes verzichtet werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
Steuerventil, welches den Kraftstoffdruck (Steuerdruck) innerhalb
der Steuerkammer regelt, gleichzeitig zum Öffnen und/oder Schließen
des Verbindungskanals zwischen Kraftstoffraum (temporärer
Niederdruckraum) und Niederdruckbereich des Injektors verwendet
wird. Hierdurch kann auf ein separates, zusätzliches Ventil
verzichtet werden. Als besonders vorteilhaft ist es weiterhin zu bewerten,
dass der hydraulische Druck in dem Kraftstoffraum aufgrund der Verwendung
des Steuerventils zum Öffnen des Verbindungskanals zum
Zeitpunkt des Öffnens des Ventilelementes klar definiert ist,
da der Kraftstoffraum, sobald das Steuerventil geschaltet ist, mit
dem Niederdruckbereich verbunden ist. Es kann durch die Weiterbildung
auf einfache Weise sichergestellt werden, dass bei jedem Einspritzvorgang
definierte Druckverhältnisse herrschen, was für
die Zumessung einer genau vorgegebenen Einspritzmenge von Vorteil
ist.
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Bevorzugt
ist zum schnellen Schließen des Verbindungskanals, insbesondere
zusätzlich zu dem Steuerventil, ein Rückschlagventil
vorgesehen. Das Rückschlagventil, welches den Verbindungskanal
bei Druckbeaufschlagung unmittelbar schließt, bewirkt eine
zeitliche Verzögerung des Druckanstiegs im Kraftstoffraum,
da dieser bei geschlossenem Rückschlagventil über
den Verbindungskanal nicht wieder (schlagartig) aufgefüllt
werden kann. Bevorzugt erfolgt der Zufluss von Kraftstoff in den
Kraftstoffraum ausschließlich über an den Kraftstoffraum
angrenzende Führungs- und/oder Dichtspalte, so dass auf einen
eigens zu fertigenden Rückfüllkanal verzichtet werden
kann, jedoch nicht muss. Aufgrund der hydraulischen Speicherwirkung
des Kraftstoffvolumens innerhalb des Kraftstoffraumes verbleibt
der Kraftstoffdruck innerhalb des Kraftstoffraumes, bei jedoch ansteigender
Tendenz, auf vergleichsweise niedrigem Druckniveau, wodurch während
der Schließphase des Ventilelements eine hydraulische Schließkraft aufrechterhalten
werden kann.
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Es
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Steuerventil und
das Rückschlagventil einen Ventilraum begrenzen, in den
eine Ablaufdrossel aus der Steuerkammer mündet. Zusätzlich
kann in diesen Ventilraum auch eine mit einem Druckraum verbundene
Fülldrossel münden, die bei rückbefülltem
Ventilraum die Steuerkammer über die Ablaufdrossel zusätzlich
zu einer in diesen mündenden Zulaufdrossel rückbefüllt,
wodurch wiederum schnellere Schaltzeiten realisiert werden können.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Fülldrossel
kann bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Steuerventils als 3/2-Wege-Ventil
eine, vorzugsweise drosselfreie, Rückfüllleitung
zur Rückbefüllung des Ventilraums vorgesehen werden.
Durch das Vorsehen des Ventilraums, der in der Regel Teil des Verbindungskanals zwischen
Kraftstoffraum und Niederdruckbereich ist, wird erreicht, dass das
Rückschlagventil, unmittelbar nach Schließen des
Steuerventils durch den in den Ventilraum durch die Ablaufdrossel
und gegebenenfalls zusätzlich durch die Zulaufdrossel oder
die Rücklaufleitung strömenden Kraftstoff geschlossen wird,
wodurch ein schlagartiger Druckanstieg im Kraftstoffraum und eine
damit verbundene schlagartige Aufhebung der auf das Ventilelement
wirkenden hydraulischen Schließkraft verhindert wird.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
Ventilraum derart angeordnet ist, dass er teilweise von dem Ventilelement
begrenzt ist, so dass an dem Ventilelement eine zusätzliche Steuerfläche
gebildet ist, also über den Druck innerhalb des Ventilraums
zusätzlich Einfluss auf die auf das Ventilelement wirkenden
hydraulischen Kräfte genommen werden kann.
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Bevorzugt
ist die Steuerfläche derart bemessen, dass diese während
des Öffnungsvorgangs des Ventilelementes die aufgrund des
Vorsehens der Durchmesserstufe innerhalb des Kraftraumes auf das
Ventilelement wirkenden Schließkräfte kompensiert
oder zumindest verringert, so dass die Öffnungsbewegung
nicht gebremst wird. Bevorzugt entspricht die Größe
der Steuerfläche der resultierenden wirksamen Druckangriffsfläche
des Ventilelementes innerhalb des Kraftstoffraums.
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Aus
fertigungstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, das Ventilelement
mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig auszubilden, wobei die beiden
Teilelemente (Steuerstange und Düsennadel) innerhalb des Kraftstoffraumes
hydraulisch gekoppelt sind. Bei einer mehrteiligen Ausbildung des
Ventilelementes dient der Kraftstoffraum daher nicht ausschließlich als
temporärer Niederdruckraum, sondern gleichzeitig als hydraulischer
Kopplerraum. Die Durchmesserstufe ist dabei bevorzugt zwischen den
beiden Ventilelementteilen realisiert. Anstelle einer mehrteiligen Ausbildung
des Ventilelements ist auch eine einteilige Ausbildung denkbar,
bei der die Durchmesserstufe im Bereich des temporären
Niederdruckraums realisiert ist.
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Zweckmäßigerweise
ist der Verbindungskanal in axialer Richtung durch das Ventilelement,
bei einer zweiteiligen Ausführung durch die Steuerstange
hindurch geführt, wobei bevorzugt ein zusätzlicher Radialkanal
zur Anbindung des axialen Abschnitts des Verbindungskanals an das
Kraftraumvolumen vorgesehen ist.
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Eine
einfache Möglichkeit zur Ausbildung des Kraftstoffraumes
besteht in dem Vorsehen einer federkraftbeaufschlagten Hülse,
wobei die Hülse bevorzugt auf dem Düsenkörper
in radialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. Um Winkelfehler
zwischen der Steuerstange und der Düsennadel zu vermeiden,
ist in diesem Fall bevorzugt vorgesehen, die Steuerstange in einer
Bohrung des Düsenkörpers zu führen.
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Das
Steuerventil kann sowohl als 2/2- oder als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet
werden. Eine Ausbildung als 3/2-Wege-Ventil ermöglicht
auf einfache Weise das Vorsehen eines verschließbaren Rückfüllkanals
zum Auffüllen des von dem Rückschlagventil und
dem Steuerventil begrenzten Ventilraums.
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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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1:
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem
Common-Rail-Injektor,
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2:
eine schematisierte und teilweise geschnittene Darstellung einer
ersten Ausführungsform eines Injektors, bei dem das Steuerventil
als 2/2-Wege-Ventils ausgebildet ist,
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3:
eine Darstellung ähnlich 2 einer zweiten
Ausführungsform eines Injektors mit als 3/2-Wege-Ventil
ausgebildetem Steuerventil und
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4:
eine Darstellung ähnlich 2 einer dritten
Ausführungsform eines Injektors, bei dem das Ventilelement
eine zusätzliche Steuerfläche innerhalb eines
Ventilraumes aufweist.
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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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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine 1 zum Antrieb eines nicht gezeigten
Kraftfahrzeuges dargestellt. Eine Hochdruckfördereinrichtung 2 fördert Kraftstoff
aus einem Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 in einen
Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 (Rail). In diesem ist Kraftstoff,
insbesondere Diesel oder Benzin, unter hohem Druck, von in diesem
Ausführungsbeispiel etwa 2000 bar, gespeichert. An den
Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 sind mehrere Injektoren 5 über
jeweils eine Versorgungsleitung 6 angeschlossen, die den
Kraftstoff direkt in die ihnen zugeordneten Brennräume 7 einspritzen.
Die Injektoren 5 sind über eine Rückflussleitung 8 an
den Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 angeschlossen.
Dabei ist die Rücklaufleitung mit einem Niederdruckbereich
des Injektors 5 verbunden, so dass über die Rückflussleitung 8 Leckageverluste sowie
eine später noch zu erläuternde Steuermenge an
Kraftstoff von dem Injektor zu dem Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 abfließen
kann.
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Die
Injektoren 5 können beispielsweise gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel wie in 2 dargestellt,
ausgeführt sein. In 2 ist im
in der Zeichnungsebene oberen Bereich schematisch die Rückflussleitung 8 gezeigt,
die mit einem Niederdruckbereich 9 des Injektors 5 verbunden
ist und die zu dem in 1 gezeigten Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 führt.
Weiterhin ist die Versorgungsleitung 6 gezeigt, die einen
Druckraum 10 des Injektors 5 mit dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 hydraulisch
verbindet.
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Der
Injektor 5 weist einen Injektorkörper 11, einen
Düsenkörper 12 und einem Bauteil 13 auf.
Eine aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte
Düsenspannmutter, die von dem Düsenkörper 12 im montierten
Zustand in axialer Richtung durchsetzt wird, ist mit dem Injektorkörper 11 verschraubbar
und verspannt somit den Düsenkörper 12 gegen
den Injektorkörper 11. Der über die Versorgungsleitung 6 mit
unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgte Druckraum 10 ist
innerhalb einer Stufenbohrung 14 im Injektorkörper 11 ausgebildet.
Im Druckraum 10 sowie in einer Führungsbohrung 15 innerhalb
des Düsenkörpers 12 ist ein zweiteiliges
Ventilelement 16 angeordnet, das in axialer Richtung längsverschieblich
geführt ist. Das Ventilelement 16 besteht aus
einer brennraumseitigen Düsennadel 17 und einer
axial benachbarten Steuerstange 18. An einer Nadelspitze 19 weist
die Düsennadel 15 eine Schließfläche 20 auf,
mit welcher sie in dichte Anlage an einen innerhalb des Düsenkörpers 12 ausgebildeten
Nadelsitz 21 bringbar ist.
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Wenn
die Düsennadel 17 am Nadelsitz 21 anliegt,
d. h. sich in einer Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt
aus einer Düsenlochanordnung 22 gesperrt. Ist
sie dagegen vom Nadelsitz 21 angehoben, kann Kraftstoff
aus einem zwischen der Düsennadel 17 und dem Düsenkörper 12 ausgebildeten Ringraum 23 an
dem Nadelsitz 21 vorbei zur Düsenlochanordnung 22 strömen
und dort im Wesentlichen unter dem Hochdruck (Rail-Druck) stehend
in den in 1 schematisch dargestellten
Brennraum 7 gespritzt werden. Der Ringraum 23 ist
mit axialem Abstand zu der Düsenlochanordnung 22 radial
verbreitert, wobei der radial verbreiterte Abschnitt 24 über eine
drosselfreie Verbindungsleitung 25 mit dem Druckraum 10 dauerhaft
hydraulisch verbunden ist, wodurch der verbreiterte Abschnitt 24 des
Ringraums 23 mit Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 versorgt
wird.
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Die
Steuerstange 18 und damit die Düsennadel 15 sind
durch eine Vorspannfeder 26, die innerhalb des Druckraums 10 angeordnet
ist, in Richtung auf ihre Schließstellung vorgespannt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des
Injektors 5 hat die Vorspannfeder 26 im Wesentlichen
nur noch die Funktion, die Düsenlochanordnung 22 bei
abgestelltem Fahrzeug dicht zu halten.
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Die
Vorspannfeder 26 stützt sich einends an einem
Umfangsbund 27 der Steuerstange 18 und anderenends
an einer Hülse 28 in axialer Richtung ab. Die
Hülse 28 wird somit gegen den Bauteil 13 vorgespannt.
In der Hülse 28 ist das Ventilelement 16 bzw. dessen
Steuerstange 18 axial verschieblich geführt. Von
der Hülse 28, der Stirnseite 29 der Steuerstange 18 und
von dem Bauteil 13 wird eine Steuerkammer 30 begrenzt.
Die Steuerkammer 30 wird über einen Zulaufkanal 31 mit
Zulaufdrossel 32 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
aus dem Druckraum 10 versorgt. Die Steuerkammer 30 ist über
einen in dem Bauteil 13 angeordneten Ablaufkanal 34 mit
Ablaufdrossel 35 hydraulisch mit einem ebenfalls innerhalb des
Bauteils 13 angeordneten Ventilraum 33 verbunden.
In diesen Ventilraum 33 mündet weiterhin ein Füllkanal 36 mit
Fülldrossel 37, über den der Ventilraum 33 und
damit über den Ablaufkanal 34 die Steuerkammer 30 zusätzlich
rückbefüllt wird, um ein schnelleres Schließverhalten
des Ventilelementes 16 zu realisieren. Auf den Füllkanal 36 mit
Fülldrossel 37 kann gegebenenfalls auch verzichtet
werden.
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Am
in der Zeichnungsebene oberen Ende des Ventilraumes 33 ist
ein als 2/2-Wege-Ventil ausgebildetes Steuerventil 38 angeordnet.
Das Steuerventil 38 weist einen Ventilkörper 39 auf,
der mit einer Ankerplatte 40 eines elektromagnetischen
Aktuators 41 wirkverbunden ist. Die Ankerplatte 40 mit
Ventilkörper 39 wird über eine Schraubenfeder 42,
in an sich bekannter Weise gegen einen am Bauteil 13 vorgesehenen
Ventilsitz 43 federkraftbeaufschlagt. Über eine
Elektromagnetanordnung 44 kann die Ankerplatte 40 mit
Ventilkörper 39 in axialer Richtung vom Ventilsitz 43 abgehoben
werden, so dass Kraftstoff aus dem Ventilraum 33 und somit über
den Ablaufkanal 34 aus der Steuerkammer 30 in
den Niederdruckbereich 9, insbesondere den die Ankerplatte 40 umgebenden
Niederdruckraum 45, abströmen kann. Von dort aus
gelangt der Kraftstoff über die Rückflussleitung 8 zu
dem Kraft-Vorratsbehälter 3. Die Durchflussquerschnitte
der Zulaufdrossel 32 und der Ablaufdrossel 35 sind
dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Zufluss durch den Zulaufkanal 31 schwächer
als der Abfluss durch den Ablaufkanal 34 ist und demnach
bei geöffnetem Steuerventil 38 einen Nettoabfluss
von Kraftstoff resultiert. Der daraus folgende Druckabfall in der
Steuerkammer 30 bewirkt, dass der Betrag der auf das Ventilelement 16 wirkenden
Schließkraft unter den Betrag der Öffnungskraft
sinkt und somit das Ventilelement 16, insbesondere die
Düsennadel 17 vom Nadelsitz 21 abhebt.
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Damit überhaupt
eine hydraulische Schließkraft auf das Ventilelement 16 bei
geschlossenem Steuerventil 18 und geöffneter Düsennadel
wirkt, muss die in Schließrichtung mit Kraftstoff-Hochdruck beaufschlagte
Fläche des Ventilelementes 16 größer sein,
als die in Öffnungsrichtung mit Kraftstoff-Hochdruck beaufschlagte
Fläche. Aus diesem Grund ist ein Kraftstoffraum 46 (temporärer
Niederdruckraum) vorgesehen. Der Kraftstoffraum 46 umschließt
die Steuerstange 18 vollumfänglich und ist in
radialer Richtung von einer Hülse 47 begrenzt,
die von einer Druckfeder 48 auf den Düsenkörper 12 federkraftbeaufschlagt
wird. Hierzu stützt sich die Druckfeder 48 einerseits
an einer in der Zeichnungsebene oberen ringförmigen Stirnfläche 49 der
Hülse 47 und andererseits an einer Ringschulter 50 der
Stufenbohrung 14 ab. Der Kraftstoffraum 46 ist über
einen axialen Verbindungskanal 51, der in seinem unteren
Bereich radial verzweigt ist, hydraulisch mit dem Niederdruckbereich 9 verbindbar.
Hierzu ist der Verbindungskanal 51 in axialer Richtung,
zentrisch durch die Steuerstange 18 geführt und
setzt sich weiter in dem Bauteil 13 fort. Teil des Verbindungskanals 51 ist
der Ventilraum 33. Innerhalb des Verbindungskanals 51 ist ein
Rückschlagventil angeordnet, das in geschlossener Position
den Verbindungskanal 51 sperrt. Das Rückschlagventil 52 ist
innerhalb des Bauteils 13 angeordnet und besteht aus einer
Ventilkugel 53, die von einer Schraubenfeder 54 auf
einen Ventilsitz 55 gedrückt wird. Das Rückschlagventil 52 begrenzt
dabei den Ventilraum 33, der sich zwischen dem Rückschlagventil 52 und
dem Ventilkörper 39 des Steuerventils 38 erstreckt.
Wird nun das Steuerventil 38 geöffnet, also der
Ventilkörper 39 durch Bestromung der Elektromagnetanordnung 44 von
seinem Ventilsitz 43 abgehoben, kann unter Hochdruck stehender Kraftstoff
aus dem Kraftstoffraum 46, der somit zu einem Niederdruckraum
wird, in den Niederdruckbereich 9, genauer den Niederdruckraum 45 und
von dort aus zur Rückflussleitung 8 abströmen.
Es herrscht somit schlagartig Niederdruck, der geringer ist als
der Druck im Steuerraum 30. Bei diesem Ausführungsbeispiel
beträgt der Niederdruck je nach Betriebszustand bevorzugt
etwa zwischen 0 und 10 bar. Durch die Druckabsenkung im Kraftstoffraum 46 sinkt auch
der Druck in Öffnungsrichtung auf eine kreisringförmige
Druckangriffsfläche 56 an der Steuerstange 18.
Anders ausgedrückt, wird die in Öffnungsrichtung
mit Hochdruck beaufschlagte Fläche des Ventilelements 16 um
die Druckangriffsfläche 56 reduziert. Die Druckangriffsfläche 56 ist
durch eine Durchmesserstufe gebildet und ist kleiner bemessen als
die Stirnfläche 19 des Ventilelementes 16 innerhalb
der Steuerkammer 30. Der Durchmesser D1 der Steuerstange 18 innerhalb
der den Kraftstoffraum 46 begrenzenden Hülse 47 ist
größer als der Durchmesser D2 der Steuerstange 18 in
der Führungsbohrung 15 innerhalb des Düsenkörpers 12.
Weiterhin entspricht der Durchmesser D2 der Steuerstange 18 innerhalb
der Bohrung 15 dem Durchmesser D3 der Düsennadel 17 in
ihrem in der Zeichnungsebene oberen Bereich in der Führungsbohrung 15.
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Dadurch,
dass bei geöffneten Steuerventil 38 gleichzeitig
Kraftstoff aus der Steuerkammer 30 über den Ablaufkanal 34 in
dem Niederdruckbereich 39 abströmen kann, sinkt
der auf die kreisringförmige Stirnfläche 29 der
Steuerstange 18 wirkende Druck in Schließrichtung.
Da auf eine konische Druckangriffsfläche 58 innerhalb
des verbreiterten Absatzes 54 des unter Hochdruck stehenden
Ringraums 23 weiterhin ein Kraftstoffdruck in Öffnungsrichtung
wirkt, resultiert hieraus eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft
auf die Düsennadel 17, die somit vom Nadelsitz 21 abhebt
und dabei auch die Steuerstange 18 in Richtung Steuerkammer 30 drückt.
Bei dieser axialen Bewegung der Steuerstange 18 ist diese
an einem zylindrischen Abschnitt 59 des Bauteils 13 geführt, der
sich in axialer Richtung in eine Bohrung 60, die Teil des
Verbindungskanals 51 ist, hineinerstreckt.
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Wird
nun das Steuerventil 38 wieder geschlossen, strömt
unmittelbar über den Füllkanal 36 unter
Hochdruck stehender Kraftstoff in den Ventilraum 33, was
ein sofortiges Schließen des Rückschlagventils 52 bewirkt. Über
den Füllkanal 36 und den Zulaufkanal 31 wird
die Steuerkammer 30 rückbefüllt, wodurch
der auf die Stirnfläche 29 wirkende Steuerdruck
ansteigt. Da das geschlossene Rückschlagventil 52 einen
schlagartigen Druckanstieg im Kraftstoffraum 46 verhindert,
besteht eine hohe Druckdifferenz zwischen Kraftstoffraum 46 und
Steuerkammer 30. Hierdurch ist die Summe der in Öffnungsrichtung
mit Hochdruck beaufschlagten Fläche kleiner als die Stirnfläche 29,
so dass eine Kraft in Schließrichtung auf das Steuerelement 16 resultiert. Während
der Schließbewegung steigt der Druck innerhalb des Kraftstoffraumes 56 aufgrund
nicht zu vermeidender (gewollter) Undichtigkeiten wieder an, wodurch
nach dem Schließvorgang Druckgleichheit zwischen Druckraum 10,
Kraftstoffraum 46 und Ringraum 23 herrscht. Bei
hergestellter Druckgleichheit treten keine Leckageverluste aus dem
Kraftstoffraum 46 in den Niederdruckbereich 9 auf.
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Im
Folgenden wird das Ausführungsbeispiel gemäß 3 erläutert.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird lediglich auf die Unterschiede
zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
eingegangen. Bezüglich der Gemeinsamkeiten wird auf die
vorherige Figurenbeschreibung verwiesen.
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Das
Steuerventil 38 gemäß 3 ist
im Gegensatz zu dem Steuerventil gemäß 2 als 3/2-Wege-Ventil
ausgebildet. Hierdurch kann auf einen Füllkanal mit Fülldrossel verzichtet
werden. In der Position, in der das Steuerventil 38 den
Abfluss in den Niederdruckbereich 9 sperrt, wird von diesem eine
Füllleitung 57 geöffnet, über
die der Ventilraum 33 unmittelbar hydraulisch und der Versorgungsleitung 6 verbunden
wird, was die Rückbefüllung des Ventilraums 33 und
damit der Steuerkammer 30 wesentlich beschleunigt.
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Der
Ventilkörper 39 des Steuerventils 38 ist als
fest mit der Ankerplatte 44 verbundene Hülse ausgeführt, über
die sowohl der Kraftstoffraum 46 als auch die Steuerkammer 30 mit
dem Niederdruckbereich 9 verbunden werden können.
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Im
Folgenden wird das Ausführungsbeispiel gemäß 4 näher
erläutert. Die Ausführungsform gemäß 4 entspricht
im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 2,
so dass im Folgenden nur auf die hierzu bestehenden Unterschiede
eingegangen wird. Das Rückschlagventil 52 bzw.
dessen Ventilkugel 53 stützt sich nicht innerhalb
des Bauteils 13 ab, sondern an der Steuerstange 18 des
Ventilelements 16.
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Der
Ventilsitz 55 des Rückschlagventils 52 ist hierzu
an der Steuerstange 18 ausgebildet. Dies hat zur Folge,
dass sich der Ventilraum 33 in die Steuerstange 18 hineinerstreckt,
wodurch eine zusätzliche Steuerfläche 61 an
der Stirnseite der Steuerstange 18 des Ventilelementes 16 innerhalb
des Steuerraums 33 ausgebildet wird. Während der Öffnungsphase
ist sowohl der Ventilraum 33 als auch der Kraftstoffraum 46 auf
Niederdruck gesetzt. Hierdurch wird die Druckangriffsfläche 56 (Wirkfläche
der Druckstufe D1 minus D2) um die Steuerfläche 61 verringert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fläche 61 gleich
groß wie die Druckfläche 56, so dass
in der Öffnungsphase des Ventilelements 16 keine
hydraulische Schließkraft auf das Ventilelement 16 wirkt.
Wird das Steuerventil 38 geschlossen, wird der Ventilraum 33 mit
Hochdruck beaufschlagt, während der Kraftstoffraum 46 noch
eine Zeit lang auf niedrigerem Druck verbleibt, so dass während des
Schließvorgangs insgesamt eine Schließkraft resultiert.
Die durch den Kraftstoffraum 46 realisierte temporäre
Niederdruckstufe trägt somit zu einem schnelleren Nadelschließen
bei, während in der Öffnungsphase die schließende
Kraft kompensiert wird, was eine verbesserte Abstimmbarkeit des
Injektors 5 und ein schnelleres Nadelschließen
zur Folge hat. Ein weiterer Vorteil ist in der einfacheren Montagemöglichkeit
des Rückschlagventils 52 zu sehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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