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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Die
DE 102 07 227 A1 beschreibt
einen Common-Rail-Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräumen
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 Steuerventil 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 in
den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigibt. Die Steuerstange
und die Düsennadel sind nicht fest miteinander verbunden,
sondern liegen in einem Kopplerraum aneinander an. Der Kopplerraum
ist dabei dauerhaft mit dem Niederdruckbereich des Injektors verbunden und
ortsfest innerhalb des Injektorkörpers angeordnet. Innerhalb
des Kopplerraumes 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 wird wegen des dauerhaften Anschlusses des Kopplerraumes
an den Niederdruckbereich eine geringere Druckkraft in Öffnungsrichtung
auf die Steuerstange als in Schließrichtung, so dass bei
geschlossenem Steuerventil dauerhaft eine hydraulische Schließkraft über
die Steuerstange auf die Düsennadel aufgebracht wird. Diese
hydraulische Schließkraft ermöglicht ein schnelles
Schließen des Ventilelementes. 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 den 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 sogenannte leckagefreie Injektoren, bei denen auf eine dauerhaft
mit dem Niederdruckbereich verbundene Niederdruckstufe verzichtet
wurde. Hierdurch werden Leckageverluste mit Vorteil vermieden. Leckagefreie
Injektoren werden üblicherweise mit einem einteiligen,
im Hochdruck schwimmenden Ventilelement ausgeführt. Aufgrund
der fehlenden Niederdruckstufe können die zweiteiligen
Ventilelemente (bestehend aus Steuerstange und Düsennadel),
die bei Injektoren mit Niederdruckstufe zum Einsatz kommen, nicht mehr
verwendet werden. Eine Umstellung der Fertigungslinien auf einteilige
Ventilelemente ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. Zudem haben
mehrteilige Ventilelemente gegenüber einteiligen Ventilelementen
den Vorteil, dass das Material der entsprechenden Ventilelementteile
auf die lokalen Anforderungen im Injektor angepasst werden kann.
So ist es beispielsweise möglich, die Düsennadel
aus einem härteren Material auszubilden, als die Steuerstange, um
einen Verschleiß im Bereich des Düsennadelsitzes
zu minimieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Injektor, insbesondere
einen leckagefreien Common-Rail-Injektor (ohne Niederdruckstufe)
vorzuschlagen, der mit einem mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen
Ventilelement ausgestattet ist, wobei die Kopplung der Ventilelementteile
konstruktiv einfach gelöst sein soll.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren angegebenen Merkmale.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Steuerstange und eine
Düsennadel des Ventilelementes nicht über einen
ortsfesten Koppler miteinander zu koppeln, sondern den Koppler in
axialer Richtung zusammen mit dem Ventilelement verstellbar auszubilden
und die Axialbewegung des Kopplers innerhalb eines Druckraum des
Injektors mittels eines Anschlages zu begrenzen. Bevorzugt handelt es
sich bei einem derart ausgebildeten Injektor um einen leckagefreien
Injektor ohne Niederdruckstufe, bei dem der die Ventilelemente hydraulisch
miteinander koppelnde Koppler axial verstellbar in einen Druckraum
des Injektors aufgenommen werden kann, ohne die Konstruktion des
Injektors (wesentlich) zu verändern. Hierdurch ist es möglich,
auch bei einem leckagefreien Injektor die bisher eingesetzten mehrteiligen
Ventilelemente auf einfache Weise zu implementieren. Ein wesentlicher
Vorteil des Vorsehens eines mehrteiligen Ventilelementes auch bei
einem leckagefreien Injektor besteht darin, dass Fertigungstoleranzen
mittels einer Distanzscheibe (Pille) korrigiert und somit systematische
Mengenfehler beim Kennfeldabgleich beseitigt werden können. Diese
wichtige Korrekturmöglichkeit ist bei einem einteiligen
Ventilelement nicht gegeben. Die hydraulische Kopplung der Ventilelemente
in Hubrichtung beruht darauf, dass durch eine schnelle Hubbewegung der
Steuerstange der Druck innerhalb des Kopplers schlagartig absinkt
und somit die Düsennadel in Hubrichtung angesaugt und daher
mitgenommen wird.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die Steuerstange trotz der axialen
Verstellbarkeit des Kopplers relativ zu dem Koppler in axialer Richtung verstellbar
ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Steuerstange
nach dem Anschlagen des Kopplers an dem ihm zugeordneten Anschlag
weiter in Hubrichtung bewegt werden kann, wodurch eine nicht zu
vermeidende Leckage durch Führungsspalte in den von dem
Koppler begrenzten Kopplerraum hinein kompensiert werden können.
Gleichzeitig sinkt durch diese Relativbewegung der Druck im Kopplerraum.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird die axiale Verstellbarkeit der
Steuerstange relativ zu dem Koppler dahingehend ausgenutzt, um Leckageverluste
zwischen Düsennadel und Kopplerraum zu vermeiden. Dies
wird dadurch erreicht, dass die Düsennadel eine erste Dichtfläche
aufweist, die mit einer zweiten Dichtfläche des Kopplers
dichtend zusammenwirkt, insbesondere dann, wenn der Koppler bereits
an dem Anschlag (nach vollführter Hubbewegung) anliegt
und die Steuerstange sich weiter in Hubrichtung bewegt. Aufgrund
dieser weiteren Hubbewegung der Steuerstange wird die Düsennadel
mit ihrer ersten Dichtfläche gegen die zweite Dichtfläche des
Kopplers gesaugt und liegt dort zumindest weitgehend dicht an. Ferner
wird durch diese Maßnahme ein konstanter Düsennadelhub
realisiert, da die Hubstrecke der Düsennadel durch Anlage
an dem an dem Anschlag anliegenden Koppler definiert begrenzt ist.
Zusätzlich bremst die dichtend an dem Koppler anliegende
Düsennadel die Hubbewegung der Steuerstange, wodurch ein
Weglaufen der oberen Steuerstange in Hubrichtung vermieden wird.
Unter Dichtflächen im Rahmen der Erfindung werden auch
Dichtkanten verstanden. Bevorzugt handelt es sich jedoch um plane
Dichtflächen. Durch das Vorsehen des Düsennadelanschlages
an dem Koppler werden Shot-Shot-Streuungen mit Vorteil vermieden.
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Eine
konstruktiv besonders vorteilhafte Lösung wird erhalten,
wenn der Koppler als hülsenförmiges Bauteil ausgebildet
ist, wobei zwischen Steuerstange und Koppler ein Führungsspalt
gebildet ist, der eine Relativbewegung zwischen Steuerstange und
Kopplerhülse ermöglicht. Mit Vorteil umschließt die
Hülse die Steuerstange vollumfänglich und ist
axial verschieblich in einem Druckraum des Injektors aufgenommen.
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Um
die bei einer Hubbewegung in den von dem Koppler umschlossenen Kopplerraum
eingedrungene Leckagemenge bei einer Schließbewegung des
Ventilelementes wieder herauszudrücken, ist in Weiterbildung
der Erfindung ein entsprechender Auslassspalt zwischen dem Koppler
und der Düsennadel vorgesehen, wodurch die Steuerstange
bei ihrer Schließbewegung den überflüssigen
Kraftstoff aus dem Aus lassspalt herausdrückt. Bevorzugt
ist die Querschnittsfläche des Auslassspaltes größer bemessen
als die des Führungsspaltes zwischen Steuerstange und Koppler,
um ein schnelles Entweichen der in den Kopplerraum eingedrungenen
Leckagemenge zu ermöglichen und gleichzeitig die Leckagemenge
in den Koppler hinein bei einer Hubbewegung des Ventilelements durch
den Führungsspalt zu minimieren. Bei der Hubbewegung wird
ein Eindringen von Kraftstoff in den Koppler durch den Auslassspalt
hindurch aufgrund der dichtend an den Koppler anliegenden Düsennadel
vermieden. Bevorzugt ist die Schließbewegung der Steuerstange durch
einen entsprechenden Anschlag am bzw. im Koppler begrenzt. Durch
das Herausdrücken des überflüssigen Kraftstoffes
aus dem Kopplerraum wird eine schleichende Befüllung des
Kopplers während des Betriebs vermieden, wodurch für
jeden Einspritzvorgang die gleichen Startbedingungen geschaffen werden.
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Eine
Möglichkeit zur Bildung des Auslassspaltes besteht darin,
einen Führungsspalt zwischen Düsennadel und Koppler
(Hülse) als Auslassspalt zu verwenden. Da der Auslassspalt
eine größere Querschnittsfläche als der
Führungsspalt bzw. Einlassspalt zwischen Steuerstange und
Koppler haben sollte, können hohe Fertigungstoleranzen
an der Schnittstelle Düsennadel/Koppler zugelassen werden,
was die Fertigung sowie die Montage wesentlich erleichtert. Die
Funktionalität des Kopplers wird auch bei großem
Auslassspalt nicht gefährdet, wenn entsprechende, insbesondere
in radialer Richtung verlaufende Dichtflächen zwischen
Koppler und Düsennadel vorgesehen sind.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Ausbildung des Auslassspaltes besteht
darin, den Auslassspalt als in im Wesentlichen radialer Richtung
verlaufenden Spalt durch Abheben des Kopplers von der Düsennadel
zu bilden, wobei der Koppler hierzu von dem aus ihm in Richtung
Druckraum ausströmenden Kraftstoff entgegen der Kraft einer
Feder von der Düsennadel abgehoben wird. Während
der Hubbewegung liegt die Düsennadel jedoch, insbesondere
plan, an dem Koppler an. Eine Radialführung der Düsennadel
an den Koppler ist dabei nicht zwingend notwendig, wodurch auf einfache
Weise fertigungsbedingter Axialversatz der Injektorbauelemente ausgeglichen
werden kann.
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Bei
der Auslegung der Feder ist mit Vorteil darauf zu achten, die Feder
derart stark auszubilden, dass der Koppler ausreichend stark in
Richtung der Düsennadel federkraftbeaufschlagt ist, um
ein Lösen der hydraulischen Verbindung zwischen Koppler
und Düsennadel bzw. zwischen Düsennadel und Steuerstange
während einer Hubbewegung zu vermeiden.
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Bevorzugt
bildet die den Koppler in Richtung Düsennadel federkraftbeaufschlagende
Feder die Schließfeder des Injektors, die zum einen die
Aufgabe hat, den Kraftstofffluss in Richtung des Brennraums bei
abgestelltem Motor zu unterbinden und mittels der eine, insbesondere
bei niedrigen Drehzahlen, d. h. niedrigen Raildrücken,
relevante Schließkraft auf die Düsennadel in Richtung
des Düsennadelsitzes ausgeübt wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist eine Steuerhülse vorgesehen,
die einen oberen Abschnitt der Düsennadel umschließt,
und die mittels einer Feder in Richtung des Kopplers federkraftbelastet
ist und somit an dem Koppler anliegt. Während der Schließbewegung
des Ventilelementes, insbesondere der Steuerstange, wird die überschüssige Leckagemenge
im Kopplerraum durch einen durch eine Verstellbewegung der Steuerhülse
entgegen der Federkraft gebildeten Auslassspalt zwischen Koppler
und Steuerhülse in Richtung eines Druckraumes abgegeben, wobei
die Feder für eine zuverlässige Rückstellung der
Steuerhülse in ihren Ausgangszustand sorgt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
eine schematische Darstellung eines Common-Rail-Injektors mit Kraftstoff-Versorgungskreislauf;
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2:
ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Injektors mit
Pille zur Einstellung des Düsennadelhubs;
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3 bis 5:
schematische Darstellungen eines Injektors während verschiedener
Stadien eines Einspritzvorganges;
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6:
eine alternative Ausführungsform eines Injektors, mit durch
eine Anschlagplatte verlaufender Drosselbohrung;
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7a:
eine schematische Darstellung eines Injektors, bei der die Düsennadel
plan an einer Unterseite eines Kopplers anliegt;
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7b:
eine Schnittansicht der Düsennadel entlang der Schnittlinie
A-A gemäß 7a;
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8:
ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Injektors mit
an den Koppler anliegender Düsennadel sowie mit als Ringspalt
ausgebildeter Drossel;
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9a:
eine schematische Ansicht eines Injektors, wobei die Düsennadel
mit einem Absatz innerhalb des Kopplers in axialer Richtung geführt
ist;
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9b:
eine Schnittansicht der Düsennadel entlang einer Schnittlinie
B-B gemäß 9a;
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10:
ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Injektors mit
Ringdrossel;
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11:
ein Ausführungsbeispiel eines Injektors mit im Injektorkörper
geführtem Koppler;
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12 und 13:
unterschiedliche Ausführungsvarianten eines Injektors,
bei dem zusätzlich zu dem Koppler eine Steuerhülse
vorgesehen ist.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein als leckagefreier Common-Rail-Injektor ohne Niederdruckstufe
ausgebildeter Injektor 1 zum Ein spritzen von Kraftstoff
in eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
dargestellt. Eine Hochdruckfördereinrichtung 2 fördert
hierzu 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 1 über
jeweils eine Versorgungsleitung 5 angeschlossen, die den
Kraftstoff direkt in die ihnen zugeordneten Brennräume
einspritzen. Die Injektoren 1 sind über eine Rückflussleitung 6 an
den Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 angeschlossen.
Dabei ist die Rückflussleitung 6 mit einem Niederdruckbereich des
Injektors 1 verbunden, so dass über die Rückflussleitung 6 eine
später noch zu erläuternde Steuermenge an Kraftstoff
aus den Injektoren 1 zu dem Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 abfließen
kann.
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Der
Injektor 1 weist einen schematisch angedeuteten Düsenkörper 68 und
einen Injektorkörper 67 auf, der einen ersten
Druckraum 7 umschließt, in den die Versorgungsleitung 5 aus
dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 einmündet.
Innerhalb des ersten Druckraumes 7 und in einem in axialer
Richtung an den ersten Druckraum 7 anschließenden zweiten
Druckraum 8, der hydraulisch mit dem ersten Druckraum 7 verbunden
ist sowie in einem in axialer Richtung zu dem zweiten Druckraum 8 benachbarten Düsenraum 9,
welcher über eine Drosselbohrung 10 mit dem zweiten
Druckraum 8 verbunden ist, ist ein in diesem Ausführungsbeispiel
zweiteiliges Ventilelement 11 in axialer Richtung längsverschieblich
geführt. Das Ventilelement 11 besteht aus einer
Steuerstange 12, die sich in axialer Richtung von dem ersten
Druckraum 7 in den zweiten Druckraum 8 hinein erstreckt
und einer Düsennadel 13, die sowohl in dem zweiten
Druckraum 8 als auch in dem Düsenraum 9 aufgenommen
ist. An einer Nadelspitze 14 weist die Düsennadel 13 eine
Schließfläche 15 auf, mit welcher sie
in dichter Anlage an einen innerhalb eines den Düsenraum 9 umgebenden
Düsenkörper ausgebildeten Ventilsitz 16 bringbar
ist.
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Wenn
die Düsennadel 9 am Ventilsitz 16 anliegt,
d. h. sich in einer Fließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt
aus einer nicht gezeigten Düsenlochanordnung gesperrt.
Ist sie dagegen vom Ventilsitz 16 angehoben, kann Kraftstoff
unmittelbar aus dem Düsenraum 9 an dem Ventilsitz 16 vorbei
zur Düsenlochanordnung strömen und dort im Wesentlichen
unter dem Hochdruck (Raildruck) stehend in den Brennraum gespritzt
werden.
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Die
Steuerstange 12 und damit die Düsennadel 13 sind
durch eine Schließfeder 17, die innerhalb des
ersten Druckraumes 7 angeordnet ist, in Richtung auf ihre
Schließstellung vorgespannt. Die Schließfeder 17 stützt
sich einends an einem Umfangsbund 18 der Steuerstange 12 und
anderenends an einem hülsenförmigen Bauteil 19 in
axialer Richtung ab. In dem hülsenförmigen Bauteil 19 ist
das Ventilelement 11 bzw. dessen Steuerstange 12 axial verschieblich
geführt. Von dem hülsenförmigen Bauteil 19 und
einer Stirnseite 20 der Steuerstange 12 wird eine
Steuerkammer 21 begrenzt. Die Steuerkammer 21 wird über
eine Zulaufdrossel 22 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
aus dem ersten Druckraum 7 versorgt. Die Steuerkammer 21 ist über eine
Ablaufdrossel 23 (Kraftstoff-Ablaufkanal) hydraulisch mit
einem Niederdruckbereich des Injektors und über diesen
wiederum mit der Rückflussleitung 6 verbunden.
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Die
Ablaufdrossel 23 ist mittels eines Aktuator betätigten
Steuerventil 24 öffnen- und schließbar. Bei
geöffnetem Steuerventil 24 kann Kraftstoff aus der
Steuerkammer 21 in den Niederdruckbereich und von dort
aus in die Rückflussleitung 6 zu dem Kraftstoff-Vorratsbehälter 3 strömen.
Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 22 und der
Ablaufdrossel 23 sind dabei so aufeinander abgestimmt,
das der Zufluss durch die Zulaufdrossel 22 schwächer
als der Abfluss durch die Ablaufdrossel 23 ist und demnach bei
geöffnetem Steuerventil 24 ein Nettoabfluss von Kraftstoff
aus der Steuerkammer 21 resultiert. Der daraus folgende
Druckabfall in der Steuerkammer 21 bewirkt, dass der Betrag,
der auf das Ventilelement 11 wirkenden Schließkraft
unter den Betrag der Öffnungskraft sinkt und somit das
Ventilelement 11, insbesondere die Düsennadel 13 vom
Ventilsitz 16 abhebt.
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Zur
Erzeugung einer hydraulischen Schließkraft auf das Ventilelement 11 bei
geschlossenem Steuerventil 24 und geöffneter Düsennadel 13 ist
der Düsenraum 9 über die Drosselbohrung 10 mit
dem zweiten Druckraum 8 verbunden, so dass auch auf eine
Ringschulter 25 der Düsennadel 13 innerhalb des
Düsenraumes in Öffnungsrichtung ein geringerer Druck
wirkt als auf die Stirnseite 20 der Steuerstange 12 innerhalb
der Steuerkammer 21 in Schließrichtung.
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Zur
hydraulischen Kopplung der Düsennadel 13 mit der
Steuerstange 12 ist ein hülsenförmiger Koppler 26 vorgesehen,
der in seinem Inneren einen Kopplerraum 27 begrenzt. Der
Koppler 26 umschließt die Steuerstange 12,
so dass zwischen der Steuerstange 12 und dem Koppler 27 ein
als Umfangsspalt ausgebildeter Führungsspalt 28 gebildet ist.
Mit seinem unteren hülsenförmigen Abschnitt umschließt
der Koppler 26 die Düsennadel 13, wodurch zwischen
dem Koppler 26 und der Düsennadel 13 ein ebenfalls
als Umfangsspalt ausgebildeter Auslassspalt 29 gebildet
ist, der eine größere Querschnittsfläche
aufweist, als der im Wesentlichen als Dichtspalt dienende Führungsspalt 28.
Stirnseitig an der Düsennadel 13 ist eine erste
Dichtfläche 31 (Ringfläche) ausgebildet,
die mit einer zweiten Dichtfläche 32 (Ringfläche)
des Kopplers 26 zusammenwirkt. Die Dichtfläche 32 des
Kopplers 26 dient gleichzeitig als Anschlag für
die Düsennadel 13.
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Wird
das Steuerventil 24 geöffnet und sinkt dadurch
der Druck in der Steuerkammer 21, bewegt sich die Steuerstange 12 abrupt
in der Zeichnungsebene nach oben. Hierdurch sinkt der Druck innerhalb des
Kopplerraumes 27, wodurch die Düsennadel 13 angesaugt
wird und die erste Dichtfläche 31 der Düsennadel 13 dichtend
an der zweiten Dichtfläche 32 des Kopplers anliegt.
Bei der axialen Bewegung der Steuerstange 12 nach oben
(in Hubrichtung) wird der Koppler 26 zusammen mit dem gesamten
Ventilelement 11 aufgrund des resultierenden Sogs in Hubrichtung
bewegt. Diese axiale Hubverstellung des Kopplers 26 wird
von einem Anschlag 33 (Anschlagplatte) begrenzt. Wenn der
Koppler 26 an den Anschlag 33 anschlägt,
bewegt sich die Steuerstange 12 weiter in axialer Richtung
nach oben, wodurch der auf die Düsennadel 13 wirkende
Sog noch größer wird und somit die Dichtheit zwischen
dem Koppler 26 und der Düsennadel 13 noch
weiter erhöht wird, wodurch Leckageverluste aus in den
Kopplerraum 27 durch den Auslassspalt 29 hindurch
praktisch vermieden werden. Es tritt jedoch ein minimaler Kraftleckagestofffluss
durch den Führungsspalt 28 in den Kopplerraum 27 hinein
auf. Durch das Anschlagen des Kopplers 26 an den Anschlag 33 und
die gleichzeitige Anlage der Düsennadel 13 an den
Koppler 26 wird der maximale Hub der Düsennadel 13 definiert begrenzt.
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Wird
das Steuerventil 24 geschlossen, steigt der Druck innerhalb
der Steuerkammer 21 zumindest näherungsweise auf
Raildruck, so dass die Steuerstange 12 in Schließrichtung
beschleunigt wird. Dabei steigt der Druck innerhalb des Kopplerraumes 27, wodurch
die Düsennadel 13 und der Koppler 26 mit in
Schließrichtung bewegt werden. Sobald die Düsennadel 13 am
Ventilsitz 16 anliegt, wird von der sich, insbesondere
aufgrund der Federkraft der Schließfeder 17 weiter
in Schließrichtung bewegenden Steuerstange 13 Kraftstoff
aus dem Kopplerraum 27 durch den Auslassspalt 29 in
den zweiten Druckraum 8 verdrängt. Zur Begrenzung
der Schließbewegung der Steuerstange 12 ist ein
Axialanschlag 39 für die Steuerstange 12 innerhalb
des hülsenförmigen Kopplers vorgesehen, wobei
der Kopplerraum 27 zwischen den Anschlägen 39 und 32 (zweite
Dichtfläche) angeordnet ist.
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Die
gedachte Linie 34 dient als ortsfeste Bezugslinie, relativ
zu der sich der Koppler 26 bei der Öffnungs- und
Schließbewegung des Ventilelementes 11 in axialer
Richtung verstellt.
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Der
als Anschlagplatte ausgebildete Anschlag 33 axial zwischen
dem Injektorkörper 67 und dem Düsenkörper 68 trennt
die beiden Druckräume 7, 8 voneinander
ab, wobei bei nicht an dem Anschlag 33 anliegenden Koppler 27 Kraftstoff
durch einen breiten Ringspalt 35 von dem ersten Druckraum 7 in
den zweiten Druckraum 8 strömen kann. Um einen
Kraftstofffluss von dem ersten Druckraum 7 in den zweiten
Druckraum 8 auch bei an dem Anschlag 33 anliegenden
Koppler 26 zu ermöglichen, ist in den Anschlag 33 (Anschlagplatte)
eine axiale Verbindungsbohrung 36 eingebracht.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht
im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen lediglich auf die Unterschiede
eingegangen wird. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist
bei dem nur ausschnittsweise dargestellten Injektor gemäß 2 auf
der Stirnseite 37 der Düsennadel 13 eine
Distanzscheibe 38 (Pille) angeordnet, mit der Fertigungstoleranzen
ausgeglichen werden. Die Distanzscheibe 38 stützt
sich in axialer Richtung an der zweiten Dichtfläche 32 des
Kopplers 26 ab, wobei die erste Dichtfläche 31 nicht
unmittelbar an der Düsennadel 13, sondern an der
Distanzscheibe 38 ausgebildet ist.
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In
den 3 bis 5 sind unterschiedliche Einspritzstadien
dargestellt. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise des Kopplers 26 dient
die gedachte Bezugslinie 34 (konstante Höhenlinie).
In 3 ist das Steuerventil 24 geöffnet.
Gezeigt ist die Öffnungsphase des Ventilelementes 11.
Die Steuerstange 12 wird in Hubrichtung beschleunigt, wodurch
die Düsennadel 13 an den Koppler 26 angesaugt
wird. Die dabei durch den Führungsspalt 28 in
den Kopplerraum 27 eindringende Leckagemenge vergrößert das
Volumen des Kopplerraumes 27. In 4 liegt der
Koppler 26 an dem Anschlag 33 an, wobei sich die
Steuerstange 12 weiter in axialer Richtung in der Zeichnungsebene
nach oben bewegt und somit die Düsennadel 13 verstärkt
ansaugt. Das Volumen des Kopplerraumes 27 vergrößert
sich durch die durch den Führungsspalt 28 weiter
eindringende Leckagemenge. In 5 ist das
Steuerventil 24 geschlossen. Das gesamte Ventilelement 11 bewegt
sich in Schließrichtung. Der Koppler 26 ist in axialer
Richtung in der Zeichnungsebene nach unten verstellt und die Düsennadel 13 liegt
bereits am Ventilsitz 16 an. Die insbesondere durch die
Schließfeder 17 verursachte weitere Schließbewegung
der Steuerstange 12, welche durch den Axialanschlag 39 begrenzt wird,
sorgt dafür, dass Kraftstoff radial zwischen den Dichtflächen 31, 32 sowie
durch den axialen Auslassspalt 29 hindurch aus dem Kopplerraum 27 verdrängt wird,
so dass zu Beginn des folgenden Einspritzvorganges die in 1 dargestellte
Ausgangslage wieder eingestellt wird.
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Im
Folgenden werden anhand der 6 bis 13 unterschiedliche
Ausführungsformen eines Injektors 1 mit einem
zweiteiligen Ventilelement 11 und einem axial verstellbarem
Koppler 26 erläutert, wobei im Wesentlichen lediglich
auf die Unterschiede zu den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen
wird. Bezüglich der Gemeinsamkeiten wird auf die vorherige
Beschreibung verwiesen.
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In 6 ist
der Hubanschlag 33 für den Koppler 26 als
Hubanschlagscheibe 40 ausgebildet. An der Hubanschlagscheibenoberseite 41 und
an der Hubanschlagscheibenunterseite 42 sind Dichtflächen
eingearbeitet, so dass die Hubanschlagscheibe 40 hochdruckdicht
zwischen dem Injektorkörper 67 und dem Düsenkörper 68 verspannt
ist. Die Hubanschlagscheibe 40 umfasst eine außermittige,
bevorzugt als Drosselbohrung ausgeführte Bohrung 43, über
die der erste Druckraum 7 hydraulisch mit dem Düsenraum 9 verbunden
ist. Bei Bedarf können auch mehrere Bohrungen 43 vorgesehen
werden. Die Bohrung 43 mündet in einen in den
Düsenkörper 68 eingebrachten Kanal 44.
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Bei
den Ausführungsbeispielen gemäß den 7 und 8 wird der
Anschlag 33 von einer Ringschulter 45 des Injektorkörpers 67 gebildet.
Die Düsennadel 13 liegt ohne in dem hülsenförmigen Koppler 26 aufgenommen
zu sein, plan an einer unteren Stirnseite 46 des Kopplers 26 an,
wodurch ein Axialversatz zwischen der Düsennadel 13 und
der Steuerstange 12 auf einfache Weise ausgeglichen werden
kann. Zur Sicherstellung der Dichtheit zwischen der Kopplerhülse 26 und
der Stirnseite 37 der Düsennadel 13,
ist auf der in Richtung der nicht dargestellten Steuerkammer gelegenen
Seite des Kopplers 26 eine Positionierfeder 69 angeordnet,
die sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7a an
einem Umfangsbund 18 der Steuerstange 12 und bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß 8 an
einer Ringschulter 47 des Injektorkörpers abstützt.
Hierdurch wird der Koppler 26 mit seiner zweiten Dichtfläche 32 immer
mit einer Federkraft (Vorlast) auf die erste Dichtfläche 31 der
Düsennadel 13 gedrückt, wodurch der Kopplerraum 27 gegenüber
dem zweiten Druckraum 8 abgedichtet wird. Die Positionierfeder 69 ist
schächer ausgelegt, als eine nicht gezeigte Schließfeder
des Injektors. Hebt der Koppler 26 kurzzeitig bei der Schließbewegung
des Ventilelements 11, insbesondere der Steuerstange 12 von
der Düsennadel 13 ab, sorgt die Federkraft der
Positionierfeder 69 nach dem Druckausgleich für
die sofortige Rückkehr des Kopplers 26 an die
Dichtfläche 31 der Düsennadel 13.
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Um
den Kraftstoff von dem ersten Druckraum 7 zu dem Ventilsitz 16 bzw.
der Düsenlochanordnung zu leiten, ist in den Koppler 26 eine
Durchgangsbohrung 48 eingebracht. Um den Kraftstofffluss
an einer Führung 49 der Düsennadel 13 im
Düsenkörper 68 vorbei zu leiten, ist
die Düsennadel 13 in ihrem oberen Bereich mit
einem in 7 dargestellten polygonförmigen
Querschnitt gezeigt. Die hierdurch gebildeten Axialkanäle 50 sind
dabei bevorzugt als Drossel ausgebildet (symbolisiert durch die
Drossel 51), um eine Schließkraft auf das Ventilelement 11 zu
erzeugen. Alternativ ist es denkbar, den Kraftstoff durch einen
in 7a gestrichelt dargestellten Kanal 52 im
Düsenkörper 68 zu leiten.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 weist
die Düsennadel 13 zwar ebenfalls einen polygonförmig
konturierten Führungsabschnitt auf. Dieser ist jedoch drosselfrei
ausgebildet (symbolisiert durch den Kanal 53) zur Realisierung
einer Druckreduzierung im Düsenraum 9 ist zwischen
einem oberen Abschnitt der Düsennadel 13 und dem
Düsenkörper 68 ein als Ringspalt ausgebildeter
Drosselspalt 54 vorgesehen.
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Der
polygonförmige Querschnitt der Düsennadel 13 ist
in 7b in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie
A-A gemäß 7a gezeigt.
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In
den 9a und 9b ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Injektors 1 gezeigt,
wobei dessen Koppler 26 bzw. ein oberer hülsenförmiger Abschnitt
des Kopplers 26 über seine äußere
Mantelfläche 55 am Injektorkörper 67 geführt
ist. Zur Durchleitung von Kraftstoff in axialer Richtung an der
Führung zwischen der Mantelfläche 55 des
Kopplers 26 und dem Injektorkörper 67 vorbei
in den zweiten Druckraum 7 hinein zu ermöglichen,
ist der Koppler 26 in seinem Führungsbereich,
wie in 9b dargestellt ist, polygonförmig
konturiert. Zur Realisierung eines Druckabfalls zwischen dem ersten
Druckraum 7 und dem zweiten Druckraum 8 und damit
zwischen dem ersten Druckraum 7 und dem Düsenraum 9 sind die
durch die polygonförmige Konturierung des Kopplers 26 gebildeten
Axialkanäle 56 als Drosselkanäle ausgebildet.
Der Kraftstoff wird von dem zweiten Druckraum 8 zum Düsenraum 9 drosselfrei über
einen Kanal 57 geleitet.
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Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 9a und 9b ist
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 der
polygonförmig konturierte Führungsabschnitt des
Kopplers 26 nicht als Drossel ausgebildet, sondern es schließt
an den Führungsabschnitt in axialer Richtung eine Ringdrossel 58 an,
die für den notwendigen Druckabfall zwischen dem erstem
Druckraum 8 und dem Düsenraum 9 sorgt,
wobei auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 (wie
bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 9a und 9b)
der zweite Druckraum 8 drosselfrei über einen
Kanal 57 mit dem Düsenraum 9 verbunden
ist.
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Die
Ausführungsbeispiele gemäß den 9 und 10 haben
gemeinsam, dass die Düsennadel 13 mit einem oberen
Zapfen 59 in den Koppler 26 geführt ist.
Hierdurch ist bei eventuellen Undichtigkeiten an den planen Dichtflächen 31, 32 zwischen
Koppler 26 und Düsennadel 13 eine weitere
Dichtwirkung über die Zapfenführung gewährleistet.
Der Zapfen 59 ist in einer zentralen Bohrung 60 des
Kopplers 26 aufgenommen. Der Kopplerraum 27 schließt
sich in axialer Richtung an den Zapfen 59 innerhalb der
Bohrung 60 an.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 ist
der Koppler 26 im Düsenkörper 68 geführt.
Zur Durchleitung von Kraftstoff ist innerhalb eines Führungsbundes 61 des
Kopplers 26 mindestens eine Drosselbohrung 62 vorgesehen.
Da bei dieser Variante zwischen der Ober- und der Unterseite des Kopplers 26 immer
ein Druckgefälle anliegt, erfährt der Koppler 26 immer
eine hydraulisch schließende Kraftkomponente. Diese sorgt
an den Dichtflächen 31, 32 zwischen dem
Koppler 26 und der Düsennadel 13 immer
für ausreichend große Dichtkräfte. Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Düsennadel
mittels eines Zapfens 59 in einer Bohrung 60 des
Kopplers aufgenommen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 11 ist
der Koppler 26 nicht im Injektorkörper geführt.
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In
den 12 und 13 ist
jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Injektors 1 gezeigt, bei
denen eine Steuerhülse 63 vorgesehen ist, die mittels
einer Steuerfeder 64 in Richtung des Kopplers 26 federkraftbeaufschlagt
ist. Der einzige Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen
gemäß den 12 und 13 besteht
darin, dass sich die Steuerfeder 64 bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 12 an
einen Umfangsbund 65 der Düsennadel 13 und
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 13 am
Düsenkörper 68 abstützt. Die
Steuerhülse 63 ist mit einer schrägen,
ringförmigen Druckangriffsfläche 66 versehen,
wodurch die Steuerhülse 63 sich bei der Schließbewegung
der Steuerstange 12, insbesondere bei an dem Ventilsitz 16 anliegender
Düsennadel 13 von der mittels der Steuerstange 12 aus dem
Kopplerraum 27 verdrängten Kraftstoffsteuermenge
in Schließrichtung gegen die Kraft der Steuerfeder 64 von
dem Koppler 26 abhebt, wodurch die Kraftstoffleckagemenge
abfließen kann. Die Düsennadel 13 liegt
bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen plan an der
unteren Stirnseite des Kopplers 26 auf.
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Zur
Realisierung eines Druckabfalles zwischen dem zweiten Druckraum 8 und
dem Düsenraum 9 ist ein Führungsabschnitt
der Düsennadel 13 polygonartig konturiert, wobei
die hierdurch gebildeten Axialkanäle als Drosselkanäle
ausgebildet sind, was durch die Drossel 51 symbolisiert
wird.
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Bei
den Ausführungsbeispielen gemäß den 12 und 13 wird
der Anschlag 33 für den Koppler 26 von
einer Hubanschlagscheibe 40 gebildet, die mit einer Bohrung 67 versehen
ist, durch die Kraftstoff von dem ersten Druckraum 7 in
den zweiten Druckraum 8 strömen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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