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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
Kraftstoffinjektor mit einem integrierten Druckverstärker
ist beispielsweise aus
DE
103 35 340 A1 bekannt. Der Druckverstärker weist
einen in einem Gehäuse des Kraftstoffinjektors geführten Druckübersetzerkolben
auf, der einem Kompressionsraum einen Differenzdruckraum und einen
Hochdruckraum ausgesetzt ist. Mit einem ersten Steuerventil wird
ein rückwärtiger Steuerraum einer Düsennadel
angesteuert und das Steuervolumen in ein Niederdruck/Rücklaufsystem
abgeleitet. Ein zweites Steuerventil verbindet den Differenzdruckraum
des Druckverstärkers ebenfalls mit dem Niederdruck/Rücklaufsystem.
Durch die Druckänderung im Differenzdruckraum drückt
der Druckübersetzerkolben in den Kompressionsraum und komprimiert
dort den Kraftstoff, der an eine Druckschulter der Düsennadel übertragen
wird, so dass der an der Druckschulter wirkende übersetzte
Hochdruck die Düsennadel vom Düsennadelsitz abhebt
und der Kraftstoff mit dem über den Systemdruck erhöhten
Kraftstoffdruck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzt.
Das zweite Steuerventil, das den Differenzdruckraum des Druckverstärkers
ansteuert, ist dabei ein 3/2-Wegeventil mit einem Flachsitz/Schiebersitz.
Da die über den Flachsitz in das Niederdruck/Rücklaufsystem
aus dem Differenzdruckraum des Druckverstärkers abgeleitete
Steuermenge unterschiedliche Druckniveaus aufweist und mit starken Druckstößen
beaufschlagt ist, tritt insbesondere im Bereich des Flachsitzes
Kavitationserosion auf, so dass der Ventilsitz des Flachsitzes undicht
wird und dadurch die Injektorfunktion beeinträchtigt wird.
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Ein
Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor mit einem Ventilsitz,
der durch eine an einem Ventilkolben ausgebildete konische Ventilsitzfläche
gebildet ist, ist aus
DE
199 40 300 A1 bekannt. Dabei weist der Ventilkolben mit
der konischen Ventilsitzfläche in eine mit Hochdruck beaufschlagten
Ventilkammer.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuerventil zu schaffen,
dessen ein Steuervolumen des Druckverstärkers haltender
Ventilsitz keine oder nur sehr geringer Kavitationserosion ausgesetzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße
Kraftstoffinjektor hat den Vorteil, dass die Kavitationserosion
an den die Steuermenge des Druckverstärkers schaltenden
Ventilsitz weitestgehend unterbunden ist. Durch den in den Niederdruckraum
hineinöffnenden Ventilsitz wird eine Drosselwirkung realisiert,
die mit zunehmender Öffnungsbewegung des Ventilkolbens
sich verringert. Diese Drosselwirkung wirkt auf die Strömungsverhältnisse
am Ventilsitz ein, wodurch dort Kavitationserscheinungen verhindert
werden. Damit werden die für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug
notwendigen Dauerlaufziele für einen Kraftstoffinjektor
erreicht.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen
der Unteransprüche möglich. Die Schließkraft
wird zweckmäßigerweise von einer im Niederdruckraum
angeordneten Druckfeder erzeugt, die die konische Dichtfläche
gegen den Ventilskolbensitz drückt.
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Der
Ventilkolben des zweiten Steuerventils weist einen ersten Kolbenabschnitt,
einen mit geringerem Durchmesser ausgeführten zweiten Kolbenabschnitt
und einen dritten Kolbenabschnitt auf, wobei am dritten Kolbenabschnitt
die konische Dichtfläche für den Ventilkolbensitz
ausgebildet ist.
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Zur
Realisierung eines druckausgeglichenen Steuerventils sind der Durchmesser
des zweiten Ventilsitzes am Ventilkolbensitz und der Durchmesser
des ersten Kolbenabschnitts, mit dem der Ventilkolben im Gehäuse
geführt ist, im Wesentlichen gleich groß. Der
Ventilsitz ist im stromlosen Zustand des Steuerventils geschlossen.
Das Steuerventil weist ein elektromagnetisches Stellelement mit
einem Tauchanker auf.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen 1 eine Schnittdarstellung
durch einen Kraftstoffinjektor und 2 einen
vergrößerten Ausschnitt X des zweiten Steuerventils
in 1.
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Der
in 1 dargestellte Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse 10 mit
beispielsweise einem ersten Gehäuseteil 11, einem
zweiten Gehäuseteil 12, einem dritten Gehäuseteil 13,
einem vierten Gehäuseteil 14 und einem Anschlussteil 15 sowie
mit einem Düsenkörper 16 auf. Der Düsenkörper 16,
das Gehäuseteil 14 und das Gehäuseteil 13 sind
mittels einer Düsenspannmutter 17 hydraulisch
dicht verspannt. Der Düsenkörper 16 enthält
ein Einspritzventilglied 20 mit einer Düsennadel 21 die
im Düsenkörper 16 axial verschiebbar
geführt ist. Die Düsennadel 21 wirkt
mit einem nicht näher dargestellten, am Düsenkörper 16 ausgebildeten
Düsennadeldichtsitz zusammen, der einen Düsennadeldruckraum 22 im
geschlossenen Zustand der Düsennadel 21 von Einspritzöffnungen 23 trennt.
An der Düsennadel 21 ist eine Steuerraumhülse 24 geführt,
die mittels einer Druckfeder 25 gegen eine Dichtfläche
drückt und dadurch einen Steuerraum 26 umschließt.
Dem Steuerraum 26 ist die Düsennadel 21 mit
einer in Schließrichtung wirkenden Steuerfläche 27 ausgesetzt.
Im Gehäuseteil 14 ist eine Hochdruckbohrung 18 angeordnet,
die in den Düsennadeldruckraum 22 führt. Das
Gehäuse 10 weist beispielsweise am Gehäuseteil 12 weiterhin
einen Hochdruckanschluss 19 mit einer Hochdruckzuleitung 29 auf,
mit dem der Kraftstoffinjektor an ein Common-Rail einer Dieseleinspritzeinrichtung
angeschlossen ist.
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Im
Gehäuse 10 des Kraftstoffinjektors ist weiterhin
zur Druckverstärkung des Systemdrucks des Common-Rails
eine Druckverstärkungseinrichtung 30 mit einem
als Stufenkolben ausgeführten Druckübersetzerkolben 31 angeordnet.
Der Druckübersetzerkolben 31 ist einem Arbeitsraum 32,
einem Differenzdruckraum 33 und einem Kompressionsraum 34 ausgesetzt.
Der Arbeitsraum 32 und der Kompressionsraum 34 stehen über
einen Verbindungskanal 35 mit einem Rückschlagventil 36 in
Verbindung. In den Arbeitsraum 32 führt die Hochdruckzuleitung 29,
so dass im Arbeitsraum 32 permanent Systemdruck des Common-Rails
anliegt. Im Arbeitsraum 32 ist eine Rückstellfeder 38 angeordnet,
die den Druckübersetzerkolben 31 in die in 1 dargestellte
Ausgangsposition zurückstellt. Aus dem Kompressionsraum 34 zweigt
eine weitere Hochdruckbohrung 39 ab, die mit der Hochdruckbohrung 18 hydraulisch
verbunden ist, so dass der Druck des Kompressionsraums in den Düsennadeldruckraum 22 übertragen
wird.
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Der
Kraftstoffinjektor umfasst weiterhin ein als Servoventil ausgebildetes
erstes Steuerventil 40 und ein ebenfalls als Servoventil
ausgebildetes zweites Steuerventil 50. Das erste Steuerventil 40 ist
ein 2/2-Wege-Ventil und umfasst ein erstes elektromagnetisches Stellelement 41,
das mittels eines ersten Ventilkolbens 43 den Steuerraum 26 ansteuert,
indem der Steuerraum 26 mit einem ersten Niederdruckraum 46 und
von dort über hydraulische Verbindungen 48 mit
einem ersten Rücklaufanschluss 49 verbunden wird,
der hydraulisch mit einem ersten Niederdruck/Rücklaufsystem
in Verbindung steht. Über den ersten Rücklaufanschluss 49 wird
die vom ersten Steuerventil 40 geschaltete Steuermenge
des Steuerraums 26 der Düsennadel 21 in
das erste Niederdruck/Rücklaufsystem abgeführt.
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Das
zweite Steuerventil 50 ist ein 3/2-Wege-Ventil und umfasst
ein zweites elektromagnetisches Stellelement 51 mit einem
zweiten Ventilkolben 52. Der zweite Ventilkolben 52 weist
gemäß 2 einen ersten Kolbenabschnitt 52.1 einen
zweiten Kolbenabschnitt 52.2 und einen dritten Kolbenabschnitt 52.3 auf.
Der Ventilkolben 52 ist mit dem ersten Kolbenabschnitt 52.1 in
einem Gehäuseteil des Gehäuse 10 geführt.
Das elektromagnetische Stellelement 51 umfasst eine Magnetspule 53,
die von einer oberen Magnetscheibe 53.1 und von einer unteren
Magnetscheibe 53.2 eingeschlossen ist. Der Ventilkolben 52 ist
mit einem Magnetanker 54 verbunden, wobei der Ventilkolben 52 durch
die untere Magnetscheibe 53.2 geführt ist, so
dass der Magnetanker 54 von der Magnetspule 53 umschlossen
ist und dadurch einen sogenannten Tauchanker bildet. Das Steuerventil 50 weist
einen ersten Ventilsitz 55 und einen zweiten Ventilsitz 56 auf.
Der erste Ventilsitz 55 wird durch eine zwischen dem ersten
Kolbenabschnitt 52.1 und dem einen geringeren Durchmesser
aufweisenden Kolbenabschnitt 52.2 ausgebildete Schieberkante 57 gebildet,
die mit einer gehäuseseitigen Steuerkante 58 zusammenwirkt.
Der zweite Ventilsitz 56 wird von einer am Ventilkolben 52 ausgebildeten
konischen Dichtfläche 70 und einem gehäuseseitigen
Ventilkolbensitz 71 gebildet, wobei die konische Dichtfläche 70 zwischen
dem zweiten Kolbenabschnitt 52.2 und dem einen größeren
Durchmesser aufweisenden dritten Kolbenabschnitt 52.3 verläuft.
Dadurch wird ein sogenannter A-Sitz ausbildet. Der Ventilkolben 52 ist
mit der Schieberkante 57 einem Hochdruckraum 61 und
mit der konischen Dichtfläche 70 einer Ventilkammer 62 und
einem Niederdruckraum 63 ausgesetzt. Der Ventilkolben ragt mit
dem dritten Kolbenabschnitt 52.3 in den Niederdruckraum 63.
Am dritten Kolbenabschnitt 52.3 greift eine im Niederdruckraum 63 angeordnete
Druckfeder 73 an, die sich an einem Gehäuseteil
des Gehäuses 10 abstützt und die konische
Dichtfläche 70 gegen den gehäuseseitigen
Ventilkolbensitz 71 drückt. Der Hochdruckraum 61 steht über
eine Hochdruckleitung 64 mit dem Arbeitsraum 32 des
Druckverstärkers 30 in Verbindung. Der Ventilkammer 62 ist über eine
erste hydraulische Verbindung 65 mit dem Differenzdruckraum 33 des
Druckverstärkers 30 verbunden. Vom Niederdruckraum 63 führt
eine zweite hydraulische Verbindung 66 und eine dritte
hydraulische Verbindung 67 zu einem zweiten Rücklaufanschluss 69,
der mit einem zweiten Niederdruck/Rücklaufsystem in Verbindung
steht. Der Magnetanker 54 ist mit dem Ventilkolben 52 beispielsweise
eingepresst, geschweißt oder schälgenietet.
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Vom
ersten Niederdruckraum 46 des ersten Steuerventils 40 führen
durch die einzelnen Gehäuseteile 11, 12, 13, 14 verschiedene
nicht näher bezeichnete weitere hydraulische Verbindungen
zu einem Leckageraum 68 des zweiten Steuerventils 50. Der
Leckageraum 68 dehnt sich dabei im zweiten Stellelement 51 bis
zum zweiten Ventilkolben 52 aus. Zwischen dem Leckageraum 68 und
dem zweiten Niederdruckraum 63 ist ein Bypasskanal 74 angeordnet,
so dass die beiden hydraulischen Räume hydraulisch verbunden
sind.
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Das
zweite Steuerventil 50 ist bei stromlosen zweiten magnetischen
Stellelemente 51 mittels der Druckfeder 73 in
den zweiten Ventilsitz 56 gestellt, so dass im stromlosen
Zustand des magnetischen Stellelements 51 der Niederdruckraum 63 von
der Ventilkammer 62 getrennt und der mittels Systemdruck
beaufschlagte Hochdruckraum 61 mit der Ventilkammer 62 hydraulisch
verbunden ist. Dadurch liegt im Differenzdruckraum 33 ebenfalls
Systemdruck an. Der Durchmesser des zweiten Ventilsitzes 56 am
Ventilkolbensitz 71 und der Führungsdurchmesser
des Ventilkolbens 52 im ersten Kolbenabschnitt 52.1 sind zweckmäßigerweise
gleich groß, so dass das zweite Steuerventil 50 druckausgeglichen
arbeitet. Dies wirkt sich positiv auf die Betätigungskräfte
zum Ansteuern des zweiten Steuerventils 50 mittels des zweiten
elektromagnetischen Stellelements 51 aus. Beim Bestromen
der Magnetspule 53 des zweiten Steuerventils 50 wird
der Magnetanker 54 in Richtung der unteren Magnetscheibe 53.2 bewegt,
so dass sich der zweite Ventilsitz 56 öffnet und
gleichzeitig die Schieberkante 57 den ersten Ventilsitz 55 schließt.
Dadurch wird die Ventilkammer 62 vom Hochdruckraum 61 hydraulisch
getrennt und gleichzeitig die Ventilkammer 62 mit dem Niederdruckraum 63 hydraulisch
verbunden. Infolgedessen entsteht eine hydraulische Verbindung zwischen
Differenzdruckraum 33 des Druckverstärkers 30 über
den zweiten Rücklaufanschluss 69 mit dem zweiten
Niederdruck/Rücklaufsystem, wodurch der Druck im Differenzdruckraum 33 sinkt
und dadurch der Druckübersetzerkolben 31 durch
den höheren Druck im Arbeitsraum 32 in den Kompressionsraum 34 bewegt wird,
so dass dort eine Druckerhöhung stattfindet, die über
die Hochdruckleitungen 18, 39 in den Düsennadeldruckraum 22 übertragen
wird. Dadurch liegt im Düsennadeldruckraum 22 ein über
dem Systemdruck liegender Einspritzdruck an, so dass der Kraftstoff
mit diesem erhöhten Einspritzdruck über die Einspritzöffnungen 23 in
den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Eine Voreinspritzung
mit Systemdruck wird durch Ansteuern des ersten Steuerventils 40 realisiert,
indem mittels des ersten Steuerventils 40 der Steuerraum 27 über
den ersten Rücklaufanschluss 49 mit dem ersten
Niederdruck/Rücklaufsystem verbunden wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10335340
A1 [0002]
- - DE 19940300 A1 [0003]