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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, zur Einbringung von Kraftstoff in direkt einspritzende
Dieselmotoren hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren einzusetzen. Dies
bietet den Vorteil, dass der Einspritzdruck an Last und Drehzahl
angepasst werden kann. Die Ansteuerung erfolgt oftmals unter Zwischenschaltung
eines Servosteuerraumes, der bei entsprechender Betätigung eines Steuerventils
auf sehr hohen Druck, insbesondere den Einspritzdruck des Einspritzsystems,
bzw. auf verschwindenden Druck gebracht werden kann. Dieser Druck
wirkt auf ein plungerartiges Teil einer die Einspritzdüsen steuernden
Düsennadel,
wobei die Düsennadel
bei hohem Druck die die Einspritzdüsen verschließende Schließlage und
bei verschwindendem Druck die die Einspritzdüsen mit einer Hochdruckquelle
(Common-Rail) für
den einzuspritzenden Kraftstoff verbindende Offenlage einnimmt.
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Bei
derartigen Injektoren muss neben einem Hochdruckanschluss des Injektors
ein Niederdruckanschluss vorhanden sein, über den Kraftstoff in einen
im wesentlichen druckfreien Tank zurücklaufen kann, wenn der Steuerraum
zur Öffnung
der Düsennadel
vom Druck entlastet werden soll. Injektoren dieser Art besitzen
daher prinzipbedingt einen zur Realisierung des Düsennadelhubs
erforderlichen Steuervolumenstrom sowie gegebenenfalls einen Leckvolumenstrom,
womit einerseits ein zusätzlicher Systemaufwand
für Rückleitungen
und andererseits eine erhöhte
Förderleistung
der Hochdruckpumpe für den
Kraftstoff notwendig werden.
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Bisher
ist es bei derartigen Injektoren nicht möglich, die Düsennadel
direkt mit einem elektromagnetischen Aktor zu betätigen. Denn
dabei müssen extreme
Drücke überwunden
werden, so dass der notwendige Bauraum für entsprechend starke Aktoren
zu groß wäre.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, die zum Öffnen eines Injektors erforderlichen
Kräfte
zu reduzieren, so dass die Düsennadel
direkt mit Hilfe vergleichsweise schwacher Aktoren betätigt werden kann.
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Dies
wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Im Ergebnis können auf
diese Weise Injektoren hergestellt werden, die ohne Kraftstoffrücklaufleitung
auskommen.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an der Düsennadel
für einen
schaltbaren Druckausgleich zu sorgen, derart, dass die an der Düsennadel
hydraulisch erzeugten Kräfte
einander bei entsprechender Schaltung des Druckausgleichsventils
größenordnungsmäßig aufheben
und die Düsennadel
aus ihrer die Düsen
versperrenden Schließlage
mit entsprechend geringen Kräften
ausgehoben werden kann, um Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum
einzuspritzen. Damit kann dann der Öffnungshub der Düsennadel
mit schwachen und nur ein geringes Bauvolumen erfordernden Aktoren
bewirkt werden. Durch den bei entsprechender Schaltung des Druckausgleichsventils
bewirkten Druckausgleich wird also der Öffnungshub der Ventilnadel „vorbereitet”. Der Öffnungshub
bzw. die Beendigung der Offenstellung der Düsennadel wird durch entsprechende
Ansteuerung des Aktors bewirkt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass der Zusatzraum, dessen Druck mittels
des Druckausgleichsventils gesteuert wird, an der Eingangsseite
der Düsen
angeordnet und bei in Schließlage
befindlicher Düsennadel
oder dergleichen über
einen zwischen Düsennadel
und Eingangsseite der Düsen
verbleibenden Drosselspalt in den Brennraum entlüftbar ist. Hier wird die Tatsache
ausgenutzt, dass zwischen den Einspritzdüsen ein vergleichsweise großer Querschnitt
der Düsennadel
bei Öffnung
des Druckausgleichsventils mit hohem Kraftstoffdruck beaufschlagt
werden kann. Andererseits ist beim Schließen des Druckentlastungsventils
gewährleistet,
dass ein Austritt geringster Kraftstoffmengen über den Drosselspalt und die
Düsen in
den Brennraum genügt,
um den Zusatzraum vom Druck zu entlasten.
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Gemäß einer
konstruktiv bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann die Düsennadel
als Hohlnadel mit einer mit der Hochdruckquelle (Common-Rail) kommunizierenden
Axialbohrung ausgebildet und das Druckausgleichsventil am düsennahen
Ende der Axialbohrung angeordnet sein, wobei dann der Ventilkörper des
Druckausgleichsventils zweckmäßig einen
die Axialbohrung fortsetzenden Auslass steuert, der in den zwischen
den Düsen
angeordneten Zusatzraum mündet.
Auf diese Weise wird eine besonders kompakte Bauform des Injektors erreicht.
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Als
Aktor ist vorzugsweise eine Elektromagnetanordnung vorgesehen, die
mit einer der Düsennadel
zugeordneten Ankeranordnung sowie einer dem Ventilkörper des
Druckausgleichsventils zugeordneten Ankeranordnung magnetisch zur
Betätigung
zusammenwirkt.
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Dabei
besteht einerseits die Möglichkeit, eine
einzige Elektromagnetanordnung gemeinsam für Druckausgleichsventil und
Düsennadel
vorzusehen.
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Andererseits
können
die Ankeranordnungen von Düsennadel
und Druckausgleichsventil mit gesonderten Elektromagnetanordnungen
kombiniert sein, wobei grundsätzlich
die Möglichkeit
besteht, die Elektromagnetanordnungen unabhängig voneinander elektrisch
zu bestromen. Damit wird die Flexibilität des Einspritzsystems erhöht. Außerdem können gegebenenfalls
in besonderen Einspritzphasen Kleinstmengen eingespritzt werden,
indem nur das Druckausgleichsventil geöffnet wird.
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Bei
einer weiteren Variante können
die Elektromagnetanordnungen elektrisch in Reihe liegen.
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Im übrigen wird
hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und
die nachfolgende Erläuterung
der Zeichnung verwiesen, anhand der bevorzugte Ausführungen
der Erfindung näher
beschrieben werden.
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Schutz
wird nicht nur für
ausdrücklich
angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch
für prinzipiell
beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
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Erläuterung
der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine Serie von Schnittbildern A bis
E verschiedener Betriebszustände
eines erfindungsgemäßen Injektors,
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2 die
Einzelheit II in 1 und
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3 ein
Schnittbild einer gegenüber 1 abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors.
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Gemäß 1 besitzt der Injektor einen Injektorkörper 1,
dessen Innenraum ständig
mit einer Hochdruckquelle (Common-Rail) für Kraftstoff verbunden ist.
Der Injektorkörper 1 setzt
sich in der Zeichnung nach unten in einen Düsenkörper 2 fort, dessen
Innenraum mit dem Innenraum des Injektorkörpers 1 kommuniziert.
Der Düsenkörper 2 hat
im wesentlichen die Form eines Rohres, dessen freies Ende durch
eine mit Düsen 3 versehene
Kegelspitze gebildet wird. Diese Düsen münden in einen nicht dargestellten
Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Zur
Steuerung der Düsen
dient eine Düsennadel 4,
die hier als Hohlnadel ausgebildet ist und ähnlich wie der Düsenkörper die
Form eines Rohres aufweist, dessen in der Zeichnung unteres Ende durch
eine Kegelspitze gebildet wird. Wenn die Düsennadel 4 ihre untere
Endlage einnimmt, sitzt sie mit einer ringförmigen Kante am Übergang
zur unteren Kegelspitze auf einem ringförmigen Sitz 5 auf
der Innenseite der Kegelspitze des Düsenkörpers 2 dicht auf.
Der Sitz 5 ist radial außerhalb der Eingangsseiten
der Düsen 3 angeordnet.
Dementsprechend sind die Eingangsseiten der Düsen 3 vom Ringraum
zwischen der Außenseite
der Düsennadel 4 und
dem Innenumfang des Düsenkörpers 2 abgesperrt,
wenn die Düsennadel 4 auf
dem Sitz 5 aufsitzt. Gegebenenfalls kann der Sitz 5 auch
als Ringwulst ausgebildet sein, der mit der Kegelspitze der Düsennadel 4 dichtend
zusammenwirkt.
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Zwischen
der Außenseite
der Kegelspitze der Düsennadel 4 und
der Innenseite der Kegelspitze des Düsenkörpers 2 verbleibt
ein Zusatzraum 6, dessen Zweck weiter unten erläutert wird.
Dieser Zusatzraum 6 kommuniziert mit dem Innenraum der
Düsennadel 4 über eine
die Axialbohrung der Düsennadel 4 fortsetzende
Bohrung 7, die durch einen im dargestellten Beispiel kleinen,
kugelförmigen
Ventilkörper 8 eines
Druckausgleichsventils 7,8 gesteuert wird.
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Zur
Betätigung
der Düsennadel 4 bzw.
des Ventilkörpers 8 dienen
im Injektorkörper 1 axial
hintereinander angeordnete ringförmige
Elektromagnetanordnungen 10 und 11. Die die Düsennadel 4 steuernde
Elektromagnetanordnung 10 wirkt mit einem am zugewandten
Ende der Düsennadel 4 angeordneten
Ankeranordnung 12 zusammen, d. h. die Ankeranordnung 12 wird
bei elektrischer Bestromung der Elektromagnetanordnung 10 mit
einer Kraft beaufschlagt, die die Düsennadel 4 vom Sitz 5 abzuheben sucht.
Der Ventilkörper 8 ist
mit seiner zugeordneten Ankeranordnung 13 über eine
die Zentralbohrung der Elektromagnetanordnung 10 durchsetzende
Stange 14 verbunden, die von einer beispielsweise als Schraubendruckfeder
ausgebildeten Schließfeder 15,
die zwischen einem Flansch an der Stange 14 und einer Widerlagerfläche an der
Elektromagnetanordnung 10 eingespannt ist, nach abwärts gespannt wird,
derart, dass der Ventilkörper 8 in
Schließlage auf
dem zugeordneten Sitz an der Bohrung 7 gebracht wird.
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Wird
die Elektromagnetanordnung 11 bestromt, wird die Ankeranordnung 13 in 1 nach aufwärts gezogen, und der Ventilkörper 8 des
Druckausgleichsventils 7,8 gibt die Bohrung 7 frei,
so dass der Zusatzraum 6 mit dem Innenraum der Düsennadel 4 und
damit mit dem unter Hochdruck stehenden Innenraum des Injektorkörpers 1 Verbindung
hat.
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Der
dargestellte Injektor der 1 funktioniert
wie folgt:
Die Elektromagnetanordnungen 10 und 11 sind
elektrisch in Reihe geschaltet und können dementsprechend gemeinsam
mittels einer elektrischen Spannungsquelle 16 bestromt
werden, wenn ein Schalter 17 geschlossen wird. Zunächst möge dieser
Schalter gemäß Bild A
offen sein, d. h. die Elektromagnetanordnungen 10 und 11 sind
ohne elektrischen Strom, und die Düsennadel 4 sowie der
Ventilkörper 8 des Druckausgleichsventils 7,8 werden
vom hydraulischen Druck im Injektorkörper 1 bzw. im Düsenkörper 2 auf
ihre jeweiligen Sitze gedrängt.
In dieser Phase ist der Zusatzraum 6 in den am Düsenausgang
angeschlossenen Brenn raum entlüftet,
da gemäß 2 zwischen
der Außenseite
des Kegels der Düsennadel 4 und
der ringwulstförmigen
Eingangsseite der Düsen 3 ein
schmaler Drosselspalt 18 offen bleibt. Zu Beginn einer
gewünschten
Einspritzphase werden die Elektromagnetanordnungen 10 und 11 durch Schließen des
Schalters 17 elektrisch bestromt. Aufgrund seines kleinen
Querschnittes kann der Ventilkörper 8 des
Druckausgleichsventils 7, 8 sofort von den zwischen
der Elektromagnetanordnung 11 und der Ankeranordnung 13 wirksamen
Magnetkräften aus
seinem Sitz ausgehoben werden. Damit wird der Zusatzraum 6 über die
Bohrung 7 mit hohem Druck aufgeladen, derart, dass die
zwischen der Ankeranordnung 12 und der Elektromagnetanordnung 10 wirkenden
magnetischen Kräfte
in Verbindung mit den hydraulischen Druckkräften im Zusatzraum 6 ausreichen,
die Düsennadel 4 aus
ihren Sitz 5 auszuheben. Dieser Zustand ist im Bild C dargestellt.
Damit kommuniziert die Eingangsseite der Düsen 3 über den
Innenraum des Düsenkörpers 2 mit
dem Innenraum des Injektorkörpers 1,
und Kraftstoff wird über
die Düsen 3 in
den angeschlossenen Brennraum eingespritzt.
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Zur
Beendigung der Einspritzphase wird der Schalter 17 wieder
geöffnet,
so dass die Bestromung der Elektromagnetanordnungen 10 und 11 beendet wird.
Dies führt
gemäß Bild D
zunächst
dazu, dass der Ventilkörper 8 des
Druckausgleichsventils 7, 8 wieder seine Schließlage einnimmt
und die Bohrung 7 zum Zusatzraum 6 absperrt. Dies
hat des weiteren zur Folge, dass die Düsennadel 4 vom hydraulischen Druck
im Injektorkörper 1 bzw.
im Düsenkörper 2 sowie
durch die Kraft der Schließfeder 15 in
Schließrichtung
belastet wird und auf dem Sitz 5 aufsetzt, sobald sich
der Zusatzraum 6 über
die Düsen 3 hinreichend
entleert hat. Damit wird der Zustand des Bildes E bzw. A erreicht.
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Der
in Schließlage
der Düsennadel 4 verbleibende
Drosselspalt 18 an der Eingangsseite der Düsen 3 hat,
wie oben dargestellt wurde, einerseits die Funktion, dass sich der
Zusatzraum 6 bei geschlossenem Druckausgleichsventil 9 in
den Brennraum entlüften
kann. Des Weiteren hat dieser Drosselspalt 18 bei öffnendem
Druckausgleichsventil 7, 8 die Wirkung, dass im
Zusatzraum 6 ein schneller Druckanstieg folgen kann, weil
zunächst
aufgrund der Drosselwirkung des Drosselspaltes 18 nur ein
geringer Anteil des durch die Bohrung 7 zuströmenden und unter
Hochdruck stehenden Kraftstoffes über die Düsen 3 abströmt. Im Ergebnis
wird also durch einen sehr engen Drosselspalt 18 ein schnelles Öffnen der Düsennadel 4 zu
Beginn der Einspritzphase erreicht.
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Bei
der vorangegangenen Funktionsbeschreibung wurde davon ausgegangen,
dass die Elektromagnetanordnungen 10 und 11 simultan
bestromt bzw. simultan vom elektrischen Strom abgeschaltet werden.
Dies ist nicht zwingend notwendig. Vielmehr ist es auch möglich und
vorteilhaft, die Elektromagnetanordnungen 10 und 11 separat
voneinander elektrisch bestromen zu können.
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Beispielsweise
besteht die Möglichkeit,
in bestimmten Phasen nur die Elektromagnetanordnung 11 zur
Betätigung
des Druckausgleichsventils 7, 8 zu bestromen.
Damit öffnet
nur das Druckausgleichsventil 7, 8, so dass die
Düsen 3 nur über die Bohrung 7,
den Zusatzraum 6 und den Drosselspalt 18 mit Kraftstoff
beliefert werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, in besonderen Einspritzphasen
ganz geringe Kraftstoffmengen reproduzierbar einzuspritzen.
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Gegebenenfalls
können
die Ankeranordnungen 12 und 13 gemäß 3 auch
von einer einzigen Elektromagnetanordnung 19 betätigt werden.
Dazu sind die Ankeranordnungen 12 und 13 gemäß 3 koaxial
zueinander angeordnet. In diesem Fall kann die Schließfeder 15 des
Druckausgleichsventils 7, 8 oberhalb der Elektromagnetanordnung 19 zwischen einem
Boden des Injektorkörpers 1 und
einem Flansch an der Stange 14, die eine Zentralbohrung der
Elektromagnetanordnung 19 durchsetzt, eingespannt sein.
Wichtig ist, dass die Ankeranordnung 13 des Druckausgleichsventils 7, 8 auch
in der oberen Endlage (Offenlage) der Düsennadel 4 und der
zugeordneten Ankeranordnung 12 eine hinreichende axiale
Beweglichkeit hat, um das Druckausgleichsventil 7,8 öffnen bzw.
schließen
zu können.