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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere einen
Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der
EP 1 612 403 A1 ist
ein Common-Rail-Injektor mit einem in axialer Richtung druckausgeglichenen
Steuerventil bekannt. Mittels des Steuerventils, das ein hülsenförmiges
Steuerventilelement aufweist, kann der Kraftstoffdruck innerhalb
einer von einem Einspritzventilelement stirnseitig begrenzten Steuerkammer
beeinflusst werden. Durch die Variation des Kraftstoffdruckes innerhalb der
Steuerkammer wird das Einspritzventilelement zwischen einer Öffnungsstellung
und einer Schließstellung verstellt, wobei das Einspritzventilelement
in seiner Öffnungsstellung den Kraftstofffluss in den Brennraum
einer Brennkraftmaschine freigibt.
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Neuere
Kraftstoff-Injektoren für sehr hohe Einspritzdrücke
werden leckagefrei ausgeführt, indem auf eine dem Einspritzventilelement
zugeordnete Niederdruckstufe verzichtet wird. Durch das Fehlen dieser
Niederdruckstufe stehen nur geringe Schließkräfte
zur Verfügung, was wiederum zu steilen Kennfeldern und
somit zu einer verschlechterten Kleinstmengenfähigkeit
führt. Dieser Nachteil kann mit sehr schnell schaltenden
Kraftstoff-Injektoren kompensiert wer den. Bei sehr schnell schaltenden Kraftstoff-Injektoren
treten jedoch häufig Preller beim Schließen des
Steuerventils auf, die zu Kennfeldwelligkeiten führen.
Die Preller des Steuerventilelementes wirken sich unmittelbar auf
das Einspritzventilelement aus und führen zu großen
Hub-Streuungen. Ein Prellen am unteren Hubanschlag des Steuerventilelementes
wird durch einen hydraulischen Effekt verstärkt, der dadurch
begründet ist, dass beim Öffnen des Steuerventils
eine öffnende hydraulische, auf das Steuerventilelement
wirkende, Kraft entsteht. Diese öffnende Kraft ist wiederum
darauf zurückzuführen, dass das Steuerventilelement
in seiner Schließstellung druckunterwandert wird. Diese öffnende
hydraulische Kraft ist besonders bei kleinen Hüben des
Steuerventilelementes besonders groß. Erst bei größer
werdenden Hüben des Steuerventilelementes nimmt die öffnende
Kraft wieder ab, was hauptsächlich darauf zurückzuführen
ist, dass die Ablaufdrossel kavitiert und in der Folge nur ein vergleichsweise
geringer hydraulischer Druck am Steuerventilsitz angreift. Bei bestimmten
Betriebsbedingungen kann diese öffnende hydraulische Kraft
zu einem sogenannten Schnarren des Steuerventils führen,
da das Steuerventil nach einem Schließvorgang unmittelbar
wieder öffnet.
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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 Kraftstoff-Injektor
vorzuschlagen, bei dem die Gefahr von Prellern des Steuerventilelementes
minimiert ist.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einem Kraftstoff-Injektor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der
Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den
Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die bei einem, konstruktiv
als in seiner Schließstellung in axialer Richtung druckausgeglichenes
Steuerventil ausgelegten, Steuerventil durch Druckunterwanderung
entstehende hydraulische, in Öffnungsrichtung des Steuerventilelementes
wirkende, Kraft durch eine schließende hydraulische Kraft
zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, zu kompensieren.
Dies wird bei einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten
Kraftstoff-Injektor dadurch erreicht, dass an dem Steuerventilelement
eine in den Hochdruckbereich des Kraftstoff-Injektors ragende Druckstufe
vorgesehen ist, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass
ausschließlich bei geöffnetem, vorzugsweise bei
sich öffnendem, Steuerventilelement eine in Schließrichtung
auf das Steuerventilelement wirkende hydraulische Schließkraft
erzeugt wird. Im geschlossenen Zustand des Steuerventilelementes
ist die Druckstufe in axialer Richtung druckausgeglichen und verursacht
weder eine öffnende, noch eine schließende hydraulische
Kraft. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die in einander
entgegengesetzte Axialrichtungen wirksamen Druckangriffsflächen
(axiale Projektionsflächen) der Druckstufe gleich groß sind,
sodass sich die bei geschlossenem Steuerventilelement auf die Druckstufe
in unterschiedliche Axialrichtungen wirkenden Druckkräfte gegenseitig
aufheben.
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Bei
sich öffnendem Steuerventilelement beginnt der Kraftstoff
auf einer dem Steuerventilsitz zugewandten Seite der Druckstufe
mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit in Richtung
des Niederdruckbereichs des Injektors zu fließen. Aufgrund
des Bernoulli-Effekts sinkt dadurch auf dieser Seite der Druckstufe
der statische hydraulische Druck, wohingegen der statische hydraulische
Druck auf der anderen Seite der Druckstufe zumindest näherungsweise konstant
bleibt. Aufgrund der statischen Druckunterschiede an der Druckstufe
kommt es in der Folge zu der resultierenden, auf das Steuerventilelement
in Schließrichtung wirkenden hydraulischen Schließkraft.
Diese hydraulische, in Schließrichtung wirkende Kraft kompensiert
zumindest zum Teil – je nach Auslegung der Druckstufe – die
in Öffnungsrichtung wirkende, auf eine Druckunterwanderung
zurückzuführende hydraulische Öffnungskraft,
wodurch die Gefahr von Prellern des Steuerventilelementes beim Schließen
minimiert wird. Dies wiederum führt zu geringeren Kennfeldwelligkeiten
des Kraftstoff-Injektors und in der Folge zu minimierten Hub/Hub-Streuungen.
Die axiale Druckausgeglichenheit des Steuerventilelementes kann
auf einfache Weise dadurch realisiert werden, dass der Durchmesser
mit dem das Steuerventilelement auf seinem Steuerventilsitz anliegt
dem inneren Führungsdurchmesser des Steuerventilelementes
entspricht, mit dem das Steuerventilelement an einem Führungsbolzen
bei seiner axialen Verstellbewegung geführt ist.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der die Druckstufe derart dimensioniert ist, dass die beim Öffnen des
Steuerventilelementes entstehende, auf das Vorsehen der Druckstufe
zurückzuführende hydraulische Kraft die in die
entgegengesetzte Richtung wirkende hydraulische Öffnungskraft
zumindest nähe rungsweise, vorzugsweise vollständig
kompensiert, um die Gefahr von Steuerventilelementprellern auf ein
Minimum zu reduzieren.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der der Druckstufe des Steuerventilelementes ein hochdruckseitiger
Spalt zugeordnet ist, der axial zwischen dem Steuerventilelement
und einem weiteren Injektorbauteil, vorzugsweise dem den Steuerventilsitz
aufweisenden, insbesondere als Plattenelement ausgebildeten, Injektorbauteil
ausgebildet ist. Dabei erstreckt sich der Spalt ausgehend von der,
vorzugsweise zumindest näherungsweise linienförmigen
Dichtkante des Steuerventilelementes, die sich durch Verschleißerscheinungen
im Betrieb (etwas) abplattet, bevorzugt zumindest näherungsweise
in radialer Richtung. Da dieser Spalt mit zunehmendem Hub des Steuerventilelementes
größer wird, nimmt die in Schließrichtung
auf das Steuerventilelement wirkende Schließkraft in gleicher
Weise ab, wie die in Öffnungsrichtung auf das Steuerventilelement
wirkende hydraulische Kraft. Ein weiterer Vorteil des Vorsehens
eines derartigen Spaltes kann dann erzielt werden, wenn der Spalt
stromaufwärts unmittelbar vor der eigentlichen Dichtlinie
ausgebildet ist. Bei einer derartigen konstruktiven Lösung
reagiert die in Schließrichtung wirkende hydraulische Schließkraft am
Spalt in gleicher Weise auf Druckveränderungen wie die
in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft, die in
einem Bereich in Strömungsrichtung hinter der Dichtlinie
entsteht. Dies ist von entscheidendem Vorteil, da sich der hydraulische
Druck hinter der zum Steuerventilelement führenden Ablaufdrossel durch
die plötzlich einsetzende Kavitation nahezu sprunghaft ändert.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
Druckstufe auf der vom Spalt abgewandten Seite eine Druckangriffsfläche
aufweist, wobei die Druckangriffsfläche derart dimensioniert
ist, dass die Druckstufe bei geschlossenem Steuerventilelement in
axialer Richtung druckausgeglichen ist. Hierzu muss die wirksame
Druckangriffsfläche der Druckstufe gleich groß sein
wie die im Spalt ausgebildete, in die entgegengesetzte Axialrichtung
wirksame Druckangriffsfläche der Druckstufe.
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Die
Kraftkompensation der durch Druckunterwanderung in Öffnungsrichtung
wirkenden hydraulischen Kraft durch die durch die Druckstufe beim Öffnen
des Steuerventilelementes entstehende, in Schließrichtung
wirkende, hydraulische Schließkraft kann in vorteilhafter
Weise beeinflusst werden, indem der zwischen der Druckstufe und
einem Injektorbauteil ausgebildete Spalt eine Ringnut umfasst, die
vorzugsweise stirnseitig in das Steuerventilelement eingebracht
ist. Bevorzugt grenzt diese Ringnut unmittelbar an die Dichtlinie
des Steuerventilelementes an. Die Ringnut hat den zusätzlichen
Effekt, dass Abplattungseffekte der Dichtlinie durch im Betrieb
auftretenden Verschleiß minimiert werden.
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Eine
konstruktiv besonders günstige Variante des Kraftstoff-Injektors
verzichtet bewusst auf das Vorsehen einer Ringnut im hochdruckseitigen
Spalt. Das Gleichgewicht zwischen öffnender und schließender
hydraulischer Kraft wird dann ausschließlich über
das Größenverhältnis des hochdruckseitigen Spaltes
und eines niederdruckseitigen Spaltes eingestellt. Eine derartige
Kraftstoff-Injektorvariante ist einfacher herzustellen, benötigt
in der Regel jedoch etwas mehr Bauraum.
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Zur
Erzielung der in Schließrichtung auf das Steuerventilelement
wirkenden Schließkraft hat es sich als vorteilhaft herausgestellt,
wenn die Spalthöhe, also die Dickenerstreckung des Spaltes,
insbesondere radiale, Längserstreckung zumindest näherungsweise,
vorzugsweise vollständig konstant ist – selbstverständlich
ohne die Berücksichtigung einer fakultativ vorzusehenden,
zuvor beschriebenen Ringnut.
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Im
Hinblick auf die Ausbildung des Steuerventilsitzes gibt es unterschiedliche
Möglichkeiten. So hat es sich als vorteilhaft herausgestellt,
den Steuerventilsitz als Flachsitz oder als Kegelsitz, insbesondere
als Innenkegelsitz oder als Außenkegelsitz auszubilden.
Bevorzugt verläuft dabei die den hochdruckseitigen Spalt
begrenzende Seite der hochdruckseitigen Druckstufe des Steuerventilelementes
parallel zur Sitzfläche.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der das Einspritzventilelement ohne Niederdruckstufe ausgebildet
ist – der Injektor also quasi leckagefrei ist. Besonders
bevorzugt ist es weiterhin, das Steuerventilelement an einem Führungsbolzen
zu führen, wobei der Führungsbolzen als ein von
dem den Steuerventilsitz aufweisenden Injektorbauteil separates
Bauteil ausgeführt ist. Bei einem in axialer Richtung in
seiner Schließstellung druckausgeglichenen Ventil entspricht
der Innendurchmesser, mit dem das Steuerventilelement am Führungsbolzen
anliegt, dem Durchmesser der Dichtlinie, mit der das Steuerventilelement
dichtend mit dem Steuerventilsitz in seiner Schließstellung
zusammenwirkt.
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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 Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 eine
schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Kraftstoff-Injektors
mit einem Steuerventil, das eine hochdruckseitige Druckstufe aufweist,
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2 eine
vergrößerte Darstellung einer möglichen
Ausführungsform der hochdruckseitigen Druckstufe im Zusammenspiel
mit einem als Flachsitz ausgebildeten Steuerventilsitz, wobei ein
zwischen der Druckstufe und dem Steuerventilsitz ausgebildeter hochdruckseitiger
Spalt eine Ringnut umfasst,
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3 eine
vergrößerte Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels
der Druckstufe im Zusammenspiel mit einem als Innenkegelsitz ausgebildeten
Steuerventilsitz, wobei der zwischen der Druckstufe und dem Steuerventilsitz
ausgebildete Spalt eine Ringnut aufweist,
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4 eine
vergrößerte Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels
der Druckstufe, wobei der Steuerventilsitz als Flachsitz ausgebildet
ist und der hochdruckseitige Spalt keine Ringnut aufweist und
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5 eine
Darstellung als alternatives Ausführungsbeispiel der hochdruckseitigen
Druckstufe im Zusammenspiel mit einem als Innenkegelsitz ausgebildeten
Steuerventilsitz, wobei der hochdruckseitige Spalt zwischen der
Druckstufe und dem Steuerventilsitz keine Ringnut aufweist und sich
in Richtung der Dichtlinie des Steuerventilelementes verjüngt.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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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 Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 zum
Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer
ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
dargestellt. Eine Hochdruckpumpe 2 fördert Kraftstoff
aus einem 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 ist
der Injektor 1 neben anderen, nicht gezeigten Kraftstoff-Injektoren über eine
Versorgungsleitung 5 angeschlossen. Die Versorgungsleitung 5 bzw.
ein im Kraftstoff-Injektor 1 vorgesehener Versorgungskanal 6 mündet
in einen Druckraum 7 (Hochdruckbereich) des Kraftstoff-Injektors 1.
Von dort aus strömt Kraftstoff bei einem Einspritzvorgang
in der Zeichnungsebene axial nach unten in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der
Kraftstoff-Injektor 1 ist über einen Injektor-Rücklaufanschluss 8 über
eine Rücklauflei tung 9 an den Vorratsbehälter 3 angeschlossen. Über
die Rücklaufleitung 9 kann eine später
noch zu erläuternde Steuermenge an Kraftstoff von dem Kraftstoff-Injektor 1 zu
dem Vorratsbehälter 3 abfließen und von
dort aus dem Hochdruckkreislauf wieder zugeführt werden.
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Innerhalb
eines Injektorkörpers 10 ist ein einteiliges Einspritzventilelement 11,
das bei Bedarf auch mehrteilig ausgeführt sein kann, in
axialer Richtung verstellbar. Das Einspritzventilelement 11 ist ohne
Niederdruck-Stufe ausgeführt. Das Einspritzventilelement 11 ist
innerhalb eines nicht gezeigten Düsenkörpers an
seinem Außenumfang geführt. Dieser, nicht dargestellte,
Düsenkörper ist mittels einer ebenfalls nicht
dargestellten Überwurfmutter mit dem Injektorkörper 10 verspannt.
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Wenn
das Einspritzventilelement 11 an seinem nicht gezeigten,
im Düsenkörper ausgebildeten, Einspritzventilelementsitz
anliegt, d. h. sich in einer Schließstellung befindet,
ist der Kraftstoffaustritt aus einer nicht gezeigten Düsenlochanordnung
gesperrt. Ist es dagegen von seinem Einspritzventilelementsitz abgehoben,
kann Kraftstoff aus dem Druckraum 7 in axialer Richtung
am Einspritzventilelementsitz vorbei zur Düsenlochanordnung
strömen und dort im Wesentlichen unter Hochdruck (Raildruck)
stehend in den Brennraum gespritzt werden.
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Von
einer oberen Stirnseite 12 und einem in der Zeichnungsebene
unteren, hülsenförmigen Abschnitt 13 eines
Plattenelementes 14 (Injektorbauteil) wird eine Steuerkammer 15 begrenzt,
die über eine radial in den hülsenförmigen
Abschnitt 13 des Plattenelementes 14 verlaufende
Zulaufdrossel 16 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
aus dem Druckraum 7 versorgt wird. Wie sich weiterhin aus 1 ergibt,
ist das Plattenelement 14 mittels eines Außengewinderings 38,
der mit einem Innengewinde des Injektorkörpers 10 verschraubt
ist, gegen eine innere Ringschulter 39 des Injektorkörpers 10 verspannt.
Der hülsenförmige Abschnitt 13 mit darin
eingeschlossener Steuerkammer 15 ist radial außen von
unter Hochdruck stehendem Kraftstoff umschlossen, sodass ein ringförmiger
Führungsspalt 17 radial zwischen dem hülsenförmigen
Abschnitt 13 und dem Einspritzventilelement 11 vergleichsweise
kraftstoffdicht ist.
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Die
Steuerkammer 15 ist über einen, in dem Plattenelement 14 angeordneten
Ablaufkanal 18 mit Ablaufdrossel 19 mit einer
Ventilkammer 20 verbunden, die radial außen von
einem, in axialer Richtung verstellbaren, hülsenförmigen
Steuerventilelement 21 eines im geschlossenen Zustand in
axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventils 22 (Servoventil)
begrenzt ist. Aus der Ventilkammer 20 kann Kraftstoff in
einen Niederdruckbereich 23 des Kraftstoff-Injektors 1 und
von dort aus zum Injektorrücklaufanschluss 8 strömen,
wenn das hülsenförmige Steuerventilelement 21,
das einstückig mit einer Ankerplatte 24 ausgebildet
ist, von seinem am Plattenelement 14 ausgebildeten Steuerventilsitz 25 abgehoben,
d. h. das Steuerventil 22 geöffnet ist. Zum Verstellen
des hülsenförmigen Steuerventilelementes 21 in
der Zeichnungsebene nach oben ist ein elektromagnetischer Aktuator 26 mit
einem Elektromagneten 27 (Spule) vorgesehen, der mit der
Ankerplatte 24 zusammenwirkt und in der Folge auch mit
dem einstückig mit dieser ausgebildeten hülsenförmigen Steuerventilelement 21.
Bei Bestromung des Aktuators 26, genauer des Elektromagneten 27,
hebt das Steuerventilelement 21 von seinem, in diesem Ausführungsbeispiel
als Flachsitz ausgebildeten Steuerventilsitz 25 ab. Die
Durch flussquerschnitte der Zulaufdrossel 16 und der Ablaufdrossel 19 sind
dabei derart aufeinander abgestimmt, dass bei geöffnetem Steuerventil 22 ein
Nettoabfluss von Kraftstoff (Kraftstoffsteuermenge) aus der Steuerkammer 15 über die
Ventilkammer 20 in den Niederdruckbereich 23 des
Kraftstoff-Injektors 1 und von dort aus über den Injektorrücklaufanschluss 8 und
die Rücklaufleitung 9 in den Vorratsbehälter 3 resultiert.
Hierdurch sinkt der Druck in der Steuerkammer 15 rapide
ab, wodurch das Einspritzventilelement 11 von seinem nicht
gezeigten Einspritzventilelementsitz abhebt, sodass Kraftstoff aus
dem Druckraum 7 durch die Düsenlochanordnung in
den Brennraum ausströmen kann.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des elektromagnetischen
Aktuators 26 unterbrochen, wodurch das hülsenförmige
Steuerventilelement 21 mittels einer Steuerschließfeder 28,
die sich axial auf der Ankerplatte 24 abstützt
in der Zeichnungsebene nach unten auf seinen Steuerventilsitz 25 verstellt
wird. Der durch die Zulaufdrossel 16 in die Steuerkammer 15 nachströmende
Kraftstoff sorgt für eine schnelle Druckerhöhung
in der Steuerkammer 15 und damit für eine auf
das Einspritzventilelement 11 wirkende Schließkraft.
Die daraus resultierende Schließbewegung des Einspritzventilelementes 11 wird
von einer Schließfeder 29 unterstützt,
die sich einenends an einem nicht gezeigten Umfangsbund des Einspritzventilelementes 11 und
anderenends an der in der Zeichnungsebene unteren, ringförmigen
Stirnseite 30 des hülsenförmigen Abschnitts 13 des
Plattenelementes 14 abstützt.
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Die
Ventilkammer 20 wird in axialer Richtung nach oben von
einem Führungsbolzen 31, genauer von einem verdickten,
in der Zeichnungsebene unteren, Abschnitt 32 abgedichtet.
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Hierzu
entspricht der innere Führungsdurchmesser DF des
hülsenförmigen Steuerventilelementes 21 dem
Außendurchmesser DA des unteren,
verdickten Abschnittes 32 des Führungsbolzens 31.
Wie aus 1 weiter hervorgeht, ist der
Führungsbolzen 31 als von dem Plattenelement 14 separates
Bauteil ausgebildet, das von der Steuerschließfeder 28 in axialer
Richtung in der Zeichnungsebene nach oben gegen einen Injektordeckel 33 federkraftbeaufschlagt ist.
Hierzu stützt sich die Steuerschließfeder 28 an
einer Ringschulter 34 des Steuerventilelementes 21 ab.
Zusätzlich ist das hülsenförmige Steuerventilelement 21 an
seinem Außenumfang geführt. Hierzu ist ein hülsenförmiger
Führungsabschnitt 35 des Plattenelementes 14 vorgesehen,
der sich in der Zeichnungsebene nach oben in eine Richtung von dem Druckraum 7 weg
erstreckt. Um einen ungehinderten Abfluss des Kraftstoffs bei geöffnetem
Steuerventil 22 zum Injektorrücklaufanschluss 8 zu
garantieren, ist in dem Führungsabschnitt 35 in
einem axial unteren Bereich eine Radialbohrung 36 eingebracht,
die in einen Ankerplattenraum 37 mündet.
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Wie
sich aus 1 ergibt, weist das hülsenförmige
Steuerventilelement 21 eine nach radial innen in den Hochdruckbereich,
genauer in die Ventilkammer 20, ragende Druckstufe 40 auf,
deren Funktionsweise im Folgenden anhand unterschiedlicher Ausführungsbeispiele
gemäß den 2 bis 5 näher
erläutert wird.
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In 2 ist
eine mögliche Ausführungsform der Druckstufe 40 in
einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Zu erkennen
ist, dass sich die Druckstufe 40 ausgehend vom Führungsdurchmesser
DF in radialer Richtung nach innen in die
Ventilkammer 20 hinein erstreckt. Die Druckstufe 40 weist
eine in der Zeichnungsebene obere Druckangriffsfläche 41 auf,
zu der axial beabstandet eine untere Druckangriffsfläche 42 angeordnet
ist. Die axialen Projektionsflächen der Druckangriffsflächen 41, 42 sind
gleich groß, sodass die Druckstufe 40 bei geschlossenem
Steuerventilelement 21 in axialer Richtung betrachtet druckausgeglichen
ist. Zur Erzielung der axialen Druckausgeglichenheit bei geschlossenem
Steuerventil 22 entspricht der Durchmesser DD der
Dichtkante 43 (Dichtlinie) dem Führungsdurchmesser
DF.
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Wie
aus 2 zu erkennen ist, liegt das hülsenförmige
Steuerventilelement 21 mit einer stirnseitigen Dichtkante 43,
die sich im Betrieb durch Verschleißerscheinungen etwas
abflachen wird, an einem als Flachsitz ausgebildeten Steuerventilsitz 25 an.
In radialer Richtung nach innen in den Hochdruckbereich, genauer
in die Ventilkammer 20 hinein, erstreckt sich ein Spalt 44,
der zwischen der unteren Druckangriffsfläche 42 der
Druckstufe 40 des Steuerventilelementes 21 und
dem Steuerventilsitz 25 ausgebildet ist. Unmittelbar benachbart
zur Dichtkante 43 ist eine Ringnut 45 vorgesehen,
die als Bestandteil des Spaltes 44 unmittelbar in die Druckstufe 40 (innerer
Ringfortsatz) eingebracht ist. In einem an die Ringnut 45 radial
innen liegenden Bereich ist die Dickenerstreckung des Spaltes 44 konstant.
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Radial
außen an die Dichtkante 43 schließt ein
in radialer Richtung nach innen spitz zulaufender Niederdruckspalt 46 an,
der im Niederdruckbereich 23 aufgenommen ist. Der Niederdruckspalt 46 wird begrenzt
in axialer Richtung von einer äußeren Kegelfläche 47 des
Steuerventilelementes 21 und dem in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als Flachsitz ausgebildeten Steuerventilsitz 25. In den
Niederdruckspalt 46 wandert bei geschlossenem, in axialer Richtung
druckausgeglichen konstruiertem Steuerventilelement 21 unter
Hoch druck stehender Kraftstoff aus der Ventilkammer 20 hinein,
sodass eine in Öffnungsrichtung auf das Steuerventilelement 21 wirkende Öffnungskraft
erzeugt wird. Diese öffnende Kraft wird durch das Vorsehen
der hochdruckseitigen Druckstufe 40 kompensiert. Im gezeigten,
geschlossenen Zustand ist die Druckstufe 40, wie zuvor
beschrieben, in axialer Richtung druckausgeglichen. Öffnet
sich das Steuerventilelement 21, beginnt der Kraftstoff
in dem Spalt 44 von in der Zeichnungsebene rechts nach
in der Zeichnungsebene links in den Niederdruckbereich 23 hinein
mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zu strömen.
Hierdurch sinkt aufgrund des Bernoulli-Effektes der statische, hydraulische
Druck im Spalt 44, wohingegen der statische Druck oberhalb
der oberen Druckangriffsfläche 41, zumindest näherungsweise,
konstant bleibt, bzw. sich in einem geringen Maß ändert,
mit der Folge, dass eine in Schließrichtung auf das Steuerventilelement 21 wirkende
Schließkraft erzeugt wird.
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Im
Folgenden werden alternative Ausführungsformen beschrieben.
Dabei entspricht die Funktionsweise der zuvor beschriebenen Variante
gemäß 2. Zur Vermeidung von Wiederholungen
wird daher im Folgenden im Wesentlichen auf die Unterschiede zu
dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen.
Im Hinblick auf die Gemeinsamkeiten wird auf die 1 und 2 sowie
auf die vorhergehende Figurenbeschreibung verwiesen.
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Im
in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der
Steuerventilsitz 25 nicht mehr als Flachsitz, sondern als
innenkegelförmiger Sitz ausgebildet. Zur Einhaltung einer
gleichmäßigen Dickenerstreckung des im Hochdruckbereich
liegenden Spaltes 44 verläuft die untere Druckangriffsfläche 42 der
Druckstufe 40 in einem Bereich radial innerhalb der Ringnut 45 parallel
zum Steuerventilsitz 25, genauer zur Steuerventilsitzfläche.
Auch bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
wird der Niederdruckspalt 46 begrenzt von einer stirnseitigen
Kegelfläche 47 des Steuerventilelementes 21 und
dem Steuerventilsitz 25.
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Das
in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht
im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit
dem wesentlichen Unterschied, dass auf eine Ringnut 45 im
Spalt 44 verzichtet wurde. Der Spalt 44 weist
bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel keine gleichmäßige
Höhenerstreckung auf, sondern die Höhenerstreckung
nimmt in radialer Richtung nach innen in Richtung zum Zentrum der Ventilkammer 20 zu.
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Der
Niederdruckspalt 46 wird begrenzt von dem als Flachsitz
ausgebildeten Steuerventilsitz 25 und einer radial inneren
Kegelfläche 48 des Steuerventilelementes 21,
die einen größeren Kegelwinkel aufweist als eine
radial äußere, an die radial innere Kegelfläche 48 angrenzende
Kegelfläche 47.
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Das
in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht
im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 3,
wobei auch hier auf eine Ringnut im Spalt 44 verzichtet
wurde. Der Steuerventilsitz 25 ist als innenkegelförmiger
Sitz ausgebildet und begrenzt zusammen mit einer kegelförmigen
unteren Druckangriffsfläche 42 einen sich radial
nach außen verjüngenden Spalt 44. Der
Niederdruckspalt 46 ist wiederum begrenzt von einer, unmittelbar
an die Dichtkante 43 angrenzenden Kegelfläche 48,
die radial außen in eine Kegelfläche 47 übergeht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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