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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 1 253 314 A2 ist
ein Kraftstoff-Injektor bekannt, der mittels eines Steuerventils
servogesteuert ist. Das Steuerventil weist ein hülsenförmiges
Steuerventilelement auf, das an seiner seinem Steuerventilsitz zugewandten
Stirnseite kegelförmig ausgebildet ist, wobei der Steuerventilsitz
von einer Ringkante einer Stufenbohrung gebildet ist. Nachteilig
bei dem bekannten Kraftstoff-Injektor ist die starke Belastung an
der linienförmigen Sitzkante, die von zwei rechtwinklig
zueinander verlaufenden Flächen gebildet ist. Hierdurch
kommt es während des Betriebs zu erheblichen Verschleißerscheinungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Kraftstoff-Injektor mit
einem ein hülsenförmiges Steuerventilelement aufweisenden
Steuerventil vorzuschlagen, das zum einen auf einfache Weise fertigbar
und zum anderen einen vergleichsweise geringen Verschleiß im
Sitzbereich garantiert.
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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 angeben.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, am Steuerventilelement als
Dichtfläche zum Zusammenwirken mit dem in axialer Richtung
gegenüberliegenden Steuerventilsitz, eine Dichtkante vorzusehen,
die zwischen zwei winklig zueinander angeordneten, vorzugsweise
in axialer Richtung benachbarten, insbesondere konusförmigen,
Kegelflächen (Ringflächen) ausgebildet ist, von
denen sich eine in den Hochdruckbereich des Kraftstoff-Injektors
und die andere in den Niederdruckbereich erstreckt. Hierdurch wird
die Belastung des Steuerventilsitzes im Bereich seiner Dichtfläche
im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoff-Injektoren
minimiert, da durch die Ausbildung einer Dichtkante an einem Doppelkegel
eine gute Verteilung der Kontaktkräfte im Steuerventilelement
realisiert werden kann. Zudem ist die Lage der Dichtkante im Gegensatz
zum Stand der Technik genau definiert, wodurch sich auf einfache
Weise ein in Schließstellung in axialer Richtung druckausgeglichenes
Steuerventil realisieren lässt. Zudem weist ein nach dem
Konzept der Erfindung ausgebildeter Kraftstoff-Injektor eine gute
Dichtheit – auch bei sehr hohen Drücken von über
2000 bar – auf. Ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeter
Kraftstoff-Injektor ist nicht nur vorteilhaft gegenüber
einem Kraftstoff-Injektor, bei dem am Steuerventilelement eine Kegelfläche
ausgebildet ist, sondern auch gegenüber einem Kraftstoff-Injektor,
bei dem das hülsenförmige Steuerventilelement
endseitig mit einer Teilkugelfläche versehen ist, da zwei
winklig zueinander verlaufende, insbesondere axial, zwischen sich
eine Dichtkante ausbildende Kegelflächen einfacher zu fertigen
sind und zum anderen zu einer definierten Lage der Dichtkante führen.
Auch lassen sich zwei gerade, kegelförmige Flächen
messtechnisch besser überprüfen als eine Kugelform.
Besonders bevorzugt ist die Kombination eines hülsenförmigen
Steuerventilelementes mit daran ausgebildeter, zwischen zwei Kegelflächen angeordneter
Dichtkante, mit einem elektromagnetischen Aktuator, der mit einer
mit dem Steuerventilelement wirkverbundenen, insbesondere einstückig mit
dieser ausgebildeten, Ankerplatte zusammenwirkt. Weiterhin von Vorteil
ist, dass die hochdruckseitige Kegelfläche des abschnittsweise
doppelkegelförmigen Steuerventilsitzelementes im Bereich des
Kraftstoff-Zulaufes zum Steuerventilsitz zusammen mit der Sitzfläche
des Steuerventilsitzes einen in Richtung der Dichtkante spitz zulaufenden
Zulaufspalt begrenzt. Hieraus resultiert ein Schutz der Dichtkante
vor im Kraftstoff befindlichen Partikeln, da ankommende (größere)
Partikel zum Teil zunächst im Zulaufspalt zur Dichtkante
angehalten und somit von der Dichtkante ferngehalten werden. Zudem
kommt es bereits vor Erreichen der im Betrieb durch Verschleißerscheinungen
unvermeidlich breiter werdenden Dichtkante im Bereich des spitz
in Richtung der Dichtkante zulaufenden Zulaufspaltes zu einer Zerkleinerung
der Partikel durch Anschlagen an die den Zulaufspalt begrenzenden
Flächen und/oder Kanten, und/oder durch eine die Partikel
zerdrückende Schließbewegung des Steuerventilelementes,
wodurch die Gefahr einer Beschädigung der Dichtkante minimiert
wird.
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Nachteilig
an dem Vorsehen einer hochdruckseitigen Kegelfläche ist
jedoch, dass durch diese negative Strömungskräfte
entstehen, die sich negativ auf das Schaltverhalten auswirken. Insbesondere
werden die Öffnungsgeschwindigkeit und die Schaltgenauigkeit
reduziert. Akzeptabel bis gute Strömungseigenschaften bei
gleichzeitiger Gewährleistung von guten Partikelzerstörungseigenschaften sowie
einer ausreichenden Stützung der Dichtkante werden erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die Radialerstreckung der hochdruckseitigen Kegelfläche
maximal 15%, vorzugsweise maximal 10%, des Durchmessers der Dichtkante
entspricht. Hierbei ist unter dem Durchmesser der Dichtkante der
Durchmesser der hochdruckseitigen Grenzlinie, der sich im Betrieb
des Kraftstoff-Injektors verschleißbedingt abplattenden
Dichtkante zu verstehen. Unter der Radialerstreckung der hochdruckseitigen
Kegelfläche ist die (radiale) Breite der axialen Projektionsfläche
der hochdruckseitigen Kegelfläche zu verstehen.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der dieser Durchmesser
der Dichtkante 3 mm oder geringer ist und in der Folge die Radialerstreckung
der hochdruckseitigen Kegelfläche maximal 450 μm,
vorzugsweise zwischen 30 μm und 300 μm beträgt.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt
der Durchmesser der Dichtkante weniger als 2 mm und in der Folge
die Radialerstreckung der Dichtkante weniger als 300 μm,
vorzugsweise zwischen 30 μm und 200 μm.
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Das
nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Steuerventilelement
ist in axialer Richtung in seinem geschlossenen Zustand, zumindest
näherungsweise druckausgeglichen, was bedeutet, dass das
Steuerventilelement derart ausgebildet ist, dass auf dieses in seiner
Schließstellung keine oder nur sehr geringe hydraulische
Kräfte wirken. Diese axiale Druckausgeglichenheit kann
beispielsweise mit einem hülsenförmigen Steuerventilelement
erzielt werden. Unter einem hülsenförmigen Steuerventilelement
wird dabei ein Steuerventilelement verstanden, das eine, vorzugsweise
zentrische, durchgehende Öffnung bzw. einen durchgehenden,
bei Bedarf auch als Stufenbohrung ausgebildeten, Kanal aufweist, wobei
in dem Kanal, wie später noch erläutert werden wird,
ein Druckstift aufgenommen werden kann, der den Kanal axial verschließt
und bei dem es sich bevorzugt um ein von dem den Steuerventilsitz
aufweisenden Ventilkörper separates Bauteil handelt. Ein
in axialer Richtung druckausgeglichenes Steuerventilelement kann
alternativ auch mit einem bolzenförmigen Steuerventil (ohne
Durchgangsbohrung) realisiert werden, beispielsweise indem dieses
mit einer ringnutförmigen, randseitigen Ventilkammer versehen
wird, deren in beide Axialrichtungen wirksamen Druckangriffsflächen
gleich groß sind.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
von einem Doppelkegel ausgebildete Dichtkante mit einem innenkegelförmigen Steuerventilsitz
zusammenwirkt. Ein innenkegelförmiger Steuerventilsitz
zeichnet sich, wie das Doppel-Kegel-Steuerventilelement, durch eine
einfache und genaue Fertigbarkeit aus. Zudem bietet die Kombination
einer zwischen zwei Kegelflächen ausgebildeten Dichtkante
mit einem innenkegelförmigen Steuerventilsitz die Möglichkeit,
Winkeltoleranzen zwischen dem Steuerventilelement und dem den Steuerventilsitz
aufweisenden Ventilkörper auszugleichen. Insgesamt werden
hierdurch ver gleichsweise kostengünstig herstellbare, mehrteilige
Steuerventilaufbauten realisierbar. Darüber hinaus werden gute
Zuströmbedingungen zum Steuerventilsitz ohne eine scharfe
Kraftstoff-Umlenkung in einem Bereich zwischen einer Ablaufdrossel
und dem Steuerventilsitz realisiert.
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Im
Hinblick auf einen möglichst einfachen, wenige Bauteile
aufweisenden Injektoraufbau ist eine Ausführungsform bevorzugt,
bei der der, insbesondere innenkegelförmige, Steuerventilsitz
an demselben Ventilkörper ausgebildet ist, der auch eine
Steuerkammer begrenzt, welche, vorzugsweise unmittelbar, mit einem
in axialer Richtung verstellbaren Einspritzventilelement zusammenwirkt.
Die Steuerkammer kann dabei mittels des Steuerventils mit einem
Niederdruckbereich des Injektors verbunden oder von diesem getrennt
werden, wobei bei mit dem Niederdruckbereich verbundener Steuerkammer
aufgrund des sinkenden Drucks in der Steuerkammer eine auf das Einspritzventilelement
wirkende Kraft in Öffnungsrichtung erzielt wird. Von besonderem
Vorteil ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der auf das Steuerventilelement in seiner Schließstellung
keine oder allenfalls minimale Kräfte in Öffnungsrichtung
wirken. Ein in seiner Schließstellung in axialer Richtung
druckausgeglichenes Steuerventilelement kann bei einem hülsenförmigen
Steuerventilelement dadurch realisiert werden, dass der innere Führungsdurchmesser
mit dem das Steuerventilelement an einem inneren, später
noch zu erläuternden, Druckstift geführt ist,
dem Dichtkantendurchmesser entspricht, mit dem das Steuerventilelement
an seinem Steuerventilsitz anliegt. Um Prellereffekte beim Schließen
des Steuerventilelementes zu minimieren, ist eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der keine exakte axiale Druckausgeglichenheit in
Schließstellung realisiert wird, sondern bei der auf das
Steuerventilelement eine „kleine” hydraulische
Schließkraft wirkt. Diese kann durch das Vorsehen einer
kleinen schließenden Druckstufe realisiert werden, beispielsweise indem
der innere Führungsdurchmesser etwas größer
gewählt wird als der Dichtkantendurchmesser.
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Besonders
vorteilhaft ist die vorgeschlagene Dichtkante in Kombination mit
einem Steuerventilelement, das mit seinem Innenumfang an einem Druckstift
geführt ist, der den im Steuerventilelement ausgebildeten
Kanal in axialer Richtung nach oben abdichtet. Bevorzugt ist dieser
Druckstift als von dem den Steuerventilsitz aufweisenden Ventilkörper
separates Bauteil ausgebildet, welches vorzugsweise lose innerhalb
des Steuerventilelementes aufgenommen ist. Im Betrieb des Kraftstoff-Injektors
wird dieser Druckstift von dem aus der Steuerkammer nachströmenden
Kraftstoff in axialer Richtung, in Richtung von dem Steuerventilsitz
weg kraftbeaufschlagt, vorzugsweise derart, dass sich der Druckstift
an einem Injektorbauteil, vorzugsweise an einem Injektordeckel in
axialer Richtung abstützt.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der das, insbesondere hülsenförmige, Steuerventilelement,
vorzugsweise zusätzlich zu einer Führung am Innenumfang,
an seinem Außenumfang geführt ist. Bei einer derartigen
Ausführungsform hat ein ggf. vorgesehener Druckstift im
Wesentlichen nur noch die Funktion der Abdichtung des inneren Steuerventilelementkanals
in axialer Richtung nach oben.
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Im
Hinblick auf die Minimierung der Bauteilzahl ist eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der das hülsenförmige Steuerventilelement
mit seinem Außenumfang an dem Bauteil geführt
ist, an dem auch der Steuerventilsitz ausgebildet ist. Vorzugsweise handelt
es sich bei dem Bauteil auch um das die Steuerkammer radial außen
begrenzende Bauteil. Eine derartige Ausführungsform ist
insbesondere dann auf vergleichbar einfache Art und Weise realisierbar,
wenn der Steuerventilsitz von einem Innenkegel gebildet ist, da
der Innenkegel durch die Führung (Führungsbohrung)
in axialer Richtung hindurch gefertigt werden kann.
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Um
an der dem Steuerventilsitz zugewandten Stirnseite des Steuerventilelementes
einen Flächengewinn zu realisieren, der die Ausbildung
ausreichend großer Kegelflächen zur Bildung der Dichtkante
ermöglicht, ist eine Ausführungsform zu bevorzugen,
bei der das hülsenförmige Steuerventilelement
nicht einen durchgehenden Zentralkanal (Innenkanal) aufweist, sondern
bei dem in dem Steuerventilelement eine, vorzugsweise zentrische,
Stufenbohrung realisiert ist, wobei ein oberer, von dem Steuerventilsitz
abgewandter Abschnitt der Stufenbohrung einen größeren
Durchmesser aufweist, als der untere Bohrungsabschnitt. Bevorzugt
dient der größere Durchmesserabschnitt zur Führung
des Steuerventilelementes an einem (losen) Druckstift.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
Einspritzventilelement niederdruckstufenfrei ausgebildet ist. Um
bei dieser Ausführungsform dennoch ein schnelles Nadelschließen zu
realisieren, ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der
am Außenumfang des Einspritzventilelementes realisierte
Axialkanäle als Drosselkanäle ausgebildet sind,
um den aus einem internen Hochdruckspeicherraum (Minirail) axial
in Richtung eines Düsenraums strömenden Kraftstoff
zu drosseln.
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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 Darstellung eines als Common-Rail-Injektor ausgebildeten
Kraftstoff-Injektors mit einem hülsenförmigen
Steuerventilelement, das endseitig eine Dichtkante aufweist, die zwischen
zwei winklig zueinander verlaufenden Kegelflächen ausgebildet
ist, wobei die Dichtkante mit einem innenkonusförmigen
Steuerventilsitz zusammenwirkt und
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2 eine
vergrößerte Darstellung des Injektorkopfes aus 1.
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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 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 Kraftstoff-Injektor 1 neben
anderen, nicht gezeigten Kraftstoff-Injektoren, über eine
Versorgungsleitung 5 angeschlossen. Die Versorgungsleitung 5 mündet
in einen zum Hochdruckbereich des Kraftstoff-Injektors 1 gehörenden,
als Mini-Rail zur Druckschwingungsminimierung fungierenden Hochdruckspeicherraum 6.
Der Kraftstoff strömt bei einem Einspritzvorgang unmittelbar
aus dem Hochdruckspeicherraum 6 in axialer Richtung in
den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff-Injektor 1 ist über einen
Injektorrücklaufanschluss 7 an eine Rücklaufleitung 8 an
den Vorratsbehälter 3 angeschlossen. über
die Rücklaufleitung 8 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 9 ist ein in diesem Ausführungsbeispiel
zweiteiliges Einspritzventilelement 10, das bei Bedarf
auch einteilig ausgeführt sein kann, in axialer Richtung
verstellbar. Dabei ist das Einspritzventilelement 10 innerhalb
eines Düsenkörpers 11 an seinem Außenumfang
geführt. Dieser Dü senkörper 11 ist
mittels einer nicht dargestellten Überwurfmutter mit dem
Injektorkörper 9 verschraubt.
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Das
Einspritzventilelement 10 weist an seiner Spitze 12 eine
Schließfläche 13 (Dichtfläche)
auf, mit welcher das Einspritzventilelement 10 in eine dichte
Anlage an einen innerhalb des Düsenkörpers 11 ausgebildeten
Einspritzventilelementsitz 14 bringbar ist. Wenn das Einspritzventilelement 10 an
seinem Einspritzventilelementsitz 14 anliegt, d. h. sich
in einer Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt
aus einer Düsenlochanordnung 15 gesperrt. Ist
es dagegen von seinem Einspritzventilelementsitz 14 abgehoben,
kann Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicherraum 6 durch in
einem Führungsabschnitt 16 am Außenumfang
durch Anschliffe gebildete Axialkanäle 17 in einen
in der Zeichnungsebene unteren, radial zwischen dem Einspritzventilelement 10 und
dem Düsenkörper 11 ausgebildeten Ringraum 18 (Düsenraum)
an dem Einspritzventilelementsitz 14 vorbei zur Düsenlochanordnung 15 strömen
und dort im Wesentlichen unter dem Hochdruck (Raildruck) stehend
in den Brennraum gespritzt werden.
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Von
einer oberen Stirnseite 19 des Einspritzventilelementes 10 und
einem in der Zeichnungsebene unteren, hülsenförmigen
Abschnitt 20 eines Ventilkörpers 21 wird
eine Steuerkammer 22 begrenzt, die über eine radial
in dem hülsenförmigen Abschnitt 20 des
Ventilkörpers 21 verlaufende Zulaufdrossel 23 mit
unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicherraum 6 versorgt
wird. Der hülsenförmige Abschnitt 20 mit
darin eingeschlossener Steuerkammer 22 ist radial außen
von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff umschlossen, sodass ein ringförmiger
Führungsspalt 24 radial zwischen dem hülsenförmigen
Abschnitt 20 und dem Einspritzventilelement 10 vergleichsweise
kraftstoffdicht ist.
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Die
Steuerkammer 22 ist über einen, in dem Ventilkörper 21 angeordneten,
axialen Ablaufkanal 25 mit Ablaufdrossel 26 mit
einer Ventilkammer 27 verbunden, die radial außen
von einem in axialer Richtung verstellbaren, hülsenförmigen
Steuerventilelement 28 eines in axialer Richtung im geschlossenen
Zustand druckausgeglichenen Steuerventils 29 (Servo-Ventil)
begrenzt ist. Aus dem Ablaufkanal 25 kann Kraftstoff in
einen Niederdruckbereich 30 des Kraftstoff-Injektors 1 und
von dort aus zum Injektorrücklaufanschluss 7 strömen,
wenn das hülsenförmige Steuerventilelement 28,
das mit einer Ankerplatte 31 fest verbunden ist, von seinem
am Ventilkörper 21 ausgebildeten Steuerventilsitz
abgehoben, d. h. das Steuerventil 29 geöffnet
ist. Zum Verstellen des hülsenförmigen Steuerventilelementes 28 in
der Zeichnungsebene nach oben ist ein elektromagnetischer Aktuator 32 mit
einem Elektromagneten 33 vorgesehen, der mit der Ankerplatte 31,
die in einem Ankerplattenraum 34 angeordnet ist, zusammenwirkt
und in der Folge auch mit dem hülsenförmigen Steuerventilelement 28.
Bei Bestromung des elektromagnetischen Aktuators 32 hebt
das Steuerventilelement 28 von seinem am Ventilkörper 21 angeordneten,
in diesem Ausführungsbeispiel als innenkonusförmiger Innenkegel
ausgebildeten, Steuerventilsitz 35 ab. Die Durchflussquerschnitte
der Zulaufdrossel 23 und der Ablaufdrossel 26 sind
dabei derart aufeinander abgestimmt, dass bei geöffnetem
Steuerventil 29 ein Nettoabfluss von Kraftstoff (Kraftstoffsteuermenge)
aus der Steuerkammer 22 in den Niederdruckbereich 30 des
Kraftstoff-Injektors 1 und von dort aus über den Injektorrücklaufanschluss 7 und
die Rücklaufleitung 8 in den Vorratsbehälter 3 resultiert.
Hierdurch sinkt der Druck in der Steuerkammer 22 rapide
ab, wodurch das Einspritzventilelement 10 von einem Einspritzventilelementsitz 14 abhebt,
sodass Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicherraum 6 durch
die Düsenlochanordnung 15 ausströmen
kann.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des elektromagnetischen
Aktuators 32 unterbrochen, wodurch das hülsenförmige
Steuerventilelement 28 mit einer Steuerfeder 36,
die sich auf der Ankerplatte 31 abstützt, in der
Zeichnungsebene nach unten auf ihren Steuerventilsitz 35 verstellt
wird. Der durch die Zulaufdrossel 23 in die Steuerkammer 22 nachströmende
Kraftstoff sorgt für eine schnelle Druckerhöhung
in der Steuerkammer 22 und damit für eine auf
das Einspritzventilelement 10 wirkende Schließkraft.
Die daraus resultierende Schließbewegung des Einspritzventilelementes 10 wird
von einer Schließfeder 37 unterstützt,
die sich einenends an einem Umfangsbund 38 und anderenends
an der in der Zeichnungsebene unteren, ringförmigen Stirnseite 39 des
hülsenförmigen Abschnitts 20 des Ventilkörpers 21 abstützt.
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Aus 1 ist
zu erkennen, dass innerhalb einer in das Steuerventilelement 28 eingebrachten
Stufenbohrung 40, genauer im in der Zeichnungsebene oberen
Abschnitt 41 der Stufenbohrung 40, ein loser Druckstift 42 aufgenommen
ist, der als von dem Ventilkörper 21 separates
Bauteil ausgebildet ist. Der zylindrische Druckstift 42 hat
die Aufgabe, die von der Stufenbohrung 40 gebildete Ventilkammer 27 in
axialer Richtung nach oben abzudichten, um zu verhindern, dass bei
geschlossenem Steuerventilelement 28 Kraftstoff aus dem
Ablaufkanal 25 in den Niederdruckbereich 30 strömen
kann. Der Druckstift 42 dient weiterhin zur Führung
des Steuerventilelementes 28 an seinem von der Stufenbohrung 40 bzw. dem
Abschnitt 41 gebildeten Innenumfang.
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Zusätzlich
ist das hülsenförmige, in geschlossenem Zustand
in axialer Richtung druckausgeglichenes Steuerventilelement 28 an
seinem Außenumfang 43 geführt. Hierzu
ist am Ventilkörper 21 ein in der Zeichnungsebene
nach oben ragender Führungsabschnitt 44 vorgesehen,
der das Steuerventilelement 28 radial außen umschließt.
Der Steuerventilsitz 35 wurde durch den Führungsabschnitt 44 des
Ventilkörpers 21 in axialer Richtung hindurch gefertigt.
Radial in den Führungsabschnitt 44 sind Bohrungen 45 eingebracht, über
die aus dem Ablaufkanal 25 bei geöffnetem Steuerventilelement 28 strömender
Kraftstoff radial nach außen in den Ankerplattenraum 34 strömen
kann. Damit dieser in den Niederdruckbereich 30 strömende
Kraftstoff möglichst wenige hydraulische Kraftimpulse auf
die Ankerplatte 31 verursacht, ist in einem den Ankerplattenraum 34 begrenzenden
Stützring 46, der die Elektromagnetanordnung 47 des
elektromagnetischen Aktuators 32 trägt, ein Radialkanal 48 eingebracht, durch
den Kraftstoff in eine Ringkammer 49 strömen kann,
die sowohl den Stützring 46 als auch die Elektromagnetanordnung 47 radial
außen umschließt. Über einen axial von
dem Radialkanal 48 beabstandeten Radialkanal 50 kann
der Kraftstoff aus der Ringkammer 49 wieder nach radial
innen zum Injektorrücklaufanschluss 7 und von
dort aus über die Rücklaufleitung 8 zum
Vorratsbehälter 3 fließen.
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Im
Folgenden werden Details des Kraftstoff-Injektors 1 anhand
einer vergrößerten Darstellung des Injektorkopfes
gemäß 2 näher erläutert.
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In 2 ist
das hülsenförmige Steuerventilelement 28 in
einer vergrößerten Darstellung gezeigt, wobei
in dem hülsenförmigen Steuerventilelement 28 die
Stufenbohrung 40 eingebracht ist, die einen von dem Druckstift 42 verschlossenen
Durchgangskanal bildet. Der Druckstift 42, der sich axial
an einem Deckel 51 des Kraftstoff-Injektors 1 abstützt
hat dabei die Funktion, eine innerhalb des Steuerventilelementes 28 ausgebildete
Ventilkammer 27 in axialer Richtung nach oben abzudichten.
In die von dem Druckstift 42 axial begrenzte Ventilkammer 27 führt
ein Innenkanal 52 aus axialer Richtung von in der Zeichnungsebene
unten, wobei der Innenkanal 52 von einem in der Zeichnungsebene
unteren Abschnitt 53 der Stufenbohrung 40 gebildet
ist. Dabei ist der Durchmesser des Innenkanals 52 geringer
als der Durchmesser des in der Zeichnungsebene oberen Abschnittes 41 der
Stufenbohrung 40.
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An
dem dem innenkegelförmigen Steuerventilsitz 35 zugewandten
Ende des Steuerventilelementes 28 ist eine ringförmige
Dichtkante 54 ausgebildet, die die Kontaktlinie bzw. Schnittlinie
von zwei in axialer Richtung benachbarten, jeweils konusförmigen Kegelflächen 55, 56 bildet,
wobei die beiden konusförmigen Kegelflächen 55, 56 einen
voneinander unterschiedlichen Kegelwinkel (hier Konuswinkel) aufweisen.
Dabei handelt es sich bei der in der Zeichnungsebene unteren Kegelfläche 55 um
eine hochdruckseitige und bei der axial unmittelbar angrenzenden
in der Zeichnungsebene oberen Kegelfläche 56 um
eine niederdruckseitige Kegelfläche. Die in der Zeichnungsebene
untere, hochdruckseitige Kegelfläche 55 weist
dabei einen größeren Kegelwinkel α auf, als
die in der Zeichnungsebene, axial benachbarte, obere, niederdruckseitige
Kegelfläche 50, deren Kegelwinkel β kleiner
ist. Unter einem Kegelwinkel wird dabei der Winkel zwischen zwei
diametral gegenüberliegenden Flächenabschnitten
der jeweiligen ringförmigen Kegelfläche verstanden.
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Die
axial zwischen den Kegelflächen 55, 56 gebildete
Dichtkante 54 wirkt in ihrer Schließstellung mit
dem innenkegelförmigen Steuerventilsitz 35 zusammen,
der am Ventilkörper 21 ausgebildet ist. Der Kegelwinkel
des innenkonusförmigen Steuerventilsitzes 35 ist
dabei kleiner als der Kegelwinkel α zwischen den in der
Zeichnungsebene unteren Kegelflächen 55 und größer
als der Kegelwinkel β zwischen den in der Zeichnungsebene
oberen Kegelflächen 56.
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Wesentlich
ist, was jedoch aus zeichnungstechnischen Gründen nicht
dargestellt ist, dass die Radialerstreckung R (hier 150 μm)
der hochdruckseitigen Kegelfläche 55 maximal 15%,
vorzugsweise maximal 10% des Durchmessers DI (hier
2 mm) der Dichtkante 54 entspricht, um negative Strömungseinflüsse
der hochdruckseitigen Kegelfläche 55 zu minimieren.
Bei dem Durchmesser DI handelt es sich bei der
gezeigten Injektorvariante mit innerhalb des Steuerventilelementes 28 anliegendem
Hochdruck um den innersten Durchmesser der, insbesondere durch Verschleiß,
nicht ideal linienförmigen Dichtkante 54. Bei
einem Kraftstoff-Injektor 1 mit außen liegendem
Hochdruck würde es sich um den äußersten Durchmesser
der Dichtkante 54 handeln. Axial zwischen der radial inneren,
hochdruckseitigen Kegelfläche 55 und dem innenkegelförmigen
Steuerventilsitz 35 ist ein in radialer Richtung zur Dichtkante 54 hin spitz
zulaufender Zulaufspalt 57 gebildet, der neben einer zwischen
der Kegelfläche 55 und dem Innenkanal 52 ausgebildeten
Kante 58 zu einer Zerkleinerung von im Kraftstoff enthaltenen
Partikeln beiträgt.
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Für
den vorliegenden Fall, dass man bei einem hülsenförmigen
Steuerventilelement 28 ein in seiner Schließstellung
in axialer Richtung druckausgeglichenes Steuerventilelement 28 erhalten
möchte, muss der Durchmesser der Ventilkammer 27,
und damit des oberen Abschnittes 41 der Stufenbohrung 40 genauso
groß gewählt werden, wie der Durchmesser DI der Dichtkante 54. Für
den Fall, dass man eine minimale, in Schließrichtung wirkende
Druckstufe realisieren möchte, also ein nur näherungsweise druckausgeglichenes
Steuerventilelement 28, muss der Durchmesser der Ventilkammer 27 (etwas)
größer gewählt werden, als der Durchmesser
DI der Dichtkante 54 zwischen den
Kegelflächen 55, 56.
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In 2 ist
ein Partikel 59 im Übergang zwischen dem Ablaufkanal 25 und
der Dichtkante 54 gezeigt. Ein Partikel 59 dieser
Größe strömt nicht unmittelbar zur Dichtkante 54,
sondern bleibt in der Regel zunächst im Zulaufspalt 57 hängen
und wird bei einer Schließbewegung des Steuerventilelementes 28 zwischen
dem Steuerventilelement 28 und der hochdruckseitigen Kegelfläche 55 zerdrückt.
Alternativ wird der Partikel durch Anschlagen an die den Zulaufsspalt 57 begrenzenden
Kanten und Flächen zertrümmert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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