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Stand der Technik
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DE 10 2006 050 810 bezieht
sich auf einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen
mit einem an einer Hochdruckseite angeschlossenen Steuerraum. Über
dessen Druck bzw. dessen Druckänderung wird die Bewegung
einer Düsennadel gesteuert. Ein Steuerventil sperrt oder öffnet
die Verbindung des Steuerraums zu einer Niederdruckseite. Das Steuerventil
umfasst einen feststehenden Ventilbolzen, welcher einen vom Steuerraum
kommenden und in eine Ringnut des Ventilbolzens mündenden
inneren Entlastungskanal aufweist. Ferner ist eine auf dem freien Ende
des Ventilbolzens verschiebbar geführte, kraftausgeglichene
Steuerhülse vorgesehen, die in ihrer geschlossenen Ventilstellung
die Ringnut nach außen verschließt und in ihrer
in Richtung auf das freie Ende des Ventilbolzens verschobenen geöffneten Ventilstellung
die Verbindung der Ringnut zu der Niederdruckseite öffnet.
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Bei
heute verfügbaren, magnetisch betätigten Kraftstoffinjektoren,
insbesondere für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen,
die über Hochdruckspeichersysteme (Common-Rail) mit Kraftstoff versorgt
werden, erfolgt die Betätigung eines nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes indirekt, indem eine Druckabsenkung
in einem Steuerraum erfolgt. Die Differenz zwischen dem Systemdruck,
d. h. dem Druckniveau, welches im Hochdruckspeicherkörper
herrscht, und dem im Steuerraum jeweils herrschenden Druck bewirkt
in Verbindung mit dem Größenverhältnis
der druckbeaufschlagten Flächen die Bewegung des in der
Regel nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes.
Dieses Prinzip kommt zum Beispiel bei heute eingesetzten Kraftstoffinjektoren zum
Einsatz. Von Nachteil bei diesen Injektorkonzepten ist die Notwendigkeit,
die aus dem Steuerraum jeweils abgesteuerte Steuermenge in einen
Niederdruckkraftstoffrücklauf abführen zu müssen.
Kraftstoffinjektoren dieser Bauart besitzen daher prinzipbedingt
einen zur Realisierung des Nadelhubs erforderlichen Steuervolumenstrom
sowie gegebenenfalls einen Leckagevolumenstrom, was zu einer erhöhten erforderlichen
Förderleistung der Hochdruckpumpe führt. Außerdem
erfolgt aus der indirekten Steuerung des in der Regel nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilglie des ein verspätetes Ansprechverhalten
des Einspritzventilgliedes, welches auch zusätzlich durch
ungewollt auftretende Druckschwankungen beeinflusst werden kann.
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Eine
direkte Betätigung des in der Regel nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes mit einem elektromagnetischen
Aktor ist bisher nicht möglich, da die hierzu erforderliche
Kraft aufgrund des nicht druckausgeglichenen ausgebildeten Einspritzventilgliedes
bei Systemdrücken von über 2000 bar zu einem zu
großen Magnetaktor führte.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
eine Konzeption eines Kraftstoffinjektors vorgeschlagen, mit der
die zum Öffnen eines nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes erforderliche Kraft so weit herabgesenkt
ist, dass das Einspritzventilglied direkt und unmittelbar über
einen Magnetaktor angehoben werden kann. Das vorgeschlagene Injektorkonzept zeichnet
sich durch geringe aufzubringende Kräfte zum Öffnen
des Einspritzventilgliedes aus, so dass eine direkte Betätigung
desselben mittels eines Elektromagneten möglich ist. Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
verwirklicht ein steuermengenfreies Prinzip. Es ist keine Rückführung
eines aus einem Steuerraum abgesteuerten Kraftstoffvolumens erforderlich,
was einerseits einen verringerten Systemaufwand darstellt und andererseits
zu kleineren Pumpenförderleistungen im Hinblick auf das
Hochdruckförderaggregat führt, durch welches der
Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) beaufschlagt ist.
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Des
Weiteren stellt die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung eine sehr kostengünstige Lösung
dar, da ein einfacher Aufbau erreicht werden kann. Ein Steuerventil
mit dazugehörigen Zulauf- und Ablaufdrosseln kann entfallen,
ebenso wie eine Druckstange in Bezug auf das Einspritzventilglied
sowie eventuell erforderliche Leckageleitungen. Schließlich
verwirklicht die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung ein Konzept, welches geringen Bauraum beansprucht.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
folgend, ist der mit einem Magnetaktor zusammenwirkende Magnetanker
als Ventilhülse ausgeführt. Im geschlossenen Zustand
drückt eine Feder die Ventilhülse in den Dichtsitz,
der zum Beispiel an einem in den Injektorkörper eingelassenen
Ventilstück ausgebildet ist. Die Federkraft wird bei der Montage
einer Einstellscheibe, um ein Beispiel zu nennen, voreingestellt.
Das Ventilstück wird über die Einstellscheibe
in den Dichtsitz eingepresst, derart, dass keine Leckage am Dichtsitz
auftreten kann. Eine möglicherweise auftretende Leckage
wird durch die Führung der Ventilhülse über
eine Rücklaufleitung herausgeführt. Es ist unbedingt
zu vermeiden, dass Leckage in den Hochdruckbereich gelangt. Die hier
beschriebene Leckage tritt durch die Führung zwi schen dem
Ventilkörper und der Ventilhülse in den Rücklauf.
Die Rücklaufmenge fließt aufgrund der Druckverhältnisse
durch eine seitlich angebrachte Bohrung nach oben in Richtung eines
Rücklaufes.
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Die
Ventilhülse, an deren Oberseite die Ankerplatte ausgebildet
ist, ist außen, oben und unten vom Systemdruck, d. h. dem
im Hochdruckspeicherkörper herrschenden Druck, umgeben.
Sie ist daher im Hinblick auf ihre axiale Bewegung druckausgeglichen
und damit bezüglich des im Hochdruckspeicherkörper
(Common-Rail) herrschenden Systemdrucks kraftausgeglichen. Zum Öffnen
der Ventilhülse muss lediglich die Federkraft mittels eines
Magnetaktors überwunden werden. Die zum Öffnen
benötigte Kraft ist unabhängig vom im Hochdruckspeicherkörper
herrschenden Systemdruck (der auch als Raildruck bezeichnet wird)
und damit über den gesamten Druckbereich, der im Hochdruckspeicherkörper
auftritt, konstant. Zum Öffnen der Einspritzöffnungen
am brennraumseitigen Ende des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors wird die Ventilhülse, die gleichzeitig
den Magnetanker darstellt, durch den Magnetaktor nach oben gezogen. Unter
Systemdruck stehender Kraftstoff fließt nun von außen
zu der mindestens einen Einspritzöffnung am brennraumseitigen
Ende des Kraftstoffinjektors. Die Einspritzöffnungen können
zum Beispiel am brennraumseitigen Ende in der Wand des Kraftstoffinjektors
ausgeführt sein.
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Zum
Schließen des Ventilstückes und zum Beenden der
Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
wird die Bestromung des Magnetaktors unterbrochen. Die Ventilhülse
wird durch die auf sie wirkende Federkraft wieder nach unten in
ihren Dichtsitz am Ventilstück gedrückt, so dass
die Zufuhr von unter Systemdruck stehendem Kraftstoff zu der mindestens
einen am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors ausgeführten
Einspritzöffnung unterbrochen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 einen
Schnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor mit direkt betätigter Ventilhülse
und
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2 eine
Darstellung der Anbindung einer Leckagebohrung am Ventilstück.
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Ausführungsformen
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Der
Darstellung gemäß 1 ist ein
Längsschnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor mit direkt betätigter Ventilhülse zu
entnehmen.
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Ein
Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Darstellung
in 1 umfasst einen Injektorkörper 12,
der in der Darstellung gemäß 1 symmetrisch
zu einer Injektorachse 14 geführt ist. An einer
Hochdruckzuleitung 16 steht unter Systemdruck anstehender Kraftstoff
an. Unter Systemdruck ist im vorliegenden Falle das Druckniveau
bezeichnet, welches innerhalb eines in der Darstellung gemäß 1 nicht
wiedergegebenen Hochdruckspeicherkörpers (Common-Rail)
herrscht. Dieses Druckniveau ist in der Darstellung gemäß 1 durch
pRail angedeutet. Der Kraftstoff, der am
Hochdruckanschluss 16 des Injektorkörpers 12 ansteht,
strömt in das Innere des Injektorkörpers 12 ein
und beaufschlagt dieses mit Kraftstoff.
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Im
Inneren des Injektorkörpers 12 befindet sich ein
Ventilstück 20, welches am brennraumseitigen Ende
des Injektorkörpers 12 des Kraftstoffinjektors 10 fixiert
ist. Das Ventilstück 20 umfasst eine sich koaxial
zur Injektorachse 14 erstreckende Leckagebohrung 22.
Die Leckagebohrung 22 hat keine direkte Verbindung zu der
Versorgungsleitung 26 bzw. 28. Durch die Zulaufbohrung 28 bzw.
die Querbohrung 26 fließt der Kraftstoff während
der Einspritzung. Die Leckagebohrung 22 soll Leckage aus
dem Sackloch, die durch die untere Führung des Ventilstücks
mit der Hülse strömt, und die Leckage aus dem
Hochdruckbereich durch die Führung oberhalb der Querbohrung 26 in
den Rücklauf gelangt, abführen (??). Das Ventilstück 20 ist
mit Hilfe einer Einstellscheibe 40 im Injektorkörper 12 verbaut
und bildet am brennraumseitigen Ende eine Abdichtung 32,
unterhalb der sich ein sacklochförmig konfigurierter Hohlraum
erstreckt. Von diesem erstrecken sich, wie in der Darstellung gemäß 1 wiedergegeben,
zumindest zwei Einspritzöffnungen 30, über
welche Kraftstoff in den in 1 nicht
dargestellten Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt
werden kann.
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Aus
der Schnittdarstellung gemäß 1 geht überdies
hervor, dass unterhalb der Einstellscheibe 40 eine weitere
Einstellscheibe 46 aufgenommen ist. Diese weitere Einstellscheibe 46 dient zur
Einstellung der Federkraft einer Schließfeder 44. Diese
Schließfeder 44 umgibt einen Magnetaktor 38. Der
Magnetaktor 38 ist im Inneren des Injektorkörpers 12 aufgenommen
und von dem unter Systemdruck pRail stehenden
Kraftstoff umgeben. Der Magnetaktor 38 umschließt
des Weiteren das Ventilstück 20, das sich koaxial
zur Injektorachse 14 durch den Injektorkörper 12 des
Kraftstoffinjektors 10 erstreckt.
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Der
Magnetaktor 38 wirkt auf eine Ankerplatte 36,
die an der oberen Planseite der axial im Injektorkörper 12 beweglichen
Ventilhülse 42 ausgebildet ist. Auch die Ventilhülse 42 ist
im Inneren des Injektorkörpers 12 von dem unter
Systemdruck stehenden Kraftstoff allseits umschlossen, d. h. druckausgeglichen.
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Die
Einstellscheibe 40, die weitere Einstellscheibe 46 zur
Einstellung der auf die Schließfeder 44 wirkenden
Kraft sind von einer Einstellhülse 48 abgestützt,
die in das Innere des Injektorkörpers 12, die
Ventilhülse 42 umschließend, angeordnet
ist.
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Wie
aus der Schnittdarstellung gemäß 1 überdies
hervorgeht, bildet die Ventilhülse 42, die das Ventilstück 20 umschließt,
am unteren Ende einen Dichtsitz 24, der zum Beispiel als
Kegelsitz ausgebildet ist. Aus der Darstellung gemäß 1 geht
hervor, dass auch am Dichtsitz 24, der in 1 geschlossen
dargestellt ist, unter Hochdruck stehender Kraftstoff von außen
ansteht.
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Bei
einer Bestromung des Magnetaktors 38 bewegt sich die Ankerplatte 36,
die an der Ventilhülse 42 aufgenommen ist, entgegen
der Wirkung der Schließfeder 44 nach oben. Dadurch
wird der Dichtsitz 24 oberhalb des verbreiterten Bereiches
des Ventilstücks 20 geöffnet, so dass
von der Außenseite in Bezug auf den Dichtsitz 24 gesehen,
unter Systemdruck pRail stehender Kraftstoff 18 über
die Querbohrung 26 in die Zulaufbohrung 28 innerhalb
des Ventilstücks 20 in das Sackloch 34 einströmt.
Der im Sackloch 34 unter Systemdruck stehende Kraftstoff wird
dann über die in 1 dargestellten
zwei Einspritzöffnungen 30 in den hier nicht näher
dargestellten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
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Das
Sackloch 34 wird nur über die zentrisch, d. h.
koaxial zur Injektorachse 14 verlaufende Zulaufbohrung 28 mit
unter Systemdruck pRail stehendem Kraftstoff
beaufschlagt. Die Außenseite, d. h. die Innenseite des
Ventilkörpers 12 und die Außenseite des
Ventilstücks 20, bilden die Abdichtung 32,
so dass das Sackloch 34 am brennraumseitigen Ende des Injektorkörpers 12 des
Kraftstoffinjektors 10 gegen den unter Systemdruck stehenden
Kraftstoff abgedichtet ist.
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Bei
dem im Längsschnitt gemäß 1 dargestellten,
direkt betätigten Kraftstoffinjektor 10 bringt
der Magnetaktor 38 nur die Kraft auf, die zur Betätigung
der druckausgeglichenen Ventilhülse 42 erforderlich
ist. Beim Bestromen des Magnetankers 38 zieht dieser die
Ankerplatte 36 der Ventilhülse 42 gegen
die Kraft der Schließfeder 44 an. Der Magnetaktor 38 hat
demnach nur die Schließkraft, d. h. die Federkraft, die
die Schließfeder 44 aufbringt, zu überwinden
und kann dementsprechend ausgelegt werden.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagene, direkt betätigte
Kraftstoffinjektor 10 ist darüber hinaus wesentlich
einfacher aufgebaut im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik
bekannten Kraftstoffinjektoren, deren Betätigung indirekt über
die Druckentlastung bzw. Druckbeaufschlagung eines Steuerraums erfolgt.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Kraftstoffinjektor 10 verwirklicht
einen steuermengenfreien Kraftstoffinjektor, bei dem keine Rückführung
eines aus einem Steuerraum abgesteuerten Volumens in Richtung des
Niederdruckbereiches erforderlich ist. Dies bedingt einen im Vergleich
zu bisherigen Lösungen verringerten Systemaufwand sowie eine
kleiner zu dimensionierende Förderleistung eines Förderaggregates.
Des Weiteren können Ablauf- und Zulaufdrossel entfallen,
ebenso wie der Steuerraum sowie die Druckstange, die bei im Allgemeinen nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedern bisher eingesetzt wurde. Der
erfindungsgemäß vorgeschlagene Kraftstoffinjektor 10 zeichnet
sich durch eine kürzere Baulänge aus im Vergleich
zu aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektoren.
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Aus
dem Längsschnitt gemäß der Darstellung
in 1 geht hervor, dass die Abdichtung 32 des
Ventilstücks 20 zur Innenseite des Injektorkörpers 12 über
die Einstellscheibe 40 erfolgt. Die untere Planseite der
Einstellscheibe 40 wiederum dient als Anlage für
eine weitere Einstellscheibe 46. Die Dicke dieser weiteren
Einstellscheibe 46 wiederum definiert die Federkraft, die
an der Schließfeder 44 eingestellt ist. Beide
Einstellscheiben, d. h. die Einstellscheibe 40 zur Fixierung
des Ventilstücks 20, als auch die an deren unterer
Planseite anliegende weitere Einstellscheibe 46, stützen
sich auf einer in den Injektorkörper 12 eingepressten
Einstellhülse 48 ab. Das Ventilstück 20 wird
unter Ausbildung der Abdichtung 32 derart in den Injektorkörper 12 eingepresst,
dass keine Leckage der Abdichtung 32 in das Sackloch 34 und
damit von dort über die Einspritzöffnungen 30 in den
Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gelangen kann.
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Der
Darstellung gemäß 2 ist in
vergrößertem Maßstab die Anbindung der
Leckagebohrung 22 zu entnehmen.
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Die
Darstellung gemäß 2 stellt
den in 1 eingekreisten Bereich in vergrößertem
Maßstab dar. Über die das Ventilstück
koaxial zur Injektorachse 14 durchziehende Leckagebohrung 22,
in der Rücklaufdruck pRL herrscht,
strömt Führungsleckage, die sich zwischen einem
Innenumfang 58 der Ventilhülse 42 und
einer Mantelfläche 56 des Ventilstücks 20 einstellt, über
eine Querbohrung in die Leckagebohrung 22 ab. Damit wird
verhindert, dass über die Führung Leckagemenge
nach unten in Richtung des brennraumseitigen Endes gelangen kann.
Die Rücklaufmenge fließt aufgrund geeigneter Druckverhältnisse
und eventuell unter Erzeugung eines Unterdruckes in der Leckagebohrung 22 durch
die in 2 dargestellten Querbohrungen nach oben in Richtung des
Rücklaufes. Die Rücklaufströmung stellt
sich ein, sobald ein Leckagedruck pLeckage als
Funktion des Systemdruckes pRail zuzüglich
eines Brennraumdruckes pZylinder größer
ist, als das im Rücklauf herrschende Druckniveau pRL. Sobald diese Bedingung erfüllt ist,
wird die Führungsleckage zwischen der Mantelfläche 56 des
Ventilstücks 20 und der Innenumfangsfläche 58 der
Ventilhülse 42 über die in 2 dargestellte
Querbohrung in die Leckagebohrung 22 abgeführt,
in der Rücklaufdruckniveau pRL herrscht.
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Wie
den Darstellungen gemäß der 1 und 2 entnommen
werden kann, ist die Ventilhülse 42 außen
an ihrer Mantelfläche am oberen und am unteren Ende von
Systemdruck pRail umgeben. Dies bedeutet,
dass die Ventilhülse 42 hinsichtlich ihrer axialen
Bewegung druckausgeglichen und in Bezug auf den Systemdruck pRail kraftausgeglichen ist. Zum Öffnen
der Ventilhülse 42 muss lediglich die Federkraft,
die durch die Schließfeder 44 aufgebracht wird, mittels
des Magnetankers 38 überwunden werden. Die dafür
benötigte Magnetkraft ist unabhängig vom Systemdruck
pRail und damit über den gesamten Druckbereich
des Systemdrucks pRail konstant. Zum Öffnen
der Ventilhülse 42 wird diese bzw. deren Ankerplatte 36 durch
den Magnetaktor 38 nach oben angezogen. Der unter Systemdruck
pRail am Ventilsitz 42 anstehende
Kraftstoff strömt über den geöffneten Ventilsitz 24 in
Richtung des Sacklochs 34 und von dort zu den Einspritzöffnungen 30.
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Zum
Schließen der Kraftstoffzufuhr in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
wird die Bestromung des Magnetaktors 38 unterbrochen und die
kraftausgeglichene Ventilhülse 42 durch die Wirkung
der Federkraft der Schließfeder 44 wieder nach unten
in den Ventilsitz 24 gedrückt. Damit ist die Druckbeaufschlagung
des sacklochartigen Hohlraums 34 am brennraumseitigen Ende
des Injektorkörpers 12 des Kraftstoffinjektors 10 unterbrochen und
die Einspritzung beendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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