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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für eine Kraftstoffhochdruckeinspritzung, insbesondere
für die
Common-Rail-Technik mit Drücken
bis zu 300 MPa oder eine Benzin-Direkteinspritzung mit Drücken von über 20 MPa.
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Bei
Ventilen für
die Benzin-Direkteinspritzung bzw. bei Diesel-Injektoren stellen
die hohen Drücke
ein großes
Problem dar. Insbesondere bei nach innen öffnenden Ventilen wird die
Ventilnadel aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks stark in den Ventilsitz
gedrückt.
Dies führt
zu einer großen Öffnungskraft
für die
Ventilnadel, welche mit den geforderten kurzen Schaltzeiten nicht
mehr direkt mittels Magnetaktoren bereitgestellt werden kann. Um
derartige Ventile steuern zu können,
wurden Systeme vorgeschlagen, bei denen die Ventilnadel indirekt über eine
Druckvariation in einem Steuerraum betätigt wird. Dies erfordert jedoch
aufgrund der inneren Leckage und der Steuermenge eine Kraftstoffrückleitung
zum Tank auf niedrigem Druckniveau. Von daher sind die bekannten
Systeme relativ aufwendig und teuer. Ferner ist eine der Anforderungen
für Ventile
bei der Kraftstoffeinspritzung, dass sie in einer möglichst
kurzen Zeit einen möglichst
großen
Strömungsquerschnitt
freigeben können
bzw. wieder schließen
können.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass sie auch bei Hochdruckanwendungen nur geringe
Kräfte
zum Öffnen des
Ventils benötigt,
wobei diese mittels eines kostengünstigen Elektromagneten bereitgestellt
werden können.
Ferner kann insbesondere ein großer Strömungsquerschnitt freigegeben
werden, so dass keine innere Drosselung während der Einspritzphase auftritt.
Weiterhin kann erfindungsgemäß vermieden werden,
dass ein für
einen Druckausgleich genutztes Kraftstoffvolumen in den Brennraum
strömt.
Weiter tritt bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung kein zusätzlicher
Verschleiß auf,
da keine Festkörperreibung
während
des Öffnungs-
und Schließvorgangs ausgeführt wird
und es tritt auch keine Leckage in geschlossenem Zustand auf. Weiterhin
ist insbesondere bei Common-Rail-Systemen keine Rückführleitung
für ein
Steuervolumen mehr erforderlich. Somit kann erfindungsgemäß eine Ventilanordnung
mit einem einfachen Aufbau bereitgestellt werden, welche insbesondere
auch sehr kompakt ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die
Ventilanordnung ein Gehäuse
mit Einspritzlöchern,
einen Druckraum und ein im Gehäuse
angeordnetes Innenelement sowie einen Elektromagneten für eine Betätigung umfasst.
Ferner umfasst die Ventilanordnung ein Vorventil und ein Hauptventil.
Das Vorventil weist einen Anker auf, welcher mit dem Elektromagneten zusammenwirkt
und das Hauptventil weist ein Schließelement auf, welches mittels
eines Schließbereichs die
Spritzlöcher
im Gehäuse
an einem Innenwandbereich des Gehäuses freigibt und verschließt. Ferner ist
zwischen dem Schließelement
und dem Innenelement des Gehäuses
ein Spalt ausgebildet, durch welchen nur eine kleine Menge Kraftstoff
hindurchtreten kann. Erfindungsgemäß wird vor dem eigentlichen Öffnen des
Hauptventils ein Druckausgleich mit Hilfe des Vorventils durchgeführt, wobei
das Vorventil nur einen kleinen Sitzquerschnitt aufweist, so dass
es mittels des Elektromagneten mit einer kleinen Kraft geöffnet werden
kann. Hierdurch kann unter hohem Druck stehender Kraftstoff bei
geöffnetem
Vorventil in einen Druckausgleichsraum am Schließelement des Hauptventils strömen, so
dass sich dort ein Druck aufbaut, der dem hohen Kraftstoffförderdruck
entspricht. Dann kann das Hauptventil mit einer geringen Kraft,
welche durch den Elektromagneten aufgebracht wird, in den Öffnungszustand überführt werden.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
sind der Druckausgleichsraum und das Schließelement zylindrisch ausgebildet
und ein Durchmesser des Druckausgleichsraums ist gleich oder größer, insbesondere
um 1 μm
bis 500 μm
größer, als
ein Durchmesser eines Hauptventilsitzes des Schließelements.
Hierdurch können
ein druckunterstütztes Öffnen des
Hauptventils und damit sehr kurze Schaltzeiten und eine hohe Schaltdynamik
erreicht werden.
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Alternativ
ist ein Durchmesser des Druckausgleichsraums kleiner, insbesondere
um ein 1 μm bis
500 μm kleiner,
als ein Durchmesser des Hauptventilsitzes. Hierdurch kann insbesondere
eine Minimierung eines Schadvolumens unmittelbar vor den Spritzlöchern ermöglicht werden.
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Für eine besonders
kostengünstige
Herstellung ist das Innenelement ein separates Einlegeteil.
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Um
einen möglichst
kompakten Aufbau zu erhalten, verbindet der Spalt vorzugsweise den Druckausgleichsraum
mit den Spritzlöchern,
so dass die Leckage über
den Spalt unmittelbar zu den Spritzlöchern geführt wird und dann mit der Einspritzung
in den Brennraum eingespritzt werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Ventilanordnung ferner
eine Verbindungsbohrung, welche den Vorventil-Aufnahmeraum mit dem
Druckraum im Gehäuse
verbindet. Hierdurch wird ein gleiches Druckniveau zwischen dem
Druckraum im Gehäuse
und dem Vorventil-Aufnahmeraum erhalten.
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Besonders
bevorzugt sind die im Gehäuse ausgebildeten
Spritzlöcher
in einem Winkel zu einer Mittelachse der Ventilanordnung angeordnet.
Der Winkel beträgt
vorzugsweise 20° zur
Mittelachse und ist nach außen
gerichtet. Dadurch kann insbesondere eine Einspritzung gemäß einem
nach außen öffnenden
Ventil verwirklicht werden, so dass im Brennraum eine sehr effiziente
Durchmischung von Kraftstoff und Luft möglich ist. Es sind jedoch auch
andere Winkelanordnungen möglich.
Insbesondere können die
einzelnen Spritzlöcher
unterschiedliche Winkel zur Mittelachse aufweisen und so ein asymmetrisches
Kraftstoffspray ermöglichen.
Für einen
besonders kompakten Aufbau sind vorzugsweise das Vorventil und das
Hauptventil koaxial auf einer Mittelachse der Ventilanordnung angeordnet.
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Vorzugsweise
umfasst das Vorventil einen Mitnehmer, welcher mit der Vorventilnadel
derart verbunden ist, dass nach Zurücklegen einer vorbestimmten
Wegstrecke der Vorventilnadel der Mitnehmer mit dem Schließelement
in Kontakt kommt und das Schließelement öffnet. Dadurch
wird das Hauptventil geöffnet.
Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Variante der Erfindung umfasst das Hauptventil
ferner einen separaten Elektromagneten, welcher das Schließelement
betätigt.
Weiter ist eine Steuerung zum Steuern der Elektromagneten des Vorventils
und des Hauptventils vorgesehen und ausgelegt, den Elektromagneten
des Hauptventils erst nach einer Betätigung des Elektromagneten
des Vorventils zu betätigen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Ventilanordnung
ferner ein beschränkt
bewegliches Zwischenelement, in welchem der Vorventil-Aufnahmeraum
zur Aufnahme des Vorventils angeordnet ist. Zwischen dem Zwischenelement
und dem Schließelement
ist dabei ein zweiter Druckausgleichsraum angeordnet, wobei zwischen
dem Schließelement
und dem Innenelement des Gehäuses
der erste Druckausgleichsraum angeordnet ist. Hierdurch kann eine
kaskadenförmige
Anordnung realisiert werden, welche insbesondere bei Höchstdrücken verwendbar
ist, wenn hinsichtlich einer Öffnungskraft
ein zulässiger
Sitzdurchmesser des Vorventils nicht ausreicht, um das Druckausgleichsvolumen
hinreichend schnell zu füllen.
Somit kann ein zweistufiger Öffnungsvorgang
verwendet werden, um das Vorventil weiter mittels nur eines Elektromagneten
betätigen
zu können.
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Gemäß einer
weiteren alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst
die Ventilanordnung ferner eine Drosselhülse, welche um das Schließelement
herum angeordnet ist und mit dem Schließelement einen Vorventil-Aufnahmeraum bildet.
Hierbei dichtet die Drosselhülse
an einem Hülsensitz
ab, der einen größeren Durchmesser
als der Hauptventilsitz-Durchmesser
aufweist. Ferner ist der Hauptventilsitz-Durchmesser des Schließelements kleiner
als ein Durchmesser des Druckausgleichsraumes, um ein möglichst
schnelles Öffnen
zu ermöglichen.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Ventilanordnung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2A bis 2D schematische
Schnittansichten der in 1 gezeigten Ventilanordnung,
welche die Funktion der Ventilanordnung verdeutlichen,
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3 eine
schematische Schnittansicht einer Ventilanordnung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4A bis 4D schematische
Schnittansichten einer Ventilanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welche die Funktion der Ventilanordnung des dritten
Ausführungsbeispiels
verdeutlichen, und
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5A bis 5E schematische
Schnittansichten einer Ventilanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 1 sowie
die 2A bis 2D eine
Ventilanordnung 1 eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Ventilanordnung 1 ein
im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 20 mit einer Zuleitungsbohrung 2 zur
Zuleitung von Kraftstoff sowie einem nach innen vorstehenden, zylindrischen
Innenelement 20a. Im Gehäuse 20 sind ferner
mehrere Spritzlöcher 11 ausgebildet.
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das Innenelement 20a dabei
am Gehäuse 20 in
einem Bereich angebracht, welcher in der Mitte der Spritzlöcher 11 liegt.
Das Innenelement 20a ist einstückig mit dem Gehäuse hergestellt
oder liegt als separates Element an einem Boden des Gehäuses 20 auf.
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Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 umfasst
ferner ein Vorventil 3 und ein Hauptventil 4. Das
Vorventil 3 umfasst eine Ventilnadel 5, eine Vorventilfeder 6,
einen Elektromagneten 23 und einen Anker 24. Der
Anker 24 ist an der Vorventilnadel 5 befestigt.
Das Vorventil schließt
bzw. gibt einen Vorventilsitz 9 frei, welcher an einem
Schließelement 7 des
Hauptventils 4 vorgesehen ist. Die Vorventilfeder 6 stützt sich
dabei an einem Gehäusebereich
und einem Mitnehmer 15, welcher fest mit der Vorventilnadel 5 verbunden
ist.
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Das
Hauptventil 4 umfasst das Hauptventil-Schließelement 7 sowie
eine Hauptventilfeder 8. Das Hauptventil-Schließelement 7 umfasst
dabei einen Hauptkörper 7a,
einen Zylinderring 7b, an welchem eine Schließkante 7c ausgebildet
ist, und einen Federführungsbereich 7d.
Das Vorventil 3 ist dabei teilweise im Hauptventil-Schließelement 7 angeordnet.
Hierzu ist im Hauptkörper 7a ein
Vorventil-Aufnahmeraum 14 ausgebildet, welcher über eine
Bohrung 12 mit einem Druckraum 18 verbunden ist.
Im Druckraum 18 herrscht dabei ein Druck P1, welcher einem
Rail-Druck entspricht. Im Vorventil-Aufnahmeraum 14 ist
ein Absatz 7e im Hauptventil- Schließelement 7 ausgebildet,
welcher als Anschlag für
den Mitnehmer 15 des Vorventils 3 dient. Der Vorventilsitz 9 ist
dabei ebenfalls am Vorventil-Aufnahmeraum 14 gebildet und
schließt
bzw. gibt eine Verbindung 19 zu einem ersten Druckausgleichsraum 13 frei.
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der erste
Druckausgleichsraum 13 unmittelbar am Innenelement 20a des
Gehäuses 20 vorgesehen.
Hierbei umgibt der Zylinderring 7b des Hauptventil-Schließelements 7 das
Innenelement 20a, wobei dazwischen ein Spalt 16 vorhanden
ist. Wie aus 1 ersichtlich ist, weist der Druckausgleichsraum 13 einen
Durchmesser D1 auf, und die Schließkante 7c einen etwas
größeren Durchmesser,
welcher einem Durchmesser D2 eines Hauptventilsitzes 10 entspricht.
Der Durchmesser D2 ist dabei, je nach Anwendung, um ca. 1 μm bis 500 μm größer als
der Durchmesser D1. Bei dem in 1 gezeigten
geschlossenen Zustand der Ventilanordnung 1 ist ferner
ein Einspritzvorraum 17 ringförmig vor den Spritzlöchern 11 ausgebildet.
Der Spalt 16 stellt dabei eine Verbindung zwischen dem
ersten Druckausgleichsraum 13 und dem Einspritz-Vorraum 17 bereit.
Das Hauptventil 4 dichtet dabei über die ringförmige Schließkante 7c am
Hauptventilsitz 10, welcher am inneren Bodenbereich des
Gehäuses 20 ausgebildet
ist, ab.
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Nachfolgend
wird die Funktion der erfindungsgemäßen Ventilanordnung im Detail
beschrieben. Wie schon erwähnt,
zeigt 1 den geschlossenen Zustand der Ventilanordnung 1,
wobei sowohl das Vorventil 3 als auch das Hauptventil 4 geschlossen
sind. Um die Ventilanordnung 1 zu öffnen und Kraftstoff aus einem
Rail über
die Spritzlöcher 11 in einen
Brennraum einzuspritzen, muss zuerst das Vorventil 3 geöffnet werden.
Dies kann erfindungsgemäß mit sehr
geringen Kräften
ausgeführt
werden, so dass auch trotz hoher Drücke im Rail ein Öffnen der Ventilanordnung 1 möglich ist.
Hierzu wird in einem ersten Schritt der Elektromagnet 23 bestromt,
so dass der Anker 24, wie in 2A durch
den Pfeil A angedeutet, in Axialrichtung X-X der Ventilanordnung zum
Elektromagneten 23 angezogen wird.
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Hierdurch öffnet das
Vorventil 3 am Vorventilsitz 9, so dass der Rail-Druck
P1, welcher schon im Vorventil-Aufnahmeraum 14 vorhanden
war, über
die Verbindung 19 in den ersten Druckausgleichsraum 13 strömen kann.
Vor der Öffnung
des Vorventils 3 herrschte im ersten Druckausgleichsraum 13 der
Niederdruck P0, da er über
den Spalt 16, die Einspritz-Vorkammer 17 und die
Spritzlöcher 11 mit
dem Brennraum verbunden war. Da das Vorventil 3 einen kleinen
Sitzdurchmesser aufweist, benötigt
das Vorventil eine geringe Öffnungskraft,
so dass z. B. bei einem Druck von z. B. 300 MPa und einem Vorventilsitzdurchmesser
von 0,3 mm nur eine Öffnungskraft von
ca. 21 N notwendig ist. In 2A sind
durch die Pfeile C und D die Strömungen
des unter Druck stehenden Kraftstoffs vom Druckraum 18 in
den ersten Druckausgleichsraum 13 angedeutet. Wenn der Hochdruck
nun in den ersten Druckausgleichsraum 13 geströmt ist,
tritt über
den Spalt 16 eine geringe Leckage in den Einspritz-Vorraum 17 auf.
Währenddessen
bewegt sich die Vorventilnadel 5 weiter in Richtung des
Pfeils A, so dass der Mitnehmer 15 in Kontakt mit dem Absatz 7e des
Hauptventil-Schließelements 7 kommt.
Da nun im Druckausgleichsraum 13 ein gleicher Druck wie
im Druckraum 18 der Ventilanordnung 1 herrscht,
ist ein Abheben des Hauptventil-Schließelements 7 nahezu
kraftfrei möglich. Dies
wird dadurch erreicht, dass ein Durchmesser D1 des ersten Druckausgleichsraums 13 fast
dem Durchmesser D2 des Hauptventilsitzes 10 entspricht.
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2B zeigt
nun den geöffneten
Zustand der Ventilanordnung 1, so dass der Kraftstoff,
wie durch die Pfeile E und F angedeutet, vom Druckraum 18 in
den Brennraum eingespritzt werden kann. Die Auslegung der Ventilanordnung 1 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
dabei derart, dass der Anker 24 dabei seine Endstellung
am Elektromagneten 23 eingenommen hat und diesen berührt. Da,
wie aus 1 ersichtlich ist, der Durchmesser
D2 des Hauptventilsitzes 10 relativ groß ist, ist eine Drosselwirkung
auch schon bei kleinen Hüben
nur sehr gering, so dass vor den Spritzlöchern 11 der volle
Rail-Druck anliegt.
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Wenn
die Einspritzung beendet werden soll und die Ventilanordnung 1 wieder
geschlossen werden soll, wird der Strom zum Elektromagneten 23 abgeschaltet
und die Vorventilfeder 6 drückt die Vorventilnadel 5 wieder
nach unten. Dies ist in 2C durch den
Pfeil G angedeutet. Gleichzeitig wird auch das Hauptventil-Schließelement 7 durch
die Hauptventilfeder 8 wieder nach unten gedrückt, was
in 2C durch den Pfeil H angedeutet ist. Somit wird
erfindungsgemäß zuerst
das Hauptventil 4 wieder geschlossen, indem die Schließkante 7c wieder
auf den Hauptventilsitz 10 im Gehäuse 20 gedrückt wird. Während des
Schließvorgangs
des Hauptventil-Schließelements 7 wird
dabei Kraftstoff, wie durch die Pfeile K und L angedeutet, aus dem
ersten Druckausgleichsraum 13 und dem Vorventil-Aufnahmeraum 14 herausgedrückt. In 2D ist
das Hauptventil-Schließelement 7 wieder
in seine geschlossene Ausgangsposition zurückgestellt, wobei das Vorventil 3 noch
geöffnet
ist. Das Vorventil 3 wird jedoch durch die Vorventilfeder 6 weiter,
wie in 2D durch den Pfeil M angedeutet,
in seine Ausgangsposition gedrückt,
bis auch das Vorventil 3 geschlossen ist.
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Somit
kann die erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 mit
geringen Kräften
ein Öffnen
des Einspritzventils auch bei extrem hohen Drücken ermöglichen. Hierbei wird erfindungsgemäß ein Elektromagnet 23 verwendet,
so dass eine einfach aufgebaute und kostengünstige Ventilanordnung 1 mit
störungsunanfälliger Technik
verwendet werden kann. Da insbesondere keine Festkörperreibung
beim Öffnungs- bzw.
Schließvorgang
auftritt, ergibt sich ein nur geringer Verschleiß. Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 1 auf
eine separate Rückführleitung
eines Steuervolumens, wie dies bisher bei Diesel-Injektoren notwendig
ist, verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
ist, dass diese bei verschiedenen Drücken eingesetzt werden kann.
Hierdurch ist es auch möglich,
während
des Betriebs eine Druckvariation auszuführen, ohne dass dies Auswirkungen
auf die Funktion der Ventilanordnung 1 hat. Selbstverständlich kann
dadurch auch beispielsweise für
mehrere Kraftfahrzeughersteller eine gleiche Ventilanordnung angeboten
werden, die auch bei unterschiedlichen Einspritzdrücken der
Hersteller problemlos funktioniert. Ferner kann die erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 eine
beliebige Spritzlochgeometrie aufweisen und dabei, wie beispielsweise
aus 1 ersichtlich ist, eine A-Düse eines nach außen öffnenden Ventils
imitieren.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 3 eine Ventilanordnung 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche
Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Das
zweite Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied
dazu beim zweiten Ausführungsbeispiel
ein Durchmesser D2 des Hauptventilsitzes 10 kleiner ist
als ein Durchmesser D1 des ersten Druckausgleichsraums 13.
Hierdurch ist der Spalt 16 im Bereich des größeren Durchmessers
D1 angeordnet, so dass sich nach dem Öffnen des Vorventils 3 durch
den Druckaufbau im ersten Druckausgleichsraum 13 auf das
Hauptventil-Schließelement 7 eine in
Richtung der Ventilnadel 5 gerichtete Kraft F1 ergibt,
welche das Hauptventil-Schließelement 7 in Richtung
dieser Kraft bewegt und den Öffnungsvorgang
für das
Hauptventil 4 einleitet. Hierdurch kann ein schnelleres Öffnen der
Ventilanordnung 1 erreicht werden, da nach dem Öffnen des
Vorventils 3 eine zusätzliche Öffnungskraft
durch die am Hauptventil-Schließelement 7 vorhandene
Kreisringfläche 7f zu
der zusätzlichen
Kraft F1 führt.
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 4A bis 4D eine
Ventilanordnung 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen bezeichnet.
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Wie
aus den 4A bis 4D ersichtlich ist,
weist die Ventilanordnung 1 des dritten Ausführungsbeispiels
eine kaskadenförmige
Anordnung auf. Diese wird insbesondere dann verwendet, wenn ein
Rail-Druck P1 so hoch ist, dass ein hinsichtlich der Öffnungskraft
zulässiger
Sitzdurchmesser des Vorventils 3 nicht ausreicht, um den
ersten Druckausgleichsraum 13 hinreichend schnell mit Rail-Druck
zu füllen.
In diesem Fall kommen zwei nacheinander angeordnete Ventilstufen
zum Einsatz, wobei ein Bauteil der ersten Stufe mit dem Bezugszeichen 31 und ein
Bauteil der zweiten Stufe mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet
ist. 4A zeigt dabei den geschlossenen Zustand der Ventilanordnung 1.
Wenn ein Elektromagnet (nicht dargestellt) bestromt wird, wird die
Ventilnadel 5, wie durch den Pfeil A angedeutet (4B),
angezogen, so dass die Ventilnadel 5 des Vorventils 3 von
ihrem Vorventilsitz 9 abhebt. Hierdurch strömt Kraftstoff
in den ersten Druckausgleichsraum 13. Dies ist in 4B durch
die Pfeile C und D angedeutet. Durch diesen Druckausgleich über den
ersten Druckausgleichsraum 13 kann dann der Mitnehmer 15 das
Bauteil 31 der ersten Stufe mitnehmen, wie in 4B durch
den Pfeil B angedeutet. Hierdurch kann unter Druck stehender Kraftstoff durch
eine Öffnung 34 im
zweiten Bauteil 32 der zweiten Stufe in einen zweiten Druckausgleichsraum 33 strömen. Dies
ist in 4C durch die Pfeile E und F
angedeutet. Hierbei ist das Bauteil 32 der zweiten Stufe
derart ausgebildet, dass es einen Eingriffsbereich 32a aufweist,
an welchem das Bauteil 31 der ersten Stufe angreift, so
dass nach einem Druckausgleich im zweiten Druckausgleichsraum 33,
in welchem dann ebenfalls Rail-Druck P1 herrscht, das erste Bauteil 31 das
zweite Bauteil 32 bewegen kann, was in 4C durch
den Pfeil G angedeutet ist. Das zweite Bauteil 32 entspricht
dabei dem Schließelement
des Hauptventils 4, so dass es dann eine Verbindung zwischen
dem Druckraum 18 und den Spritzlöchern 11 freigibt,
so dass eine Einspritzung (Pfeile H in 4D) ermöglicht wird.
Da die Drücke
in den beiden Druckausgleichsräumen 13 und 33 jeweils
sehr schnell ansteigen, wird eine schnelle Öffnung der Ventilanordnung 1 nach
der Aktivierung des Vorventils 3 erreicht. Ein Schließvorgang
erfolgt wieder über
nicht dargestellte Rückstellfedern,
wobei in diesem Ausführungsbeispiel
Rückstellfedern
für das erste
Bauteil 31, das zweite Bauteil 32 und die Ventilnadel 5 vorgesehen
sind. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 5A bis 5E eine
Ventilanordnung 1 gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen bezeichnet.
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Das
vierte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen den vorhergehenden Ausführungsbeispielen,
wobei das Hauptventil des vierten Ausführungsbeispiels zusätzlich noch
eine Drosselhülse 41 umfasst. 5A zeigt
dabei den geschlossenen Zustand der Ventilanordnung 1.
Wenn die Ventilanordnung 1 geöffnet werden soll, wird ein
nicht gezeigter Elektromagnet bestromt, so dass das Vorventil 3 geöffnet wird
und die Vorventilnadel 5 vom Vorventilsitz 9 abhebt
(Pfeil A). Hierdurch strömt
Kraftstoff aus dem Druckraum 18, wie in 5B durch
die Pfeile C und D angedeutet, in den Druckausgleichsraum 13. Im
Druckausgleichsraum 13 baut sich unmittelbar der Rail-Druck
P1 auf. Da an der Vorventilnadel 5 wieder ein Mitnehmer 15 angeordnet
ist, kommt der Mitnehmer 15 mit der Drosselhülse 41 in
Kontakt und zieht die Drosselhülse 41 mit
in Richtung des Elektromagneten. Dies ist in 5B durch
den Pfeil B angedeutet. Hierdurch hebt die Drosselhülse 41 von
ihrem Sitz am Boden des Gehäuses 20 ab,
so dass Kraftstoff unter das Hauptventil-Schließelement 7 zum ringförmigen Bereich 7f strömen kann.
Dies ist in 5B durch den Pfeil E angedeutet.
Da der Druckausgleichsraum 13 einen größeren Durchmesser als der Hauptventilsitz
an der Schließkante 7d aufweist (vgl. 5A),
entsteht durch die anliegenden Drücke eine Öffnungskraft F1, welche das
Hauptventil-Schließelement 7 in
Richtung des Elektromagneten bewegt. Dies ist in 5C angedeutet.
Dadurch öffnet
auch das Hauptventil 4, so dass Kraftstoff vom Druckraum 18 über die
Spritzlöcher 11 in
einen Brennraum einströmen
kann.
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Für den Schließvorgang
wird die Bestromung des Elektromagneten wieder beendet, so dass die
Vorventilfeder 6 die Vorventilnadel 5 und die Hauptventilfeder 8 die
Drosselhülse 41 in
Richtung auf ihre Startposition zurückstellen. Dies ist in 5D durch
die Pfeile G und H angedeutet. Hierbei schließt zuerst wieder die Drosselhülse 41 an
ihrem Ventilsitz, wodurch nun der Druck im Ringbereich 7f des
Hauptventil-Schließelements 7 sofort
sinkt. Diese Druckabsenkung erfolgt, da ein kleiner Teil des Kraftstoffs
aus der Ventilanordnung 1 über die Spritzlöcher 11 in
den Brennraum strömt.
Da im Vorventil-Aufnahmeraum 14 jedoch immer noch der Rail-Druck
P1 herrscht, bewirkt diese Druckdifferenz in Verbindung mit den Flächenverhältnissen
eine Schließkraft,
welche das Hauptventil-Schließelement 7 in
Richtung des Pfeils K auf den Hauptventilsitz 10 zu bewegt.
Dies ist in 5E dargestellt. Hierdurch strömt Kraftstoff
aus dem Druckausgleichsraum 13, wie durch die Pfeile L
in 5E angedeutet, aus diesem aus. Der Schließvorgang
ist dann beendet, wenn das Vorventil 3 wieder geschlossen
ist.
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Da
bei diesem Ausführungsbeispiel
während des Öffnungsvorgangs
der Druck im Druckausgleichsraum 13 auf den Rail-Druck
P1 erhöht
wird, wird beim Druckausgleichsvorgang noch kein Kraftstoff in den
Brennraum eingespritzt. Hierdurch wird ferner eine sehr genaue Zudosierung
der einzuspritzenden Kraftstoffmenge erreicht.
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Zusammenfassend
sei angemerkt, dass die erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 mittels
eines Vorventils 3 eine Druckerhöhung im Druckausgleichsraum 13 ermöglicht,
wodurch ein schnelles und mit einer geringen Öffnungskraft verbundenes Öffnen des
Hauptventils 4 möglich
ist. Hierbei kann der Öffnungsvorgang
mittels eines Elektromagneten 23 ausgeführt werden. Hierbei können eine
hohe Öffnungsdynamik
als auch Schließdynamik
und somit sehr kurze Schaltzeiten erreicht werden. Die Verwendung
eines Elektromagneten sowie der kompakte Aufbau bedingen eine kostengünstige und
einfache Herstellung.