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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, vorzugsweise
Dieselkraftstoff, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten hat bei der Entwicklung von
Verbrennungsmotoren die höchste Priorität. Gerade
das Common-Rail-Einspritzsystem hat einen entscheidenden Beitrag
zur Reduzierung der Schadstoffe geleistet. Der Vorteil der Common-Rail-Systeme
liegt in der Unabhängigkeit des Einspritzdrucks von Drehzahl
und Last.
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Für
die Einhaltung zukünftiger Abgasgrenzwerte ist jedoch gerade
bei Dieselmotoren eine Verbesserung der Gemischbildung notwendig.
Dies wird vor allem durch den Einsatz der Abgasrückführung motiviert,
mit der erfolgreich die Stickoxidbildung verringert wird. Eine hohe
Abgasrückführungsrate begünstigt jedoch
die Bildung von Ruß. Diesem Effekt kann mit einer schnellen
Durchmischung des Kraftstoff-Luftgemisches entgegengewirkt werden,
was heutzutage mit Hilfe höherer Einspritzdrücke
realisiert wird.
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Nach
dem gegenwärtigen Stand der Technik werden Diesel-Common-Rail-Injektoren über
ein Servo-Prinzip angesteuert. Ein derartiger Kraftstoff-Injektor
ist beispielsweise in der
DE 10 2006 020 724 A1 beschrieben. Aufgrund
der hohen Einspritzdrücke, die heute bei der dieselmotorischen
Verbrennung gefordert sind, müssen große Einspritzventilelementöffnungs-
und Schließkräfte bereitgestellt werden, was mit
einem Servokreislauf erreicht wird. Nachteilig dabei ist die verzögerte
Schaltzeit und die dadurch begründete Einschränkung
bei der Mehrfacheinspritzung. Gerade neueste Brennverfahren fordern
jedoch eine variable Gestaltung verschiedener Einspritzungen, die
bis auf einen hydraulischen Abstand von Null angelagert werden sollen.
Eine solch hohe Schaltdynamik kann lediglich mit einer direkten
Einspritzventilelementsteuerung erreicht werden, wie sie mit Hilfe
von piezoelektrischen Aktuatoren realisiert wird.
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Bei
Benzin-Einspritz-Motoren ist es bekannt, Kraftstoffinjektoren mit
einem einzigen Magnetaktuator einzusetzen, der unmittelbar verstellend
auf das Einspritzventilelement einwirkt. Die bekannten Kraftstoffinjektoren
eignen sich jedoch nicht für den Einsatz in Dieselmotoren,
aufgrund der dort vorherrschenden, wesentlich höheren Einspritzdrücke.
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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
vorzuschlagen, der sich durch eine gute Kleinstmengenfähigkeit
auszeichnet. Bevorzugt soll der Kraftstoff-Injektor eine hohe Robustheit
aufweisen und kostengünstig herstellbar sein.
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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, einen direkt gesteuerten Magnet-Kreis-Injektor
vorzuschlagen, der einen dem Einspritzventilelement zugeordneten
hydraulischen Dämpfer aufweist, der gewährleistet,
dass trotz höher erzielbarer Verstellkräfte Preller
am Einspritzventilelementsitz oder an einem gegebenenfalls vorgesehenen
oberen Hubanschlag vermieden werden. Ein weiterer Vorteil ist darin
begründet, dass der Einschlagimpuls des Einspritzventilelementes
gedämpft ist. Eine nicht gedämpfte Einspritzventilelementbewegung
würde gerade bei einer direkten Einspritzventilelementansteuerung
zu einem großen Einschlagimpuls führen, was Nachteile
im Hinblick auf Verschleißerscheinungen nach sich ziehen
würde. Das Verhindern bzw. das Vermindern von Prellern
ist auf die aufgrund des hydraulischen Dämpfers reduzierte
maximale Verstellgeschwindigkeit zurückzuführen.
Bei geeigneter Einstellung des hydraulischen Dämpfers kann
sogar nach einer anfänglichen beschleunigten Verstellbewegung
eine konstante (weitere) Verstellgeschwindigkeit erreicht werden.
Durch diese Maßnahme ist die Darstellung von Kleinstmengen,
wie sie bei neuen Verbrennungskonzepten gefordert werden, problemlos
möglich, auch und gerade bei Kraftstoffdrücken von über
2000 bar. So können mit einem nach dem Konzept der Erfindung
ausgebildeten Kraftstoff-Injektor Voreinspitzungen mit einer minimalen Einspritzmenge
von bis zu 0,5 mm3 realisiert werden. Ein
wesentlicher Vorteil der Verwendung mindestens eines Magnetaktuators
als direkt ansteuerndes Verstellmittel anstelle eines Piezoaktors
besteht zum einen in der hohen Robustheit von Magnet-aktuatoren
und zum anderen im vergleichsweise geringen Preis.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
Kraftstoff-Injektor nicht nur einen einzigen, unmittelbar verstellend
auf das Einspritzventilelement wirkenden Magnetaktuator aufweist,
sondern mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei, ganz besonders
bevorzugt axial voneinander beabstandete, Magnetaktuatoren. Diese
wirken unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Steuerventils
(Servoventils) verstellend auf das Einspritzventilelement ein. Das
Vorsehen mehrerer, vorzugsweise axial benachbarter Magnetaktuatoren
gewährleistet hohe Verstellkräfte, die insbesondere
bei für den Einsatz in Dieselmotoren geeigneten Kraftstoff-Injektoren
von Vorteil sind.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
Magnetaktuatoren mechanisch in Reihe, d. h. hintereinander angeordnet
sind, um die Magnetaktuatoren gleichzeitig ansteuern zu können.
Um eine maximale Verstellkraft zu erzielen, ist eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der die Magnetaktuatoren, entweder sämtliche
Magnetaktuatoren oder Gruppen von Magnetaktuatoren, elektrisch parallel
geschaltet sind.
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Mit
Vorteil ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen,
dass der Kraftstoff-Injektor ohne Rücklaufanschluss ausgebildet
ist, dass also auf ein Rückleitungssystem vollständig
verzichtet werden kann. Diese Ausführungs form wird erst
möglich, durch die unmittelbar verstellend auf das Einspritzventilelement
einwirkenden, vorzugsweise in axialer Richtung benachbarten Magnetaktuatoren.
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Ganz
besonders bevorzugt ist es, wenn jedem Magnetaktuator eine mit diesem
zusammenwirkende Ankerplatte zugeordnet ist, die entweder einstückig
mit dem Einspritzventilelement ausgebildet oder verstellkraftübertragend
mit diesem verbunden ist, so dass der Magnetaktuator unmittelbar
verstellend auf das Einspritzventilelement einwirken kann.
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Um
eine Beschädigung der Magnetaktuatoren während
des Betriebes zu vermeiden, ist in Weiterbildung der Erfindung mit
Vorteil vorgesehen, dass der Hubanschlag derart eingestellt ist,
dass die Ankerplatten nicht an die ihnen zugeordneten magnetischen
Aktuatoren anschlagen, sondern dass ein gewisser Restluftspalt übrig
bleibt. Bevorzugt ist ein Hubanschlag für das Einspritzventilelement
in einem Bereich axial zwischen einer (unteren) Düsenlochanordnung
und dem untersten elektromagnetischen Aktuator vorgesehen. Hierzu
kann beispielsweise eine entsprechende Hubanschlagsplatte vorgesehen
werden, an die das Einspritzventilelement mit einem Umfangsbund
in axialer Richtung anschlagen kann, und die von dem Einspritzventilelement
in axialer Richtung durchsetzt wird.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der der hydraulische Dämpfer einen Dämpferraum
aufweist, der von dem Einspritzventilelement oder einem mit dem
Einspritzventilelement wirkverbundenen Bauteil begrenzt wird, bevorzugt
zu dem Zweck, dass das Einspritzventilelement Kraftstoff aus dem
Dämpferraum bei seiner Öffnungsbewegung verdrängen muss.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
Kraftstoff aus dem hydraulischen Dämpfer von dem Einspritzventilelement durch
mindestens eine, beispielsweise als Drosselbohrung ausgeführte,
Drosselverbindung gepresst wird und zwar in einen Bereich innerhalb
des Kraftstoff-Injektors, also in eine Kammer des Kraftstoff-Injektors
oder einen Kraftstoffkanal innerhalb des Kraftstoff-Injektors und
nicht in einen Rücklaufanschluss, auf den bevorzugt verzichtet
wird.
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Konstruktiv
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Dämpferraum
radial außen von einer mittels einer Feder federkraftbelasteten
Hülse begrenzt wird, in die das Einspritzventilelement
in axialer Richtung hineinragt und somit den Dämpferraum
in axialer Richtung nach unten abdichtet.
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Besonders
zweckmäßig ist eine Ausführungsform,
bei der auf eine zusätzliche zu der vorgenannten Feder
vorgesehene Schließfeder verzichtet wird. Dies kann dadurch
erreicht werden, dass die die Hülse federkraftbelastende
Feder gleichzeitig als auf das Einspritzventilelement in Schließrichtung
wirkende Schließfeder dient, die sich ganz besonders bevorzugt
an einem Umfangsbund des Einspritzventilelementes abstützt.
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Besonders
zweckmäßig ist es, wenn der Kraftstoff-Injektor
mindestens eine Schließdrossel aufweist, mit der eine in
Schließrichtung wirkende hydraulische Kraft erzeugt wird,
sobald das Einspritzventilelement von seinem Einspritzventilelementsitz abhebt.
Durch das Vorsehen einer derartigen Schließdrossel kann
die Verstellgeschwindigkeit des Ein spritzventilelementes optimal
beim Öffnen und Schließen individuell abgestimmt
werden. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei
der die mindestens eine Schließdrossel derart dimensioniert
ist, dass der Kraftstoffdruck durch die Einspritzdrossel um etwa
50 bar bis etwa 350 bar reduziert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen:
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1:
eine schematische Schnittdarstellung eines Kraftstoff-Injektors
mit einer Vielzahl von in axialer Richtung beabstandeten elektromagnetischen Aktuatoren,
die jeweils unmittelbar verstellend auf ein Einspritzventilelement
einwirken, welchem wiederum ein hydraulischer Dämpfer stirnseitig
zugeordnet ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 gezeigt.
Dieser umfasst einen in der Zeichnungsebene oberen Injektorkörper 2 (Haltekörper)
sowie einen in der Zeichnungsebene unteren Düsenkörper 3.
Axial zwischen dem Injektorkörper 2 und dem Düsenkörper 3 ist
eine später noch zu erläuternde Hubanschlagplatte 4 verspannt.
Im montierten Zustand durchsetzt der Düsenkörper 3 eine
nicht dargestellte Spannmutter, die mit einem Außenge winde
(nicht gezeigt) des Injektorkörpers 2 verschraubt
ist und somit den Düsenkörper 3 gegen
die Hubanschlagplatte 4 und diese gegen den Injektorkörper 2 verspannt.
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Innerhalb
des Injektorkörpers 2 ist ein Druckraum 5 ausgebildet,
in den Kraftstoff, hier Dieselöl, aus einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 6 (Rail)
zuströmen kann. Hierzu ist der Kraftstoff-Hochdruckspeicher 6 über
eine Versorgungsleitung 7 an einem Hochdruckanschluss 8 des
Kraftstoff-Injektors 1 angebunden, von dem aus unter Hochdruck
(Raildruck), von in diesem Ausführungsbeispiel über
2000 bar, stehender (Diesel-)Kraftstoff über einen Versorgungskanal 9 in
den Druckraum 5 strömen kann. Ein Kraftstoffrücklaufanschluss
ist nicht vorgesehen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
dient der Druckraum 5 als sogenanntes Mini-Rail, um Druckschwingungen
zwischen dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 6 und dem Druckraum 5 zu
dämpfen.
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Innerhalb
des Injektorkörpers 2 und des Düsenkörpers 3 ist
ein in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einteiliges, bei
Bedarf auch mehrteilig ausführbares, von dem Düsenkörper 3 geführtes
Einspritzventilelement 10 axial verstellbar angeordnet. Das
Einspritzventilelement 10 weist eine Spitze 11 auf,
die ein Schadvolumen 12 begrenzt, das über eine
aus mehreren Einspritzöffnungen bestehende Düsenlochanordnung 13 mit
dem nicht gezeigten Brennraum der ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine
hydraulisch verbunden ist. An der Spitze 11 ist eine Dichtfläche 14 ausgebildet,
die in Schließstellung des Einspritzventilelementes 10 dichtend
mit einem am Düsenkörper 3 ausgebildeten
Einspritzventilelementsitz 15 zusammenwirkt.
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Innerhalb
des Düsenkörpers 3 ist ein Düsenraum 16 ausgebildet,
der über eine Schließdrossel 17 mit dem
Druckraum 5 hydraulisch verbunden ist. Bei sich in seiner
Schließstellung befindlichem Einspritzventilelement 10,
herrscht im Druckraum 5 sowie im Düsenraum 16 zumindest
näherungsweise der gleiche Kraftstoffdruck. Bei sich öffnendem
Einspritzventilelement 10 wird der Kraftstoffdruck innerhalb
des Düsenraums 16 mittels der Schließdrossel 17 um etwa
150 bar reduziert. Aufgrund der Durchmesserverringerung des Einspritzventilelementes 10 innerhalb
des Düsenraums 16 resultiert hieraus eine in Schließrichtung
auf das Einspritzventilelement 10 wirkende hydraulische
Kraft.
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An
der eingangs erwähnten Hubanschlagplatte 4 ist
ein Hubanschlag 18 ausgebildet, an der ein Umfangsbund 19 des
Einspritzventilelementes 10 in axialer Richtung anschlagen
kann. Der Hubanschlag 18 wird gebildet von dem Randbereich
einer Durchgangsöffnung 20 innerhalb der Hubanschlagplatte 4,
die von dem Einspritzventilelement 10 in axialer Richtung
durchsetzt wird.
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Dem
Einspritzventilelement 10 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
fünf, hier baugleiche, elektromagnetische Aktuatoren 21 zugeordnet,
die elektrisch parallel geschaltet sind. Die elektromagnetischen
Aktuatoren 21 umfassen jeweils eine Magnetspule 22,
die bei Bestromung eine in Öffnungsrichtung wirkende magnetische
Kraft erzeugt. Wie sich aus 1 ergibt,
werden die elektromagnetischen Aktuatoren 21 zentrisch
von dem Einspritzventilelement 10 mit Radialabstand durchsetzt.
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Jedem
elektromagnetischen Aktuator 21 ist eine Ankerplatte 23 zugeordnet,
wobei die Ankerplatten 23 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
verstellkraftübertragend mit dem Einspritzventilelement 10 (hier
fest) verbunden sind. Der Abstand zwischen den Ankerplatten 23 und
den zugehörigen elektromagnetischen Aktuatoren 21 ist
derart dimensioniert, dass das Einspritzventilelement 10 mit
dem Umfangsbund 19 an dem Hubanschlag 18 anschlägt,
bevor die Ankerplatten 23 den entsprechenden elektromagnetischen
Aktuator 21 erreichen können, so dass ein Restluftspalt
verbleibt und somit ein hydraulischer Klebeeffekt sowie Verschleißerscheinungen
vermieden werden.
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In
der Zeichnungsebene oben ist ein hydraulischer Dämpfer 24 zum
Dämpfen (Drosseln) der Verstellgeschwindigkeit des Einspritzventilelementes 10 angeordnet.
Der hydraulische Dämpfer 24 umfasst einen Dämpferraum 25,
der radial außen von einer Hülse 26 begrenzt
wird, die mittels einer als Schließfeder dienenden Feder 27 (Druckfeder)
in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben gegen den Injektorkörper 2 gepresst
wird. Hierzu stützt sich die Feder 27 an einer
unteren Ringfläche 28 der Hülse 26 sowie
an einer Ringschulter 29 des Einspritzventilelementes 10 ab.
Das Einspritzventilelement 10 ragt in axialer Richtung
in die Hülse 26 hinein und begrenzt somit den
Dämpferraum 25 in axialer Richtung nach unten
mit seiner Stirnseite 30.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Dämpferraum 25 über
eine als Drosselkanal im Injektorkörper 2 ausgebildete
Drosselverbindung 31 hydraulisch mit dem Versorgungskanal 9 verbunden,
in den Kraftstoff bei sich öffnendem Einspritzventilelement 10 aus
dem Dämpferraum 25 gepresst wird.
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Damit
das Einspritzventilelement 10 von seinem Einspritzventilelementsitz 15 abhebt,
werden die elektromagnetischen Aktuatoren 21 bestromt. Hieraus
resultiert zunächst eine beschleunigte Bewegung des Einspritzventilelementes 10,
die jedoch sehr bald in eine Verstellbewegung mit konstanter Geschwindigkeit übergeht.
Während der Öffnungsbewegung wird Kraftstoff aus
dem Dämpferraum 25 über die Drosselverbindung 21 herausgepresst. Selbstverständlich
sind alternative Anordnungen und Ausbildungen der Drosselverbindung 31 möglich.
So kann die Drosselverbindung 31 beispielsweise auch als
Radialkanal in der Hülse 26 ausgebildet werden, vorzugsweise
derart, dass sie unmittelbar in den Druckraum 5 ausmündet.
Weitere Alternativen sind ebenfalls realisierbar.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung der elektromagnetischen
Aktuatoren 21 unterbrochen. Aufgrund der von der Schließdrossel 17 verursachten
hydraulischen Schließkraft, unterstützt von der
als Schließfeder dienenden Feder 27 wird das Einspritzventilelement 10 zurück
auf seinen Einspritzventilelementsitz 15 gedrückt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0004]