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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es vorzugsweise
für die Einspritzung von Kraftstoff direkt in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
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Stand der Technik
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Kraftstoffeinspritzventile,
insbesondere zur Verwendung in schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen,
sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. So
zeigt die
DE 198 27
267 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil, mit dem Kraftstoff
unter hohem Druck durch mehrere Einspritzöffnungen direkt
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden
kann. Solche Kraftstoffeinspritzventile weisen regelmäßig
eine Düse auf, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar
angeordnet ist, die durch ihre Bewegung Einspritzöffnungen
freigibt oder verschließt. Dieser Düse wird der
verdichtete Kraftstoff durch eine Bohrung in einem Haltekörper
zugeleitet, der aus Stahl gefertigt und an dem die Düse befestigt
ist. Diese Hochdruckbohrung ist von anderen Bereichen im Kraftstoffeinspritzventil
getrennt, in denen nur ein niedriger Druck herrscht und in denen der
Kraftstoff, der durch Dichtungen oder über ein Steuerventil
aus dem Hochdruckbereich austritt, gesammelt und über einen
Leckölanschluss zurück in den Tank gefördert
wird.
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Die
Ausbildung der Hochdruckbohrung in einem massiven Stahlkörper
ist einerseits teuer, da eine entsprechende lange und präzise
Bohrung durchgeführt werden muss. Andererseits können sich
Festigkeitsprobleme ergeben, da Mindestwandstärken zum
Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzventils eingehalten werden
müssen und gleichzeitig ein entsprechend großer
Durchflussquerschnitt zur Verfügung gestellt werden muss.
Außerdem ergibt sich die Schwierigkeit, dass die Hochdruckbohrung
innerhalb des Haltekörpers häufig um einen Winkel
geführt werden muss, sodass eine Bohrungsverschneidung
nötig ist. Dies erzeugt potentielle Schwachstellen, an
denen ein Düsenkörper bei entsprechend hohem Druck
versagen kann.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist
hingegen nur wenige Teile auf und vermeidet die oben geschilderten
Nachteile des bekannten Kraftstoffeinspritzventils. Hierzu weist
das Kraftstoffeinspritzventil ein Gehäuse auf, in dem ein
Niederdruckraum ausgebildet ist. Um den hochverdichteten Kraftstoff
dem Düsenkörper und damit den Einspritzöffnungen
zuzuführen, ist eine Hochdruckleitung vorgesehen, die innerhalb
des Niederdruckraums verläuft. Somit ist es in einfacher
Weise möglich, Kraftstoff unter hohem Druck den Einspritzöffnungen
zuzuführen, ohne kostenintensive Bohrungen und ohne die
Verwendung eines massiven Stahlkörpers als Haltekörper
für die Düse.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Hochdruckleitung
als Metallrohr ausgebildet, ähnlich den Metallrohren und
Leitungen, mit denen das Kraftstoffeinspritzventil bei Verwendung
in einem Common-Rail-System mit dem Rail verbunden ist. Solche Leitungen
sind aus dem Stand der Technik bekannt, sodass hier auf bewährte
Technik zurückgegriffen werden kann. Hierbei weist die
Hochdruckleitung, die innerhalb des Gehäuses des Kraftstoffeinspritventils
verläuft, an ihrem auslaufseitigen Ende einen Anschlusskopf
auf, der mit einem entsprechenden Dichtsitz zusammenwirkt, wobei
der Dichtsitz entweder im Düsenkörper selbst oder
in einem weiteren Körper, beispielsweise einer Drosselscheibe
ausgebildet ist. Durch eine einfache Spannmutter kann der Anschlusskopf
gegen den Dichtsitz gepresst werden, was in einfacher Weise eine
hochdruckdichte Verbindung der Hochdruckleitung mit dem Düsenkörper
ergibt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Düsenkörper
unmittelbar an einer Drosselscheibe an, in der ein Steuerventil
ausgebildet ist. Das Steuerventil dient dazu, einen Steuerraum,
der innerhalb des Düsenkörpers ausgebildet ist
und der durch die Düsennadel begrenzt wird, zur Steuerung der
Einspritzung mit dem im Gehäuse ausgebildeten Niederruckraum
verbunden werden kann. Das Steuerventil selbst wird dabei vorzugsweise über
einen elektrischen Aktor betätigt, beispielsweise einen Elektromagneten.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind
der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Längsschnitt durch
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
schematisch dargestellt.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt. Das Kraftstoffeinspritzventil
weist ein Gehäuse 1 auf, in dessen Inneren sich
ein Niederdruckraum 6 befindet. In dem in der Zeichnung
unteren Bereich des Gehäuses 1 ist ein Düsenkörper 5 angeordnet, der
an einer Schulter 16 des Gehäuses 1 anliegt.
Der Düsenkörper 5 wiederum grenzt an
eine Drosselscheibe 3, wobei die Drosselscheibe 3 und
der Düsenkörper 5 mittels einer Spannmutter 4 gegen
die Schulter 16 verspannt sind.
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Im
Düsenkörper 5 ist ein Druckraum 7 ausgebildet,
in dem eine Düsennadel 10 längsverschiebbar
angeordnet ist. Die Düsennadel 10 wird in einem mittleren
Bereich im Druckraum 7 geführt, wobei Kraftstoff
durch mehrere Anschliffe 15, die an der Düsennadel 10 ausgebildet
sind, entlang der Führung fließen kann. Im unteren
Bereich des Düsenkörpers 5, welcher der
ist, der beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils dem Brennraum
zugewandt ist, ist ein Düsensitz 14 ausgebildet,
von dem mehrere Einspritzöffnungen 12 ausgehen.
Die Düsennadel 10 wirkt mit dem Düsensitz 14 so
zusammen, dass bei Anlage der Düsennadel 10 am
Düsensitz 14 die Einspritzöffnungen 12 gegen
den Druckraum 7 verschlossen werden, während bei
vom Düsensitz 14 abgehobener Düsennadel 10 die
Einspritzöffnungen 12 mit dem Druckraum 7 verbunden
sind, sodass Kraftstoff, der im Druckraum 7 unter hohem
Druck vorhanden ist, durch die Einspritzöffnungen 12 ausgespritzt
wird. Die Düsennadel 10 wird an ihrem düsensitzabgewand ten
Ende in einer Hülse 17 geführt, wobei
zwischen der Hülse 17 und der Düsennadel 10 eine Schließfeder 18 unter
Druckvorspannung angeordnet ist, sodass durch die Kraft der Schließfeder 18 die Düsennadel 10 gegen
den Düsensitz 14 gedrückt wird.
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Durch
die düsensitzabgewandte Stirnseite der Düsennadel 10,
die Hülse 17 und die Drosselscheibe 3 wird
ein Steuerraum 20 begrenzt durch dessen Druck eine in Längsrichtung
der Düsennadel 10 auf dem Düsensitz 14 zu
gerichtete Schließkraft auf die Düsennadel 10 ausgeübt
wird.
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Zur
Versorgung des Druckraums 7 mit Kraftstoff unter hohem
Druck wird dem Kraftstoffeinspritzventil verdichteter Kraftstoff
zugeführt. Hierzu wird Kraftstoff aus einem Tank 50 über
eine Leitung 51 einer Hochdruckpumpe 55 zugeführt,
die den Kraftstoff verdichtet und in einem Hochdruckspeicher 52 vorhält.
Vom Hochdruckspeicher 52 führt eine Leitung 53 zu
einem Hochdruckanschluss 13 des Kraftstoffeinspritzventils,
der zu einer im Gehäuse 1 verlaufenden Hochdruckleitung 2 gehört.
Die Hochdruckleitung 2 führt hierbei durch eine Öffnung 11 im
Gehäuse 1 bis zur Drosselscheibe 3, wobei
die Öffnung 11 durch eine Dichtung 9 nach
außen abgedichtet ist. In der Drosselscheibe 3 ist
eine Aufnahme 22 ausgebildet, in der ein am Ende der Hochdruckleitung 2 ausgebildeter
Anschlusskopf 26 angeordnet ist. Der Anschlusskopf 26 wird
hierbei durch eine Spannmutter 25 gegen einen in der Aufnahme 22 ausgebildeten Dichtsitz 24 gedrückt,
sodass eine hochdruckdichte Verbindung zwischen der Hochdruckleitung 2 und der
Aufnahme 22 entsteht. Von der Aufnahme 22 führt
eine Hochdruckbohrung 23 in der Drosselscheibe 3 zum
Druckraum 7 im Düsenkörper 5,
sodass der Düsenkörper 7 über
die Hochdruckleitung 2 mit Kraftstoff unter hohem Druck
aus dem Hochdruckspeicher 52 versorgt werden kann.
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Von
der Aufnahme 22 führt darüber hinaus eine
Zulaufdrossel 19 zum Steuerraum 20, sodass auch
der Steuerraum 20 über die Zulaufdrossel 19 mit
Kraftstoff unter hohem Druck befüllt wird. Vom Steuerraum 20 führt
eine Ablaufdrossel 21 zu einem Steuerventil 27,
das einen Steuerventilraum 28 aufweist, in dem ein beweglicher
Steuerkörper 30 angeordnet ist und von dem eine
Ablaufbohrung 29 zu eine zwischen dem Gehäuse 1 und
dem Düsenkörper 5 bzw. der Drosselscheibe 3 ausgebildeten
Zwischenraum führt, der mit dem Niederdruckraum 6 verbunden
ist, sodass Kraftstoff aus dem Steuerraum 20 über
die Ablaufdrossel 21, den Steuerventilraum 28 und
die Ablaufbohrung 29 in den Niederdruckraum 6 abfließen
kann.
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Zur
Steuerung des Steuerventils 27 ist der Steuerkörper 30 mittels
eines elektrischen Aktors, hier eines Elektromagneten 40,
bewegbar. Dazu ist der Steuerkörper 30 mit einer
Ankerstange 34 verbunden, die an ihrem Ende an einem Magnetanker 33 befestigt
ist, der dem Elektromagnet 40 gegenübersteht.
Durch eine Ankerfeder 41 wird der Magnetanker 33 und
damit über die Ankerstange 34 auch der Steuerkörper 30 gegen
den Düsenkörper 5 gedrückt,
sodass der Steuerkörper 30 die Ablaufbohrung 29 verschließt.
Die Ankerstange 34 ist hierbei in einer Führungsbohrung 32 der
Drosselscheibe 3 geführt, wobei die Führung
so eng ist, dass es zu keinen nennenswerten Abfluss von Kraftstoff
aus dem Steuerventilraum 28 entlang der Führungsbohrung 32 in den
Niederdruckraum 6 kommt.
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Der
Elektromagnet 40 ist in einem Magnetgehäuse 37 angeordnet,
welches durch eine Magnetspannmutter 38 gegen eine Verbindungsplatte 36 verspannt
ist. Die Verbindungsplatte 36 ist ihrerseits wiederum durch
eine Spannmutter 8 gegen das Gehäuse 1 verspannt,
sodass der Elektromagnet 40 zusammen mit dem Gehäuse 1 eine
feste Einheit bildet. Der Raum innerhalb des Elektromagneten 40,
in dem sich in die Ankerfeder 41 befindet, bildet einen
Ablaufkanal, der in einen Leckölanschluss 45 mündet, von
dem eine Leckölleitung 47 bis zum Tank 50 führt.
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Die
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Der
im Hochdruckspeicher 52 unter hohem Druck vorhandene Kraftstoff
wird über die Leitung 53 und die Hochdruckleitung 2 bis
in den Druckraum 7 des Düsenkörpers 5 geleitet.
Die Düsennadel 10 befindet sich in Anlage am Düsensitz 14 und
verschließt so die Einspritzöffnungen 12.
Dies ist dadurch bedingt, dass im Steuerraum 20, der über die
Zulaufdrossel 19 mit dem Hochdruck in der Aufnahme 22 verbunden
ist, ein hoher Kraftstoffdruck herrscht, der die Düsennadel 10 gegen
den Düsensitz 14 drückt. Die Ablaufdrossel 21 stellt
zwar eine Verbindung mit dem Steuerventilraum 28 her, jedoch ist
dieser gegenüber der Ablaufbohrung 29 durch den Steuerkörper 30 verschlossen,
da sich dieser durch die Kraft der Ankerfeder 41 in Anlage
am Düsenkörper 5 befindet. Zum Einspritzen
von Kraftstoff wird der Elekt romagnet 40 bestromt, sodass
er den Magnetanker 33 anzieht. Dadurch wird auch die Ankerstange 34 und
somit der Steuerkörper 30 vom Düsenkörper 5 weggezogen
und die Ablaufbohrung 29 freigegeben, sodass jetzt eine
Verbindung des Steuerraums 20 mit dem Niederdruckraum 6 hergestellt ist.
Da die Ablaufdrossel 21 einen größeren
Querschnitt aufweist als die Zulaufdrossel 19, sinkt der Druck
im Steuerraum 20 ab und verringert so die hydraulische
Kraft auf die düsensitzabgewandte Stirnseite der Düsennadel 10.
Durch den hydraulischen Druck des Kraftstoffs im Druckraum 7 ergibt
sich eine vom Düsensitz 14 weggerichtete Öffnungskraft
auf die Düsennadel 10, die aufgrund des im Steuerraum 20 abgesunkenen
Drucks ausreicht, um die Düsennadel 10 nunmehr
vom Düsensitz 14 abzuheben, sodass die Einspritzöffnungen 12 freigegeben
und Kraftstoff aus diesen ausgespritzt wird.
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Zur
Beendigung der Einspritzung wird der Elektromagnet 40 wiederum
stromlos geschaltet, sodass die Ankerfeder 41 den Magnetanker 33 und über
die Ankerstange 34 auch den Steuerkörper 30 zurück
in seine Ausgangslage schiebt, wodurch die Ablaufbohrung 29 erneut
verschlossen wird und Kraftstoff, der über die Zulaufdrossel 19 in
den Steuerraum 20 einströmt, dort wieder den hohen
Druck der Hochdruckleitung 2 herstellt. Dieser Druck schiebt
die Düsennadel 10 erneut in Anlage an den Düsensitz 14,
sodass die Einspritzöffnungen 12 verschlossen
werden.
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Durch
die Führung des Hochdrucks durch den Niederdruckraum 6 mittels
der Hochdruckleitung 2 ergibt sich ein Kraftstoffeinspritzventil,
das besonderes für sehr hohe Drücke von über
2000 bar geeignet ist. Da nur wenige Teile vorhanden sind und insbesondere
das Gehäuse 1 nicht direkt dem Hochdruck ausgesetzt
ist, kann dieses aus relativ einfachen Materialien und entsprechend
kostengünstig hergestellt werden.
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Das
gezeigte Ausführungsbeispiel lässt sich auf verschiedene
Weisen abwandeln. So können statt des gezeigten Düsenkörpers 5 auch
andere Düsenvarianten verwendet werden, insbesondere sämtliche
Varianten von Sitz-, Loch- oder Sacklochdüsen. Ebenso ist
statt der Verwendung eines Elektromagneten auch die Verwendung eines
Piezoaktors möglich, der für die Bewegung des
Steuerkörpers 30 verwendet wird. Auch ist es möglich,
statt den Elektromagneten 40 am düsensitzabgewandten
Ende des Gehäuses 1 anzuordnen, diesen in unmittelbarer Nähe
zum Steuerkörper 30, beispielsweise innerhalb der
Drosselscheibe 3 oder in unmittelbarer Nähe der Drosselscheibe 3 innerhalb
des Niederdruckraums 6 anzuordnen.
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Anders
als in der Zeichnung dargestellt, sind in der Regel mehrere Kraftstoffeinspritzventile
in einem Kraftstoffeinspritzsystem vorhanden, sodass der Hochdruckraum 52 nicht
nur mit einem Kraftstoffeinspritzventil verbunden ist, sondern mit
mehreren. Dementsprechend führen auch von allen Kraftstoffeinspritzventilen
Leckölleitungen 47 zurück zum Tank 50.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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