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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung einen Injektor
für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 10 2006
021 741 A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem druckausgeglichenen
Steuerventil bekannt. Bei dem bekannten Injektor wird ein Einspritzventilglied,
welches eine Einspritzöffnung freigibt oder verschließt,
durch ein Steuerventil angesteuert, wobei das Steuerventil eine
Verbindung aus einem Steuerraum in einen Kraftstoffrücklauf
freigibt oder verschließt, indem ein Schließelement
in einen Sitz gestellt wird oder diesen freigibt. Bei dem Steuerventil
werden die hydraulischen Kräfte über einen Druckausgleich
minimiert. Dadurch kann die Federkraft bei gleichzeitig weniger
Hub und größerer Querschnittfläche reduziert
werden. Hierdurch sind kurze Schaltzeiten und eine vorteilhafte
Dynamik möglich.
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Der
aus der
DE 10
2006 021 741 A1 bekannte Kraftstoffinjektor hat denn Nachteil,
dass die Möglichkeiten zur Einspritzverlaufsformung bei
kleinen Spritzabständen begrenzt sind. Speziell ist die
Mehrfacheinspritzfähigkeit des Injektors begrenzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Prellverhalten
des magnetischen Schaltventils verringert ist. Speziell werden Einspritzstrategien
mit sehr kleinen Spritzabständen ermöglicht. Außerdem
kann die Mehrfacheinspritzfähigkeit verbessert werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Speziell
bei Brennstoffeinspritzventilen, die als Common-Rail-Injektoren
ausgebildet sind, kann die Steuerung der Düsennadel über
das Zusammenwirken einer variablen, auf die Stirnseite der Düsennadel
wirkenden Schließkraft mit einer näherungsweisen
konstanten, über den permanent anstehenden Brennstoffdruck
generierten Öffnungskraft erfolgen. Im Ruhezustand ist
die Schließkraft größer als die Öffnungskraft,
wodurch die Düsennadel in ihrem Dichtsitz an einen Düsenkörper
gepresst wird, so dass das Brennstoffeinspritzventil geschlossen
ist. Zum öffnen der Düsennadel wird die Schließkraft
abgesenkt, bis sie kurzzeitig die Öffnungskraft unterschreitet.
Dadurch wird die Düsennadel aus ihrem Sitz heraus beschleunigt.
Anschließend bewegt sich die Düsennadel bei einem
bestehenden Kräftegleichgewicht zwischen Öffnungs-
und Schließkraft mit praktisch konstanter Geschwindigkeit
weiter aus ihrem Sitz.
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Die
Variation der Schließkraft kann durch die Variation des
Drucks in dem Steuerraum erfolgen, der durch einen Steuerkolben
begrenzt ist. Der Steuerkolben kann Teil der Düsennadel
sein oder ein auf die Düsennadel einwirkendes Kraftübertragungsglied darstellen.
Der Steuerraum kann über eine Zulaufdrossel mit einem Hochdruckspeicher
verbunden sein. Über eine Ablaufdrossel, die von dem magnetischen
Schaltventil gesteuert ist, kann der Steuerraum mit einem unter
geringen Druck stehenden Rücklauf verbunden sein. Ist das
magnetische Schaltventil geschlossen, so ist die Verbindung zum Rücklauf
unterbrochen und der Brennstoff im Steuerraum steht unter vollem
Hochdruck. Dadurch wird die maximal mögliche Schließkraft
erzeugt, welche höher ist als die Öffnungskraft,
so dass die Düsennadel in ihrer geschlossenen Stellung
gehalten wird.
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Wird
das magnetische Schaltventil betätigt, das als 2/2-Schaltventil
ausgestaltet sein kann, dann kann Brennstoff aus dem Steuerraum
zum Rücklauf hin abfließen, wodurch der Druck
im Steuerraum absinkt. Sobald die Schließkraft die Öffnungskraft
unterschreitet, wird die Düsennadel beschleunigt und bewegt
sich aus ihrem Sitz heraus. Auf Grund der Rückwirkung der Öffnungsgeschwindigkeit
der Düsennadel auf den Steuerraumdruck stellt sich die Öffnungsgeschwindigkeit
so ein, dass zwischen der Öffnungs- und Schließkraft
ein Gleichgewicht herrscht.
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Für
die Anordnung des Schaltventils gibt es mehrere, insbesondere die
zwei folgenden Möglichkeiten. Zum einen kann der Steuerraum
direkt oberhalb der Düsennadel angeordnet sein. Somit ist
das Schaltventil ebenfalls düsennah, das heißt
in dem in einer Zylinderkopfbohrung angeordneten Injektorschaft
untergebracht. Dem Durchmesser der Zylinderkopfbohrung und damit
auch jenem des Injektorschafts sind auf Grund der Einbauverhältnisse
am Motor enge Grenzen gesetzt, beispielsweise sind bei Personenkraftwagen
Injektorschaftdurchmesser von 19 mm oder darunter üblich.
Dies bedeutet, dass in diesem Fall nur ein mit relativ kleinen Kräften
schaltbares Magnetventil verwendet werden kann. Hierdurch kann das
Brennstoffeinspritzventil als In-Line-Injektor ausgestaltet werden.
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Zum
anderen kann der Steuerraum und somit auch das Schaltventil oberhalb
der Zylinderkopfbohrung und damit oberhalb des Injektorschafts angeordnet
werden. Dies ermöglicht die Ausgestaltung eines Top-Head-Injektors.
Dies hat den Vorteil, dass die Einbauverhältnisse für
das Schaltventil deutlich weniger beengt sind.
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In
vorteilhafter Weise genügt das Schaltventil sehr hohen
Anforderungen in Bezug auf Schaltzeit, Prellverhalten, Hub-zu-Hub-Streuung
sowie Verschleiß über die Lebensdauer. Um ein
bei magnetischen Schaltventilen auftretendes Prellverhalten am unteren
Anschlag zu reduzieren, ist es denkbar, dass ein zweiteiliges Ankerdesign
gewählt ist. Dadurch wird zwar beim Schließen
nicht die komplette Energie des Ankers in einen Sitz übertragen,
wodurch das Schließprellen reduziert ist. Dies hat aber
den Nachteil, dass durch den negativen Einfluss des Überhubs,
das ist der Spalt zwischen Anker und Ankerführung, die
Mehrfacheinspritzfähigkeit beeinträchtigt ist.
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Somit
ist in vorteilhafter Weise ein einstückiger Anker vorgesehen,
so dass derartige Probleme vermieden sind. Durch einen deutlich
reduzierten Ankerhub ist das Prellverhalten eines magnetischen Schaltventils
mit einem einstückigen Anker bereits günstig beeinflusst.
Allerdings ist es weiter vorteilhaft, dass insbesondere für
spezielle Einspritzstrategien mit sehr kleinen Spritzabständen
das verbleibende Ankergrellen vor allem beim Schließen
noch weiter reduziert ist. Durch das mit dem Federelement beaufschlagte
Masseelement ist eine weitere Reduzierung des Prellens auch beim
Einsatz des einstückigen Ankers ermöglicht.
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Dadurch
ergibt sich eine kostengünstige Maßnahme, die
das Ankergrellen reduziert, eine Mehrfacheinspritzfähigkeit
des Brennstoffeinspritzventils verbessert und einen Ventilsitzverschleiß reduziert.
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Der
einstückige Anker kann aus mehreren Teilen bestehen, die
fest miteinander verbunden sind. Beim Betätigen des Ankers
mittels einer Magnetspule wird dadurch eine einheitliche Bewegung des
Ankers erzielt. Dies gilt auch für ein Rückstellen des
Ankers beim Abschalten der Magnetspule. Ferner ist es vorteilhaft,
dass der Anker als einteiliger Anker ausgebildet ist. Der einteilig
ausgestaltete Anker kann beispielsweise aus einem vollen Material durch
spanabhebende Verfahren hergestellt sein.
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Das
mit dem Federelement beaufschlagte Masseelement kann ein Prellen
des Ankers an beiden Anschlägen dämpfen, die die
Bewegung des Ankers begrenzen. Dadurch ist der Anker insbesondere nach
dem Ende des Einpritzung früher in Ruhe und in der definierten
Ausgangsposition für die nächste Einspritzung.
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Vorteilhaft
ist es, dass der Anker einen Ankerteller und einen zylinderförmigen
Führungsabschnitt aufweist und dass das Masseelement an
dem zylinderförmigen Führungsabschnitt geführt
ist. Dabei ist es ferner vorteilhaft, dass das Federelement das
Masseelement gegen den Ankerteller beaufschlagt, wobei sich das
Masseelement an dem Ankerteller abstützt. Dies ermöglicht
einen kompakten Aufbau und eine zuverlässige Funktionsweise.
Das Federelement kann dabei als Ventilfeder ausgestaltet sein.
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Vorteilhaft
ist es, dass das magnetische Schaltventil eine Magnetspule aufweist,
die zum Erzeugen einer magnetischen Anzugskraft auf den Anker dient,
und dass das Federelement das Masseelement in Richtung der magnetischen
Anzugskraft der Magnetspule beaufschlagt. Dadurch wird beim Schalten
des magnetischen Schaltventils eine vorteilhafte Dämpfung
beim Erreichen der angezogenen Stellung des magnetischen Schaltventils
erreicht. Ferner kann das magnetische Schaltventil eine Rückstellfeder
aufweisen, die den Anker entgegen der Richtung der von der Magnetspule
erzeugbaren magnetischen Anzugskraft beaufschlagt. Ein durch die
Rückstellung des Ankers mittels der Rückstellfeder
auftretendes Prellen kann ebenfalls durch das System aus dem Masseelement
und dem Federelement gedämpft werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil in einer auszugsweisen, schematischen
Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 der
Erfindung in einer schematischen, auszugsweisen, axialen Schnittdarstellung.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor
für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht
für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail,
das Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet
sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf.
An dem Ventilgehäuse 2 ist ein Brennstoffeinlassstutzen 3 vorgesehen,
an den eine Brennstoffleitung zum Zuführen von Brennstoff
angeschlossen werden kann. An dem Ventilgehäuse 2 ist mittels
einer Spannmutter 4 ein Magnetventilgehäuse 5 befestigt.
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In
dem Ventilgehäuse 2 ist ein Steuerkolben 6 in
einer Bohrung 7 angeordnet, wobei der Steuerkolben 6 in
diesem Ausführungsbeispiel Teil einer Düsennadel 6 ist.
Durch das Ventilgehäuse 2 ist ein Brennstoffkanal 8 geführt,
der über den Brennstoffeinlassstutzen 3 mit unter
hohem Druck stehenden Brennstoff gefüllt wird. Von dem
Brennstoffkanal 8 zweigt eine Bohrung 9 ab. Der
Steuerkolben 6 begrenzt in der Bohrung 7 einen
Steuerraum 10. Die Bohrung 9 mündet in
den Steuerraum 10. Von dem Steuerraum 10 zweigt
ein Verbindungskanal 11 mit einer Ablaufdrossel 12 ab.
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Innerhalb
des Magnetventilgehäuses 5 ist ein magnetisches
Schaltventil 15 angeordnet. Das magnetische Schaltventil 15 steuert
einen Brennstofffluss aus dem Steuerraum 10 über
den Verbindungskanal 11 mit der Ablaufdrossel 12.
Bei der in der 1 dargestellten Schaltstellung,
die eine Geschlossen-Stellung ist, ist der Ablauf über
den Verbindungskanal 11 in einen druckentlasteten Raum 16 gesperrt.
Dadurch baut sich in dem Steuerraum 10 ein hoher Druck
auf, der dem Druck im Brennstoffkanal 8 entspricht.
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Das
magnetische Schaltventil 15 weist einen einteiligen Anker 17 auf.
Ferner weist das magnetische Schaltventil 15 eine Magnetspule 18 auf.
Durch Bestromen der Magnetspule 18 wird eine Anzugskraft
auf den Anker 17 ausgeübt, die in einer Anzugsrichtung 19 auf
den Anker 17 einwirkt. In der Geschlossen-Stellung sperrt
der Anker 17 den Abfluss über den Verbindungskanal 11,
wobei ein Sitz 20 geschlossen ist. Durch Anziehen des Ankers 17 mittels der
Magnetspule 18 in der Anzugsrichtung 19 wird der
Sitz 20 freigegeben, so dass die Verbindung des Steuerraums 10 über
den Verbindungskanal 11 mit der Ablaufdrossel 12 zu
dem druckentlasteten Raum 16 hin geöffnet ist.
Dadurch kommt es zu einem Druckabfall im Steuerraum 10,
so dass der Steuerbolzen 6 der Düsennadel betätigt
wird. Hierdurch wird ein Abspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffeinspritzventil 1 in
eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine erreicht.
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Beim
Anziehen des Ankers 17 in der Anzugsrichtung 19 mittels
der Magnetspule 18 besteht das Problem, dass eine die Magnetspule 18 umgebende Umspritzung 21 einen
abrupten Anschlag für den Anker 17 darstellt,
wodurch ein Prellen verursacht werden kann.
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Um
solch ein Prellen zu dämpfen, sind ein Masseelement 22 und
ein Federelement 23 vorgesehen.
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Der
Anker 17 ist einteilig ausgebildet, wobei der Anker 17 einen
Ankerteller 24 und einen zylinderförmigen Führungsabschnitt 25 umfasst.
Der zylinderförmige Führungsabschnitt 25 weist
eine axiale Bohrung 26 auf. In der axialen Bohrung 26 ist
abschnittsweise ein Führungsbolzen 27 angeordnet,
an dem der Anker 17 in und entgegen der Anzugsrichtung 19 geführt
ist. An dem zylinderförmigen Führungsabschnitt 25 ist
außerdem das ringscheibenförmig ausgestaltete
Masseelement 22 in und entgegen der Anzugsrichtung geführt.
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Ferner
ist ein Ankerführung 28 vorgesehen, die hülsenförmig
ausgestaltet ist und einen umlaufenden Bund 29 aufweist.
Zwischen dem zylinderförmigen Führungsabschnitt 25 des
Ankers 17 und der Ankerführung 28 besteht
ebenfalls eine Führung. Hierbei ist die Ankerführung 28 auf
den zylinderförmigen Führungsabschnitt 25 geführt
beziehungsweise der Anker 17 in der Ankerführung 28 geführt.
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Das
Federelement 23 ist als Ventilfeder ausgestaltet und umschließt
den zylinderförmigen Führungsabschnitt 25 des
Ankers 17 abschnittsweise. Hierbei stützt sich
das Federelement 23 einerseits an dem umlaufenden Bund 29 der
Ankerführung 28 und andererseits an dem ringscheibenförmigen
Masseelement 22 ab. Das Federelement 23 weist
eine gewisse Vorspannung auf, so dass das Masseelement 22 mit
einer Federkraft des Federelements 23 beaufschlagt ist.
In diesem Ausführungsbeispiel stützt sich das
Masseelement 22 an einer Unterseite 30 des Ankertellers 24 ab.
Der Ankerteller 24 weist außerdem eine Oberseite 31 auf,
die der Magnetspule 18 zugewandt ist. Die Unterseite 30 ist
von der Oberseite 31 des Ankertellers 24 des Ankers 17 abgewandt.
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Dadurch
beaufschlagt das Federelement 23 den Anker 17 in
der Anzugsrichtung 19, in der auch die Magnetspule 18 auf
den Anker 17 einwirkt. Beim Betätigen des Ankers 17 durch
Bestromen der Magnetspule 18 schlägt der Anker 17 somit
an der Umspritzung 21 an, wobei ein Prellen gewissermaßen ganz
oder teilweise auf das Masseelement 22 übertragen
wird und somit gedämpft ist. Dies ermöglicht auch
bei einem relativ geringen Hub des Ankers 17 ein vorteilhaftes Öffnen,
das heißt Freigeben, der Verbindung des Steuerraums 10 mit
dem druckentlasteten Raum 16. Hierdurch kommt es zu einem gleichmäßigen,
reproduzierbaren Abfall des Drucks im Steuerraum 10. Somit
kann ein genaues zeitliches Ansteuern des Steuerbolzens 6 und
somit der Düsennadel erreicht werden.
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Das
magnetische Schaltventil 15 weist eine Rückstellfeder 35 auf,
die den Anker 17 entgegen der Anzugsrichtung 19 beaufschlagt.
Wenn die Magnetspule 18 den Anker 17 wieder freigibt,
dann stellt die Rückstellfeder 35 den Anker 17 entgegen
der Kraft des Federelements 23 in die Geschlossen-Stellung zurück.
Ein Anprallen des Ankers 17 an seinem Sitz 20 wird
dabei ganz oder teilweise durch das Masseelement 22 aufgenommen
und somit wirkungsvoll gedämpft. Dadurch kann auch beim
Schließen ein Schließzeitpunkt relativ genau vorgegeben
und eingehalten werden.
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Somit
können insbesondere sehr kleine Spritzabstände
zwischen dem Öffnen und Schließen der Düsennadel 6 erzielt
werden. Insbesondere wird eine vorteilhafte Mehrfacheinspritzfähigkeit
des Brennstoffeinspritzventils 1 ermöglicht.
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In
diesem Ausführungsbeispiel ist der druckentlastete Raum 16 Teil
eines Rücklaufs 16. Das magnetische Schaltventil 15 kann
die Verbindung des Steuerraums 10 auch mit einem anders
ausgestalteten Rücklauf 16 steuern. In diesem
Ausführungsbeispiel stützt sich das Masseelement 22 direkt
an der Unterseite 30 des Ankertellers 24 des einteiligen
Ankers 17 ab. Hierbei ist auch eine mittelbare Abstützung
möglich. Anstelle des als Ventilfeder ausgestalteten Federelements 23 können
auch anders ausgestaltete Federelemente 23 zum Einsatz
kommen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006021741
A1 [0002, 0003]