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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen,
wie es vorzugsweise in schnelllaufenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommt. Solche Kraftstoffeinspritzventile
sind geeignet, Kraftstoff unter hohem Druck direkt in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine einzuspritzen.
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Stand der Technik
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Aus
dem Stand der Technik sind hubgesteuerte Common-Rail-Injektoren
bzw. Einspritzventile seit langem beispielsweise aus der
DE 100 24 703 A1 bekannt.
Bei diesen Kraftstoffeinspritzventilen ist die Ventilnadel servobetrieben,
d. h. sie wird durch hydraulische Kräfte bewegt und öffnet
und schließt so wenigstens eine Einspritzöffnung.
Als Drucksteller werden Piezo- oder Magnetventile eingesetzt, mit
denen der entsprechende Servokreislauf gesteuert wird, so dass ein
rasches und schnell aufeinanderfolgendes Öffnen und Schließen
der Ventilnadel möglich ist.
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Insbesondere
für die Darstellung sehr kleiner Einspritzmengen ist ein
schnelles Nadelschließen essenziell, was jedoch große
Kräfte auf die Ventilnadel erfordert. Hierzu ist bei dem
bekannten Kraftstoffeinspritzventil die Ventilnadel bzw. die Ventilnadel und
ein die Ventilnadel direkt beaufschlagender Ventilkolben teilweise
in Niederdruck eingebettet, so dass sich eine große Druckdifferenz
zwischen verschiedenen Teilen der Ventilnadel bzw. des entsprechenden
Ventilkolbens ergibt, so dass hohe Kräfte auf die Ventilnadel
ausgeübt werden können. Das Aufrechterhalten einer
ständigen großen Druckdifferenz innerhalb des
Kraftstoffeinspritzventils bewirkt jedoch auch hohe Leckageverluste,
was durch zusätzli che Pumpleistung kompensiert werden muss. Durch
Verzicht auf diese Niederdruckbereiche lässt sich dieses
Problem zwar lösen, jedoch fehlt in diesem Fall eine starke
hydraulische Kraft auf die Ventilnadel, die für ein rasches
Schließen notwendig ist.
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Aus
der
DE 10 2007
032 741 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das
eine definierte Spaltdrossel aufweist, die in die Nadelführung
integriert ist. Diese Spaltdrossel ist als hydraulisch scharfkantiger Spalt
ausgebildet, dessen Drosselbeiwert im Betriebsbereich des Injektors
unabhängig von der Temperatur ist. Aber auch wenn diese
Spaltdrossel funktionstechnisch sehr robust ist, so stellt die genaue Einhaltung
des Spaltmaßes sehr hohe Anforderungen an die Fertigung.
Um die Streuung von Exemplar zu Exemplar so gering wie möglich
zu halten, muss das Spaltmaß mit hochgenauen Fertigungsverfahren und
Paarungsprozessen hergestellt werden, was zu hohen Kosten führt.
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Vorteile der Erfindung
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Durch
das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
ist eine kostengünstige Fertigung der Spaltdrossel mit
der erforderlichen Genauigkeit möglich. Dazu wird auf der
Ventilnadel eine Drosselscheibe befestigt, die einen äußeren
Rand aufweist, der von der Innenseite des Druckraums beabstandet
ist. Dadurch entsteht zwischen dem Rand der Drosselscheibe und der
Innenseite des Druckraums, in dem sich die Ventilnadel befindet,
eine scharfkantige Spaltdrossel, die die gewünschten Drosseleigenschaften
aufweist, so dass sich der erforderliche Druckunterschied einstellt.
Die Drosselscheibe lässt sich relativ kostengünstig
in großer Zahl, beispielsweise durch ein Stanz- oder Ausschneideverfahren herstellen
und auf der Ventilnadel befestigen. Hierdurch entfällt
eine aufwändige Paarung in diesem Bereich, die sehr kostenintensiv
ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ventilnadel
einen Führungsabschnitt auf, mit dem sie im Druckraum geführt
ist. Zur Durchleitung des Kraftstoffs zu den Einspritzöffnungen
hin sind vorteilhafter Weise mehrere Freilegungen an der Außenseite
des Führungsabschnitts ausgebildet, durch die der Kraftstoff
in Richtung des Ventilsitzes zwischen der Wand des Druckraums und
der Ventilnadel hindurchfließen kann. In vorteilhafter Weise
ist die Drosselscheibe zwischen diesem Führungsabschnitt
und dem Ventilsitz der Ventilnadel angeordnet, da sich bei dieser
Anordnung der Wirbel hinter der Drosselscheibe ungestört
ausbilden kann. Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, dass der durch
die Freilegung fließende Kraftstoff durch die Spaltdrossel
bedingt homogenisiert wird, so dass die ungleiche Strömung,
die durch die Freilegung am Führungsabschnitt hervorgerufen
wird, kompensiert wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drosselscheibe
durch eine auf die Ventilnadel aufgeschrumpfte Hülse fixiert.
Durch das Aufschrumpfen der Hülse auf die Ventilnadel lässt
sich eine feste Verbindung zwischen Hülse und Ventilnadel
erreichen, die durch die im normalen Betrieb entstehenden Kräfte
nicht mehr gelöst wird, so dass die Drosselscheibe in ihrer
Einbaulage verbleibt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass
die Drosselscheibe durch Punktschweißen auf der Ventilnadel befestigt
ist, so dass die Hülse entfallen kann. Allerdings erfordert
das Punktschweißen eine hohe Präzision bei der
Durchführung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Spaltdrossel
so ausgebildet, dass der Quotient aus der Länge der Spaltdrossel
und dem hydraulischen Durchmesser kleiner als 10 ist. Dadurch ist
bei den normalen Betriebsbedingungen sichergestellt, dass die Drosselung
an diesem Ringspalt temperaturunabhängig ist.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
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1 einen
Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzventil,
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2 eine
Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts
von 1 und
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3 einen
Querschnitt durch das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
entlang der Linie III-III.
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Beschreibung
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In 1 ist
ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil
weist ein Gehäuse 1 auf, das aus einem Ventilkörper 2,
einem Haltekörper 4 und einem Steuerventilkörper 5 besteht.
Im Haltekörper 4 ist ein Druckraum 15 ausgebildet,
der sich bis in den Ventilkörper 2 fortsetzt und
an seinem brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz 8 begrenzt wird,
wobei stromabwärts des Ventilsitzes 8 mehrere Einspritzöffnungen 9 im
Ventilkörper 2 ausgebildet sind, durch die der
Kraftstoff ausgespritzt werden kann. Dem Ventilsitz 8 abgewandt
ist im Druckraum 15 ein Hülsenkörper 20 angeordnet,
der das ventilsitzabgewandte Ende des Druckraums 15 begrenzt. Im
Druckraum 15 ist eine Kolbenstange 17 angeordnet,
die in einer Bohrung 21 im Hülsenkörper 20 geführt
ist. Die Kolbenstange 17 liegt mit ihrem ventilsitzseitigen
Ende auf einer Ventilnadel 19 auf, an deren ventilsitzseitigen
Ende eine Ventildichtfläche 12 ausgebildet ist,
mit der die Ventilnadel 19 mit dem Ventilsitz 8 zusammenwirkt.
Hierbei kann es auch vorgesehen sein, dass die Ventilnadel 19 und
die Kolbenstange 17 als einstückiges Bauteil ausgeführt sind.
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Die
Kolbenstange 17 wird von einer Schließfeder 24 umgeben,
die sich einerseits am Hülsenkörper 20 und
andererseits an einem Absatz 23 der Kolbenstange 17 abstützt.
Durch die Druckvorspannung der Schließfeder 24 wird
die Kolbenstange 17 in Richtung des Ventilsitzes 8 gedrückt,
so dass auch die Ventilnadel 19 gegen den Ventilsitz 8 gedrückt wird.
Zur Führung der Ventilnadel 19 im Druckraum 15 ist
ein Führungsabschnitt 40 ausgebildet, der die Ventilnadel 19 genau
mittig im Druckraum 15 im Bereich des Ventilkörpers 2 führt.
Zur Durchleitung des Kraftstoffs in Richtung der Einspritzöffnungen 9,
die sich an den Ventilsitz 8 anschließen, sind
am Führungsabschnitt 40 Freilegungen 42 ausgebildet,
die einen entsprechenden Durchflussquerschnitt zur Verfügung
stellen, um den Kraftstoff ungedrosselt durch den Druckraum 15 in
Richtung des Ventilsitzes 8 bzw. der Einspritzöffnungen 9 zu
leiten.
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Die
Kolbenstange 17 und die Ventilnadel 19 sind längsverschiebbar
gelagert, so dass durch die Längsbewegung der Ventilnadel 19 ein
Durchflussquerschnitt 16 zwischen dem Ventilsitz 8 und
der Ventildichtfläche 12 geöffnet oder
geschlos sen werden kann. Zur Erzeugung einer Druckdifferenz innerhalb
des Druckraums 15 ist zwischen dem Führungsabschnitt 40 und
der Ventildichtfläche 12 auf der Ventilnadel 19 eine
Drosselscheibe 45 angeordnet, deren Außendurchmesser
nur wenig kleiner ist als der Innendurchmesser des Druckraums 15 in
diesem Bereich. Hierzu wird, wie 2 zeigt,
zwischen der Drosselscheibe 45 und der Wand des Druckraums 15 eine
scharfkantige Spaltdrossel 50 ausgebildet, auf deren genaue
Funktion weiter unten noch eingegangen wird.
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Zur
Steuerung der Längsbewegung der Kolbenstange 17 und
der Ventilnadel 19 ist ein Steuerraum 22 vorgesehen,
der von der ventilsitzabgewandten Stirnseite der Kolbenstange 17 und
der Bohrung 21 innerhalb des Hülsenkörpers 20 begrenzt
wird. Der Steuerraum 22 ist über eine Zulaufdrossel 27 mit
einem Ringraum 25 verbunden, der den Hülsenkörper 20 umgibt
und der über eine Hochdruckleitung 11 mit einem
Hochdruckspeicher 10 verbunden ist. Im Hochdruckspeicher 10 wird
der einzuspritzende Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten, so
dass im Ringraum 25 stets Kraftstoff unter hohem Druck
anliegt, wenn das Kraftstoffeinspritzventil erfindungsgemäß betrieben
wird. Der Ringraum 25 ist über Anschliffe 31,
die an der Außenseite des Hülsenkörpers 20 ausgebildet
sind, mit dem Druckraum 15 verbunden, so dass der für
die Kraftstoffeinspritzung vorgesehene Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 10 durch
die Hochdruckleitung 11 und die Anschliffe 31 in
den Hochdruckraum 15 nachgeführt wird.
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Im
Hülsenkörper 20 ist darüber
hinaus eine Ablaufdrossel 28 vorgesehen, die den Steuerraum 22 mit
einem im Steuerventilkörper 5 ausgebildeten Leckölraum 35 verbindet.
Zur Steuerung des Abflusses ist ein Steuerventil 7 vorgesehen,
das einen Magnetanker 29 umfasst. Der Magnetanker 29 wirkt
dabei mit einem am Hülsenkörper 20 ausgebildeten Steuerventilsitz 37 zusammen,
wobei der Magnetanker 29 seinerseits auf einem Führungsbolzen 30 geführt
ist und durch eine Feder 33 stets in Richtung des Steuerventilsitzes 37 gedrückt
wird. Zur Bewegung des Magnetankers 29 ist innerhalb des
Steuerventilkörpers 5 ein Elektromagnet 32 vorgesehen, der
bei entsprechender Bestromung den Magnetanker 29 anzieht
und dadurch vom Steuerventilsitz 37 abhebt. Dies bewirkt
eine Druckminderung im Steuerraum 22, da in diesem Fall
der Kraftstoff über die Ablaufdrossel 28 in den
Leckölraum 35 abströmt und von dort über
den Ablaufkanal 36 und eine Ablaufleitung 34 zurück
in den Tank. Durch den niedrigen Kraftstoff druck im Steuerraum 22 wird
die Kolbenstange 17 und die Ventilnadel 19 durch
den hydraulischen Druck im Druckraum 15 in Richtung des
Steuerraums 22 gedrückt, so dass die Ventilnadel 19 vom Ventilsitz 8 abhebt
und den Durchflussquerschnitt 16 freigibt. Zur Beendigung
der Einspritzung wird die Bestromung des Elektromagneten 32 beendet,
so dass der Magnetanker 29 angetrieben durch die Feder 33 zurück
in Anlage an den Steuerventilsitz 37 gleitet. Dadurch wird
die Ablaufdrossel 28 wieder verschlossen und der Druck
im Steuerraum 22 baut sich durch nachfließenden
Kraftstoff aus dem Ringraum 25 und die Zulaufdrossel 27 erneut
auf und sorgt dafür, dass die Kolbenstange 17 und
die Ventilnadel 19 in Richtung des Ventilsitzes 8 gedrückt
werden und den Durchflussquerschnitt 16 wieder verschließen.
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2 zeigt
eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts
von 1. Die Drosselscheibe 45 ist relativ
flach ausgebildet, so dass sich an ihrem äußeren
Rand eine scharte Kante ergibt. Da der Außendurchmesser
Da, wie in 3 dargestellt,
geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser Di des Druckraums 15 in diesem Bereich,
wird zwischen der Drosselscheibe 45 und der Wand des Druckraums 15 eine
Spaltdrossel 50 ausgebildet. Diese Spaltdrossel 50 weist
eine Stärke von ca. 20 bis 50 μm, vorzugsweise
30 bis 40 μm auf, wobei die Dicke der Drosselscheibe 45 in
der 2 mit L bezeichnet ist.
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Zur
Fixierung der Drosselscheibe 45 auf der Ventilnadel 19 dient
eine Hülse 47, die auf die Ventilnadel 19 aufgeschrumpft
ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Drosselscheibe 45 in
anderer Form in der gezeigten Lage fixiert wird, beispielsweise
dadurch, dass die Drosselscheibe 45 durch ein Punktschweißverfahren
mit der Ventilnadel 19 verbunden wird.
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Die
Notwendigkeit der Spaltdrossel ergibt sich aus folgender Überlegung:
Wird bei geöffnetem Einspritzventil das Steuerventil 7 geschlossen,
so baut sich im Steuerraum 22 rasch erneut der hohe Kraftstoffdruck
auf, der im Hochdruckspeicher 10 zur Verfügung
gestellt wird. In diesem Stadium, also wenn die Kolbenstange 17 bzw.
die Ventilnadel 19 noch vom Ventilsitz 8 abgehoben
haben und sich der Druck im Steuerraum 22 erneut aufgebaut
hat, ist die Gesamtanordnung aus Kolbenstange 17 und Ventilnadel 19 näherungsweise
kraftausgeglichen, so dass neben der Kraft der Schließfeder 24 nur
noch geringe Kräfte auf die Kol benstange 17 bzw.
die Ventilnadel 19 wirken und für ein Schließen
des Einspritzventils sorgen. Dies ist aber nicht erwünscht,
da ein rasches Schließen des Einspritzventils für
gute Abgaswerte unerlässlich ist. Um die Schließkraft
zu verstärken dient die Spaltdrossel 50, denn
sie bewirkt bei geöffnetem Einspritzventil eine Druckdifferenz
innerhalb des Druckraums 15 vor und hinter der Spaltdrossel 50.
Da die Spaltdrossel 50 einen Teil der Energie absorbiert,
herrscht hinter der Spaltdrossel ein etwas niedrigerer hydraulischer
Druck im Druckraum 15 als davor. Damit wirkt auch auf den
Teil der Ventilnadel 19, der sich nach der Spaltdrossel 50 befindet,
eine geringere hydraulische Kraft in Längsrichtung, so dass
sich jetzt eine Kraftdifferenz zwischen der hydraulischen Kraft
auf die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Kolbenstange 17 und
der hydraulischen Kraft auf diesen Bereich der Ventilnadel 19 ergibt. Diese
Kraftdifferenz sorgt dafür, dass die Ventilnadel 19 rasch
wieder zurück in Anlage in den Ventilsitz 8 gleitet.
Die durch die Spaltdrossel 50 verursachte Druckdifferenz
entspricht bei einem Einspritzdruck von beispielsweise 1600 bar
etwa 50 bis 100 bar.
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Normalerweise
ist die Drosselfunktion einer solchen Spaltdrosseln extrem von der
Temperatur abhängig, da sich die Viskosität des
Kraftstoffs mit der Temperatur stark ändert. Dadurch, dass
die Spaltdrossel 50 scharfkantig ausgeführt ist,
lässt sich diese Abhängigkeit von der Temperatur überwinden und
man erhält unabhängig von der Temperatur des Kraftstoffs
stets die gleiche Druckdifferenz vor und nach der Spaltdrossel 50.
Dies sichert das gleiche Einspritzverhalten des Einspritzventils
in allen Betriebspunkten.
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Eine
Spaltdrossel ist unter folgenden Bedingungen scharfkantig, wobei
die Größe des hydraulischen Durchmessers DHyd entscheidend ist, der durch den durchströmten
Querschnitt und die durchströmte Berandungslänge
gegeben ist, wobei die Berandungslänge die Summe der inneren
und äußeren Berandungslänge ist.
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Bei
der hier gezeigten Spaltdrossel 50 weist der Ringspalt
einen Außendurchmesser Da und einem
Innendurchmesser Di auf (siehe 3),
wobei der Innen durchmesser Di dem Durchmesser
der Drosselscheibe 45 und der Außendurchmesser
Da dem Durchmesser des Druckraums auf Höhe
der Drosselscheibe 45 entspricht. Der hydraulische Durchmesser
DHyd ist dann gegeben durch DHyd = Da – Di.
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Wenn
L die Dicke der Drosselscheibe 45 ist, muss für
die Unabhängigkeit von der Reynoldszahl bei der Spaltdrossel 50 die
Bedingung L/DHyd < 10erfüllt
sein, so dass sie im Sinne dieser Erfindung scharfkantig ist.
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Bei
der Montage des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil
ergibt sich folgende Schwierigkeit: Die Ventilnadel 8 wird
in einem Bereich angrenzend an die Drosselscheibe 45 im
Druckraum 15 geführt. Dafür ist ein Paarungsschleifprozess
nötig, um das dafür notwendige geringe Spiel einzustellen. Soll
gleichzeitig auch der Druckraum 15 im Bereich der Drosselscheibe 45 so
eingestellt werden, dass der gewünschte Drosselspalt 50 gebildet
wird, so muss ein neuer Schleifprozess durchgeführt werden, was
mit hohem Aufwand und damit hohen Kosten verbunden ist.
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Zur
kostengünstigen Montage der Drosselscheibe mit dem gewünschten
Drosselspalt kann jedoch das folgende Verfahren angewandt werden:
Die Drosselscheiben 45 werden in großer Anzahl
hergestellt und bezüglich ihres Außendurchmessers
in verschiedene Klassen eingeteilt, beispielsweise in Abständen
von 1 μm. Vor der Montage der Drosselscheibe 45 und
nach dem Paarungsschleifen an der Nadelführung wird dann
der Druckraum 15 in dem Bereich, in dem die Drosselscheibe 45 montiert
werden soll, genau vermessen und dann aus den bereitgestellten Klassen
eine geeignete Drosselscheibe 45 ausgewählt. Dadurch
ist sichergestellt, dass der gewünschte, scharfkantige
Drosselspalt 50 nach der Montage der Drosselscheibe 45 auf
der Ventilnadel 8 gegeben ist, ohne dass weitere Fertigungsschritte nötig
wären.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10024703
A1 [0002]
- - DE 102007032741 A1 [0004]
