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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Ein
Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art ist beispielsweise
aus
DE 103 22 672
A1 bekannt. Bei derartigen Kraftstoffinjektoren wird der Hub
des Piezo-Aktors über einen hydraulischen Koppler auf ein
Ventilelement eines Steuerventil übertragen, das einem
Steuerraum der Düsennadel ansteuert, indem der Steuerraum
zum Öffnen der Düsennadel mit einem relativ drucklosen
Niederdruck/Rücklaufsystem verbunden wird. Im geschlossenen
Zustand des Steuerventils wird der Steuerraum über eine
Zulaufdrossel mit dem Systemdruck des Common-Rails befüllt
und die Düsennadel in den Düsennadelsitz gestellt.
Zum Öffnung des Ventilsitzes des Steuerventils muss der
Piezo-Aktor gegen den im Ventilraum herrschenden Druck einen Ventilbolzens
des Steuerventils vom Ventilsitz abdrücken.
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Zur
Reduzierung der Öffnungskraft wurde in
DE 10 2008 040 637.6 bereits
eine druckausgeglichene Ausführung des Steuerventils vorgeschlagen, bei
dem das Ventilelement einen Ventilbolzen und eine am Ventilbolzen
axial geführte Ventilshülse umfasst, die in einem
Ventilraum angeordnet sind. Die Ventilhülse trennt mit
einer Dichtfläche einen Niederdruckraum, dem der Ventilbolzen
mit einer Stirnfläche ausgesetzt ist, gegen den mit Hochdruck
beaufschlagten Ventilraum hydraulisch ab. Der Ventilraum ist dabei
mit einem Steuerraum verbunden, dem die Düsennadel ausgesetzt
ist. Beim Öffnen des Ventilelements wird der Steuerraum über
den Ventilssitz des Steuerventils mit dem Niederdruck/Rücklaufssystems
verbunden, so dass aus dem Steuerraum über eine Ablaufdrossel
eine Abströmvolumen in das Niederdruck/Rücklaufsystem
abströmen kann. Das aus dem Steuerraum ausströmende
Abströmvolumen durchströmt den Ventilraum in Richtung
eines den hydraulischen Koppler umgebenden Niederdruckraums, vorbei
am Ventilsitz des Ventilelements.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass mit einem definierten Hubanschlag
des Ventilkolbens der hydraulischen Kopplereinheit der auf das Ventilelement des
Steuerventils wirkende Aktorhub abgegrenzt wird. Dadurch wird am
Ventilsitz zwischen einem Ventilraum des Ventilelements und einem
Niederdruckraum der hydraulischen Kopplereinheit eine definierte
Abströmgeometrie realisiert, wodurch eine definierte Drosselung
des Abströmvolumens aus dem Ventilraum ermöglicht
wird. Außerdem wird eine Verbesserung des Ansteuerungs-
und Regelungsverhaltens des Kraftstoffinjektors erzielt, weil die
im angesteuerten Zustand auftretenden Aktorschwingungen minimiert
werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung werden durch die
Maßnahmen der Unteransprüche erreicht.
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Eine
definierte Abströmung des Abströmvolumens aus
dem Ventilraum in den Niederdruckraum wird erreicht, indem mindestens
eine Überströmverbindung zwischen dem Ventilraum
und dem Niederdruckraum vorhanden ist, die in der Anschlagposition und
bei einem vom Ventilsitz abgedrückten Ventilbolzen wirksam
ist. Die definierte Drosselung des Abströmvolumens aus
dem Ventilraum führt zur Vermeidung bzw. Reduzierung von
kavitierenden Strömungen, die insbesondere in der Umgebung
des Ventilsitzes auftreten.
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Bei
einer ersten Ausführungsform ist am steuerventilseitigen
Ende des Ventilkolbens eine Ringfläche ausgebildet, die
eine Gegenfläche für den Anschlag bildet. Der
Anschlag ist dabei von einer am Ventilkörper ausgebildeten
planen Anschlagfläche gebildet, derart, dass in der Anschlagposition
die Ringfläche des Ventilkolbens im Wesentlichen auf der
planen Anschlagfläche aufliegt.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform ist am steuerventilseitigen
Ende des Ventilkolbens eine kegelförmige Mantelfläche
ausgebildet, die eine Gegenfläche für den Anschlag
bildet. Der Anschlag ist von einer am Ventilkörper ausgebildeten
kegelförmig Anschlagfläche gebildet, derart, dass
in einer Anschlagposition die kegelförmige Mantelfläche
des Ventilkolbens im Wesentlichen auf der kegelförmigen Anschlagfläche
des Ventilkörpers aufliegt.
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Die Überströmverbindung
ist durch schlitz- oder spaltförmige Überströmkanäle
an einer Endfläche des Ventilkolbens und/oder an der Anschlagfläche
des Ventilkörpers ausgebildet. Zweckmäßigerweise
sind vier rechtwinklig angeordnete und radial zum Zentrum gerichtete
schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle
vorgesehen.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung durch einen Teil eines Kraftstoffinjektors nach
dem in der Beschreibungseinleitung zitierten Stand der Technik,
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2 eine
Schnittdarstellung durch ein Steuerventil gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
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2a eine
Ansicht eines Ventilkolbens gemäß Linie II-II
in 2,
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3 eine
Schnittdarstellung durch ein Steuerventil gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel und
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3a eine
Ansicht eines Ventilkolbens gemäß Linie III-III
in 3.
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1 zeigt
einen Teil eines Kraftstoffinjektors im Längsschnitt mit
einem Aktorelement 10, einer hydraulischen Kopplereinheit 11,
einem Steuerventil 12 und einem Einspritzventil 13.
Das Aktorelement 10 kann beispielsweise ein Piezo-Aktor,
aber auch ein elektromagnetisches Stellelement sein. Das Aktorelement 10 und
die hydraulische Kopplereinheit 11 sind in einem Injektorkörper 14 untergebracht.
An dem Injektorkörper 14 schließt sich
eine Ventilkörper 15, eine Drosselplatte 16 und
ein Düsenkörper 17 an. Die genannten
Körper sind mittels einer Düsenspannmutter 18 hydraulisch
dicht verspannt.
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Im
Düsenkörper 17 ist ein Düsennadeldruckraum 19 ausgebildet,
der über eine Hochdruckleitung 21 mit dem Systemdruck
eines Common-Rails versorgt wird. Im Düsennadeldruckraum 19 ist
eine Düsennadel 20 angeordnet, an deren einen
Ende eine Steuerraumhülse 22 einen Steuerraum 23 vom
Düsennadeldruckraum 19 trennt.
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Die
hydraulische Kopplereinheit 11 umfasst einen Kopplerkörper 25,
in dem ein Kopplerkolben 26 und ein Ventilkolben 27 axial
geführt sind. Zwischen dem Kopplerkolben 26 und
dem Ventilkolben 27 ist ein Kopplerspalt 28 ausgebildet,
der mit Kraftstoff gefüllt ist. Der Ventilkolben 27 ist
mit einem kegelförmigem Druckstück 29 ausgeführt,
das in eine am Ventilkörper 15 ausgebildete kegelförmige Überströmöffnung 31 eingreift.
Zwischen dem Druckstück 29 und der Überströmöffnung 31 ist
ein Strömungsspalt 32 vorhanden. Axial fluchtend
zur Überströmöffnung 31 ist
im Ventilkörper 15 ein Durchgang 33 angeordnet, der
in einen Ventilraum 34 für das Steuerventil 12 führt.
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Das
Steuerventil 12 umfasst einen Ventilbolzen 40,
an dem eine Ventilhülse 41 mittels einer Ventilfeder 42 vorgespannt
ist. Der Ventilbolzen 40 weist ein pilz- bzw. kegelförmiges
Ventilsitzelement 44 auf, das mit einem am Durchgang 33 angrenzend
ausgebildeten Ventilsitz 45 zusammenwirkt. Die Ventilhülse 41 umschließt
einen Niederdruckraum 47, der ständig über
einen hydraulischen Verbindungskanal 48 an das Niederdruck/Rücklaufsystem
angeschlossen ist. Außerhalb der Ventilhülse 41 ist
der Ventilraum 34 über ein Ablaufleitung 51 mit
dem Steuerraum 23 der Düsenadel 20 verbunden.
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Das
Steuerventil 12 ist bei der Darstellung in 1 im
geschlossenen Zustand gezeigt, bei dem das Ventilsitzelement 44 am
Ventilsitz 45 anliegt. Zwischen dem Druckstück 29 des
Ventilkolbens 27 und einem Auflagebolzen des Ventilsitzelements 44 ist dabei
ein Spalt vorhanden, so dass der Schließdruck der Ventilfeder 33 sowohl
auf die Ventilhülse 41 als auch auf das Ventilsitzelement 44 wirkt.
Eine zusätzliche Schließkraft wirkt auf das Ventilsitzelement 44 durch
den im Ventilraum 34 herrschenden Druck des Steuerraums 23 im
geschlossenen Zustand der Düsennadel 20.
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Zum Öffnen
der Düsennadel 20 wird das Aktorelement 12 betätigt
und der Hub des Aktorelements 12 über den Kopplerkolben 26,
den Kopplerspalt 28 und den Ventilkolben 27 auf
den Ventilbolzens 40 übertragen, wodurch das Ventilsitzelement 44 vom
Ventilsitz 45 abhebt und der Ventilraum 34 mit
einem die hydraulische Kopplereinheit 11 umgebenden Niederdruckraum 30 verbindet.
Der Niederdruckraum 30 ist dabei an das Niederdruck/Rücklaufsystem
angeschlossen. Dadurch wird der Druck im Steuerraum 23 abgesenkt
und die Düsennadel 20 wird vom nicht dargestellten
Düsennadelsitz abgehoben und der Kraftstoff mit dem im Nadeldruckraum 19 herrschenden
Rail-Druck (Systemdruck) in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
eingespritzt.
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Bei
den Ausführungsbeispielen in 2 und 3,
die jeweils ein geöffnetes Steuerventil 12 zeigen,
wirkt eine am Ventilkolben 27 der hydraulischen Kopplereinheit 11 ausgebildete
Gegenfläche 61 auf einen am Ventilkörper 15 ausgebildeten
Anschlag 64 ein, wodurch der Hub des Ventilkolbens 27 und
damit der auf den Ventilbolzen 40 wirkende Hub des Aktorelements 10 begrenzt
wird. Das Druckstück 29 des Ventilkolbens 27 weist
dabei eine Stirnfläche 63 auf, welche gegen eine
anliegende weitere Stirnfläche 66 des Ventilbolzen 40 drückt.
Zusätzlich sind in Strömungsrichtung des abströmenden
Abströmvolumens hinter dem Ventilsitz 45 am Ventilkolben 27 und/oder am
Ventilkörper 15 Überströmverbindungen 65 ausgebildet,
die eine definierte hydraulische Drossel des Abströmvolumens
zwischen dem Ventilraum 34 und dem Niederdruckraum 30 ausbilden.
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Die
detaillierte Ausbildung des Anschlages 64 und der Überströmverbindung 65 wird
in den 2 und 3 für jeweils ein Ausführungsbeispiel beschrieben,
wobei in beiden Darstellungen das Steuerventil 12 mit einem
geöffneten Ventilsitz 45 gezeigt wird.
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Beim
Ausführungsbeispiel in 2 wird der Anschlag 64 von
einer am Ventilkörper 15 angeordneten plane Anschlagfläche 64.1 ausgeführt,
die von einer senkrecht zur Mittelinie des Ventilkolbens 27 verlaufenden
Planfläche am Ventilkörper 15 gebildet ist.
Am Druckstück 29 des Ventilkolbens 27 ist
als Gegenfläche 61 für die Anschlagfläche 64.1 eine Ringfläche 61.1 ausgeführt.
An die Ringfläche 61.1 schließt sich
am Druckstück 29 ein kegelstumpfförmiger
Abschnitt 62.1 an. Beim Aufsitzen der Ringfläche 61.1 auf
der Anschlagfläche 64.1 ist gemäß 2 das
Ventilsitzelement 44 vom Ventilsitz 45 abgehoben.
Zur Gewährleistung einer definierten hydraulischen Drossel
zwischen dem Ventilraum 33 und dem Niederdruckraum 30 sind
beispielsweise schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle 65.1 ausgebildet,
die an der Ringfläche 61.1 und an der Außenumfangsfläche
des Ventilkolbens 27 offen liegen.
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Die
nähere Darstellung dazu geht aus 2a hervor,
in der beispielsweise vier schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle 65.1 eingezeichnet sind.
Die Überströmkanäle 65.1 gewährleisten
im geöffneten Zustand des Steuerventils 12 eine
definierte Drosselung des Abströmvolumens zwischen den Ventilraum 34 und
dem Niederdruckraum 30. Neben der in 2a näher
dargestellten Ausführung der schlitz- oder spaltförmigen Überströmkanäle 65 ist
es auch denkbar, die ringförmige Gegenfläche 61.1 durchgehend
auszuführen und die Überströmkanäle 65.1 in
die Anschlagfläche 64.1 des Ventilkörpers 15 einzuarbeiten.
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Beim
Ausführungsbeispiel in 3 ist der Anschlag 64 von
einer vom Kegelabschnitt 31 des Ventilkörpers 15 ausgebildeten
kegelförmigen Anschlagfläche 64.2 gebildet.
Die Gegenfläche 61 dazu bildet eine am Druckstück 29 ausgebildete
kegelförmige Mantelfläche 61.2. Zur Ausbildung
einer definierten hydraulischen Drossel zwischen dem Ventilraum 33 und
dem Niederdruckraum 30 sind in der kegelförmigen
Mantelfläche 61.2 schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle 65.2 eingearbeitet.
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Die
nähere Darstellung dazu geht aus 3a hervor,
in der beispielsweise vier schlitz- bzw. spaltförmige Überströmkanäle 65.2 eingezeichnet sind.
Neben der in 3a näher dargestellten
Ausführung der schlitz- oder spaltförmigen Überströmkanäle 65.2 ist
es auch denkbar, die Überströmkanäle 65.2 in
die kegelförmige Anschlagfläche 64.2 des Ventilkörpers 15 einzuarbeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10322672
A1 [0002]
- - DE 102008040637 [0003]