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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst ein Steuerventil zur Ansteuerung einer hubbeweglichen Düsennadel, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist. Dabei umfasst das Steuerventil einen Ventilraum zur Aufnahme eines hubbeweglichen Ventilgliedes, das einen mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilkegel besitzt, wobei der Ventilraum von einer Drosselplatte begrenzt wird, in der wenigstens eine erste Bohrung zur Verbindung des Ventilraums mit einem Steuerraum und eine zweite Bohrung zur Verbindung des Ventilraums mit einem Hochdruckkanal ausgebildet sind.
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Stand der Technik
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Ein Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 061 800 A1 hervor. Der hierin beschriebene Kraftstoffinjektor weist ein doppelt schaltendes Steuerventil mit einem Ventilkörper auf, das in einem Gehäuse des Steuerventils geführt ist, so dass der Verschleiß an einem Ventilkegel des Ventilkörpers und an einem ersten Ventilsitz im Gehäuse des Steuerventils verringert wird. Der den Ventilkörper aufnehmende Ventilraum ist ferner über eine als Ablauf dienende erste Bohrung mit einem Steuerraum und über eine als Bypass dienende zweite Bohrung mit einem Zulaufkanal verbunden. Über den Bypass und den Ablaufkanal kann in einer ersten Schließstellung des Ventilkörpers zusätzlich Kraftstoff in den Steuerraum strömen, um ein schnelles Schließen der Düsennadel zu bewirken.
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Ausgehend von einem solchen Kraftstoffinjektor besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, unter Beibehaltung der Bauhöhe eine weitere Entlastung des Steuerventils im Bereich seines Ventilsitzes zu bewirken. Zudem soll der Kraftstoffinjektor einfach, vorzugsweise unter Verwendung der meisten bereits bekannten Bauteile, und damit kostengünstig herstellbar sein. Ferner soll eine Bypassfunktion erhalten bleiben.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Kraftstoffinjektor weist ein Steuerventil mit einem Ventiglied auf, das erfindungsgemäß von einer axial verlaufenden Bohrung durchsetzt ist, in der ein Bolzen spielbehaftet aufgenommen ist. Durch diese Maßnahme kann die hydraulische Kraft im Bereich des Ventilsitzes deutlich reduziert werden, da der Raildruck nicht mehr auf die gesamte Ventilsitzfläche, sondern nur noch auf die um den Bohrungs- bzw. Bolzenquerschnitt reduzierte Sitzfläche wirkt. Die Belastung des Ventilsitzes kann auf diese Weise auf 65% und darunter reduziert werden. Dies hat wiederum zur Folge, dass der Raildruck weiter gesteigert werden kann. Der Kraftstoffinjektor ist damit auch bei Systemdrücken deutlich über 2.000 bar einsetzbar. Zur Umsetzung der Maßnahme bedarf es lediglich weniger konstruktiver Änderungen, die im Wesentlichen das Ventilglied selbst betreffen. Sämtliche bekannten Gehäuseteile, insbesondere die bereits bekannte Ventilplatte, können weiter verwendet werden, so dass im Ergebnis auch die Bauhöhe des Kraftstoffinjektors beibehalten werden kann. Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor ist somit in vorhandene Bauräume einsetzbar und erfordert zudem keine Neuauslegung der Steckeranschlüsse. Ferner bleibt bei Verwendung der bekannten Drosselplatte die volle Bypassfunktion erhalten.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform besitzt der Bolzen in axialer Richtung die gleiche Länge wie das Ventilglied. Die das Ventilglied durchsetzende axial verlaufende Bohrung wird somit durch den Bolzen vollständig verschlossen. Indem der Bolzen spielbehaftet eingesetzt ist, ist dennoch eine Verschiebung des Bolzens gegenüber dem Ventilglied möglich.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform besitzt der Bolzen in axialer Richtung eine geringere Länge als das Ventilglied. Alternativ oder ergänzend ist der Bolzen einstückig mit der Drosselplatte ausgebildet, d. h. dass der Bolzen und die Drosselplatte als ein Teil ausgebildet sein können oder der Bolzen mit der Drosselplatte einstückig verbunden sein kann. Beispielsweise kann der Bolzen in die Drosselplatte eingelassen sein. Eine kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise über eine Pressverbindung hergestellt werden. Der Bolzen ist somit Bestandteil der Drosselplatte und demzufolge lagefixiert. Das gegenüber dem Bolzen verschiebbar gelagerte Ventilglied wird durch den Bolzen geführt bzw. in Bezug auf den Ventilsitz zentriert. Auch dadurch kann die Belastung im Bereich des Ventilsitzes reduziert werden. Die eigentliche Entlastung erfolgt jedoch dadurch, dass der Raildruck nicht mehr auf die gesamte Ventilsitzfläche wirkt, sondern nur noch auf die um den Bohrungs- bzw. Bolzenquerschnitt reduzierte Sitzfläche. Zusätzlich wird eine Entlastung des Aktors zur Betägtigung des Steuerventils erreicht, da zum Öffnen des Steuerventils eine geringere Aktorkraft erforderlich ist. Mit einer Entlastung des Aktors geht ferner ein geringerer Spannungsbedarf einher.
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Vorteilhafterweise ist das Steuerventil doppelt schaltend und an einem den Ventilsitz abgewandten Ende des Ventilgliedes des Ventigliedes des Steuerventils eine weitere Dichtfläche ausgebildet, über welche die in der Drosselplatte ausgebildete zweite Bohrung freigebbar oder verschließbar ist. Da die in der Drosselplatte ausgebildete zweite Bohrung den Ventilraum mit dem Hochdruckkanal verbindet, wird über diese zweite Bohrung eine Bypassfunktion gewährleistet. Die weitere am Ventilglied ausgebildete Dichtfläche ermöglicht die Freigabe oder das Verschließen der Bypass-Bohrung, wobei in einer ersten Schließstellung des Steuerventils, in welcher der Ventilkegel des Ventilglieds am ersten Ventilsitz anliegt, die Bypassbohrung freigegeben ist, und in einer zweiten Schließstellung des Steuerventils, in welcher das Ventilglied mit seiner weiteren Dichtfläche an der Drosselplatte anliegt, die Bypass-Bohrung verschlossen ist. In der ersten Schließstellung des Steuerventils kann somit über die Bypassbohrung unter hohem Druck stehender Kraftstoff aus dem Hochdruckkanal dem Ventilraum zugeführt werden, der dann über eine ebenfalls in der Drosselplatte ausgebildete, als Ablauf dienende Bohrung dem Steuerraum zugeführt wird. Auf diese Weise kann ein schnelleres Befüllen des Steuerraums mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff und damit ein schnellers Düsennadelschließen bewirkt werden. In der zweiten Schließstellung des Steuerventils, in welcher der Ventilraum mit einem Niederdruckraum verbunden ist, kann durch Verschließen der Bypass-Bohrung die Rückfaufmenge reduziert werden.
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Die weitere am Ventilsitz ausgebildete Dichtfläche ist vorzugsweise eben und/oder ringförmig ausgebildet und/oder wirkt mit einem an der Drosselplatte ausgebildeten Flachsitz zusammen. Sofern in der axial verlaufenden Bohrung des Ventilgliedes ein separater Bolzen aufgenommen ist, kann auch an diesem eine Dichtfläche zum Verschließen oder Freigeben der Bypass-Bohrung ausgebildet sein. Sofern der Bolzen jedoch einstückig mit der Drosselplatte ausgebildet ist, dient lediglich eine ringförmig am Ventilglied ausgebildete Dichtfläche dem Verschließen oder dem Freigeben des Bypasses. Entsprechend ist die als Bypass dienende Bohrung innerhalb der Drosselplatte zu führen. Das heißt, dass bei einstückiger Ausbildung des Bolzens mit der Drosselplatte die Bypass-Bohrung radial versetzt zum Bolzen in den Ventilraum mündet. Bei einem separat ausgebildeten Bolzen kann der Mündungsbereich der Bypass-Bohrung auch koaxial zum Bolzen angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist in der zweiten als Bypass dienenden Bohrung der Drosselplatte wenigstens eine Drosselstelle ausgebildet, welche weiterhin vorzugsweise als koaxiale oder abzweigende Bohrung mit einem geringeren Durchströmungsquerschnitt als die zweite Bohrung ausgebildet ist. Die Ausbildung und Lage der Drosselstelle hängt vorranging wiederum davon ab, ob der Bolzen frei beweglich oder als lagefixierter Bestandteil der Drosselplatte ausgebildet ist. Sind wenigstens zwei Drosselstellen vorgesehen, ist wenigstens eine Drosselstelle als abzweigende Bohrung ausgebildet, die radial versetzt zum Bolzen in den Ventilraum mündet. Die Ausbildung wenigstens einer Drosselstelle verbessert die hydraulische Auslegung, da diese dämpfend wirkt.
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Des Weiteren ist die in der zweiten Bohrung ausgebildete Drosselstelle bevorzugt ventilraumseitig angeordnet, d. h. im Mündungsbereich der zweiten Bohrung mit dem Ventilraum. Dies vereinfacht die Ausbildung der Drosselstelle, da sie an der Oberseite der Drosselplatte leicht zugänglich ist. Die Drosselstelle kann zudem mittels Laserbohren hergestellt worden sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Ventilraum eine Druckfeder zur Vorspannung des Ventilgliedes gegenüber dem Ventilsitz aufgenommen. Die Druckfeder ist dabei einerseits am Ventilkegel des Ventilgliedes und andererseits an der Drosselplatte abgestützt. Am Ventilkegel ist hierzu bevorzugt eine radial verlaufende Schulter als Federteller ausgebildet. Der Ventilkegel besitzt somit ein radiales Übermaß gegenüber einem zylinderförmigen Abschnitt des Ventilgliedes. Die Druckfeder stellt die Anlage des Ventilgliedes am Ventilsitz in Schließstellung des Steuerventils sicher.
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Weiterhin bevorzugt ist ein Piezoaktor zur Betätigung des Steuerventils vorgesehen. Über einen Piezoaktor bzw. mehrere zu einem Stack zusammengesetzte Piezoaktoren können hohe Schaltkräfte realisiert werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektor im Bereich des Steuerventils,
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2 eine Ansicht des Ventilgliedes des Steuerventils des Kraftstoffinjektors der 1,
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3 eine Ansicht eines Ventilgliedes eines Steuerventils eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors,
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4 einen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich des Steuerventils und
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5 ein Diagramm zur Darstellung der bewirkbaren Entlastung des Steuerventils im Bereich des Ventilsitzes.
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Der in der 1 dargestellte bekannte Kraftstoffinjektor weist ein Steuerventil 1 zur Betätigung einer Düsennadel 2 auf, die in einem Düsenkörper 23 axial verschieblich aufgenommen ist. Hierzu weist der Düsenkörper 23 eine als Hochdruckkanal 11 ausgebildete Bohrung auf, welche eine Zulaufleitung 19 mit wenigstens einer im Düsenkörper 23 ausgebildeten Einspritzöffnung (nicht dargestellt) verbindet. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff wird somit über die Zulaufleitung 19 und den Hochdruckkanal 11 der wenigstens einen Einspritzdüse zugeführt. Der Hochdruckkanal 11 wird über eine axial an den Düsenkörper 23 angesetzte Drosselplatte 7 begrenzt. Zwischen der Drosselplatte 7 und der Düsennadel 2 ist ferner über eine Steuerhülse 22 ein Steuerraum 9 vom Hochdruckkanal 11 abgetrennt. Über den hydraulischen Druck im Steuerraum 9 ist die Bewegung der Düsennadel 2 steuerbar. Steigt der hydraulische Druck im Steuerraum 9 an, wird auf die Düsennadel 2 eine Schließkraft ausgeübt, so dass die Düsennadel in ihre Schließstellung überführt wird. Der Schließvorgang wird unterstützt von der Druckkraft einer Schließfeder 24. Fällt dagegen der hydraulische Druck im Steuerraum 9 ab, öffnet die Düsennadel 2, indem sie von ihrem Dichtsitz abhebt. Dabei verkleinert sich das Volumen im Steuerraum 9. Um den Druckanstieg bzw. Druckabfall im Steuerraum 9 zu bewirken, ist dieser einerseits über eine in der Drosselplatte 7 ausgebildete und eine Zulaufdrossel 20 aufweisende Zulaufbohrung 21 mit der Zulaufleitung 19 und andererseits über eine in der Drosselplatte 7 ausgebildete und eine Ablaufdrossel 25 aufweisende Ablaufbohrung mit einem Ventilraum 3 des Steuerventils verbunden. Der Ventilraum 3 ist wiederum mit einem Niederdruckraum 18 verbindbar, über welchen die Absteuermenge einem Rücklauf zugeführt werden kann. Die Verbindung des Ventilraums 3 mit dem Niederdruckraum 18 wird über eine entsprechende Schaltstellung des Steuerventils 1 hergestellt. Eine hydraulische Verbindung ist gegeben, wenn ein mit einem Ventilsitz 5 zusammenwirkender Ventilkegel 6 eines Ventilgliedes 4 eine vom Ventilsitz 5 abgehobene Stellung einnimmt. Liegt der Ventilkegel 6 des Ventilgliedes 4 dagegen dichtend am Ventilsitz 5 des Steuerventils 1 an, ist eine hydraulische Verbindung des Ventilraums 3 mit dem Niederdruckraum 18 unterbunden. In dieser ersten Schließstellung des Steuerventils 1 kann über die die Zulaufdrossel 20 enthaltene Zulaufbohrung 21 ein Druckanstieg im Steuerraum 9 bewirkt werden, welche schließlich zum Schließen der Düsennadel 2 führt. Um das Schließen der Düsennadel 2 bzw. den Druckanstieg im Steuerraum 9 zu beschleunigen, ist in der Drosselplatte 7 des Weiteren eine Bohrung 10 vorgesehen, die den Ventilraum 3 mit dem Hochdruckkanal 11 verbindet und somit als Bypass dient. Über die Bohrung 10 in den Ventilraum gelangender Kraftstoff wird über die die Ablaufdrossel 25 aufweisende Ablaufbohrung 8 dem Steuerraum 9 zugeführt. In einer zweiten Schließstellung des Steuerventils 1 liegt das Ventilglied 4 mit einer weiteren Dichtfläche 14 an einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz der Drosselplatte 7 an und verschließt dabei die als Bypass dienende Bohrung 10. Zugleich kann Kraftstoff aus dem Ventilraum 3 über den Ventilsitz 5 in den Niederdruckraum 18 abströmen. Dadurch, dass die Bypass-Bohrung 10 jedoch verschlossen ist, bleibt die über den Niederdruckraum 18 einem Rücklauf zugeführte Kraftstoffmenge gering. In die zweite Schließstellung wird das Steuerventil 1 durch Betätigung eines Aktors, beispielsweise eines Piezoaktors (nicht dargestellt) überführt. Eine Druckfeder 17 gewährleistet, dass das Ventilglied 4 des Steuerventils 1 in seine Ausgangsstellung, d. h. seine erste Schließstellung zurückkehrt.
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Der 2 ist in einer vergrößerten Darstellung das Ventilglied 4 des Kraftstoffinjektors gemäß der 1 zu entnehmen, das einen mit dem Ventilsitz 5 zusammenwirkenden Ventilkegel 6 umfasst. Des Weiteren ist an der dem Ventilkegel 6 gegenüberliegenden Stirnfläche des Ventilgliedes 4 eine weitere Dichtfläche 14 ausgebildet, die in Anlage mit der Drosselplatte 7 zum Verschließen der als Bypass dienenden Bohrung 10 bringbar ist.
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Der 3 ist in einer vergleichbaren Darstellung das Ventilglied 4 eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zu entnehmen. Auch dieses Ventilglied 4 besitzt einen mit dem Ventilsitz 5 zusammenwirkenden Ventilkegel 6 sowie eine weitere Dichtfläche 14 an der dem Ventilkegel 6 gegenüberliegenden Stirnfläche. Darüber hinaus weist jedoch das Ventilglied 4 eine axial verlaufende Bohrung 12 auf, die das Ventilglied 4 vollständig durchsetzt. Das Ventilglied 4 ist somit als Hohlkörper ausgeführt. In der axial verlaufenden Bohrung 12 ist ein Bolzen 13 aufgenommen, der gemäß der Ausführungsform der 3 die gleiche Länge wie das Ventilglied 4 besitzt. Alternativ kann der Bolzen 13 auch eine geringere Länge als das Ventilglied 4 aufweisen. Eine entsprechende Ausführungsform ist in der 4 dargestellt. Bei dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Bolzen 13 zudem einstückig mit der Drosselplatte 7 verbunden und somit lagefixiert. Über den Bolzen 13 wird demzufolge eine axiale Führung des hubbeweglichen Ventilgliedes 4 bewirkt.
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Durch die den Bolzen 13 aufnehmende axial verlaufende Bohrung 12 wird – unabhängig davon, ob der Bolzen 13 als separates Bauteil oder einstückig mit der Drosselplatte 7 ausgebildet ist – eine Verringerung der Querschnittsfläche des Ventilgliedes 4 bewirkt, so dass das Steuerventil 1 in geschlossenem Zustand, d. h. in Anlage am Ventilsitz 5, entlastet wird. Denn der Raildruck wirkt nicht mehr auf die gesamte Steuerventilsitzfläche, sondern nur noch auf die um den Querschnitt der Bohrung 12 bzw. des Bolzens 13 reduzierte Sitzfläche. Ist der Bolzen 13 ferner einstückig mit der Drosselplatte 7 verbunden bzw. ausgebildet, verringert sich darüber hinaus die zum Öffnen des Steuerventils 1 erforderliche Aktorkraft. Denn lediglich das Ventilglied 4 muss weiters gegen den im Ventilraum 3 anstehenden Raildruck aus seinem Sitz gehoben werden.
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Wie ferner der 4 zu entnehmen ist, sind in der als Bypass dienenden Bohrung 10 Drosselstellen 15, 16 ausgebildet, die die Bohrung 10 mit dem Ventilraum 3 verbinden. Beide Drosseltellen 15, 16 sind als Bohrungen mit verringertem Durchströmungsquerschnitt gegenüber der Bohrung 10 ausgebildet, wobei die Bohrungen derart geführt sind, dass sie radial versetzt zum Bolzen 13 in den Ventilraum 3 münden. Das Freigeben und das Verschließen der Drosselstellen 15, 16 bzw. der Bypass-Bohrung 10 wird vorliegend allein durch das hülsenartig ausgeführte Ventilglied 4 bewirkt. Hierzu ist an der dem Ventilkegel 6 gegenüberliegenden Stirnfläche des Ventilgliedes 4 eine ringförmige Dichtfläche 14 ausgebildet.
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Die durch den erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor bewirkte Entlastung des Steuerventils im Bereich seines Ventilsitzes ist in dem Diagramm der 5 grafisch dargestellt. Auf der X-Achse sind verschiedene Durchmesser des Bolzens 13 in Millimetern aufgetragen, die vorliegend von 0 bis 1,2 mm reichen. Auf der Y-Achse ist die Restlast in Prozent aufgetragen. Bei einem Bolzendruchmesser von 0 mm ist kein Bolzen 13 vorhanden, d. h. die Restlast beträgt 100%. Mit zunehmendem Durchmesser des Bolzens 13 fällt die Restlast jedoch stark ab. Dem Diagramm sind mehrere Graphen zu entnehmen, die jeweils für einen bestimmten Sitzdurchmesser stehen. Der Sitzdurchmesser variiert vorliegend zwischen 1,33 mm (unterster Graph) und 1,43 mm (oberster Graph). Entscheidend für das Maß der Entlastung ist demnach das Flächenverhältnis zwischen Sitzdurchmesser und Bolzendurchmesser.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004061800 A1 [0002]
