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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Einspritz-Injektor für Brennkraftmaschinen gemäß dem Anspruch 1.
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Kraftstoff-Einspritz-Injektoren für Brennkraftmaschinen sind meist aus einem unter Systemdruck stehenden Kraftstoffspeicher, insbesondere in der Ausbildung als Common-Rail, gespeist und weisen zum Steuern der häufig getakteten Einspritzung eine von einem Aktor beaufschlagte Ventileinheit auf, die mit dem Aktor üblicherweise modular in einer Baugruppe zusammengefasst ist. Die Ventileinheit umfasst als so genanntes „Pilotventil“ ein Steuerventil sowie daran anschließend eine Ventilplatte als Teil der Abgrenzung eines Steuerraumes, in den ein Kolbenelement eintaucht, über das bei Druckaufbau im Steuerraum die Düsennadel eines Düsenteiles des Einspritzinjektors auf ihre Einspritzöffnungen abdeckende Schließstellung belastet ist. Das Kolbenelement ist durch einen Schaft der Düsennadel oder ein entsprechendes Zwischenglied gebildet, so dass sich je nach Länge des Düsennadelschaftes oder des Zwischengliedes eine kürzere oder längere Bauform für den Injektor ergibt.
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Bei einer weiteren bekannten Ausgestaltung eines Kraftstoff-Einspritz-Injektors für Brennkraftmaschinen (
DE 102 12 002 C1 ) sind Steuerventil, Ventilplatte, Steuerraum und Düsenteil modular zu einer Baugruppe zusammengespannt und es wird das Steuerventil über ein Übertragungsglied in Form einer langgestreckten Druckstange vom beabstandet zu dieser Baugruppe angeordneten Aktor beaufschlagt. Dies führt zwar zu einer langgestreckten Bauform des Kraftstoff-Einspritz-Injektors, wie sie z.B. in Anpassung an beschränkte Raumverhältnisse im Bereich des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine teilweise benötigt wird, bedingt aber gerade im zylinderkopfnahen, durch den Düsenteil gebildeten Bereich des Kraftstoff-Einspritz-Injektors einen größeren Raumbedarf. Dies, weil in Berücksichtigung der erforderlichen Knicksteifigkeit der langgestreckten Druckstange diese mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser ausgebildet sein muss – mit entsprechender Auswirkung auf die Masse der Druckstange –, oder über radiale Führungen zum Injektorgehäuse abgestützt – mit entsprechender Auswirkung auf den Durchmesser des Injektorgehäuses im Bereich der Abstützungen der Druckstange – geführt sein muss. Hierdurch ergeben sich negative Auswirkungen auf die Ansprechzeiten des Injektors hinsichtlich Öffnungs- und/oder Schließzeit der Düsennadel und/oder Nachteile im Hinblick auf den Bauraumbedarf.
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Insbesondere in Verbindung mit Großbrennkraftmaschinen, wie Schweröl-Schiffsmotoren, können beide Bauformen jedenfalls dann nicht befriedigen, wenn solche Motoren zusätzlich auch für den Gasbetrieb auszurüsten sind, vor allem ggf. für den Gasbetrieb nachgerüstet werden sollen. Hier ergeben sich schon dadurch erhebliche Probleme, dass auch Schwerölmotoren häufig mit vier Ventilen pro Zylinder bestückt sind, was die zentrale Unterbringung eines Schweröl-Kraftstoff-Injektors schwierig macht. Verschärft treten diese Probleme auf, wenn solche Motoren für den Gasbetrieb zusätzlich einen weiteren Kraftstoff-Einspritz-Injektor benötigen, die Ausrüstung der Motoren für den Gasbetrieb aber, entsprechend den über der Zeit gestiegenen Umweltanforderungen, nachträglich im Wege einer Aufrüstung vorgenommen werden muss. Der für den Gasbetrieb erforderliche Injektor muss dann zusätzlich, bei ohnehin schon beengten Raumverhältnissen, platziert werden, was gerade im Übergangsbereich vom Injektor auf den Zylinderkopf außergewöhnlich schlanke Bauformen bedingt, ohne dass durch diese Gegebenheiten die Ansprechzeiten der Injektoren beeinträchtigt werden dürfen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, für Brennkraftmaschinen, insbesondere Großbrennkraftmaschinen wie Schiffsmotoren hoher und höchster Leistung, Kraftstoff-Einspritz-Injektoren zur Verfügung zu stellen, die, insbesondere im Übergangsbereich auf den Zylinderkopf möglichst schlank bauend, langgestreckt in großer Länge aufgebaut auch für die Aufrüstung von Schwerölmotoren geeignet sind, welche bei Bedarf im Gasbetrieb zu betreiben sind.
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Erreicht wird dies durch die Ausgestaltung eines Kraftstoff-Einspritz-Injektors für Brennkraftmaschinen gemäß dem Anspruch 1. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Kraftstoff-Einspritz-Injektor bei bevorzugt modularem Aufbau – prinzipiell gesehen – in zwei Bauteilgruppen aufgeteilt, von denen die eine den Aktor, das Steuerventil und die Ventilplatte und die andere den Düsenteil mit endseitig zum Düsennadelschaft vorgesehenem Steuerraum umfasst und diese Bauteilgruppen in Hinblick auf die hydraulische Funktionsverbindung zwischen Ventilplatte und düsennadelseitigem Steuerraum über einen Steuerkanal kapillaren Querschnitts verbunden sind, in dem in der Schließstellung der Düsennadel eine, zumindest annähernd statische, unter Systemdruck stehende hydraulische Drucksäule aufgebaut ist, die ein Übertragungsglied in der Stellverbindung zwischen Aktor und Düsennadel bildet.
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Wird, angesteuert über den Aktor, über das Steuerventil der Steuerkanal mit Systemdruck beaufschlagt, so wird in entsprechender Weise über den Steuerkanal kapillaren Querschnitts auch der rückseitig zur Düsennadel liegende Steuerraum beaufschlagt, wobei in Berücksichtigung des kleinen Volumens des Steuerraums über den Steuerkanal nur sehr kleine Fluidmengen zwischen Steuerventil und Steuerraum verlagert werden. Unter diesen Randbedingungen wird über den Steuerkanal eine Druckbeaufschlagung des Steuerraumes realisiert, die einer Verbindung des Aktors zur Düsennadel über eine Steuerstange funktional weitgehend entspricht, da bei geschlossener Düsennadel der kapillare Steuerkanal eine zumindest weitgehend stehende, hydraulische Drucksäule als quasi starres Übertragungsglied aufnimmt. Diesbezüglich hat sich gezeigt, dass auch bei Injektoren, die durch die Verwendung solcher „hydraulischer Drucksäulen“ in großen Baulängen sehr schlank bauend realisiert sind, die Ansprechzeiten des Injektors zumindest in ihrer Gesamtheit durch eine derartige hydraulische Ansteuerung nicht negativ beeinflusst werden, da, wie sich überraschend gezeigt hat, ein etwaiger Zeitverlust für den Druckaufbau im über den Steuerkanal versorgten Steuerraum über eine Verkürzung der Ansprechzeit beim Druckabbau zum Öffnen der Düsennadel zumindest im Wesentlichen kompensiert werden kann.
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Bautechnisch lässt sich ein Steuerkanal kapillaren Querschnitts mit einem Kapillarrohr kleinen Querschnitts realisieren, das als druckdichte Verbindung zwischen Ventilplatte und einer seitens des Düsenteils den Steuerraum überdeckenden Zwischenplatte verläuft und das auch bei hohen Systemdrücken auf Grund seines kleinen Durchmessers durch auftretende Druckschwankungen in seinem Durchmesser, und damit auch hinsichtlich des aufgenommenen Volumens, keine signifikanten Änderungen erfährt. Es kann durch diese Ausgestaltung der Durchmesser des Kraftstoff-Einspritz-Injektors im Bereich des Düsenteils wie auch im langgestreckten, insbesondere durch ein Zwischengehäuse gebildeten Übergangsbereich zwischen Düsenteil und Ventilplatte sehr schlank ausgeführt werden.
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Zusätzlich bietet sich die vorteilhafte erfindungsgemäße Möglichkeit, das Kapillarrohr im Übergangsquerschnitt zwischen Steuerraum und Ventilplatte in einer Längsbohrung des Zwischengehäuses unterzubringen, die bei gegenüber dem Kapillarrohr größerem Querschnitt auch für die Zufuhr des einzuspritzenden Kraftstoffes auf den Düsenteil zu nutzen ist. Dadurch ist das Kapillarrohr in dieser Aufnahmebohrung umfangsseitig vom Systemdruck beaufschlagt, und somit auch abstützend stabilisiert. Bei Ausbildung des Kapillarrohres mit Längsverrippung, zum Beispiel als Rippenrohr kann auch radial eine mechanische Abstützung ungeachtet der axialen Überströmung realisiert werden, was insbesondere zur Erhöhung der Stabilität bei schlankem Aufbau beitragen kann, wenn über die Verrippung eine radiale Abstützung zwischen Kapillarrohr und aufnehmendem Zwischengehäuse geschaffen ist. Insbesondere kann eine derartige Abstützung auch zweckmäßig sein, wenn das Kapillarrohr durch axiale Verspannung dichtend mit der Ventilplatte und der steuerraumseitigen Zwischenplatte verbunden wird.
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Der Aufbau einer „hydraulischen Druckstangenverbindung“ durch eine über das Kapillarrohr eingegrenzte Drucksäule gibt darüber hinaus erweiterte Möglichkeiten hinsichtlich des Verlaufs der Übertragungsstrecke, da durch die hydraulische Druckübertragung die Notwendigkeit eines Verlaufs in einer Fluchtungsachse entfällt und sich auch schräge oder gekrümmte Verläufe der Übertragungsstrecke im Gehäuse, sogar absätzige Übertragungsstrecken realisieren lassen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Zeichnungsbeschreibung und den Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritz-Injektors in Teildarstellungen desselben veranschaulichen.
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Im Einzelnen zeigen:
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1 und 2 gegeneinander versetzte Längsschnitte durch den unteren, auf den Düsenteil auslaufenden Abschnitt eines Kraftstoff-Einspritz-Injektors modularen Aufbaus, und
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3 eine Ausschnittsvergrößerung gemäß III in 2. Der insgesamt mit 1 bezeichnete Kraftstoff-Einspritz-Injektor weist, auslaufend auf sein nicht dargestelltes oberes Anschlussende zu einer Hochdruckquelle, beispielsweise einem Common Rail, ein Anschlussgehäuse 2 auf, das z.B. einen Filter für den zugeführten Kraftstoff sowie ein Mengenbegrenzungsventil aufweisen kann. Mit dem Anschlussgehäuse 2 ist axial verspannt ein unterer Teil 4 des Kraftstoff-Einspritz-Injektors 1 verbunden, der auf den Düsenteil 3 ausläuft und axial segmentiert aufgebaut ist.
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Im Übergang auf den unteren Teil 4, und damit auslaufend auf den unteren Teil 4 ist am Anschlussgehäuse 2 ein Aktor 5 angeordnet, der als Magnetsteller ausgebildet ist und eine Ankerplatte 6 aufweist. Die Ankerplatte 6 liegt in einer stirnseitigen Vertiefung 7 eines Ventilgehäuses 8 einer Steuerventileinheit 9, die anschließend an das Ventilgehäuse 8 mit einer Ventilplatte 10 versehen ist. Gegen die Ventilplatte 10 erstreckt sich der mit der Ankerplatte 6 verbundene Anker 11, der mit einem Schließglied auf die Bohrung des buchsenförmigen Sitzstückes 12 ausläuft, und so, je nach Schaltstellung des Aktors 5, die Zufuhr von Kraftstoff auf einen Steuerraum 13, oder die Verbindung des Steuerraums 13 zur Niederdruckseite freigibt.
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Der Steuerraum 13 ist rückseitig zum Schaft 14 einer Düsennadel 15 des Düsenteiles 3 gegen eine Zwischenplatte 16 abgegrenzt, die axial über ein Zwischengehäuse 17 gegen die Ventilplatte 10 verspannt ist. Durch das Zwischengehäuse 17 erstreckt sich axial eine Bohrung 18, in der ein Kapillarrohr 19 verläuft, das stirnseitig einerseits in die Ventilplatte 10 und andererseits in die Zwischenplatte 16 eintaucht und druckdicht, insbesondere bei axialer und/oder radialer Verspannung, mit der Ventilplatte 10 und der Zwischenplatte 16 verbunden ist.
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Auf die das Kapillarrohr 19 mit Spiel aufnehmende Bohrung 18 im Zwischengehäuse 17 mündet, wie in 2 und 3 veranschaulicht, die Zufuhr des unter Druck stehenden Kraftstoffes über eine Kanalverbindung 20 mit das Anschlussgehäuse 2 und das Ventilgehäuse 8 sowie die Ventilplatte 10 durchsetzenden Kanalabschnitten. Zum Düsenteil 3 hin läuft die Bohrung 18, über die die Kraftstoffzufuhr erfolgt, über eine hier nicht dargestellte Verbindung in der Zwischenplatte 16 auf die die Düsennadel 15 aufnehmende Bohrung 23 im Düsenkörper 24 aus, in dem die über die Düsennadel 22 gesteuerten, hier nur angedeuteten Spritzöffnungen 25 vorgesehen sind.
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3 veranschaulicht, dass ausgehend von der hochdruckseitigen Kanalverbindung 20 eine zulaufseitige Anschlussverbindung 26 zur im Kapillarrohr 19 verlaufenden Kapillarbohrung 27 besteht. In dieser Anschlussverbindung 26 liegt eine zulaufseitige Drossel 28. In der Bohrung 18 kann das Kapillarrohr 19, ungeachtet der axialen Überströmung, auch mit Vorteil radial abgestützt sein, beispielsweise durch Ausbildung des Kapillarrohres 19 als außen verripptes Rippenrohr, was allerdings nicht dargestellt ist.
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Zur Niederdruckseite hin ist eine ablaufseitige Anschlussverbindung 29 der Kapillarbohrung 27 auf die über den Anker 11 beaufschlagte Sitzfläche des Sitzstückes 12 gegeben. In dieser Ablaufverbindung 29 liegt eine Ablaufdrossel 30. Bei vom Sitzstück 12 abgehobenem Anker 11 ist eine ablaufseitige Kanalverbindung 31 zur Niederdruckseite gegeben, und zwar, wie in 2 veranschaulicht, mit Kanalabschnitten in der Ventilplatte 10 und im Ventilgehäuse 8, von denen letztere auf die stirnseitige Vertiefung 7 auslaufen, von der eine Kanalverbindung 32 zur Niederdruckseite besteht. In 3 ist diese ablaufseitige Kanalverbindung 31 schematisiert als strichlierte Linie veranschaulicht.
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Das Kapillarrohr 19, das sich in der Hochdruck führenden Bohrung 18 des Zwischengliedes 17 erstreckt, ist umfangsseitig hochdruckbeaufschlagt, und somit stabilisierend abgestützt und auch gegendruckbeaufschlagt zur Druckbeaufschlagung in der Kapillarbohrung 27, so dass insgesamt Kapillarrohre mit kleiner Wandstärke und kleinerem Durchmesser verwendet werden können, z.B. mit einem Außendurchmesser von etwa 3 mm bei einem Durchmesser der Kapillarbohrung 27 von etwa z. B. 0,3 mm, wobei das Kapillarrohr 19 in den endseitigen Aufnahmen in der Ventilplatte 10 und in der Zwischenplatte 16 bevorzugt umfangsseitig abdichtend gehalten ist.
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Im Rahmen der Erfindung ist allerdings auch eine axial abdichtende Einspannung möglich, ohne dass über das Kapillarrohr 19 eine kraftübertragende Abstützung analog zu einer Stützstange als Übertragungsglied übernommen wird. Auch werden bei der Erfindung bei der axialen Zusammenspannung des modular aufgebauten unteren Teiles 4 des Injektors 1 mit dem Anschlussgehäuse 2 zumindest im Wesentlichen keine axialen Belastungen auf das Kapillarrohr 19 abgestützt, wobei die axiale Zusammenspannung in bekannter Weise, wie dargestellt, über Überwurfmuttern 33 und 34 erfolgen kann, von denen die Überwurfmutter 33 das Zwischengehäuse 17 mit der Ventilplatte 10 und dem Ventilgehäuse 8 gegen das Anschlussgehäuse 2 verspannt, und gegenüberliegend eine Verspannung des Zwischengehäuses 17 gegen den Düsenkörper 24 bei dazwischen liegender Zwischenplatte 16 über die Überwurfmutter 34 erfolgt.
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In Anbetracht dessen, dass über das Kapillarrohr 19 für das Öffnen und Schließen der Düsennadel 22 lediglich eine die Druckbelastung im Steuerraum 13 reduzierende und den kleinen Hubweg in der Düsennadel 22 beim Öffnen ermöglichende Fluidmenge ausgetauscht werden muss, ergibt sich in der Kapillarbohrung 27 eine zwar axial pulsierende, aber in grober Annäherung bei geschlossener Düsennadel 15, also geschlossener, ablaufseitiger Drossel 30 zumindest nahezu stehende hydraulische Drucksäule, ohne dass sich axiale Belastungen auf das Kapillarrohr 19 ergeben, so dass das Kapillarrohr 19, und damit auch die kapillare hydraulische Übertragungsstrecke sehr schlank in nahezu beliebiger Länge und auch Streckenführung ausgeführt werden kann. Dies auch ohne eine „Knickabstützung“, wie sie bei mechanischen Druckgestängen erforderlich ist. Verbunden mit der sehr schlanken Gestaltung des Kapillarrohres 19 und den durch die Erstreckung des Kapillarrohres 19 in der Axialbohrung 18 des Zwischengehäuses 17 auch sehr geringen radialen Raumbedürfnissen für das Zwischengehäuse 17 ergibt sich auslaufend auf den Düsenteil 3 ein sehr schlanker Aufbau des Injektors 1, zumal auch der radiale Raumbedarf für den Düsenkörper 24 und die Zwischenplatte 16 und die zur axialen Zusammenspannung zweckmäßige Überwurfmutter 34 gering ist.
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Bezogen auf die sehr geringen Durchmesserweiten für die Kapillarbohrung 27, die in der Größenordnung deutlich unter 1 mm, z. B. bei 0,3 mm liegen können, lassen sich bei der erfindungsgemäßen Lösung extrem schlanke Ausgestaltungen des unteren Teils 4 des Injektors 1 erreichen, wobei für die Länge des Kapillarrohres 19 und die dadurch geschaffenen Möglichkeiten für die Länge des Zwischenstückes 7 Längen infrage kommen, die einem Zigfachen des Durchmessers der Kapillarrohrbohrung 27 entsprechen, also beispielsweise dem Fünfzig- bis zu mehr als Hundertfachen des Durchmessers der Kapillarbohrung 27 und der dadurch ermöglichten Fluidsäule als hydraulischer Drucksäule, ohne dass sich druckabhängig nennenswerte elastische Effekte ergeben.
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Durch die Erfindung wird somit ein Kraftstoff-Einspritz-Injektor 1 für Brennkraftmaschinen mit einem Aktor 5, einen zum Aktor 5 beabstandeten, eine Düsennadel 15 aufnehmenden Düsenteil 3, einer distanzüberbrückend zwischen Aktor 5 und Düsenteil 3 sich erstreckenden Stellkraftübertragungseinrichtung und einer Steuerventileinheit 9 sowie einer hydraulischen Steuerverbindung von der Steuerventileinheit zu einem rückseitig zur Düsennadel 15 liegenden Steuerraum 13 geschaffen, bei der die Steuerventileinheit, benachbart zum Aktor 5 angeordnet, mit dem Aktor 5 eine zum Düsenteil 3 beabstandete Bauteilgruppe bildet, zu der das Düsenteil 3 mit rückwärtig zur Düsennadel 15 liegendem Steuerraum 13 als Bauteilgruppe beabstandet angeordnet und über ein Zwischengehäuse 17 verbunden ist, wobei die Stellkraftübertragungseinrichtung zwischen den Bauteilgruppen das Zwischengehäuse 17 durchsetzend als kapillare hydraulische Drucksäule und kanalartige Steuerverbindung Steuerraum 13 und Steuerventileinheit 9 verbindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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