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Die Erfindung betrifft einen Injektor für Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung in Injektor zur mehrphasigen Einspritzung durch mehrere Spritzlöcher.
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Zur Steuerung eines Verbrennungsvorgangs in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors wird eine Einspritzanlage verwendet. Der Verbrennungsmotor kann insbesondere einen Hubkolben-Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug umfassen. Die Einspritzanlage steuert mittels eines Injektors die Beschickung des Brennraums mit Kraftstoff. Der Injektor umfasst ein Gehäuse zur Verbindung mit einer Zuleitung für Kraftstoff, wobei das Gehäuse ein Spritzloch umfasst und im Innenraum des Gehäuses eine Ventilnadel so angeordnet ist, dass eine fluide Verbindung zwischen der Zuleitung und dem Spritzloch durch Ausüben einer vertikalen Kraft auf die Ventilnadel ermöglicht oder unterbrochen ist.
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Um eine optimale Verbrennung unter unterschiedlichen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors zu erreichen ist es möglich, mehrere Spritzlöcher vorzusehen, durch die ein Fluss von Kraftstoff mittels mehreren Ventilnadeln steuerbar ist. Bevorzugterweise sind die Spritzlöcher entlang einer Längsachse des Injektors axial versetzt und die Ventilnadeln sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei eine der Ventilnadeln hohl ist, um die andere Ventilnadel konzentrisch aufzunehmen. Die Spritzlöcher enden innerhalb des Gehäuses bevorzugterweise in einem kegelförmigen Bereich.
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Die Ventilnadeln bilden miteinander bzw. mit dem Gehäuse mehrere Ventile, mittels derer der Kraftstofffluss durch die Spritzlöcher steuerbar ist.
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Wegen Toleranzen in den Maßen des Gehäuses und der beiden Ventilnadeln ist es schwierig, ein vollständiges Schließen der Ventile unter allen Betriebsbedingungen zu garantieren. Insbesondere kann die äußere Ventilnadel mit dem Gehäuse zwei Ventile bilden, die gemeinsam betätigt werden können. Schließt eines der Ventile bei Betätigung der Ventilnadel früher als das andere, so kann eine Leckage durch das andere Ventil unter Umständen nicht verhindert werden. Dadurch kann eine permanente Einspritzung von Kraftstoff durch eines der Spritzlöcher oder eine ungewollte Einspritzung durch beide statt durch nur eines der Spritzlöcher bewirkt sein. Dies kann zu einer unsauberen Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum und dadurch zu einem erhöhten Schadstoffausstoß des Verbrennungsmotors führen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Injektor für eine Brennkraftmaschine anzugeben, der Ventile umfasst, die verbessert steuerbar und insbesondere verbessert schließbar sind. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Injektors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wider.
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Ein erfindungsgemäßer Injektor für einen Verbrennungsmotor umfasst ein Injektorgehäuse zur Verbindung mit einer Zuleitung für Kraftstoff, wobei das Injektorgehäuse ein erstes und ein zweites Spritzloch umfasst, sowie eine innere und eine äußere Ventilnadel, die konzentrisch um eine Längsachse im Injektorgehäuse aufgenommen sind. Die Ventilnadeln sind so angeordnet, dass drei Ventile gebildet sind: ein erstes Ventil zwischen dem Injektorgehäuse und der äußeren Ventilnadel, um eine fluide Verbindung zwischen der Zuleitung und dem ersten Spritzloch zu steuern, ein zweites Ventil zwischen dem Injektorgehäuse und der äußeren Ventilnadel, um eine fluide Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Spritzloch zu steuern, und ein drittes Ventil zwischen der äußeren und der inneren Ventilnadel, um eine fluide Verbindung zwischen der Zuleitung und dem zweiten Spritzloch zu steuern. Dabei ist die äußere Ventilnadel dazu eingerichtet, das erste und das zweite Ventil gleichzeitig zu schließen.
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Mittels des Injektors ist es in verbesserter Weise möglich, den Verbrennungsvorgang innerhalb eines Verbrennungsmotors gezielt zu steuern. Insbesondere kann eine Dauereinspritzung durch ein nicht vollständig schließendes erstes Ventil verhindert werden. Auch kann einem Einspritzen durch das erste Spritzloch bei geöffnetem dritten Ventil entgegengewirkt werden, indem das zweite Ventil sicher geschlossen gehalten wird.
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In einer ersten Variante sind das zweite und das dritte Ventil auf gleichen Radien bezüglich der Längsachse angeordnet, um eine axiale Kraft auf die innere Ventilnadel mittels der äußeren Ventilnadel an das zweite Ventil durchzuleiten. In einer Ausführungsform, in der das zweite Ventil erst nach dem ersten Ventil schließt, kann die auf das dritte Ventil wirkende Schließkraft gleichzeitig dazu beitragen, auch das zweite Ventil zu schließen. Das Injektorgehäuse und/oder die äußere Ventilnadel können so hergestellt sein, dass Fertigungstoleranzen ein früheres Schließen des ersten Ventils bewirken, falls ein gleichzeitiges Schließen des ersten und des zweiten Ventils nicht möglich ist.
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In einer zweiten Variante, die mit der ersten Variante kombinierbar ist, umfasst die äußere Ventilnadel im Bereich des zweiten Ventils eine Einlage aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul kleiner als das des restlichen Materials der äußeren Ventilnadel ist.
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Dadurch kann sichergestellt werden, dass das erste Ventil auch dann vollständig geschlossen werden kann, wenn das zweite Ventil bereits geschlossen ist. In diesem Fall kann die Einlage unter Einwirkung vertikaler Kraft auf die äußere Ventilnadel komprimiert werden, bis auch das erste Ventil vollständig schließt.
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In einer anderen Ausführungsform kann die Einlage auch im Bereich des ersten Ventils angebracht sein.
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Bevorzugterweise erstreckt sich die Einlage ringförmig um die Längsachse und ist mit Presssitz konzentrisch an der äußeren Ventilnadel angebracht. Dadurch kann eine einfache und kostengünstige Herstellung und Montage der äußeren Ventilnadel ermöglicht sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Material der äußeren Ventilnadel Stahl und das der Einlage ein Nicht-Eisen-Metall. Das Nicht-Eisen-Metall kann eine ausreichende Festigkeit bei gleichzeitig ausreichend niedrigem Elastizitätsmodul gewährleisten. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst das Nicht-Eisen-Metall Aluminium.
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In einer dritten Variante, die mit jeder der oben genannten Varianten kombinierbar ist, trägt die äußere Ventilnadel eine radiale Aussparung im Bereich zwischen der Zuleitung und dem ersten Ventil.
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Dadurch kann die äußere Ventilnadel im Bereich des ersten Ventils elastisch ausgeführt sein, wodurch das zweite Ventil auch nach einem vollständigen Schließen des ersten Ventils geschlossen werden kann. In dieser Variante ist es von Vorteil, das Injektorgehäuse und/oder die äußere Ventilnadel so auszubilden, dass das erste Ventil potentiell zuerst schließt.
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Bevorzugterweise umfasst die Aussparung eine um die Längsachse umlaufende Nut. Dadurch kann eine gleichmäßige Verformbarkeit unabhängig von einer Stellung der äußeren Ventilnadel um die Drehachse erzielbar sein. Eine Verdrehsicherung der äußeren Ventilnadel kann so nicht erforderlich sein.
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Weiter kann eine radial innere Begrenzung der Nut abgerundet sein. Eine Kerbwirkung durch Verformung der äußeren Ventilnadel im Bereich der Nut kann dadurch gering gehalten werden. Eine Rissbildung oder ein Bruch in der äußeren Ventilnadel kann dadurch verhindert werden.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 einen Injektor für einen Verbrennungsmotor in einer ersten Variante;
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2 den Injektor aus 1 in einer weiteren Variante; und
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3 den Injektor aus den 1 und 2 in einer dritten Variante;
darstellt.
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1 zeigt einen Injektor 100 in einer ersten Variante. Der Injektor 100 ist zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Hubkolben-Verbrennungsmotor nach dem Otto- oder Dieselprinzip, eingerichtet.
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Der Injektor 100 ist im Wesentlichen radialsymmetrisch zu einer Längsachse 105 aufgebaut. Er umfasst ein Injektorgehäuse 110, welches hohl ist und in dem zueinander konzentrisch eine innere Ventilnadel 115 und eine äußere Ventilnadel 120 angeordnet sind. Das Injektorgehäuse ist dazu eingerichtet, mit einer Zuleitung 125 für Kraftstoff fluid verbunden zu werden.
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Der Innenraum endet in einem konusförmigen Bereich, der in der Darstellung von 1 unten liegt. Hier sind ein erstes Spritzloch 130 und ein zweites Spritzloch 135 so in das Injektorgehäuse 110 eingebracht, dass sie den Innenraum mit einem äußeren Bereich des Injektorgehäuses 110 verbinden. Das erste Spritzloch 130 endet im Innenraum des Injektorgehäuses 110 axial und radial versetzt zum zweiten Spritzloch 135.
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Die äußere Ventilnadel 120 ist axial beweglich und so geformt, dass sie mit dem Injektorgehäuse 110 ein erstes Ventil 140 bildet, das axial zwischen der Zuleitung 125 und dem Ende des ersten Spritzlochs 130 liegt. Ferner bildet die äußere Ventilnadel 120 mit dem Injektorgehäuse 110 ein zweites Ventil 145 zwischen dem ersten Spritzloch 130 und dem zweiten Spritzloch 135. Ist die äußere Ventilnadel 120 wie in 1 axial in Richtung des konusförmigen Endes des Injektorgehäuses 110 belastet, so schließt das erste Ventil 140 und verhindert einen Fluss von Kraftstoff zwischen der Zuleitung 125 und dem ersten Spritzloch 130. Gleichzeitig ist das zweite Ventil 145 geschlossen und verhindert einen Fluss von Kraftstoff zwischen den Enden der Spritzlöcher 130 und 135 auf der Innenseite des Injektorgehäuses 110.
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Ein drittes Ventil 150 ist zwischen der inneren Ventilnadel 115 und der äußeren Ventilnadel 120 gebildet. Dazu weist die hohle äußere Ventilnadel 120 an ihrem in 1 unteren Ende einen konusförmigen Bereich auf, an dem ein korrespondierender konusförmiger Bereich der inneren Ventilnadel 115 anliegen. Oberhalb des konusförmigen Bereichs ist die innere Ventilnadel 115 schlanker als der Hohlraum innerhalb der äußeren Ventilnadel 120. Eine Querleitung 155 durch die äußere Ventilnadel 120 verbindet den zwischen den Ventilnadeln 115, 120 liegenden Raum fluid mit dem zwischen der äußeren Ventilnadel 120 und der Innenseite des Injektorgehäuses 110 liegenden Bereich. Auf diese Weise ist auch das dritte Ventil 150 fluid mit der Zuleitung 125 verbunden. Unterhalb des konusförmigen Bereichs ist die innere Ventilnadel 115 schlanker als der Innenraum der äußeren Ventilnadel 120 und der zwischen den Ventilnadeln 115 und 120 liegende Bereich ist fluid mit dem zweiten Spritzloch 135 verbunden.
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Wird die innere Ventilnadel 115 nach unten belastet, so schließt das dritte Ventil 150 und die äußere Ventilnadel 120 wird nach unten gegen das Injektorgehäuse 110 gepresst, so dass auch die Ventile 140 und 145 sich schließen. Wird die innere Ventilnadel 115 nach oben angehoben, während die äußere Ventilnadel 120 nach unten belastet bleibt, so öffnet nur das dritte Ventil 150 und eine fluide Verbindung von der Zuleitung 125 durch die Querleitung 155, das dritte Ventil 150 und das zweite Spritzloch 134 ist ermöglicht. Wird die äußere Ventilnadel 120 angehoben, so wird auch die innere Ventilnadel 115 mit nach oben bewegt, wodurch das dritte Ventil 150 noch nicht geöffnet wird. Das erste Ventil 140 und das zweite Ventil 145 öffnen, so dass Kraftstoff von der Zuleitung 125 durch beide Spritzlöcher 130 und 135 auf die Außenseite des Injektorgehäuses 110 entlassen wird.
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Die äußere Ventilnadel 120 ist so geformt und beschaffen, dass es möglich ist, sowohl das erste Ventil 140 als auch das zweite Ventil 145 gleichzeitig sicher zu schließen. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist hierzu das dritte Ventil 150 axial, aber nicht radial versetzt zum zweiten Ventil 145 angeordnet. Anders ausgedrückt befindet sich das dritte Ventil 150 genau oberhalb des zweiten Ventils 145. Werden beide Ventilnadeln 115, 120 nach unten gepresst, so wird die Schließwirkung auf das zweite Ventil 145 dadurch verstärkt, dass die vertikal auf die innere Ventilnadel 115 nach unten wirkende Kraft am Ventil 150 so auf die äußere Ventilnadel 120 durchgeleitet wird, dass sie zum verstärkten Belasten der äußeren Ventilnadel 120 gegen das Injektorgehäuse 110 im Bereich des zweiten Ventils dient.
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2 zeigt den Injektor 100 aus 1 in einer zweiten Variante, die mit der in 1 gezeigten Variante kombinierbar ist. Die äußere Ventilnadel 120 trägt im Bereich des zweiten Ventils 145 eine Einlage 160, welche aus einem anderen Material als die restliche äußere Ventilnadel 120 gefertigt ist. Insbesondere weist das Material der Einlage 160 ein geringeres Elastizitätsmodul als die restliche äußere Ventilnadel 120 auf. Die äußere Ventilnadel 120 ist bevorzugterweise aus einem Stahl gefertigt, während die Einlage 160 ein Nicht-Eisen-Metall umfasst. Besonders bevorzugt kann die Einlage 160 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Die Einlage 160 ist bevorzugterweise radialsymmetrisch zur Längsachse 105 und kann in Form eines Rings oder einer Hülse in eine entsprechende Aussparung der äußeren Ventilnadel 120 eingeschrumpft, eingepresst oder eingepasst sein.
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In einer anderen, nicht in 2 dargestellten Ausführungsform befindet sich die Einlage 160 im Bereich des ersten Ventils 140. Die zur Schließung des zweiten Ventils 145 erforderliche axiale Kraft kann unmittelbar auf die äußere Ventilnadel 120 oder mittelbar über die innere Ventilnadel 115 ausgeübt werden.
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Dasjenige Ventil 140, 145, in dessen Bereich die Einlage 160 angeordnet ist, ist vorzugsweise dazu eingerichtet, früher als das jeweils andere Ventil 145, 140 zu schließen. Unter Kompression der Einlage 160 kann dann das jeweils andere Ventil 145, 140 ebenfalls geschlossen werden.
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3 zeigt den Injektor 100 aus den 1 und 2 in einer dritten Variante, die mit den oben beschriebenen Varianten kombinierbar ist. Hier ist eine Elastizität der zweiten Ventilnadel 120 im Bereich des ersten Ventils 140 dadurch gesteigert, dass eine radiale Nut 165 im Bereich zwischen der Zuleitung 125 und dem ersten Ventil 140 in die äußere Ventilnadel 120 eingebracht ist. Anders ausgedrückt befindet sich die Nut 165 in 3 oberhalb des ersten Ventils 140. Dadurch ergibt sich ein radialer Steg 170 an der äußeren Ventilnadel 120, der im Bereich des ersten Ventils 140 endet. Der Steg 170 ist in axialer Richtung ausreichend dünn, um eine gewisse axiale Flexibilität aufzuweisen
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In einer Ausführungsform ist eine radial innere Begrenzung der Nut 165 abgerundet, indem die Radien ihrer Begrenzungsflächen einen vorbestimmten Wert nicht unterschreiten. Eine Rissbildung in diesem Bereich der äußeren Ventilnadel 120, insbesondere im radial inneren Bereich des Stegs 170, kann durch die Abrundung verhindert werden.
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Bevorzugterweise ist die äußere Ventilnadel 120 dazu eingerichtet, bei Druck nach unten zuerst das erste Ventil 140 zu schließen. Das zweite Ventil 145 kann dann ebenfalls sicher geschlossen werden, in dem die äußere Ventilnadel 120 unter elastischer Deformation des Stegs 170 weiter axial in Richtung des konusförmigen Abschnitts des Injektorgehäuses 110, in 3 nach unten, bewegt wird. Eine axiale Belastung für diese Bewegung kann auch mittels der inneren Ventilnadel 115 auf die äußere Ventilnadel 120 ausgeübt werden. So können sowohl das erste Ventil 140 als auch das zweite Ventil 145 sicher geschlossen werden, auch wenn beispielsweise Fertigungstoleranzen ein gleichmäßiges Schließen der Ventile 140, 145 zunächst nicht erlauben.
