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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es zur Kraftstoffeinspritzung in Brennräume von Brennkraftmaschinen verwendet wird, insbesondere von schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Stand der Technik
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Zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in Brennräume von Brennkraftmaschinen, insbesondere von selbstzündenden Brennkraftmaschinen, sind Einspritzventile seit längerer Zeit aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei wird von einer Pumpe verdichteter Kraftstoff in einen Zwischenspeicher gefördert, einem sogenannten Rail, und wird von dort über einen oder mehrere Einspritzventile in Brennräume von Brennkraftmaschinen eingespritzt. Hierbei muss ein hoher Kraftstoffdruck vorhanden sein, um den Kraftstoff möglichst fein zu zerstäuben und damit eine optimale Verbrennung zu erreichen. Zur Steuerung der eigentlichen Einspritzung weisen die Kraftstoffeinspritzventile eine längsbewegliche Düsennadel auf, die mit einem Düsensitz zusammenwirkt und dadurch eine oder mehrere Einspritzöffnungen, die in jedem Kraftstoffeinspritzventil vorhanden sind, öffnet und schließt. Hebt die Düsennadel vom Düsennadelsitz ab, so strömt Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen, wird beim Austritt zerstäubt und so in den Brennraum eingespritzt, während die Einspritzöffnungen verschlossen werden, wenn die Düsennadel auf dem Düsennadelsitz aufsitzt.
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Die Längsbewegung der Düsennadel kann dabei nicht direkt über einen elektrischen Aktor geschehen, beispielsweise einen Magnet- oder Piezo-Aktor, da aufgrund des hohen Einspritzdrucks von zum Teil über 2000 bar die hydraulischen Kräfte auf die Düsennadel zu groß sind, um sie mit einem solchen Aktor direkt bewegen zu können. Deshalb wird die Längsbewegung der Düsennadel über den Kraftstoffdruck in einem Steuerraum gesteuert, in dem mittels eines Steuerventils ein variabler Kraftstoffdruck einstellbar ist, sodass die Schließkraft auf die Düsennadel variiert werden kann. Durch Absenken des Kraftstoffdrucks im Steuerraum hebt die Düsennadel vom Düsennadelsitz ab und durch Beaufschlagung des Steuerraums mit dem hohen Kraftstoffdruck, den das Rail zur Verfügung stellt, schließt die Düsennadel.
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Um den Kraftstoffdruck im Steuerraum zu steuern sind verschiedene Prinzipien aus dem Stand der Technik bekannt. Bei den sogenannten direkt gesteuerten Kraftstoffeinspritzventilen wird der Druck im Steuerraum direkt durch einen elektrischen Aktor, beispielsweise einen Piezo-Aktor, geändert, indem das Volumen des Steuerraums vergrößert oder verkleinert wird. Die Düsennadel folgt dem geänderten Steuerraumdruck mit nur geringer zeitlicher Verzögerung. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 017 303 A1 bekannt. Der Steuerraum, der die Düsennadel mit einem Schließdruck beaufschlagt, ist dabei mit einem Ventilraum verbunden, der wiederum durch einen längsbeweglich gelagerten und durch einen Piezoaktor beweglichen Kolben begrenzt wird. Durch Bestromung des Piezo-Aktors kann der Kolben bewegt werden, worauf sich das Volumen des Ventilraums erhöht und der der Druck entsprechend erniedrigt wird. Durch die Verbindung mit dem Steuerraum ändert sich auch der Druck im Steuerraum, was wiederum die Bewegung der Düsennadel in den Steuerraum hinein zur Folge hat. Entsprechend wird der Druck durch das Stromlosschalten des Piezo-Aktors wieder in den alten Zustand zurückversetzt, sodass der hohe Druck im Steuerraum die Düsennadel wieder in ihre Schließposition drückt.
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Zur Bewegung des Kolbens über den Piezo-Aktor dient ein Druckstift oder ein Druckkolben, der auf dem Kopplungskolben aufliegt und dadurch die Kraft vom Piezo-Aktor auf den Kopplungskolben überträgt. Um das synchrone Bewegen des Druckstifts und des Kupplungskolbens zu gewährleisten, ist der Kupplungskolben mit einer starken Feder beaufschlagt, die diesen stets gegen den Druckstift drückt, sodass sich diese beiden Bauteile nicht voneinander wegbewegen können. Eine entsprechend starke Druckfeder erfordert jedoch auch einen hohen Energieeinsatz, da diese Kraft über den Piezo-Aktor überwunden werden muss, um das Kraftstoffeinspritzventil zu steuern. Ein entsprechend starker Piezo-Aktor ist jedoch teuer und entsprechend groß und muss mit hohen elektrischen Spannungen betrieben werden, was den benötigten Bauraum vergrößert und die Kosten deutlich erhöht.
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Ein einstückiges Ausgestalten von Druckstift und Kopplungskolben ist ebenso nicht immer möglich bzw. mit hohem Aufwand verbunden, da in diesem Fall der Druckstift und der Kopplungskolben genau fluchtend zueinander ausgebildet sein müssen, was eine hohe Fertigungsgenauigkeit voraussetzt und eine präzise Führung der beweglichen Teile innerhalb der entsprechenden Aufnahmen und Bohrungen im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils. Dies verteuert die Herstellung und macht das Kraftstoffeinspritzventil sehr aufwändig in der Herstellung.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine präzise Steuerung der Einspritzung mit kostengünstigen und einfach zu montierenden Bauteilen ermöglicht wird. Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil ein Gehäuse auf, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar zum Öffnen und Schließen einer Einspritzöffnung angeordnet ist, die mit ihrer den Einspritzöffnungen abgewandten Stirnseite einen Steuerraum begrenzt, in dem ein variabler Druck mittels einer Steuervorrichtung einstellbar ist, die einen Aktor und einen Druckstift umfasst. Dazu übt der Aktor eine Längskraft auf den Druckstift aus, wobei der Druckstift mit seiner dem Aktor abgewandten Stirnseite an einem längsbeweglichen Kopplerkolben anliegt, der mit einer seiner Stirnseiten einen mit dem Steuerraum hydraulisch verbundenen Ventilraum begrenzt. Der Druckstift weist an seiner am Kopplerkolben anliegenden Stirnseite eine Ausnehmung auf, die mit einem Niederdruckraum verbunden und dadurch druckentlastet ist.
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Durch die Ausbildung des Druckstifts mit einer druckentlasteten Ausnehmung bzw. einer druckentlasteten Fläche an der Stirnseite, mit der der Druckstift am Kopplerkolben anliegt, wird eine Reduzierung der hydraulischen Kraft auf den Kopplerkolben auf dieser Seite erreicht. Entsprechend erhöht sich die resultierende hydraulische Kraft auf den Kopplerkolben in Richtung des Druckstifts, sodass der Kopplerkolben stets mit einer hohen hydraulischen Kraft gegen den Druckstift gedrückt wird, auch ohne dass eine starke Feder erforderlich ist. Durch diese hydraulische Kraft ist stets gewährleistet, dass der Druckstift auf dem Kopplerkolben aufliegt und sich synchron mit diesem bewegt auch bei einer raschen Bewegung des Druckstifts, wie sie zum Schließen des Kraftstoffeinspritzventils erforderlich ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung weist der Druckstift eine Längsbohrung auf, die die Ausnehmung mit dem Niederdruckraum verbindet. Der Druckstift kann auf diese Weise als Hohlzylinder ausgeführt werden, was kostengünstig und einfach herstellbar ist. Der Niederdruckraum ist dabei in vorteilhafter Weise im Gehäuse ausgebildet, wobei auch der Aktor, der den Druckstift bewegt, im Niederdruckraum angeordnet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung führt der Kopplerkolben bei Kraftbeaufschlagung durch den Aktor eine Längsbewegung aus, wodurch sich der Ventilraum vergrößert. Dabei ist der Ventilraum in vorteilhafter Weise durch eine Bohrung im Kopplerkolben hydraulisch mit dem Steuerraum verbunden, sodass der Gesamtraum, der aus Ventilraum und Steuerraum gebildet wird, in seinem Volumen durch die Bewegung des Kopplerkolbens vergrößert wird und der Druck damit in diesem Gesamtraum abnimmt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ragt der Druckstift mit seiner dem Kopplerkolben abgewandten Stirnfläche in den Niederdruckraum, in dem stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. In vorteilhafter Weise ist dabei auch der Aktor als Piezo-Aktor ausgebildet und innerhalb des Niederdruckraums angeordnet. Da der Druckstift bis in den Niederdruckraum ragt, ist die Anbindung an den Piezo-Aktor leicht zu bewerkstelligen, was die Konstruktion weiter vereinfacht.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil schematisch dargestellt. Es zeigt
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1 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Teile des Kraftstoffeinspritzventils dargestellt sind, und
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2 eine Vergrößerung der 1 im Bereich des Kopplerkolbens.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Teile des Kraftstoffeinspritzventils gezeigt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Steuerkörper 2, einen Zwischenkörper 3 und einen Düsenkörper 5 aufweist, die durch eine Spannmutter 7 in Längsrichtung gegeneinander verspannt sind, sodass deren Stirnseiten flüssigkeitsdicht aufeinandergepresst werden. Im Düsenkörper 5 ist ein Druckraum 10 ausgebildet, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 12 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 12 wirkt mit ihrem brennraumseitigen Ende mit einem Düsensitz 13 zusammen, so dass bei Anlage der Düsennadel 12 auf dem Düsensitz 13 mehrere Einspritzöffnungen 15, die im Düsenkörper 5 ausgebildet sind, verschlossen werden. Hebt die Düsennadel 12 vom Düsensitz 13 ab, so wird zwischen dem Düsensitz 13 und der Düsennadel 12 ein Durchflussquerschnitt aufgesteuert, durch den Kraftstoff aus dem Druckraum 10 zu den Einspritzöffnungen 15 gelangt und durch diese ausgespritzt wird. Der Druckraum 10 ist dabei mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt, der durch einen Hochdruckkanal 16 dem Kraftstoffeinspritzventil zugeführt wird. Der Hochdruckkanal 16 mündet dabei in den Druckraum 10, der sich dem Düsensitz 13 abgewandt bis in den Zwischenkörper 3 erstreckt.
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Die Düsennadel 12 wird an ihrem dem Düsensitz 13 abgewandten Ende in einer Hülse 17 geführt, wobei die Hülse 17 durch eine Feder 19, die unter Druckvorspannung zwischen der Hülse 17 und einem Absatz 14 an der Düsennadel 12 angeordnet ist, gegen einen Kopplerkolben 22 verspannt, der im Zwischenkörper 3 angeordnet ist. Der Kopplerkolben 22 ist dabei in einer Aufnahme 23 geführt, die zylindrisch und einstückig mit dem Steuerkörper 2 ausgebildet ist.
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Durch die Düsennadel 12, die Hülse 17 und den Kopplerkolben 22 wird ein Steuerraum 20 begrenzt, der beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt ist, wie er auch im Druckraum 10 herrscht. Der Kopplerkolben 22, der den Steuerraum 20 begrenzt, ist längsbeweglich angeordnet und in der Aufnahme 23 geführt. Dabei begrenzt der Kopplerkolben 22 mit seiner ersten Stirnseite 122 einen Ventilraum 24, der durch die Aufnahme 23 und den Kopplerkolben 22 begrenzt wird, während die zweite Stirnseite 222 die Begrenzung des Steuerraums 20 bildet. Der Ventilraum 24 und der Steuerraum 20 sind über eine Verbindungsbohrung 26, die als Schrägbohrung innerhalb des Kopplerkolbens 22 ausgebildet ist, hydraulisch verbunden.
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Zur Bewegung des Kopplerkolbens 22 innerhalb der Aufnahme 23 dient eine Steuervorrichtung 18, die einen Aktor 31 umfasst, der als Piezo-Aktor ausgebildet ist und in einem im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils ausgebildeten Niederdruckraum 9 angeordnet ist. Der Piezo-Aktor 31 übt eine Kraft auf einen Druckstift 30 aus, der in einer Bohrung 28, die innerhalb des Steuerkörpers 2 ausgebildet ist, längsbeweglich angeordnet ist. Der Druckstift 30 weist eine Entlastungsbohrung 32 auf, die als Längsbohrung ausgebildet ist und die von der dem Kopplerkolben 22 zugewandten Stirnseite des Druckstifts 30 bis in den Niederdruckraum 9 reicht, wo die Entlastungsbohrung 32 in eine Querbohrung 34 übergeht, die die Verbindung zum Niederdruckraum 9 bildet.
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Die Funktion des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung ist sowohl der Ventilraum 24 als auch der Steuerraum 20 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt, wie er im Druckraum 10 anliegt. Die Befüllung erfolgt über Spalte, wie sie zwischen der Aufnahme 23 und dem Kopplerkolben 22 und zwischen der Hülse 17 und der Düsennadel 12 ausgebildet sind. Der Piezo-Aktor 31 ist im Ausgangszustand nicht bestromt, wobei der Kopplerkolben 22 durch die Feder 19, die über die Hülse 17 auf den Kopplerkolben 22 wirkt, gegen die Stirnseite des Druckstifts 30 gedrückt wird. Zur Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils wird der Piezo-Aktor 31 bestromt, so dass sich dieser verlängert und den Druckstift 30 in Richtung des Kopplerkolbens 22 und diesen in Richtung der Düsennadel 12 drückt. Durch die Bewegung des Kopplerkolbens 22 wird einerseits der Ventilraum 24 vergrößert und andererseits der Steuerraum 20 verkleinert. Da der Querschnitt des Ventilraums 24 in Längsrichtung gesehen größer ist als der des Steuerraums 20, erhöht sich durch diese Bewegung des Kopplerkolbens 22 das Gesamtvolumen aus Ventilraum 24 und Steuerraum 20, sodass der Kraftstoffdruck innerhalb dieses Gesamtraums und damit auch im Steuerraum 20 abnimmt. Der Kraftstoffhochdruck, der im Druckraum 10 herrscht, kann während der kurzen Schaltzeit nicht durch die oben genannte Leckagespalte in diesen Gesamtraum in nennenswertem Umfang nachströmen, sodass es – wie geschildert – durch die Bewegung des Kopplerkolbens 22 zu einer Druckabsenkung im Steuerraum 20 kommt, die zu einer Reduzierung der hydraulischen Kraft auf die Stirnseite der Düsennadel 12 führt. Dadurch wird die Düsennadel 12, angetrieben durch den hydraulischen Druck im Druckraum 10, vom Düsensitz 13 abgehoben und gibt die Einspritzöffnungen 15 frei.
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Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung des Piezo-Aktors 31 beendet, sodass der Aktor 31 den Druckstift 30 wieder in Richtung des Niederdruckraums 19 zieht. Innerhalb der Entlastungsbohrung 32 herrscht stets Niederdruck, sodass auch auf den Teil der ersten Stirnseite 122 des Kopplerkolbens 22 nur ein sehr geringer Druck wirkt, während auf die gegenüberliegende zweite Stirnseite des Kopplerkolbens 22 über den gesamten Querschnitt der hohe Kraftstoffdruck des Hochdruckraums 10 bzw. des Steuerraums 20 einwirkt. Damit ergibt sich eine resultierende Kraft auf den Kopplerkolben 22 in Richtung des Niederdruckraums 19, die aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks erheblich ist und dafür sorgt, dass der Kopplerkolben 22 der Bewegung des Druckstifts 30 instantan folgt. Somit bewegt sich sowohl der Druckstift 30 als auch der Kopplerkolben 22 von der Ventilnadel 12 weg, wodurch sich das Gesamtvolumen aus Ventilraum 24 und Steuerraum 20 wieder erniedrigt und damit der Kraftstoffdruck erhöht. Dies drückt die Ventilnadel 12 zurück in Anlage an den Düsensitz 13, was den Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen 15 unterbricht.
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Über den Durchmesser des Druckstifts 30 und die Größe der Ausnehmung an der dem Kopplerkolben 22 zugewandten Stirnseite des Druckstifts 30 lässt sich die hydraulische resultierende Gesamtkraft auf den Kopplerkolben 22 einstellen. Die Ausnehmung wird durch den Durchmesser der Entlastungsbohrung 32 gebildet, deren Durchmesser angepasst werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, an der Stirnseite des Druckstifts 30 die Ausnehmung zusätzlich zu vergrößern, etwa Form einer Anfasung 35, wie in 2 dargestellt.
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Um den Druckausgleich zwischen Ventilraum 24 und dem Druckraum 10 zu erleichtern, ist ab Übergang von der Aufnahme 23 zum Steuerkörper 2 eine Querbohrung 29 ausgebildet, die einen Kraftstofffluss aus dem Druckraum 10 über den Spalt zwischen Druckstift 30 und der Wand der Bohrung 28 in den Ventilraum 24 ermöglicht. Diese Querbohrung 29 kann auch entfallen, wenn der Zufluss über die sonstigen Leckagespalte zur Befüllung des Ventilraums 24 ausreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004017303 A1 [0004]
