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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung in Brennräume von schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen Verwendung findet.
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Stand der Technik
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Kraftstoffeinspritzventile, die Kraftstoff unter hohem Druck fein zerstäuben und so den Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird eine Düsennadel längsbeweglich innerhalb eines Düsenkörpers angeordnet, die durch ihre Längsbewegung eine oder mehrere Einspritzöffnungen auf- und zusteuert. Durch die Längsbewegung wird der verdichtete und innerhalb der Düse befindliche Kraftstoff über die Einspritzöffnungen eindosiert, wobei die Menge und der Zeitpunkt der Einspritzung durch die Längsbewegung der Düsennadel gesteuert werden. Die Düsennadel ist dabei in Schließrichtung federbeaufschlagt, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 100 24 703 A1 bekannt ist. Dabei umgibt die Schließfeder die Düsennadel und stützt sich mit dem den Einspritzöffnungen abgewandten Ende an einer Hülse ab, die das brennraumabgewandte Ende der Düsennadel umgibt und dadurch einen Steuerraum begrenzt. Die eigentliche Schließkraft auf die Düsennadel wird durch den Kraftstoffdruck innerhalb dieses Steuerraums ausgeübt, dessen Druck über ein Steuerventil reguliert werden kann.
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Die Federkraft der Schließfeder, die die Düsennadel umgibt, beeinflusst das Öffnungs- und Schließverhalten der Düsennadel, auch wenn die Schließfeder nur einen Teil der die Düsennadel beeinflussenden Kräfte aufbringt. Dabei muss die Düsenfeder zwei Funktionen erfüllen: Zum einen drückt die Düsenfeder die Hülse, die den Steuerraum begrenzt, gegen das Bauteil des Gehäuses, das sich an die Düse anschließt. Die Kraft der Düsenfeder muss also groß genug sein, um die Hülse sicher gegen dieses Bauteil, meist die Drosselscheibe, zu drücken und dadurch eine verlässliche Abdichtung zu erreichen, wozu eine größere Kraft notwendig ist. Darüber hinaus übt die Düsenfeder eine Schließkraft auf die Düsennadel aus, die diese gegen den Düsensitz drückt. Diese Federkraft muss bekannt sein, damit die Düse richtig ausgelegt werden kann und in der gewünschten Art und Weise funktioniert, jedoch ist hier nur eine kleine Schließkraft erforderlich und gewünscht, um die Düsennadel verzögerungsfrei aus ihrer Schließstellung bewegen zu können. Die Federkonstante und die Vorspannung der Düsenfeder sind somit ein Kompromiss, um beide Funktionen der Düsenfeder möglichst optimal zu erfüllen.
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Um eine größere Freiheit bei der Ausgestaltung der Düsenfeder zu haben, die für die Schließkraft auf die Düsennadel verantwortlich ist, ist aus der Schrift
DE 10 2012 205 696 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem die Düsennadel von zwei unterschiedlichen Federn umgeben ist: Einer Düsenfeder, die sich mit einem Ende an einem ortsfesten Gehäuseteil abstützt und die mit dem anderen Ende die Düsennadel beaufschlagt und dadurch eine Schließkraft auf die Düsennadel bewirkt. Darüber hinaus ist eine zweite Feder vorgesehen, die ebenfalls die Düsennadel umgibt und die die Hülse, die das brennraumabgewandte Ende der Düsennadel aufnimmt, gegen die benachbarte Drosselscheibe drückt und dadurch den Steuerraum abdichtet. Dabei wird der Kraftstoff bei diesem Kraftstoffeinspritzventil durch einen Längskanal geleitet, der innerhalb der Düsennadel ausgebildet ist. Diese Lösung ist jedoch aufwändig und damit teuer in der Fertigung. Wird der Kraftstoff jedoch zwischen der Düsennadel und der Wand des Druckraums vorbeigeleitet, so strömt der Kraftstoff durch die Düsenfeder, die relativ schwach ausgelegt ist und die damit durch den vorbeiströmenden Kraftstoff nennenswert beeinflusst werden kann. Zusätzlich kommt es durch den strömenden Kraftstoff zur Einleitung von Querkräften auf die Feder, was Streuungen der Einspritzcharakteristik von Hub zu Hub verursachen kann. Damit kann die notwendige Präzision bezüglich Menge und Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung nicht mehr ohne weiteres erreicht werden.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Kraftstoff, der durch den Druckraum des Düsenkörpers in Richtung der Einspritzöffnungen strömt, nicht mehr die Düsenfeder beeinflusst und es somit zu keinen Schwankungen von Hub zu Hub aufgrund unterschiedlicher Kräfte des strömenden Kraftstoffs auf die Düsenfeder kommt. Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil ein Gehäuse auf, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist, in dem eine Düsennadel zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung längsbeweglich angeordnet ist, wobei die Düsennadel in der Öffnung einer Führungsscheibe geführt ist. Eine Düsenfeder ist unter Druckvorspannung zwischen der Führungsscheibe und einem Federteller angeordnet, wobei sich der Federteller an der Düsennadel abstützt, sodass die Düsenfeder eine Schließkraft auf die Düsennadel ausübt. Der Federteller weist einen hülsenförmigen Fortsatz auf, an dem eine der Führungsscheibe zugewandte Anschlagsfläche ausgebildet ist, wobei der hülsenförmige Fortsatz des Federtellers die Düsenfeder zumindest teilweise umgibt.
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Durch den hülsenförmigen Fortsatz des Federtellers wird der Kraftstoff daran gehindert, beim Fließen in Richtung der Einspritzöffnungen durch die Düsenfeder hindurch oder direkt an dieser vorbei zu fließen. Dadurch wird vermieden, dass der fließende Kraftstoff Kräfte auf die Düsenfeder ausübt, insbesondere keine Querkräfte, die sich auf die Düsennadel übertragen und das Öffnungsverhalten beeinflussen würden.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kommt die Anschlagsfläche am hülsenförmigen Fortsatz des Federtellers nach Durchfahren eines maximalen Hubs der Düsennadel an der Führungsscheibe zur Anlage. Dadurch wird einerseits der maximale Hub der Düsennadel begrenzt, andererseits wird durch die Anlage des hülsenförmigen Fortsatzes an der Führungsscheibe eine gute Abschirmung der Düsenfeder gegenüber dem Kraftstoffstrom innerhalb des Düsenraums erreicht. Zur Durchleitung des Kraftstoffs in Richtung der Einspritzöffnungen sind weiterhin in vorteilhafter Weise Bohrungen innerhalb der Führungsscheibe ausgebildet, durch die der Kraftstoff strömen kann. Dabei sind die Bohrungen in vorteilhafter Weise so angeordnet, dass der durch sie hindurch strömende Kraftstoffstrom zwischen dem Federteller und der Wand des Druckraums hindurchtritt.
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In vorteilhafter Weise ist dabei eine Vielzahl von Bohrungen in der Führungsscheibe ausgebildet, die über den Umfang der Führungsscheibe verteilt angeordnet sind. Dies dient einerseits der Vergleichmäßigung der Strömung, um Querkräfte auf die Düsennadel auszuschließen, und andererseits wird dadurch eine Drosselung des Kraftstoffstroms vermieden, was zu einem unerwünschten Druckabfall an der Führungsscheibe führen würde.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel an ihrem den Einspritzöffnungen abgewandten Ende in einer Hülse geführt. Diese Hülse begrenzt dabei in vorteilhafter Weise einen Steuerraum, über dessen hydraulischen Druck eine Schließkraft auf die Düsennadel ausgeübt wird. Dadurch wird ein kompakter und einfacher Aufbau des Kraftstoffeinspritzventils erreicht.
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Zwischen der Hülse und der Führungsscheibe ist weiterhin in vorteilhafter Weise eine Spannfeder unter Vorspannung angeordnet, die die Hülse, in der das brennraumabgewandte Ende der Düsennadel aufgenommen ist, dichtend gegen das den Druckraum begrenzende Bauteil drückt. Dabei weist die Spannfeder in vorteilhafter Weise eine größere Federkonstante auf als die Düsenfeder, sodass einerseits eine gute Abdichtung an der Hülse erreicht wird und andererseits nur eine geringe Schließkraft durch die Düsenfeder auf die Düsennadel ausgeübt wird, sodass diese bereits bei einem geringen Druckabfall im Steuerraum praktisch verzögerungsfrei öffnet.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt. Es zeigt
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1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur die wesentlichen Teile dargestellt sind und
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2 eine Vergrößerung des in 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzventils im Bereich der Führungsscheibe.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt, wobei nur die wesentlichen Teile des Kraftstoffeinspritzventils dargestellt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist ein Gehäuse 3 auf, in dem ein Druckraum 5 ausgebildet ist. Der Druckraum 5 kann über einen Hochdruckkanal 16 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden und wird an seinem brennraumseitigen Ende von einem Körpersitz 8 begrenzt, von dem eine oder mehrere Einspritzöffnungen 11 ausgehen. Innerhalb des Druckraums 5 ist eine Düsennadel 7, die im Wesentlichen kolbenförmig ausgebildet ist, längsverschiebbar angeordnet. Die Düsennadel 7 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine Dichtfläche 9 auf, mit der die Düsennadel 7 mit dem Körpersitz 8 zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen 11 zusammenwirkt, sodass bei Anlage der Düsennadel 7 auf dem Körpersitz 8 der Kraftstoffstrom aus dem Druckraum 5 zu den Einspritzöffnungen 11 unterbrochen wird, während dann, wenn die Düsennadel 7 vom Körpersitz 8 abgehoben hat, ein Kraftstoffstrom aus dem Druckraum 5 zwischen dem Körpersitz 8 und der Dichtfläche 9 hindurch zu den Einspritzöffnungen 11 freigegeben wird.
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Die Düsennadel 7 ist in einem Führungsabschnitt 12 innerhalb des Druckraums 5 geführt, wobei zur Durchleitung des Kraftstoffs am Führungsabschnitt 12 Anschliffe 13 vorgesehen sind, beispielsweise drei Anschliffe 13, die gleichmäßig über den Umfang der Düsennadel 7 verteilt angeordnet sind.
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In Längsrichtung des Druckraums 5 gesehen ist etwa in der Mitte eine Führungsscheibe 17 angeordnet, die eine Öffnung 29 aufweist, die mittig in der Führungsscheibe 17 ausgebildet ist. Die Führungsscheibe 17 ist dabei innerhalb des Druckraums 5 ortsfest angeordnet, wobei dies beispielsweise dadurch geschehen kann, dass das Gehäuse 3 des Kraftstoffeinspritzventils mehrteilig aufgebaut ist, sodass die Führungsscheibe 17 zwischen den verschiedenen Teilen fixiert werden kann. Die Düsennadel 7 wird an ihrem dem Körpersitz 8 abgewandten Ende in einer Hülse 15 geführt, wobei die Hülse 15 durch eine Spannfeder 30, die die Düsennadel 7 umgibt, gegen einen Kopplerkolben 22 gedrückt wird, sodass durch den Kopplerkolben 22, die Hülse 15 und das körpersitzabgewandte Ende der Düsennadel 7 ein Steuerraum 19 begrenzt wird, durch dessen hydraulischen Druck eine Schließkraft auf die Düsennadel 7 ausgeübt wird. Die Spannfeder 30 ist unter Druckvorspannung zwischen der Hülse 15 und einer Federscheibe 32 angeordnet, wobei sich die Federscheibe 32 ihrerseits auf der Führungsscheibe 17 abstützt.
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Zur Erzeugung einer Schließkraft auf die Düsennadel 7 ist weiterhin eine Düsenfeder 36 vorgesehen, die die Düsennadel 7 ebenfalls umgibt und die auf der dem Körpersitz 8 zugewandten Seite der Führungsscheibe 17 angeordnet ist. Dabei ist die Düsenfeder 35 zwischen der Führungsscheibe 17 und einem Federteller 36 unter Druckvorspannung angeordnet, wobei sich der Federteller 36 an einem Absatz der Düsennadel 7 abstützt. Der Federteller 36, der in 2 nochmals vergrößert dargestellt ist, weist dabei einen hülsenförmigen Fortsatz 38 auf, der die Düsenfeder 35 fast vollständig umgibt. Am hülsenförmigen Fortsatz 38 ist an der der Führungsscheibe 17 zugewandten Seite eine Anschlagfläche 40 als Ringfläche ausgebildet, die im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils einen Abstand h zur Führungsscheibe 17 aufweist.
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Zur Steuerung des Kraftstoffdrucks innerhalb des Steuerraums 19 ist der Kopplerkolben 22 in einer Aufnahme 24 geführt, die im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist und die zusammen mit dem Kopplerkolben 22 einen Kopplerraum 25 begrenzt, der über eine innerhalb des Kopplerkolbens 22 ausgebildete Verbindungsdrossel 28 mit dem Steuerraum 19 verbunden ist. Hierbei ist die Aufnahme 24 ortsfest innerhalb des Druckraums 5 angeordnet, während der Kopplerkolben 22 über einen Steuerkolben 27 in Längsrichtung bewegbar ist, wobei der Steuerkolben 27 wiederum durch einen elektrischen Aktor längsbewegbar ist, beispielsweise durch einen Piezoaktor. Zwischen der Aufnahme 24 und der Wand des Druckraums 5 verbleibt dabei ein Spalt, durch den der Kraftstoff in Richtung der Einspritzöffnungen 11 strömen kann. Alternativ können an der Außenseite der Aufnahme 24 auch Nuten oder andere Ausnehmungen ausgebildet sind, durch die eine Kraftstoffströmung an der Aufnahme vorbei ermöglicht wird.
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Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung befindet sich die Düsennadel 7 in Anlage am Körpersitz 8 und verschließt so die Einspritzöffnungen 11 gegenüber dem Druckraum 5. Der Kopplerkolben 22 befindet sich in seiner oberen Stellung, d. h. mit maximalem Abstand zur Düsennadel 7, wobei der Kopplerraum 25 und der Steuerraum 19, gespeist über Drosselspalte, wie sie beispielsweise zwischen der Hülse 15 und der Düsennadel 7 oder zwischen der Aufnahme 24 und dem Kopplerkolben 22 ausgebildet sind, mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt sind, mit dem auch der Druckraum 5 befüllt ist. Zur Einspritzung wird der Kopplerkolben 22, angetrieben durch den Steuerkolben 27, in Richtung der Düsennadel 7 gedrückt. Dadurch vergrößert sich einerseits der Kopplerraum 25 und andererseits verkleinert sich der Steuerraum 19, wobei aufgrund der Durchmesserverhältnisse von Steuerraum 19 zu Kopplerkolben 25 insgesamt eine Volumenzunahme des Gesamtraums aus Kopplerraum 25 und Steuerraum 19 erreicht wird. Da über die Drosselspalte nur langsam Kraftstoff aus dem Druckraum 5 nachströmt, sinkt dadurch der Druck im Steuerraum 19 und verringert die Schließkraft auf die Düsennadel 7. Durch den hydraulischen Druck auf die Düsennadel 7, wie er durch den Kraftstoffdruck innerhalb des Druckraums 5 herrscht, wird dann die Düsennadel 7 vom Körpersitz 8 abgehoben und gibt die Einspritzöffnungen 11 frei. Dabei erfolgt die Bewegung der Düsennadel 7 entgegen der Kraft der Düsenfeder 35 so lange, bis der Federteller 36 mit der Anschlagfläche 40 an der Führungsscheibe 17 zur Anlage kommt. Der Kraftstoff, der durch die Einspritzöffnungen 11 austritt, fließt dabei über den Hochdruckkanal 16 in den Druckraum 5, durch die Bohrungen 18 innerhalb der Führungsscheibe 17 und zwischen dem Spalt, der zwischen dem Federteller 36 und der Wand des Druckraums 5 verbleibt, zu den Einspritzöffnungen 11. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Steuerkolben 27 wieder zurückgezogen, sodass der Kopplerkolben 22 dieser Bewegung folgt und das Gesamtvolumen, bestehend aus dem Steuerraum 19 und dem Kopplerkolben 25, wieder verringert und damit den Druck ansteigen lässt, sodass die Düsennadel 7 durch den Kraftstoffdruck innerhalb des Steuerraums 19 wieder zurück in ihre Schließstellung gedrückt wird.
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Der Kraftstoff, der durch die Einspritzöffnungen 11 austritt, fließt – wie schon erwähnt – durch den Druckraum 5 und die Bohrungen 18 innerhalb der Führungsscheibe 17 hindurch. Da der hülsenförmige Fortsatz 38 des Federtellers 36 die Düsenfeder 35 radial nach außen abschirmt, fließt der Kraftstoff nicht an der Düsenfeder 35 vorbei und beeinflusst diese nicht in ihrer Bewegung, sodass durch die Düsenfeder 35 eine genau definierte Kraft auf die Düsennadel 7 ausgeübt wird. Hierbei sind in der Führungsscheibe 17 vorzugsweise mehrere Bohrungen 18 über den Umfang verteilt angeordnet, um einerseits einen gleichmäßigen Kraftstoffstrom in Richtung der Einspritzöffnungen 11 zu ermöglichen, der keine Querkräfte auf die Düsennadel 7 ausübt, und die Bohrungen 18 andererseits dafür sorgen, dass es zu keiner Drosselung des Kraftstoffstroms und damit zu einem Druckabfall an der Führungsscheibe 17 kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10024703 A1 [0002]
- DE 102012205696 A1 [0004]
