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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil.
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Ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoff-Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen ist in der
DE 198 49 210 A1 offenbart. Es weist eine Magnetspule, einen durch die Magnetspule in eine Hubrichtung gegen eine Rückstellfeder beaufschlagbaren Anker und eine mit einem Ventilschließkörper in Verbindung stehende Ventilnadel auf. Der Anker ist zwischen einem mit der Ventilnadel verbundenen, die Bewegung des Ankers in der Hubrichtung begrenzenden ersten Anschlag und einem mit der Ventilnadel verbundenen, die Bewegung des Ankers entgegen der Hubrichtung begrenzenden zweiten Anschlag beweglich. Zwischen dem zweiten Anschlag und dem Anker ist eine Dämpfungsfeder in Form einer Tellerfeder angeordnet. Bei dem in der
DE 199 27 900 A1 offenbarten Brennstoffeinspritzventil ist stattdessen der zweite Anschlag von einem Federelement gebildet.
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Die
EP 2 527 637 A1 offenbart einen Injektor zum Injizieren von Flüssigkeit. Dieser hat eine Ventilnadel, die in Bezug auf einen Ventilkörper axial beweglich ist und betreibbar ist, um eine Fluideinspritzung in einer Schließstellung zu verhindern und die Fluideinspritzung in einer offenen Position zu ermöglichen. Er hat einen Anker um die Ventilnadel in eine erste Richtung von der Schließposition in Richtung der offenen Position zu bewegen. Ein Nadelhalter ist an der Ventilnadel befestigt ist. Ein Ankerhalter ist an dem Anker befestigt. Der Nadelhalter und der Ankerhalter sind lösbar koppelbar, so dass, wenn der Anker sich in die erste Richtung bewegt, die Nadel durch die Bewegung von Ankerhalter und Nadelhalter in die erste Richtung bewegt wird.
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Die
DE 199 48 238 A1 betrifft ein Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, das mit einer Magnetspule, einem durch die Magnetspule in einer Schließrichtung von einer ersten Rückstellfeder beaufschlagten zweiteiligen Anker und einer mit dem größeren Ankerteil kraftschlüssig in Verbindung stehenden Ventilnadel zur Betätigung eines Ventilschließkörpers versehen ist. Das erste Ankerteil ist in der Schließrichtung von der ersten Rückstellfeder und das zweite Ankerteil ist in der Schließrichtung von einer zweiten Rückstellfeder beaufschlagt, wobei die Federkonstanten der Rückstellfedern unterschiedlich sind.
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Es sind Kraftstoffeinspritzventile bekannt, bei denen der Anker zunächst einen vorbestimmten Leerhub zurück legt, bevor er an der Ventilnadel eingreift, um diese aus der Schließstellung heraus zu bewegen. Beispielsweise die
DE 103 45 967 A1 , die
DE 198 16 315 A1 und die
WO 2012/041984 A1 zeigen solche Kraftstoffeinspritzventile.
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Bei solchen Kraftstoffeinspritzventilen kann es beim Erreichen einer vorgegebenen Öffnungsposition der Ventilnadel zu einem oszillierenden Verlauf der Nadelposition um die vorgegebene Öffnungsposition herum kommen. Der oszillierende Verlauf beeinflusst die vom Kraftstoffeinspritzventil abgegebene Kraftstoffmenge. Der exakte Verlauf der Oszillationen ist nur schwer vorhersagbar. Zudem können die Oszillationen dazu führen, dass die Kraftstoffmenge nicht mehr linear oder sogar nicht mehr monoton von der Ventilöffnungszeit abhängt. Dieser nichtlineare, insbesondere oszillierende Verlauf der Mengenkennlinie wird auch „S-shape” genannt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzventil anzugeben, mit welchem eine besonders präzise Kraftstoff-Dosierung und/oder eine besonders einfache Ansteuerbarkeit erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Kraftstoffeinspritzventils sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Es wird ein Kraftstoffeinspritzventil angegeben. Das Kraftstoffeinspritzventil hat eine Ventilbaugruppe. Die Ventilbaugruppe weist eine verschieblich gelagerte Ventilnadel und einen Ventilsitz auf. Die Ventilnadel und der Ventilsitz wechselwirken mechanisch miteinander, um in einer Schließposition der Ventilnadel Kraftstofffluss durch eine Einspritzöffnung des Kraftstoffeinspritzventils zu verhindern und in anderen Positionen der Ventilnadel den Kraftstofffluss frei zu geben.
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Zudem hat das Kraftstoffeinspritzventil eine vorgespannte Schließfeder, welche eine Federkraft auf die Ventilnadel ausübt. Die Federkraft belastet die Ventilnadel in Richtung zur Schließposition hin. Außerdem hat das Kraftstoffeinspritzventil eine elektromagnetische Aktorbaugruppe, die eine Spule, ein Polstück und einen Magnetanker aufweist.
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Der Magnetanker ist gegenüber der Ventilnadel verschieblich gelagert. Die Ventilnadel weist ein Anschlagelement auf, von dem der Magnetanker in einem Ruhezustand des Kraftstoffeinspritzventils beabstandet ist. Bei einer Ausgestaltung ist der Anker mittels einer Ankerrückstellfeder in Richtung von dem Anschlagelement weg federbelastet.
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Die Spule ist dazu ausgebildet, eine Magnetkraft auf den Magnetanker zu erzeugen, wenn sie zum Freigeben des Kraftstoffflusses durch die Einspritzöffnung bestromt wird, um den Magnetanker zum Polstück hin zu bewegen. Der Magnetanker legt auf seinem Weg zum Polstück hin zunächst einen Leerhub zu dem Anschlagelement hin zurück und geht nachfolgend eine formschlüssige Verbindung mit diesem ein, so dass er die Ventilnadel in Richtung zu dem Polstück hin mitnimmt. Dabei überträgt er insbesondere die Magnetkraft zumindest teilweise auf die Ventilnadel um diese zu beschleunigen und/oder gegen den Strömungswiderstand durch den Kraftstoff in der Ventilbaugruppe zu bewegen.
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Eine Federkonstante der Schließfeder und die Magnetkraft der Aktorbaugruppe sind derart aneinander angepasst, dass der Betrag der Summenkraft aus der Federkraft und der Magnetkraft mit zunehmendem Abstand der Ventilnadel von der Schließposition gleich bleibt oder, bevorzugt, mit zunehmendem Abstand der Ventilnadel von der Schließposition abnimmt. Mit anderen Worten ist die Differenz zwischen Magnetkraft und Federkraft unabhängig vom Abstand der Ventilnadel von der Schließposition oder die Differenz zwischen Magnetkraft und Federkraft sinkt bevorzugt mit zunehmendem Abstand der Ventilnadel von der Schließposition.
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Bei einer Ausgestaltung hat das Kraftstoffeinspritzventil einen Stopper, der die Bewegung des Magnetankers und/oder der Ventilnadel zum Polstück hin begrenzt. Der Stopper ist beispielsweise von dem Polstück gebildet oder ortsfest zum Polstück, insbesondere an dem Polstück befestigt. Die Federkonstante der Schließfeder und die Magnetkraft der Aktorbaugruppe sind vorzugsweise derart aneinander angepasst, dass die Summenkraft von der Schließposition weg gerichtet ist, wenn der Magnetanker bzw. die Ventilnadel in Kontakt mit dem Stopper kommt. Bei einer bevorzugten Weiterbildung hat die Summenkraft, wenn der Magnetanker bzw. die Ventilnadel in Kontakt mit dem Stopper kommt, einen Betrag der höchstens halb so groß ist wie der Betrag der Summenkraft auf die Ventilnadel beim Verlassen der Schließposition, insbesondere bei gleichem Strom durch die Spule.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung bleibt der Betrag der Magnetkraft mit zunehmendem Abstand der Ventilnadel von der Schließposition gleich. Hierzu ist die Spule beispielsweise mit einem Betriebsstrom beaufschlagbar, der mit zunehmendem Abstand der Ventilnadel von der Schließposition sinkt. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, dass der Betrag der Summenkraft mit zunehmendem Abstand der Ventilnadel von der Schließposition sinkt. Bei einer anderen Ausgestaltung nimmt der Betrag der Magnetkraft mit zunehmendem Abstand der Ventilnadel von der Schließposition zu. In diesem Fall kann die Spule bei einer Weiterbildung mit während der Öffnungsbewegung der Ventilnadel zumindest zeitweise mit einem konstanten Betriebsstrom beaufschlagt sein.
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Bei einer Ausgestaltung nimmt der Betrag der Summenkraft aus der Federkraft und der Magnetkraft mit zunehmendem Abstand der Ventilnadel von der Schließposition bei konstantem Strom durch die Spule ab oder bleibt zumindest gleich. Der konstante Strom durch die Spule ist bei einer Ausgestaltung der maximale Betriebsstrom, für den die Aktorbaugruppe ausgelegt ist. Der maximale Betriebsstrom hat beispielsweise einen Wert zwischen 10 A und 18 A, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Bei einer anderen Ausgestaltung ist der konstante Strom durch die Spule der Haltestrom, der an die Spule anlegbar ist um das Ventil in einer Öffnungsstellung zu halten in welcher der Magnetanker oder die Ventilnadel am Stopper anliegt und das Anschlagelement der Ventilnadel in Kontakt mit dem Magnetanker ist. Der Haltestrom hat beispielsweise einen Wert zwischen 3 A und 5 A, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die Anpassung der Magnetkraft erfolgt beispielsweise bei diesen Ausgestaltungen insbesondere durch die Wahl von Induktivität und Nennstrom der Spule.
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Bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventilen hat die Schließfeder nur eine relativ geringe Federkonstante, so dass die Federkraft kaum von der Position der Ventilnadel abhängt und der Anstieg der Magnetkraft aufgrund der Annäherung des Magnetankers an das Polstück überwiegen kann. Die Beschleunigung der Ventilnadel steigt dann mit dem Abstand von der Schließposition. Demgegenüber sinkt die Beschleunigung der Ventilnadel bei dem vorliegenden Kraftstoffeinspritzventil mit Vorteil im Verlauf der Öffnungsbewegung der Ventilnadel. Insbesondere ist die Geschwindigkeit der Nadel – und damit ihre kinetische Energie – besonders gering, wenn der Magnetanker bzw. die Ventilnadel am Stopper anschlägt. Auf diese Weise haben die Oszillationen der Nadel um die Öffnungsstellung – in welcher der Magnetanker oder die Ventilnadel am Stopper anliegt und das Anschlagelement der Ventilnadel in Kontakt mit dem Magnetanker ist – mit Vorteil eine besonders geringe Amplitude oder sind sogar vollständig unterdrückt.
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Zweckmäßigerweise kann die Aktorbaugruppe dazu ausgelegt sein, das Kraftstoffeinspritzventil in der Öffnungsstellung zu halten. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schließfeder derart ausgelegt, dass sich die Federkraft im Verlauf von der Schließposition zu der Öffnungsstellung gegenüber der Vorspannung mindestens auf das 1,5-fache erhöht und vorzugsweise mindestens verdoppelt. Demgegenüber ist die Federkraft bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventilen üblicherweise über den gesamten Nadelhub im Wesentlichen konstant. Die Vorspannung hat bei einer Ausgestaltung einen Wert zwischen 5 N und 25 N, vorzugsweise zwischen 10 N und 20 N.
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Bei einer Ausgestaltung sind die Federkonstante der Schließfeder und die Magnetkraft der Aktorbaugruppe derart aneinander angepasst, dass die Ventilnadel durch den Strömungswiderstand des Kraftstoffs in der Ventilbaugruppe gebremst wird, wenn der Abstand der Ventilnadel von der Schließposition einen vorgegebenen Wert überschreitet, der insbesondere kleiner ist als der Nadelhub. Insbesondere wird – bei einem vorgegebenen konstanten Strom durch die Spule – die Ventilnadel beim Verlassen der Schließposition zunächst entlang eines Teils des Nadelhubs beschleunigt und nachfolgend über einen weiteren Teil des Nadelhubs gebremst, wenn der Abstand den vorgegebenen Wert überschreitet. Auf diese Weise ist das Risiko für Oszillationen der Ventilnadel um die Öffnungsstellung besonders gering. Der Nadelhub ist dabei die Distanz, welche die Ventilnadel von der Schließposition bis zur Öffnungsstellung zurücklegt.
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Bei einer Ausgestaltung sind die Federkonstante der Schließfeder und die Magnetkraft der Aktorbaugruppe derart aneinander angepasst, dass der Betrag der Summenkraft mit dem Abstand der Ventilnadel von der Schließposition monoton abnimmt, insbesondere bei konstantem Strom durch die Spule. Bei einer weiteren Ausgestaltung ist das Kraftstoffeinspritzventil zum Betrieb bei einem Kraftstoffdruck von 700 bar oder weniger, insbesondere von 500 bar oder weniger ausgelegt.
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Insbesondere ist die elektromagnetische Aktorbaugruppe so schwach ausgelegt, dass sie dazu ungeeignet ist, die Nadel gegen einen höheren Druck des Kraftstoffs in der Ventilbaugruppe von der Schließposition weg zu bewegen. Die Federkonstante der Schließfeder beträgt bei einer Weiterbildung 100 N/mm oder mehr, vorzugsweise 300 N/mm oder mehr.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung ist das Ventil mittels des Leerhubs und des Magnetankers derart ausgelegt, dass die Kraft des Magnetankers auf die Ventilnadel beim Eingehen der formschlüssigen Verbindung zwischen Magnetanker und Anschlagelement einen Wert von 1,3 oder mehr der Summe aus der Vorspannung der Schließfeder und der vom Kraftstoff in der Schließposition auf die Ventilnadel ausgeübten hydraulischen Kraft hat. Vorzugsweise beträgt der Wert von 1,5 oder mehr, und insbesondere zwischen dem 2-fachen und dem 4-fachen der Summe aus der Vorspannung der Schließfeder und der vom Kraftstoff in der Schließposition auf die Ventilnadel ausgeübten hydraulischen Kraft. Der Strom durch die Spule hat bei einer Weiterbildung ein Maximum, wenn der Magnetanker mit dem Anschlagelement in Kontakt kommt. Beispielsweise hat er dann einen Wert, der dem maximalen Betriebsstrom entspricht.
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Auf diese Weise wird die Ventilnadel von der Schließposition sicher abgehoben und die Ventilnadel durchläuft insbesondere mindestens das erste Drittel des Nadelhubs schnell. Beispielsweise durchläuft die Ventilnadel mindestens die ersten 50 μm des Nadelhubs schnell.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Kraftstoffeinspritzventils ergeben sich aus den folgenden, in Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
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1 ein bekanntes Kraftstoffeinspritzventil,
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2, einen schematischen Längsschnitt eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils,
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3 ein Diagramm der von dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil in Abhängigkeit von der Öffnungsdauer abgegebenen Kraftstoffmenge,
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4 ein Diagramm der Nadelposition und der Position des Magnetankers in Abhängigkeit von der Öffnungsdauer bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil
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5 ein Diagramm der Nadelposition und der Position des Magnetankers in Abhängigkeit von der Öffnungsdauer bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil
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6 ein Diagramm der Magnetkraft, der Federkraft und der hydraulischen Kraft in Abhängigkeit von der Öffnungsdauer bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil
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Identische, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In manchen Figuren können einzelne Bezugszeichen zur Verbesserung der Übersichtlichkeit weggelassen sein. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten, es sei denn, Einheiten sind ausdrücklich angegeben. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
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1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil 100 für einen Verbrennungsmotor nach dem Stand der Technik in einer Längsschnittdarstellung durch eine Längsachse 140 des Kraftstoffeinspritzventils 100.
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Das Kraftstoffeinspritzventil 100 hat eine Ventilbaugruppe 105. Diese weist einen hohlen Ventilkörper 160, eine Ventilnadel 135 und einen Ventilsitz 150 auf.
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Die Ventilnadel 135 ist in dem Ventilkörper 160 aufgenommen und gegenüber dem Ventilkörper 160 verschieblich gelagert. Sie wechselwirkt mechanisch mit dem Ventilsitz 150, um eine Einspritzöffnung 115 des Kraftstoffeinspritzventils 100 zu verschließen. Hierzu hat die Ventilnadel 135 an ihrem der Einspritzöffnung 115 zugewandten Ende ein Schließelement 145, das vorliegend die Grundform einer Kugel hat.
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Zudem weist die Ventilnadel 135 ein Anschlagelement 165 auf, das an einem dem Schließelement 145 gegenüberliegenden Ende der Ventilnadel 135 angeordnet ist. Eine Schließfeder 155 des Kraftstoffeinspritzventils 100 greift an dem Anschlagelement 165 an. Die Schließfeder 155 ist vorgespannt um eine Federkraft Ff auf die Ventilnadel 135 auszuüben, welche die Ventilnadel 135 in Richtung zu einer Schließposition 230 hin vorbelastet. In der Schließposition 230 ist das Schließelement 145 in dichtendem Kontakt mit dem Ventilsitz 150.
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Das Kraftstoffeinspritzventil 100 hat zudem eine elektromagnetische Aktorbaugruppe 120, die eine Spule 125, ein Polstück 127 und einen Magnetanker 130 aufweist. Das Polstück 127 ist ortsfest bezüglich des Ventilkörpers 160. Beispielsweise ist es an dem Ventilkörper 160 befestigt oder einstückig mit diesem ausgebildet.
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Der Magnetanker 130 ist in dem Ventilkörper 160 angeordnet und gegenüber dem Ventilkörper 160 verschieblich gelagert. Zudem ist er gegenüber der Ventilnadel 135 verschieblich gelagert, und zwar zwischen dem Anschlagelement 165 und einer Scheibe 180, die beide fest mit einem Schaft der Ventilnadel 135 verbunden sind.
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Die Spule 125 ist dazu ausgebildet, eine Magnetkraft Fm auf den Magnetanker 130 zu erzeugen, wenn sie zum Freigeben des Kraftstoffflusses durch die Einspritzöffnung 115 bestromt wird. Die Magnetkraft Fm bewegt den Magnetanker 130 zu dem Polstück 127 hin, wobei er zunächst einen Leerhub 220 zu dem Anschlagelement 165 hin zurücklegt, von welchem er in einem stromlosen Ruhezustand des Kraftstoffeinspritzventils 100 beabstandet ist, bevor er eine formschlüssige Verbindung mit dem Anschlagelement 165 eingeht, so dass er die Ventilnadel 135 auf seinem weiteren Weg in Richtung zu dem Polstück 127 hin mitnimmt, so dass die Ventilnadel 135 von der Schließstellung 230 weg bewegt wird und so den Kraftstofffluss durch die Einspritzöffnung 115 frei gibt.
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Ein Stopper 170, der vorliegend von einem dem Magnetanker 130 zugewandten Ende des Polstücks 127 gebildet ist, begrenzt die axiale Beweglichkeit des Magnetankers 130 zum Polstück 127 hin. In einer Öffnungsstellung 215, 235 der Ventilbaugruppe 105 liegt der Magnetanker 130 am Stopper 170 an und das Anschlagelement 165 liegt am Magnetanker 130 an.
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Bei dem Kraftstoffeinspritzventil 100 gemäß 1 ist der Leerhub 220 mittels eines Permanentmagneten 175 sichergestellt, der eine vom Polstück 127 weg gerichtete Ankerrückstellkraft Fr auf den Magnetanker 130 ausübt. Die von dem Permanentmagneten 175 ausgeübte Ankerrückstellkraft Fr nimmt mit dem Abstand des Magnetankers 130 vom Permanentmagneten 175 stark ab, so dass sie insbesondere den Anschlag des Magnetankers 130 am Polstück 127 am Ende der Öffnungsbewegung nicht oder nur geringfügig dämpft. Dies führt zu einem Überschießen der Ventilnadel 135 und zu Oszillationen der Ventilnadel 135 um die Öffnungsposition 235 der Ventilnadel 135, bei welcher das Anschlagelement 165 in formschlüssigem Kontakt mit dem Magnetanker 130 ist während der Magnetanker 130 in formschlüssigem Kontakt mit dem Polstück 127 ist.
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Diese Oszillationen sind beispielhaft in der 4 dargestellt, welche den Abstand nl der Ventilnadel 135 vom Ventilsitz 145 (gestrichelte Linie) und die Position des Magnetankers 130 (durchgezogene Linie) in Abhängigkeit von der Öffnungsdauer Ti des Kraftstoffeinspritzventils 115 zeigt. Die Öffnungsdauer Ti ist dabei insbesondere die Dauer eines an die Spule 125 angelegten elektrischen Stromsignals.
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Der oszillatorische Verlauf der Nadelposition ist in dem mittels eines Kreises markierten Bereich zu erkennen. Er führt zu der in 3 mittels der gestrichelten Ellipse markierten Nichtlinearität der Einspritzmenge mf Abhängigkeit von der Öffnungsdauer Ti bei dem Kraftstoffeinspritzventil 100 der 1.
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Demgegenüber zeigt die 2 einen Ausschnitt eines Kraftstoffeinspritzventils 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das grundsätzlich dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen bekannten Kraftstoffventil 100 entspricht. 2 zeigt einen Ausschnitt der Ventilbaugruppe 105 des Kraftstoffeinspritzventils 100 in einem einen Längsschnitt. Dabei ist zur Vereinfachung nur die in der Zeichenebene rechte Hälfte der Ventilbaugruppe 105 dargestellt.
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Im Unterschied zum Kraftstoffeinspritzventil 100 der 1 ist der Leerhub 220 des Magnetankers 130 mittels einer Ankerrückstellfeder 240 sichergestellt. Der Permanentmagnet 175 kann mit Vorteil weggelassen sein. Gegenüberliegende Enden der Ankerrückstellfeder 240 können beispielsweise gegen den Stopper 170 und gegen den Magnetanker 130 abgestützt sein, wie in 2 gezeigt. Zur Aufnahme der jeweiligen Enden können Aussparungen 245, 250 im Magnetanker 130 bzw. im Stopper 170 vorgesehen sein.
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Ist der Stopper vom Polstück
127 verschieden, kann ein Ende der Ankerrückstellfeder
240 auch gegen das Polstück
127 selbst abgestützt sein. Vorliegend folgt die Ankerrückstellfeder
240 in radialer Richtung dem Magnetanker
130 bzw. dem Stopper
170 nach. Alternativ können die Enden der Ankerrückstellfeder
240 auch in zentralen Durchgangsöffnungen des Magnetankers
130 und/oder des Stoppers
170 bzw. des Polstücks
127 angeordnet sein. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist ein Ende der Ankerrückstellfeder nicht gegen den Stopper
170 sondern gegen die Ventilnadel
135, insbesondere gegen das Anschlagelement
165 abgestützt. Details zur Anordnung und Gestalt von Ankerrückstellfeder
240, Anschlagelement
165 (auch Mitnehmer genannt), Magnetanker
130 und Stopper
170 bzw. Polstück
127 sind in der
deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2013 219 974.0 offenbart, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug in die vorliegende Offenbarung aufgenommen wird.
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Im unbestromten Ruhezustand des Kraftstoffeinspritzventils 100 befindet sich der Magnetanker 130 aufgrund der Federbelastung durch die Ankerrückstellfeder 240 in einer ersten Position 205, in der er von dem Anschlagelement 165 der Ventilnadel 135 beabstandet ist. Mittels Beaufschlagung der Spule 125 mit einem Betriebsstrom wird eine Magnetkraft Fm auf den Magnetanker 130 erzeugt, um diesen gegen die Federkraft der Ankerrückstellfeder 240 von der ersten Position 205 um den Leerhub 220 gegenüber der Ventilnadel 135 axial zu verschieben, bis er in einer zweiten Position 210 in Kontakt mit dem Anschlagelement 165 kommt.
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Von dort wird er mittels der Magnetkraft Fm um den Betätigungsweg 225 zu einer dritten Position 215 verschoben, in der er an dem Stopper 170 anschlägt. Auf dem Betätigungsweg 225 nimmt der Magnetanker 130 mittels des Anschlagelements 165 die Ventilnadel gegen die Federkraft Ff der Schließfeder 155 von der Schließposition 230 zur Öffnungsposition 235 mit. In der Öffnungsstellung der Ventilbaugruppe 105 ist der Magnetanker 130 in der dritten Position 215 in formschlüssigem Kontakt mit dem Stopper 170 und die Ventilnadel 135 ist in der Öffnungsposition 235, wobei ihr Anschlagelement 165 in formschlüssigem Kontakt mit dem Magnetanker 130 ist.
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Der Kraftstoffinjektor 100 beispielsweise zum Betrieb bei einem Nenndruck von 350 bar ausgelegt. Insbesondere ist er dafür dazu ausgelegt, bis zu einem maximalen Kraftstoffdruck von 420 bar zu öffnen. Die Federkonstante der Schließfeder 155 hat bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Wert von 100 N/mm oder mehr, vorliegend von 300 N/mm. Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil der 1 beträgt die Federkonstante der Schließfeder 155 dagegen nur 14 N/mm. Die Schließfeder ist bei einer Ausgestaltung mit einer Kraft zwischen 10 N und 30 N vorgespannt, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorliegend beträgt die Vorspannung 20 N. Die Aktorbaugruppe ist beispielsweise für einen maximalen Betriebsstrom mit einem Wert zwischen 10 A und 20 A ausgelegt, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorliegend ist sie für einen maximalen Betriebsstrom von 12 A ausgelegt. Die Induktivität der Spule 125 hat bei einer Ausgestaltung einen Wert zwischen 0,1 mH und 10 mH, wobei die Grenzen eingeschlossen sind, zum Beispiel einen Wert von 2 mH. Die Induktivität ist dabei insbesondere im geschlossenen Zustand des Kraftstoffinjektors 100 gemessen (d. h. Magnetanker 130 in der ersten Position 205 und Ventilnadel 135 in der Schließposition 230). Vorliegend hat die Induktivität im geschlossenen Zustand einen Wert zwischen 2 mH und 4 mH. Ist der Magnetanker 130 in der zweiten Position 210 und die Spule mit dem maximalen Betriebsstrom von 12 A beaufschlagt sinkt die Induktivität beispielsweise auf einen Wert zwischen 0,16 mH und 0,8 mH.
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Der Leerhub 220 hat beispielsweise einen Wert zwischen 40 μm und 120 μm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind, vorliegend beträgt er 40 μm. Der Betätigungsweg 225 hat beispielsweise eine Länge von 40 μm oder mehr, vorzugsweise zwischen 40 μm und 100 μm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorliegend hat der Betätigungsweg 225 eine Länge von etwa 90 μm.
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Auf diese Weise sind die Federkonstante der Schließfeder 155 und die Magnetkraft der Aktorbaugruppe 120 derart aneinander angepasst, dass bei konstanter Magnetkraft Fm der Betrag der Summenkraft aus der Federkraft Ff und der Magnetkraft Fm mit zunehmendem Abstand der Ventilnadel 135 von der Schließposition 230 monoton abnimmt. In der Öffnungsstellung 215, 235 hat der Betrag der Summenkraft einen Wert von 50% oder weniger des Betrags der Summenkraft, wenn die Ventilnadel 135 die Schließposition 230 verlässt (Magnetanker 130 in der zweiten Position 210). Dabei ist die Summenkraft in der Öffnungsstellung 215, 235 von der Schließposition 230 weg gerichtet, so dass der Magnetanker 130 und Ventilnadel 135 mittels der Magnetkraft Fm in der Öffnungsstellung 215, 235 gehalten sind.
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Zugleich ist die Summenkraft so gering, dass die Ventilnadel nach Durchlaufen von etwa 50 μm des Betätigungswegs 225 nur noch schwach zum Polstück 127 hin beschleunigt wird und für mindestens 15 μm, vorzugsweise für mindestens 30 μm vor dem Anschlag des Magnetankers 130 am Stopper 170 durch den Strömungswiderstand des Kraftstoffs im Ventilkörper 160 gebremst wird. Mit Vorteil ist die Geschwindigkeit des Magnetankers 130 beim Anschlag an den Stopper 170 geringer, zum Beispiel um mindestens 30% geringer, vorzugsweise um mindestens 60% geringer, als bei einer Position, die dem Durchlaufen der ersten 50 μm des Betätigungswegs entspricht.
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6 zeigt den Verlauf der Kraft F in Abhängigkeit von der Öffnungsdauer Ti, d. h. von der Dauer des an die Spule 125 angelegten elektrischen Stromsignals, für die Magnetkraft Fm, die Federkraft Ff und die vom Kraftstoff auf die Ventilnadel 135 ausgeübte Kraft Fh. Dabei sind zur besseren Übersichtlichkeit nur die (positiven) Beträge von Federkraft Ff und Magnetkraft Fm aufgetragen, obwohl die beiden Kräfte in entgegengesetzte Richtungen wirken. Die 5 zeigt über der gleichen Zeitachse den Abstand nl der Ventilnadel 135 von der Schließposition 230 in Abhängigkeit von der Öffnungsdauer Ti (gestrichelte Linie) und die Position des Magnetankers 130 (durchgezogene Linie).
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Die Magnetkraft Fm steigt nach dem Einschalten des Spulenstroms zunächst an, bis bei einem ersten Zeitpunkt T1 zunächst die Bewegung des Magnetankers 130 von der ersten Position 205 weg beginnt und der Magnetanker 130 nachfolgend bei einem zweiten Zeitpunkt T2 an das Anschlagelement 165 anschlägt. Bei dem zweiten Zeitpunkt T2 beginnt die Bewegung der Ventilnadel 135 von der Schließposition 230 weg. Die Magnetkraft Fm wird von diesem Zeitpunkt T2 an zumindest näherungsweise konstant gehalten, indem der Betriebsstrom durch die Spule von einem Maximalwert kontinuierlich auf einen Haltestrom abgesenkt wird. Dagegen steigt die Federkraft Ff ab dem Zeitpunkt T2 ausgehend von der Vorspannung an, bis sie ihren Maximalwert erreicht, wenn das Ventil zu einem nachfolgenden, dritten Zeitpunkt T3 in die Öffnungsstellung 215, 235 gelangt. Der Maximalwert der Federkraft Ff entspricht vorliegend etwa dem 2,5-fachen der Vorspannung.
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Die Summenkraft aus Federkraft Ff und magnetischer Kraft Fm hat einen Wert von etwa 40 N, wenn die Ventilnadel im Zeitpunkt T2 die Schließposition 230 verlässt und nur noch einen Wert von etwa 15 N, wenn der Magnetanker 130 bzw. die Ventilnadel 135 im Zeitpunkt T3 in Kontakt mit dem Stopper 170 kommt. Dies entspricht einer Reduktion der Summenkraft auf weniger als 40%.
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Dabei ist der Betrag der Magnetkraft Fm in beiden Fällen größer als der Betrag der Federkraft Ff, so dass die Summenkraft jeweils in Öffnungsrichtung gerichtet ist. Wenn der Magnetanker 130 bzw. die Ventilnadel 135 im Zeitpunkt T3 in Kontakt mit dem Stopper 170 kommt, ist der Betrag der Summenkraft jedoch kleiner als der Betrag der hydraulischen Kraft Fh, mit welcher der Kraftstoff der Bewegung der Ventilnadel 135 entgegen wirkt, so dass die Ventilnadel vor dem Erreichen der Öffnungsposition 235 durch den Strömungswiderstand des Kraftstoffs gebremst wird.
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Das Überschießen der Nadel 135 über die Öffnungsposition 235 beim Anschlag des Magnetankers 130 an den Stopper 170 ist so besonders gering und Oszillationen der Nadelposition sind vermieden. Dies ist in der 5 anhand der gestrichelten Linie gezeigt, die den Abstand nl der Ventilnadel 135 von der Schließposition 230 in Abhängigkeit von der Öffnungsdauer Ti für das vorliegende Kraftstoffeinspritzventil 100 wiedergibt. Auch die Position des Magnetankers 130 hat mit Vorteil keinen oszillierenden Verlauf (siehe die durchgezogene Linie der 5). Die Einspritzmenge mf ist so besonders präzise einstellbar. Das Kraftstoffeinspritzventil 100 ist zur Erzielung einer vorgegebenen Einspritzmenge mf besonders einfach ansteuerbar.
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Die Kraft Fm des Magnetankers 130 von etwa 65 N auf die Ventilnadel 135 beim Eingehen der formschlüssigen Verbindung zwischen Magnetanker 130 und Anschlagelement 165 im Zeitpunkt T2 entspricht etwa dem 1,3-fachen der Summe aus der Vorspannung der Schließfeder 155 von vorliegend 20 N und der vom Kraftstoff in der Schließposition 230 auf die Ventilnadel 135 ausgeübten hydraulischen Kraft von etwa 30 N. So ist mittels des Leerhubs und dem Magnetankers ein ausreichender Kraftstoß sichergestellt, um die Ventilnadel 135 von der Schließposition 230 weg zu bewegen.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ausführungsbeispielen und Patentansprüchen beinhaltet.
