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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Düsenbaugruppe. Das Brennstoffeinspritzventil kann als Mono-Fuel-Injektor oder als Dual-Fuel-Injektor ausgebildet sein.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffeinspritzventile bzw. Injektoren weisen in der Regel nach innen öffnende Einspritzventilglieder auf, die in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt werden. Die Federkraft muss ausreichend groß bemessen sein, um im drucklosen Zustand, insbesondere im Startfall der Brennkraftmaschine, ein ungewolltes Öffnen des Einspritzventilglieds durch den im Brennraum vorhandenen Kompressionsdruck zu verhindern. Die Feder nimmt daher regelmäßig einen großen Raum innerhalb des Injektors ein.
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Die Gefahr eines ungewollten Öffnens steigt, wenn die druckbelasteten Flächen am Einspritzventilglied besonders groß sind. Dies ist insbesondere bei Dual-Fuel-Injektoren für Gasmotoren mit integrierter Dieselzündung der Fall, die zwei ineinander geführte Einspritzventilglieder aufweisen, von denen ein innen liegendes erstes Einspritzventilglied der Einspritzung eines flüssigen Brennstoffs und ein außen liegendes zweites Einspritzventilglied der Einspritzung eines gasförmigen Brennstoffs dient. Da der vergleichsweise große Durchmesser des außen liegenden Einspritzventilglieds eine entsprechend große Feder erfordert, um die Zuhaltefunktion beim Starten der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, ist eine kompakt bauende Anordnung meist nicht zu erreichen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düsenbaugruppe für ein Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder eines flüssigen Brennstoffs anzugeben, die besonders kompakt bauend ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffeinspritzventil mit einer solchen Düsenbaugruppe angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für ein Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Düsenbaugruppe umfasst einen Düsenkörper und ein Einspritzventilglied. Das Einspritzventilglied ist zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung zumindest abschnittsweise im Düsenkörper hubbeweglich aufgenommen, wobei zwischen dem Düsenkörper und dem Einspritzventilglied ein Ringraum ausgebildet wird. Erfindungsgemäß ist im Ringraum ein ortsfest angeordnetes und gegenüber dem Einspritzventilglied radial vorgespanntes Zuhalteelement aufgenommen, so dass zwischen dem Zuhalteelement und dem Einspritzventilglied ein Kraft- und/oder Formschluss realisierbar ist. Zur Aufhebung des Kraft- und/oder Formschlusses ist ferner ein axial verschiebbares Trennelement im Ringraum aufgenommen, das in Richtung des Zuhalteelements mit einem Fluiddruck beaufschlagbar ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe wird die Zuhaltefunktion durch das Zuhalteelement realisiert, so dass eine das Einspritzventilglied in Schließrichtung belastende Feder entbehrlich ist. Damit entfällt auch der Raum zur Aufnahme der Feder, so dass die erfindungsgemäße Düsenbaugruppe besonders kompakt bauend gestaltet werden kann.
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Zur Realisierung der Zuhaltefunktion ist das Zuhalteelement gegenüber dem Einspritzventilglied radial vorgespannt. Das heißt, dass das Zuhalteelement radial außen am Einspritzventilglied anliegt, um dieses in seiner Schließposition zu halten. Dies ist jedoch nur dann der Fall, wenn das System drucklos ist, d. h. kein Fluiddruck auf das Trennelement in Richtung des Zuhalteelements wirkt. Wird demgegenüber das Trennelement in Richtung des Zuhalteelements von einem Fluiddruck beaufschlagt, bewirkt dieser, dass der Kraft- und/oder Formschluss des Zuhalteelement mit dem Einspritzventilglied aufgehoben wird, da das druckbeaufschlagte Trennelement eine axiale Druckkraft auf das Zuhalteelement ausübt, die der radialen Vorspannkraft entgegen wirkt.
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Bevorzugt ist das Trennelement im Betrieb der Brennkraftmaschine stets druckbeaufschlagt, so dass das Öffnen des Einspritzventilglieds sichergestellt ist und der Einfluss des Zuhalteelements auf den Hub des Einspritzventilglieds so gering wie möglich gehalten wird. Die Zuhaltefunktion soll demnach lediglich ein ungewolltes Öffnen des Einspritzventilglieds beim Anlassen der Brennkraftmaschine verhindern. Baut sich nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine ein Fluiddruck im Ringraum auf, kann dieser zur axialen Verschiebung des Trennelements in Richtung des Zuhalteelements genutzt werden, so dass der Kraft- und/oder Formschluss zwischen dem Zuhalteelement und dem Einspritzventilglied aufgehoben wird.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Zuhalteelement als elastisch verformbarer Federarm ausgebildet, der gegenüber dem Einspritzventilglied radial vorgespannt ist. Die radiale Vorspannung gewährleistet den Kraftund/oder Formschluss des Zuhalteelements mit dem Einspritzventilglied im drucklosen Zustand. Demgegenüber stellt die elastische Verformbarkeit des Federarms sicher, dass der Kraft- und/oder Formschluss durch das Trennelement aufhebbar ist.
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Damit das Einspritzventilglied durch das radial vorgespannte Zuhalteelement über den Umfang gleichmäßig belastet wird, sind vorzugsweise mehrere als elastisch verformbare Federarme ausgebildete Zuhalteelemente im Ringraum der Düsenbaugruppe vorgesehen, die weiterhin vorzugsweise im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind.
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Anstelle mehrerer einzelner Zuhalteelemente kann auch ein einziges Zuhalteelement vorgesehen sein, das mindestens einen gegenüber dem Einspritzventilglied radial vorgespannten, elastisch verformbaren Federarm umfasst. Vorzugsweise umfasst das Zuhalteelement mehrere solcher Federarme, die weiterhin vorzugsweise im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind, um das Einspritzventilglied über den Umfang gleichmäßig zu belasten.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Zuhalteelement als federbelasteter Arm ausgebildet oder umfasst mindestens einen federbelasteten Arm, der gegenüber dem Einspritzventilglied radial vorgespannt ist. Die radiale Vorspannung wird in diesem Fall über eine Feder bewirkt, deren Federkraft den Arm in Richtung des Einspritzventilglieds beaufschlagt. Im Unterschied zum Federarm ist der federbelastete Arm ferner bevorzugt nicht elastisch verformbar ausgebildet, sondern an einem feststehenden Teil des Zuhalteelements verschwenkbar angelenkt. Das Gelenk kann beispielsweise durch ein Filmscharnier ausgebildet werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Einspritzventilglied außenumfangseitig mindestens einen Absatz und/oder mindestens eine Ausnehmung aufweist. Der Absatz und/oder die Ausnehmung ermöglicht bzw. ermöglichen in einfacher Weise die Herstellung eines Formschlusses zwischen dem Zuhalteelement und dem Einspritzventilglied. Um in Schließstellung des Einspritzventilglieds ein Hintergreifen des Absatzes durch das Zuhalteelement bzw. ein Eingreifen des Zuhalteelements in die Ausnehmung zu gewährleisten, ist die axiale Lage des Absatzes bzw. der Ausnehmung auf die axiale Lage des Zuhalteelements abzustimmen. Die Ausnehmung kann als Nut, insbesondere als Ringnut ausgebildet sein. Die Ringnut besitzt den Vorteil, dass der gewünschte Formschluss unabhängig von der Winkellage des Einspritzventilglieds gegenüber dem Zuhalteelement herstellbar ist. Gleiches gilt für den Absatz, der daher bevorzugt als ringförmiger Absatz ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise ist das Zuhalteelement am Düsenkörper axial abgestützt. Die axiale Abstützung kann beispielsweise an einem ringförmigen Absatz des Düsenkörpers erfolgen. Am Zuhalteelement kann hierzu mindestens eine Stützlasche oder ein ringförmiger Stützabschnitt ausgebildet sein. Die axiale Abstützung soll eine axiale Verschiebung des Zuhalteelements durch das Trennelement verhindern.
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Vorteilhafterweise ist das Trennelement auf der dem Brennraum abgewandten Seite des Zuhalteelements angeordnet. Die Druckbeaufschlagung des Trennelements erfolgt dann automatisch nach dem Starten der Brennkraftmaschine durch den sich im Ringraum aufbauenden Fluiddruck. Dieser hat zur Folge, dass das Trennelement in Richtung des Zuhalteelements axial verschoben wird und auf das Zuhalteelement eine axiale Druckkraft ausübt, die der radialen Vorspannkraft entgegen wirkt, so dass der Kraft- und/oder Formschluss des Zuhalteelements mit dem Einspritzventilglied aufgehoben wird.
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Das Trennelement ist bevorzugt als axial verschiebbare Hülse ausgebildet. Dadurch ist sichergestellt, dass das Zuhalteelement – unabhängig von der Winkellage des Trennelements – gleichmäßig belastet wird und der Kraft- und/oder Formschluss mit dem Einspritzventilglied sicher aufgehoben wird.
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Vorteilhafterweise ist die Hülse außenumfangseitig gestuft ausgeführt. Dadurch vergrößert sich die mit Fluiddruck beaufschlagbare Fläche, so dass größere Druckkräfte erzielbar sind. Alternativ zu einer gestuften Außenkontur kann die Hülse auch einen Bundabschnitt aufweisen. Die mit Fluiddruck beaufschlagbare größere Fläche, insbesondere Stirnfläche, ist vorzugsweise an dem Ende des Trennelements angerordnet, das dem Zuhalteelement abgewandt ist.
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Die gestufte Außenkontur bzw. der Bundabschnitt des Trennelements erleichtert zudem eine Unterteilung des Ringraums in unterschiedliche Druckräume, da die Stärke des Trennelements in radialer Richtung in der Weise gewählt werden kann, dass eine Spaltdichtung zwischen dem Trennelement und dem Düsenkörper sowie zwischen dem Trennelement und dem Einspritzventilglied ausgebildet wird. Dadurch ist sichergestellt, dass – zumindest während des Betriebs der Brennkraftmaschine – beidseits des Trennelements stets unterschiedliche Druckverhältnisse herrschen. Dabei sollte der Druck auf der dem Zuhalteelement abgewandten Seite größer als auf der dem Zuhalteelement zugewandten Seite sein, um einen Kraft- und/oder Formschluss des Zuhalteelements mit dem Einspritzventilglied sicher zu verhindern. Die Druckdifferenz kann beispielsweise 3 bis 10 bar betragen.
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Alternativ oder ergänzend kann die Trennung des Ringraums in unterschiedliche Druckräume auch durch mindestens ein Dichtelement bewirkt werden, das hierzu mit dem Trennelement verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Einspritzventilglied zumindest abschnittsweise als Hohlnadel ausgebildet und in der Hohlnadel ist ein weiteres Einspritzventilglied hubbeweglich aufgenommen. Das heißt, dass die Düsenbaugruppe zwei ineinander geführte Einspritzventilglieder zur Steuerung der Einspritzung zweier unterschiedlicher Brennstoffe umfasst. Die Düsenbaugruppe ist demnach insbesondere für einen Dual-Fuel-Injektor geeignet. Aufgrund der vergleichsweise großen Flächen am außen liegenden Einspritzventilglied kommen hier die Vorteile der Erfindung besonders gut zum Tragen. Das Zuhalten des innen liegenden Einspritzventilglieds kann demgegenüber weiterhin mittels einer Feder bewirkt werden, da hier die Flächen bzw. Kräfte deutlich kleiner sind.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe vorgeschlagen. Das Brennstoffeinspritzventil kann als Mono-Fuel-Injektor oder als Dual-Fuel-Injektor ausgebildet sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
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2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
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3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
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4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,
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5 eine perspektivische Darstellung des Trennelements der Düsenbaugruppe der 4,
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6 eine perspektivische Darstellung eines Zuhalteelements für eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe und
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7a)–c) jeweils eine Schnittansicht eines Zuhalteelements für eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist eine Düsenbaugruppe mit einem Düsenkörper 1 und einem hierin hubbeweglich aufgenommenen Einspritzventil 2 zu entnehmen. Zwischen dem Düsenkörper 1 und dem Einspritzventilglied 2 ist ein Ringraum 3 ausgebildet, in dem ein Zuhalteelement 4 und ein Trennelement 5 aufgenommen sind. Das Zuhalteelement 4 ist ortsfest im Ringraum 3 angeordnet. In axialer Richtung stützt es sich über eine Stützlasche 15 an einem ringförmigen Absatz 10 des Düsenkörpers 1 ab. Es weist zudem einen elastisch verformbaren Federarm 6 auf, der gegenüber dem Einspritzventilglied 2 radial vorgespannt ist und in eine als Ringnut ausgebildete Ausnehmung 9 des Einspritzventilglieds 2 eingreift. Auf diese Weise wird ein Formschluss zwischen dem Zuhalteelement 4 und dem Einspritzventilglied 2 erreicht. Dies gilt jedoch nur, solange das ferner im Ringraum 3 aufgenommene Trennelement 5 druckentlastet ist. Denn baut sich im Ringraum 3 ein Fluiddruck auf, wird das Trennelement 5 in Richtung des Zuhalteelements 4 von einer Druckkraft F beaufschlagt (siehe Pfeil 17), die eine axiale Verschiebung des Trennelements 5 in Richtung des Zuhalteelements 4 bewirkt. Auf diese Weise wird der Formschluss zwischen dem Zuhalteelement 4 und dem Einspritzventilglied 2 durch das Trennelement 5 aufgehoben.
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Um sicherzustellen, dass der sich im Ringraum 3 aufbauende Fluiddruck eine axiale Verschiebung des Trennelements 5 in Richtung des Zuhalteelements 4 bewirkt, weist das Trennelement 5 vorliegend zwei Dichtelemente 12 auf, die eine Abdichtung des Druckraums oberhalb des Trennelements 5 gegenüber dem Druckraum unterhalb des Trennelements 5 bewirken. Die Druckdifferenz stellt ferner sicher, dass die trennende Funktion des Trennelements 5 während des normalen Betriebs erhalten bleibt.
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Die in der 1 dargestellte Düsenbaugruppe ist die eines Dual-Fuel-Injektors. Denn das Einspritzventilglied 2 ist als Hohlnadel ausgebildet und weist innenliegend ein weiteres Einspritzventilglied 13 auf. Bei einer modifizierten Düsenbaugruppe für einen Mono-Fuel-Injektor entfällt das Einspritzventilglied 13 und das Einspritzventilglied 2 ist vorzugsweise als einfache Nadel ausgeführt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe ist in der 2 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der der 1 durch geringfügige Modifikationen im Bereich des Zuhalteelements 4 und des Trennelements 5. Beispielsweise weist das Zuhalteelement 4 einen etwas anders geformten Federarm 6 auf. Das Trennelement 5 besitzt einen Bundabschnitt 11, der an den Querschnitt des Ringraums 3 in der Weise angepasst ist, dass die Dichtelemente 12 entfallen können. Die Unterteilung des Ringraums 3 in unterschiedliche Druckräume wird hier allein durch das Trennelement 5 bewirkt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe ist der 3 zu entnehmen. Der Einfachheit halber ist das Trennelement 5 nicht dargestellt, da der wesentliche Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen durch das Zuhalteelement 4 realisiert wird. Dieses weist keinen elastisch verformbaren Federarm 6, sondern einen federbelasteten Arm 7 auf. Der Arm 7 wird durch die Federkraft einer Feder 14 gegen das Einspritzventilglied 2 gedrückt. Um den gewünschten Formschluss zu erzielen, ist am Einspritzventilglied 2 ein umlaufender Absatz 8 ausgebildet, der von dem Arm 7 hintergriffen wird.
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Die 4 beschränkt sich demgegenüber auf die Darstellung eines Trennelements 5. Der Bundabschnitt 11 ist hier besonders groß gewählt, um eine besonders hohe in axialer Richtung wirkende Druckkraft P über den sich im Ringraum 3 aufbauenden Fluiddruck zu erzielen.
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In der 5 ist das Trennelement 5 der 4 in einer perspektivischen Darstellung wiedergegeben.
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6 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Zuhalteelements 4, das mehrere Federarme 6 sowie mehrere Stützlaschen 15 zur Abstützung am Düsenkörper 1 besitzt. Federarme 6 und Stützlaschen 15 sind über einen ringförmigen Abschnitt 18 verbunden.
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Weitere mögliche Ausführungsformen eines Zuhalteelements 4 sind in den 7a)–c) dargestellt, die jeweils den Querschnitt eines Zuhalteelements 4 zeigen.
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Das Zuhalteelement 4 der 7a) entspricht weitgehend dem der 2, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird. Die Abstützung am Düsenkörper 1 wird über mehrere Stützlaschen 15 bewirkt.
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Die in den 7b) und 7c) dargestellten Zuhalteelemente 4 umfassen zur Abstützung am Düsenkörper 1 jeweils einen ringförmigen Stützabschnitt 16, der die Ausbildung einzelner Stützlaschen 15 entbehrlich macht.
