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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 212 490 A1 geht ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen hervor, das eine in einem Druckraum längsbewegliche und mit einem Dichtsitz zusammenwirkende Düsennadel zum Öffnen und Schließen einer Einspritzöffnung aufweist. In Schließrichtung ist die Düsennadel von einem Steuerdruck beaufschlagt, der in einem Steuerraum herrscht, der über eine Zulaufdrossel mit unter Druck stehendem Kraftstoff befüllbar und über eine Ablaufdrossel entlastbar ist. Die Ablaufdrossel ist in einem hubbeweglichen Steuerkolben ausgebildet, welcher der Düsennadel am Steuerraum gegenüberliegt. Die Zulaufdrossel ist in einem Ventilkörper ausgebildet und mündet in einen Druckraum, der in Abhängigkeit vom Hub des Steuerkolbens mit dem Steuerraum verbindbar ist. Über die Hubbewegung des Steuerkolbens ist demnach der Zustrom von Kraftstoff in den Steuerraum regelbar.
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Die über den Steuerkolben bewirkte Regelung des Zustroms von Kraftstoff in den Steuerraum besitzt den Vorteil, dass die über die Ablaufdrossel abströmende Absteuermenge auf die im Steuerraum vorhandene Menge begrenzt werden kann. Eine reduzierte Absteuermenge wiederum wirkt sich effizienzsteigernd auf das gesamte Kraftstoffeinspritzsystem aus, da weniger Kraftstoff auf Hochdruck gefördert werden muss.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, anzugeben, der die Effizienz des Kraftstoffeinspritzsystems steigert, dabei die Temperatur – insbesondere bei Drücken über 2000 bar – deutlich minimiert und zugleich einfach und kompakt aufgebaut ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung zumindest abschnittsweise in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommen ist. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor ein Steuerventil zur Steuerung eines an der Düsennadel anliegenden Steuerdrucks in einem Steuerraum, der über eine Ablaufdrossel entlastbar und über eine Zulaufdrossel mit Druck beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist in der Düsennadel ein in den Steuerraum mündender Zulaufkanal ausgebildet, der über ein in der Düsennadel hubbeweglich aufgenommenes Schaltelement mit einem innerhalb der Düsennadel ausgebildeten Druckraum verbindbar ist.
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Über den Druckraum und den Zulaufkanal ist der Steuerraum in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Schaltelements mit Kraftstoff befüllbar. Wird die Verbindung des Zulaufkanals mit dem Druckraum durch das Schaltelement unterbrochen, vermag kein Kraftstoff nachzuströmen. Dies ist vorzugweise bei geöffnetem Steuerventil der Fall, um auf diese Weise die über die Ablaufdrossel abströmende Absteuermenge möglichst gering zu halten. Über die Schaltstellung des Schaltelements ist demnach die Absteuermenge steuerbar.
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Durch die Integration des Schaltelements in die Düsennadel kann der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor zudem einfach und kompaktbauend gestaltet werden.
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Vorzugsweise ist die Zulaufdrossel, die Bestandteil des Zulaufpfads in Richtung des Steuerraums ist, aber nicht zwingend im Zulaufkanal selbst angeordnet sein muss, ebenfalls in der Düsennadel ausgebildet. Dadurch kann die Ausbildung des Kraftstoffinjektors weiter vereinfacht werden, da alle für den Zulauf von Kraftstoff in den Steuerraum relevanten Elemente durch die Düsennadel selbst ausgebildet werden bzw. in die Düsennadel integriert sind.
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Zur Ausbildung des Zulaufkanals und/oder des Druckraums ist vorzugsweise die Düsennadel zumindest abschnittsweise als Hohlnadel ausgeführt. Das heißt, dass die Düsennadel eine axial verlaufende, zentrale Bohrung aufweist. Bevorzugt ist die axial verlaufende, zentrale Bohrung als Stufenbohrung ausgeführt, so dass der Zulaufkanal und der Druckraum unterschiedlich große Innendurchmesser aufweisen können.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement kolbenförmig ausgebildet ist. Die Kolbenform stellt sicher, dass das hubbewegliche Schaltelement während eines Hubes über den Umfang gleichmäßig geführt ist.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement eine Dichtkontur aufweist, die mit einem in der Düsennadel ausgebildeten Dichtsitz zusammenwirkt. Die Dichtkontur kann insbesondere sphärisch oder kegelförmig ausgebildet sein. Der Dichtsitz kann über einen ringförmigen, vorzugsweise konisch verlaufenden Absatz innerhalb der Düsennadel ausgebildet werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zulaufdrossel als Axialbohrung ausgeführt und im Zulaufkanal des Düsenkörpers angeordnet. In Abhängigkeit von der Schaltstellung des Schaltelements ist demnach eine Verbindung der im Zulaufkanal ausgebildeten Zulaufdrossel mit dem Druckraum hergestellt oder unterbrochen. Der Zulauf von Kraftstoff in den Druckraum erfolgt unabhängig von der Schaltstellung des Schaltelements ungedrosselt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zulaufdrossel als Radialbohrung ausgeführt und mündet in den innerhalb der Düsennadel ausgebildeten Druckraum. Die Zulaufdrossel dient in diesem Fall der Befüllung des Druckraums mit Kraftstoff, wobei der Zulauf über die Zulaufdrossel gedrosselt wird. Die Zulaufdrossel ist hierzu in Zulaufrichtung stromaufwärts des innerhalb der Düsennadel ausgebildeten Dichtsitzes für das Schaltelement angeordnet.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Die Wirkrichtung der Feder dabei hängt insbesondere von der Lage der Zulaufdrossel bzw. von den am Schaltelement anliegenden hydraulischen Druckverhältnissen ab.
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Ist die Zulaufdrossel im Zulaufkanal angeordnet, so dass der Zulauf in den Druckraum ungedrosselt erfolgt, erfolgt die Anordnung der Feder bevorzugt in der Weise, dass deren Federkraft das Schaltelement in Schließrichtung beaufschlagt. Die Feder dient dann der Rückstellung des Schaltelements gegen den Druck im Druckraum.
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Wird über die Zulaufdrossel der Zulauf von Kraftstoff in den Druckraum gedrosselt, ist die Feder bevorzugt in der Weise angeordnet, dass deren Federkraft das Schaltelement in Öffnungsrichtung beaufschlagt. Die Feder unterstützt somit bei geringem Druck im Druckraum das Öffnen des Schaltelements.
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Bevorzugt ist der in der Düsennadel ausgebildete Zulaufkanal zur Befüllung des Steuerraums mit Kraftstoff über einen im Schaltelement ausgebildeten Kanal mit einem weiteren Druckraum innerhalb der Düsennadel verbunden. Der Kanal kann insbesondere als Axialbohrung ausgebildet sein, der das Schaltelement durchsetzt. Der über den im Schaltelement ausgebildeten Kanal in den Zulaufkanal und von hier in den Steuerraum gelangende Kraftstoff soll einen ersten Druckanstieg im Steuerraum zum Schalten bzw. Öffnen des Schaltelements bewirken. Öffnet dieses, ist ferner eine Verbindung des Zulaufkanals mit dem ersten Druckraum hergestellt, so dass der Steuerraum vollständig mit Kraftstoff befüllt wird.
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Da über den im Schaltelement ausgebildeten Kanal lediglich ein Zwischendruck aufgebaut werden soll, der das Schalten des Schaltelements bewirkt, erfolgt der Zulauf bevorzugt gedrosselt. Das heißt, dass vorzugsweise im Kanal eine Drossel ausgebildet ist.
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Der in der Düsennadel ausgebildete weitere Druckraum ist bevorzugt über mindestens eine Schließdrossel mit einem die Düsennadel abschnittsweise umgebenden Hochdruckraum verbunden. Erfolgt der Zulauf von Kraftstoff in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung über die Schließdrossel, wird ein Druckgefälle erzeugt, das zu einer auf die Düsennadel wirkenden hydraulischen Schließkraft führt. Die Schließdrossel fördert somit ein schnelles Schließen der Düsennadel.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der weitere Druckraum innerhalb der Düsennadel über mindestens einen Verbindungskanal mit der im Düsenkörper ausgebildeten Hochdruckbohrung verbunden ist. Der Verbindungskanal stellt den Zulauf von Kraftstoff in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung sicher.
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Vorzugsweise ist der Steuerraum in einem Ventilstück ausgebildet, in dem zur Begrenzung des Steuerraums ein Endabschnitt der Düsennadel hubbeweglich aufgenommen ist. Über das Ventilstück kann die Düsennadel zugleich axial beweglich geführt werden.
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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 einen ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist in einer stark vereinfachten Darstellung ein Kraftstoffinjektor zu entnehmen, der eine hubbewegliche Düsennadel 1 zur Steuerung von Einspritzöffnungen 2 umfasst, die in einem Düsenkörper 4 ausgebildet sind. Die Einspritzöffnungen 2 werden über eine Hochdruckbohrung 3 des Düsenkörpers 4 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt.
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Die Düsennadel 1 ist zumindest abschnittsweise als Hohlnadel ausgeführt, so dass innerhalb der Düsennadel 1 ein Druckraum 17 ausgebildet wird, der über als Radialbohrungen ausgeführte Verbindungskanäle 20 mit der Hochdruckbohrung 3 verbunden ist. Der Zulauf von Kraftstoff in den Druckraum 17 erfolgt über Schließdrosseln 18, die den Druckraum 17 mit einem Hochdruckraum 19 verbinden, der die Düsennadel 1 abschnittsweise umgibt. Die Schließdrosseln 18 unterstützen das Schließen der Düsennadel 1.
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Die eigentliche Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel 1 wird durch ein Steuerventil 5 bewirkt, das vorliegend als Kugelsitzventil ausgebildet ist. Die Ausgestaltung des Steuerventils 5 ist jedoch beliebig. Das Steuerventil 5 beeinflusst den Steuerdruck in einem Steuerraum 6, der in einem Ventilstück 21 ausgebildet ist und von einem im Ventilstück 21 aufgenommenen Endabschnitt 22 der Düsennadel 1 begrenzt wird. Die Düsennadel 1 wird demnach in Schließrichtung vom im Steuerraum 6 herrschenden Steuerdruck beaufschlagt. Öffnet das Steuerventil 5, strömt Kraftstoff über eine Ablaufdrossel 7 aus dem Steuerraum 6 ab, so dass die Düsennadel 1 entlastet wird und zu öffnen vermag. Um das Schließen der Düsennadel 1 zu bewirken, wird das Steuerventil 5 geschlossen und der Steuerraum 6 erneut mit Kraftstoff befüllt, so dass der Druck im Steuerraum 6 wieder ansteigt.
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Die Befüllung des Steuerraums 6 mit Kraftstoff erfolgt über einen Zulaufkanal 9, der im Endabschnitt 22 der Düsennadel 1 ausgebildet ist. Im Zulaufkanal 9 ist vorliegend eine Zulaufdrossel 8 ausgebildet, die den Zulauf in den Steuerraum 6 drosselt. Zudem kann der Zulauf von Kraftstoff in den Steuerraum 6 durch ein hubbeweglich in der Düsennadel 1 aufgenommenes Schaltelement 10 unterbrochen werden. Das Schaltelement 10 weist hierzu eine mit einem Dichtsitz 13 zusammenwirkende Dichtkontur 12 auf. Die Unterbrechung des Zulaufs erfolgt bei geöffnetem Steuerventil 5, so dass die über die Ablaufdrossel 7 abfließende Absteuermenge gering gehalten wird.
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Das Schaltelement 10 ist in Richtung des Dichtsitzes 3 von der Federkraft einer Feder 14 beaufschlagt, die der Rückstellung des Schaltelements 10 dient. Um das Schaltelement 10 entgegen der Federkraft der Feder 14 zu öffnen, ist im Schaltelement 10 ein Kanal 15 mit einer hierin angeordneten Drossel 16 ausgebildet, so dass eine über den Kanal 15 und die Drossel 16 eine Verbindung des Zulaufkanals 9 mit dem Druckraum 17 besteht. Das heißt, dass sich der Steuerraum 6 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff füllt. Zugleich wird das Schaltelement 10 in Öffnungsrichtung vom Druck in einem Druckraum 11 belastet, der über einen Verbindungskanal 23 in Verbindung mit dem Hochdruckraum 19 steht.
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Öffnet das Steuerventil 5 fällt der Druck im Steuerraum 6 ab und die Düsennadel 1 öffnet bei einem zugleich in Schließstellung verharrenden Schaltelement 10. Die Einspritzung über die Einspritzöffnungen 2 beginnt. Über die Schließdrosseln 18 vermag weniger Kraftstoff nachzuströmen als über die Einspritzöffnungen 2 eingespritzt wird. Die dadurch an der Düsennadel 1 anliegende Druckdifferenz führt zum Schließen der Düsennadel 1. Zugleich steigt der Druck im Steuerraum 6 an, da über den Kanal 15, die Drossel 16, den Zulaufkanal 9 und die Zulaufdrossel 8 Kraftstoff in den Steuerraum 6 gelangt. Die nunmehr am Schaltelement 10 anliegende Druckdifferenz führt zum Öffnen des Schaltelements 10, so dass der Zulaufkanal 9 mit dem Druckraum 11 verbunden ist und der Steuerraum 6 vollständig mit Kraftstoff befüllt wird. Hat die Düsennadel 1 ihre Schließposition erreicht, wird das Schaltelement 10 über die Federkraft der Feder 14 zurück in den Dichtsitz 13 gestellt und die Verbindung des Zulaufkanals 9 mit dem Druckraum 11 unterbrochen. Es vermag demnach kein Kraftstoff in den Steuerraum 6 nachzuströmen, wenn das Steuerventil 5 zur Einleitung einer weiteren Einspritzung erneut öffnet. Auf diese Weise kann die Absteuermenge gering gehalten werden.
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Der 2 ist eine Abwandlung der Ausführungsform der 1 zu entnehmen. Hier ist die Zulaufdrossel 8 außerhalb des Zulaufkanals 9 angeordnet. Der Zulauf in den Druckraum 11 erfolgt somit gedrosselt. Das heißt, dass die Federkraft der Feder 14 in umgekehrter Richtung wirken muss, um das Öffnen des Schaltelements 10 sicherzustellen. Im Übrigen kann der Kraftstoffinjektor der 2 gleich dem der 1 ausgebildet sein.
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Es wird angemerkt, dass die im Schaltelement 10 ausgebildete Drossel 16 der in den 1 und 2 dargestellten Kraftstoffinjektoren jeweils optional ist. Eine Anhebung des Steuerdrucks im Steuerraum 6 kann bei geschlossenem Schaltelement 10 auch über eine Leckagemenge bewirkt werden, die über den Führungsspalt zwischen dem Endabschnitt 22 der Düsennadel 1 und dem Ventilstück 21 in den Steuerraum 6 gelangt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013212490 A1 [0002]
