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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit Servoventilsteuerung zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors aufweisend einen Injektorkörper, welcher ein Düsenmodul mit einem Düsenkörper und einer Düsennadel aufweist, wobei das Düsenmodul auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Injektorkörpers angeordnet ist und die Düsennadel mit einer Düsenfeder korrespondiert, welche so angeordnet ist, dass sie eine Schließkraft auf die Düsennadel ausübt. Ferner weist das Einspritzventil eine aktornah angeordnete Ventilplatte auf und eine sich an diese in Richtung des Düsenkörpers anschließende Drosselplatte, eine Hochdruckleitung und einen Steuerraum, welche einen Anschluss an das Hochdruckkraftstoffsystem aufweist und welche über eine Zulaufdrossel mit dem Steuerraum verbunden ist, wobei der Steuerraum über eine Drossel mit einem Ventilraumvolumen verbunden ist, welches in der Drosselplatte ausgebildet ist, wobei das Ventilraumvolumen in Verbindung steht mit einer Ventilköperbohrung, welche in der Ventilplatte ausgebildet ist und in welcher ein Ventilkörper angeordnet ist, wobei die Ventilkörperbohrung und das Ventilraumvolumen den Ventilraum bilden und wobei der Ventilkörper mit einem Pin in Verbindung steht, welcher über einen Aktor angetrieben ist.
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Derartige Piezo-Common-Rail-Injektoren mit Servoventilsteuerung sind bekannt, wobei die Einspritzmengen überwiegend mittels einem Servoventil gesteuert werden. Die Düsennadel ist dabei nicht direkt mit der Bewegung des Piezo-Aktors gekoppelt. Der Piezo-Aktor betätigt ein Servoventil. Nach Öffnen des Servoventils wird der Druck in einem Steuerraum abgesenkt und nach Unterschreiten einer bestimmten Druckschwelle, wird die Düsennadel geöffnet. Bei einer erneuten Entladung des Piezo-Aktors schließt das Servoventil wieder und der Druck im Steuerraum baut sich wieder auf Rail-Druckniveau auf. Die Dynamik des Druckabfalls bzw. Druckaufbaus im Steuerraum sowie die Nadelgeschwindigkeit während der Nadelöffnungs- bzw. Nadelschließbewegung wird im Wesentlichen durch die Dimensionierung der Zu- und Ablaufdrossel bestimmt. Eine weitere Einflussgröße auf das dynamische Injektorverhalten spielt das Kraftstoffvolumen im Ventilraum und im Steuerraum, da dies bei jedem Ventilöffnungsvorgang entspannt und bei jedem Ventilschließvorgang komprimiert werden muss. Insbesondere das hydraulische Volumen im Ventilraum ist dabei für die Erzielung eines minimalen zeitlichen Abstandes von aufeinanderfolgenden Einspritzungen von Bedeutung.
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Da sich ein Piezo-Aktor beim Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt, verwenden die bekannten Diesel-Common-Rail-Injektoren ein nach innen öffnendes Servoventil, welches gegen den wirkenden Raildruck aufgedrückt wird. Bei den bekannten Injektoren ist eine Ventilschließfeder in dem Ventilraum vorgesehen, um auch im drucklosen Zustand das Servoventil geschlossen zu halten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil vorzusehen, das zuverlässig arbeitet, gegenüber bekannten Einspritzventilen geringeren Kraftstoffverbrauch aufweist und überdies kostengünstig zu fertigen ist.
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Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst und durch die Lehre der abhängigen Ansprüche weiter erläutert.
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Dadurch, dass der Ventilkörper in der Ventilkörperbohrung mit Paarungsspiel eingepasst ist und mittels Druckaufbau durch die Zuführung von Kraftstoff der Ventilkörper in seine Schließstellung bewegt wird, kann eine Schließfeder in der Ventilkörperbohrung entfallen. Vorteilhaft ist hierbei, dass sich durch den Entfall der Ventilschließfeder geometrische Freiheitsgrade zur optimalen Auslegung des Ventilraums, bestehend aus Ventilraumvolumen und der Ventilkörperbohrung, ergeben. Ein weiterer wesentlicher Vorteil hinsichtlich der Injektorfunktion besteht darin, dass der zeitliche Abstand von aufeinanderfolgenden Einspritzungen verringert werden kann. Dies führt zu einer Reduktion des Kraftstoffverbrauches und zur Verringerung des Schadstoffausstoßes des Motors.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt das Paarungsspiel zwischen Ventilkörper und Ventilplatte in der Ventilkörperbohrung in einem Bereich zwischen 5 bis 400 pm. Durch diese Designmaßnahme ist sichergestellt, dass sich der Ventilkörper bei Aufbau von Raildruck in Schließposition bewegt ohne dass, wie bei den bekannten Einspritzventile, eine Ventilschließfeder in der Ventilkörperbohrung vorgesehen sein muss. Durch das definierte Paarungsspiel des Ventilkörpers in der Ventilkörperbohrung reichen die hydraulischen Strömungskräfte aus, um den Ventilkörper während des Druckaufbaus in die Schließposition zu bewegen. Die Wahl des Paarungsspiels hat dabei einen positiven Einfluss auf die Einspritzmengenstabilität. Würde das Paarungsspiel zu klein gewählt, wäre der Druckabbau im Ventilraum so stark behindert, dass die Strömung der Ablaufdrossel nicht mehr kavitieren würde.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen einem der Düsennadel zugewandten Ende des Ventilkörpers und der Drosselplatte ein Spalt in der Ventilkörperbohrung vorgesehen, welcher derart bemessen ist, dass bei einem Druckaufbau im Spalt der Ventilkörper in Schließrichtung beaufschlagt wird. Auch diese alternative Ausgestaltung wirkt sich vorteilhaft auf die Einspritzmengenstabilität aus, da der Druckaufbau im Ventilraum ausreichend möglich ist und die Strömung in der Ablaufdrossel kavitieren kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Ventilkörper rotationssymmetrisch ausgebildet und auf seiner der Drosselplatte zugewandten Stirnseite mit einer zentrischen, rotationssymmetrischen Ausnehmung versehen. Durch die zentrale Anströmung des Ventilkörpers aus der Ablaufdrossel hin zur zentrischen, rotationssymmetrischen Ausnehmung des Ventilkörpers auf seiner der Ablaufdrossel zugewandten Stirnseite wird ein Staudruck in der Strömung erzeugt, welche die Bewegung des Ventilkörpers in seine Schließposition unterstützt. Des Weiteren wird dadurch die Strömung im Ventilraum positiv beeinflusst, da Erosionseffekte im Ventilraum durch Kavitation verringert bzw. vermieden werden können.
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Gemäß verschiedenen Aspekten ist die zentrische, rotationssymmetrische Ausnehmung dabei in einem Querschnitt längs durch den Ventilkörper halbkreisförmig oder rechteckig oder kegelstumpfförmig oder weist eine Kombination zweier oder mehrerer dieser Querschnitte auf. Derartige Ausnehmungen lassen sich auf einfache Weise am Ventilkörper vorsehen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch den unteren Teil eines erfindungsgemäßen Einspritzventils;
- 2 einen Detailausschnitt A aus 1; und
- 3 Ausführungsformen des Ventilkörpers des erfindungsgemäßen Einspritzventils.
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1 zeigt den wesentlichen Teil eines erfindungsgemäßen Einspritzventils, welches sich im Wesentlichen innerhalb eines Injektorkörpers 10 befindet. Im rechten Bereich ist eine Hochdruck-Kraftstoffleitung 20 gezeigt, die im oberen Bereich des Einspritzventils - hier nicht gezeigt - mittels eines Hochdruckanschlusses an einer Hochdruck-Kraftstoffsystem-Common Rail - angeschlossen wird. Links neben der Kraftstoff-Hochdruckleitung 20 ist ein Aktor 30 (hier von einer Wellenfeder 40 umgeben) gezeigt, der über eine Aktorkopfplatte 50 mit dem Injektorkörper 10 verbunden ist. Über eine Bodenplatte des Aktors 30 ist dieser mit einem in einer Ventilplatte angeordneten Ventilkörper 70 verbunden und wirkt unmittelbar auf diesen. Die Kraftstoff-Hochdruckleitung 20 ist ebenfalls durch die Ventilplatte 60 geführt und mündet dort in eine Drosselplatte 80.
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Im unteren, dem Verbrennungsraum zugewandten Teil befindet sich ein Düsenmodul 90, bestehend aus einem Düsenkörper 100, der Düsennadel 110 und einer Düsenfeder 120.
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In 1 ist weiter zu erkennen, dass die Hochdruckkraftstoffleitung 20, über die der Kraftstoff ins System eintritt, über eine Zulaufdrossel 130 in einen Steuerraum 140 mündet. Parallel dazu wird Kraftstoff über eine Verbindung 150 in den inneren Bereich des Düsenmoduls 90 am Steuerraum 140 vorbeigeleitet.
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Der Steuerraum 140 ist wiederum mit einer Drossel 160 in Verbindung, die in der Drosselplatte 80 ausgebildet ist und dort in ein Ventilraumvolumen 170 mündet. Dem Ventilraumvolumen 170 schließt sich eine in der Ventilplatte 60 ausgebildete Ventilkörperbohrung 180 an, in welche der Ventilkörper 70 aufgenommen ist, wie nachfolgend näher mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Wie in 2 zu erkennen sind die Drossel 160 und das Ventilraumvolumen 170 in der Drosselplatte 80 ausgebildet. Sowohl die Drossel 160 als auch das Ventilraumvolumen 170 sind als Bohrungen ausgebildet, wobei die Drossel 160 einen deutlich kleineren Bohrungsdurchmesser aufweist als das Ventilraumvolumen 170. Das Ventilraumvolumen 170 ist in der Drosselplatte 80 ausgebildet, welche unmittelbar an die Ventilplatte 60 angrenzt, wobei das Ventilraumvolumen 170 in die Ventilkörperbohrung 180 mündet, deren Durchmesser wiederum größer ist als der Bohrungsdurchmesser des Ventilraumvolumens 170.
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In der Ventilkörperbohrung 180 ist der Ventilkörper 70 aufgenommen, welcher mit einem Spiel 195 von 5 bis 400 µm in der Ventilkörperbohrung 180 eingepasst ist. In geschlossenen Zustand des Servoventils 190, welcher in 2 gezeigt ist, erkennt man, dass die Dimensionierung der Ventilkörperbohrung 180 und des darin aufgenommenen Ventilkörpers 70 derart bemessen ist, dass ein Spalt 200 im unteren, der Drosselplatte 80 zugewandten Bereich der Ventilkörperbohrung 180 vorgesehen ist.
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Der Ventilkörper 70 ist in der Ventilkörperbohrung 180 axial verschiebbar angeordnet, wobei der Hub des Aktors 30 über einen Pin 210 auf dem Ventilkörper 70 übertragen wird.
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Der Ventilkörper 70 der 2 hat eine zylinderförmige Gestalt, verjüngt sich im Bereich des Ventilsitzes 220 und setzt sich anschließend wieder annähernd zylinderförmig nach oben hin fort.
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Die Funktion ist im Detail die Folgende:
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Der Hub des Piezoaktors 30 betätigt das Servoventil 190 über den Pin 210, welcher auf den Ventilkörper 180 wirkt. Im geschlossenen Zustand des Servoventils 190 herrscht im Ventilraumvolumen 170 und der Ventilkörperbohrung 180, welche gemeinsam einen Ventilraum 230 bilden, Raildruck, welcher durch das definierte Paarungsspiel des Ventilkörpers 70 in der Ventilplatte 60 ausreicht, um eine in Schließrichtung wirkende Kraft auf den Ventilkörper 70 auszuüben.
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Wird der Aktor 30 betätigt, wird der Ventilkörper 70 nach unten gedrückt, so dass das Servoventil 190 öffnet. Wird der Piezoaktor 30 entspannt, schließt sich das Servoventil 190 wieder, in dem der Ventilkörper 70 durch seine strömungstechnische Ausgestaltung über den Druckaufbau im Einspritzsystem auch beim Startvorgang des Motors sicher geschlossen wird.
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Wie aus 3 a-d zu erkennen, gibt es alternative Ausgestaltungen des Ventilkörpers 70 mittels welcher ein Staudruck in der Strömung erzeugt werden kann, wodurch die Bewegung des Ventilkörpers 70 in die Schließposition alternativ oder zusätzlich zu dem Paarungsspiel unterstützt wird. 3a zeigt hierzu eine erste rotationssymmetrische Ausnehmung 240, welche zentrisch auf der der Drosselplatte 80 zugewandte Seite des Ventilkörpers 70 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 240 ist hier im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet. 3b zeigt eine zentrisch im Ventilkörper ausgebildete Ausnehmung 250, welche einen rechteckigen Querschnitt aufweist. 3c zeigt eine Ausnehmung 260, welche in einem ersten Bereich einen rechteckigen Querschnitt aufweist und sich dann in einem zweiten Bereich verjüngt. 3d zeigt den Ventilkörper aus 2 ohne Ausnehmung.
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Die Ausnehmungen 240, 250 und 260 beeinflussen die zentrale Anströmung des Ventilkörpers 70 aus der Drossel 160 und dem Ventilraumvolumen 170 positiv. Durch die hohlkegelförmige Ausgestaltung (240,250,260) der der Drossel 160 und dem Ventilraum 230 zugewandten Stirnseite des Ventilkörpers 70 wird ein Staudruck in der Strömung erzeugt, welcher zusätzlich die Bewegung des Ventilkörpers 70 in die Schließposition des Servoventils 190 unterstützt. Des Weiteren wird dadurch die Strömung in der Ventilkörperbohrung 180 derart beeinflusst, dass Erosionseffekte im Ventilraum 230 durch Kavitation verringert bzw. vermieden werden. Mittels der Ausgestaltung des Ventilkörpers 70 ist es möglich, auf bekannte Schließfedern zu verzichten und durch den Druckaufbau im Einspritzsystem auch beim Startvorgang des Motors das Servoventil dennoch sicher geschlossen ist.
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Ein wesentlicher Vorteil hinsichtlich der Injektorfunktion besteht darin, dass der zeitliche Abstand von aufeinanderfolgenden Einspritzungen verringert werden kann. Dies führt zu einer Reduktion des Kraftstoffverbrauches und zur Verringerung des Schadstoffausstoßes des Motors. Überdies verringern sich die Fertigungskosten durch den Entfall einer Ventilschließfeder.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Injektorkörper
- 20
- Hochdruckkraftstoffleitung
- 30
- Aktor
- 40
- Wellenfeder
- 50
- Aktorkopfplatte
- 60
- Ventilplatte
- 70
- Ventilkörper
- 80
- Drosselplatte
- 90
- Düsenmodul
- 100
- Düsenkörper
- 110
- Düsennadel
- 120
- Düsenfeder
- 130
- Zulaufdrossel
- 140
- Steuerraum
- 150
- Verbindung
- 160
- Drossel
- 170
- Ventilraumvolumen
- 180
- Ventilkörperbohrung
- 190
- Servoventil
- 195
- Spiel
- 200
- Spalt
- 210
- Pin
- 220
- Ventilsitz
- 230
- Ventilraum
- 240
- Ausnehmung 3a
- 250
- Ausnehmung 3b
- 260
- Ausnehmung 3c
