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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. Der Kraftstoffinjektor dient dem Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2011/095367 A1 geht beispielhaft ein Kraftstoffinjektor mit einem Steuerventil zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel hervor. Das Steuerventil weist einen hülsenförmigen Schließkörper auf, der axial verschiebbar auf einer Führungsstange angeordnet ist. Der Schließkörper wirkt mit einem Ventilsitz zusammen, der in einem Ventilkörper ausgebildet und von einem hohlzylinderförmigen Abschnitt des Ventilkörpers zur Führung des Schließkörpers umgeben ist. Der Schließkörper ist somit doppelt geführt. An seinem ventilsitzabgewandten Ende weist der Schließkörper einen plattenförmigen Abschnitt auf, der einen Anker ausbildet. Zur Einwirkung auf den Anker ist eine ringförmige Magnetspule vorgesehen, die von einem topfförmigen Magnetkern umgeben ist. Wird die Magnetspule bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker bzw. den Schließkörper entgegen der Federkraft einer Feder in Richtung des Magnetkerns bewegt. Dabei hebt der Schließkörper vom Ventilsitz ab, so dass über eine in den Ventilsitz mündende Ablaufdrossel eine Verbindung eines Steuerraums mit einem Ventilraum hergestellt ist, der innerhalb des hohlzylinderförmigen Abschnitt des Ventilkörpers ausgebildet ist. Der Ventilraum wiederum ist über im hohlzylinderförmigen Abschnitt des Ventilkörpers ausgebildete Radialbohrungen mit einem Druckraum verbunden, in dem Niederdruck herrscht, so dass über die Verbindung mit dem Druckraum eine Entlastung des Steuerraums bewirkt wird. Diese führt dazu, dass die Düsennadel zu öffnen vermag. Zum Schließen der Düsennadel wird die Bestromung der Magnetspule beendet, so dass die Federkraft der Feder den Anker bzw. den Schließkörper in den Ventilsitz zurückstellt.
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Bei Motorstart in kalter Umgebung („Kaltabfahrt“) erwärmt sich der Anker bzw. der Schließkörper aufgrund von Leckage über die Führungsspalte und/oder aufgrund des Druckabfalls am Ventilsitz sehr schnell, während die umliegenden Bauteile einige Zeit benötigen, um ähnliche Temperaturen zu erlangen. Der Anker bzw. der Schließkörper dehnt sich demnach stärker als die umliegenden Bauteile aus. Dieser Effekt, auch Temperaturgang genannt, hat zur Folge, dass sich der Hub des Ankers verringert. Bei der Montage des Kraftstoffinjektors muss demnach ein größerer Ankerhub vorgehalten werden, um bei unterschiedlichen Temperaturausdehnungen ein ausreichendes Öffnen des Steuerventils, das heißt ohne Sitzdrosselung, zu gewährleisten. Entsprechend erhöht sich die erforderliche Magnetkraft bzw. die erforderliche elektrische Leistung zum Öffnen des Steuerventils, während die Ventildynamik abnimmt. Ein größerer Ankerhub begünstigt zudem eine Schädigung des Steuerventils durch Kavitationserosion.
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Der Effekt des Temperaturgangs tritt nicht nur bei einer Kaltabfahrt auf, sondern auch während des (Warm-)Betriebs, wenn der Druck im Rail, das der Versorgung des Kraftstoffinjektors mit Kraftstoff dient, sehr plötzlich stark ansteigt.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, anzugeben, das ein Steuerventil umfasst, dessen Robustheit gesteigert 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 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst ein elektromagnetisch betätigbares Steuerventil mit einem Ventilstück, das in einem Haltekörper des Kraftstoffinjektors aufgenommen und mittels einer Ventilspannschraube im Haltekörper fixiert ist. Das Ventilstück bildet einen Ventilsitz für ein hubbeweglich geführtes Ventilschließelement, das als Anker ausgebildet oder mit einem Anker verbunden ist, sowie einen Bundabschnitt mit einer Stützfläche zur axialen Abstützung der Ventilspannschraube aus. Erfindungsgemäß ist die Stützfläche in axialer Richtung auf der Höhe des Ventilsitzes oder in einem axialen Abstand x zum Ventilsitz angeordnet, wobei der axiale Abstand x weniger als ein Viertel eines axialen Abstands y zwischen dem Ventilsitz und einem Hubanschlag für den Anker beträgt.
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Kern der Erfindung ist die axiale Lage der Stützfläche in Bezug auf den Ventilsitz. Mit Minimierung des Abstands in axialer Richtung kann einer den Ankerhub beeinflussenden temperaturbedingen Längenänderung des Ventilstücks entgegengewirkt werden. Denn im Bereich der Stützfläche ist das Ventilstück über die Ventilspannschraube fixiert. Befindet sich die Stützfläche im Bereich des Ventilsitzes, verändert sich die axiale Lage des Ventilsitzes bei einer thermisch bedingten Längenänderung des Ventilstücks nicht oder nur unwesentlich. Der axiale Abstand x der Stützfläche zum Ventilsitz ist daher möglichst klein zu wählen. Idealerweise ist die Stützfläche auf der Höhe des Ventilsitzes oder zumindest im Bereich des Ventilsitzes angeordnet.
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Sofern ein axialer Abstand x zwischen der Stützfläche und dem Ventilsitz gegeben ist, beträgt dieser weniger als ein Viertel des axialen Abstands y zwischen dem Ventilsitz und einem Hubanschlag für den Anker. Hierbei handelt es sich um den oberen Hubanschlag, der eine zweite Endlage des Ankers bzw. des Ventilschließelements bestimmt. Eine erste Endlage ist durch den Ventilsitz vorgegeben. Der axiale Abstand x zwischen der Stützfläche und dem Ventilsitz wird demnach in ein Verhältnis zum Abstand y zwischen den beiden Endlagen des Ankes bzw. des Ventilschließelements gesetzt. Da der Abstand zwischen den beiden Endlagen des Ankers bzw. des Ventilschließelements ein weiteres für den Temperaturgang relevantes Maß darstellt, kann dieses Maß als Bezugsgröße herangezogen werden. Denn je geringer der Abstand y zwischen den beiden Endlagen ist, desto größer ist der Einfluss thermisch bedingter Längenänderungen des Ventilstücks in Bezug auf den Hub des Ankers. Das heißt, dass mit Verringerung des Abstands y auch der Abstand x geringer werden muss.
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Durch die vorgeschlagene Optimierung der Ventilstückgeometrie kann eine deutliche Verringerung des unerwünschten Temperaturgang-Effekts erzielt werden. Das heißt, dass der Ankerhub kleiner ausgelegt werden kann. Durch den verringerten Ankerhub verbessert sich die Ventildynamik. Zugleich sinkt die Gefahr von Kavitationserosion im Ventilraum, so dass die Robustheit des Steuerventils steigt.
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Im Hinblick auf den bevorzugten Anwendungsbereich kann der axiale Abstand der Stützfläche zum Ventilsitz auch maßlich bestimmt werden. Bevorzugt beträgt der axiale Abstand x der Stützfläche zum Ventilsitz maximal 0,5 mm, vorzugsweise maximal 0,3 mm, weiterhin vorzugsweise maximal 0,2 mm.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Anker und/oder das Ventilschließelement über einen hohlzylinderförmigen Abschnitt des Ventilstücks geführt sind, der unmittelbar an die Stützfläche anschließt bzw. die Stützfläche radial innen begrenzt. Üblicherweise ist im hohlzylinderförmigem Abschnitt mindestens eine Radialbohrung ausgebildet, die der Verbindung eines Ventilraums mit einem Niederdruckraum dient, um den Ablauf von Kraftstoff bei geöffnetem Steuerventil zu gewährleisten. Bei der vorgeschlagenen Ventilstückgeometrie wird die Ausbildung einer solchen Radialbohrung jedoch erschwert.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass der Anker und/oder das Ventilschließelement mit dem hohlzylinderförmigen Abschnitt des Ventilstücks in der Weise zusammenwirken, dass mindestens ein sich in axialer Richtung ersteckender Strömungskanal ausgebildet wird. Beispielsweise kann bzw. können der Anker und/oder das Ventilschließelement mindesten einen außenumfangseitigen Anschliff aufweisen, der zur Ausbildung eines Strömungskanals führt. Alternativ kann mindestens eine Längsnut in einer Außenumfangsfläche des Ankers bzw. des Ventilschließelements und/oder in einer Innenumfangsfläche des hohlzylinderförmigen Abschnitts des Ventilstücks ausgebildet sein. Über den mindestens einen sich in Längsrichtung erstreckenden Strömungskanal wird dann die Verbindung des Ventilraums mit dem Niederdruckraum hergestellt.
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Vorteilhafterweise ist der Anker plattenförmig ausgebildet und wirkt mit einer ringförmigen Magnetspule zusammen, die in einer ringförmigen Ausnehmung eines Magnetkerns aufgenommen ist. Auf diese Weise kann eine in axialer Richtung kompakt bauende Anordnung erreicht werden. Da der Ankerhub insgesamt kleiner ausgelegt werden kann, reduziert sich auch die erforderliche Magnetkraft. Das heißt, dass eine kleinere Magnetspule und/oder ein kleinerer Magnetkern eingesetzt werden kann, wodurch sich der Bauraumbedarf des Steuerventils weiter verringert.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich eines hierin eingesetzten Steuerventils gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2a einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich eines hierin eingesetzten Steuerventils gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform und
- 2b einen schematischen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektor im Bereich eines hierin eingesetzten Steuerventils.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine umfasst ein elektromagnetisch betätigbares Steuerventil 1 zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 21. Die Düsennadel 21 begrenzt einen Steuerraum 22, in dem ein Steuerdruck herrscht, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils 1 veränderbar ist.
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Das Steuerventil 1 weist ein in einem Haltekörper 3 des Kraftstoffinjektors aufgenommenes Ventilstück 2 auf, das mittels einer Ventilspannschraube 4 im Haltekörper 3 fixiert ist. Das Ventilstück 2 bildet einen Ventilsitz 5 aus, der von einem hohlzylinderförmigen Abschnitt 12 des Ventilstücks 2 umgeben ist. Der hohlzylinderförmige Abschnitt 12 dient der Führung eines hubbeweglichen Ventilschließelements 6, das mit dem Ventilsitz 5 zusammenwirkt. Eine weitere Führung des Ventilschließelements 6 wird über einen Ankerbolzen 11 bewirkt, der das Ventilschließelement 6 durchsetzt.
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Zur Betätigung des Steuerventils 1 ist eine ringförmige Magnetspule 14 vorgesehen, mittels welcher auf einen Anker 7 eingewirkt werden kann, der vorliegend durch einen plattenförmigen Abschnitt des Ventilschließelements 6 ausgebildet wird. Die Magnetspule 14 ist in einer ringförmigen Ausnehmung 15 eines Magnetkerns 16 aufgenommen, der zugleich einen Hubanschlag 23 für den Anker 7 bzw. das Ventilschließelement 6 ausbildet.
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Wird die Magnetspule 14 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 7 bzw. das Ventilschließelement 6 in Richtung des Magnetkerns 16 bewegt. Dabei hebt das Ventilschließelement 6 vom Ventilsitz 5 ab und das Steuerventil 1 öffnet. Bei geöffnetem Steuerventil 1 vermag Kraftstoff aus dem Steuerraum 22 über einen Ablaufkanal 20 mit einer hierin ausgebildeten Ablaufdrossel 10 in einen Ventilraum 17 zu strömen, der innerhalb des hohlzylinderförmigen Abschnitts 12 des Ventilstücks 2 ausgebildet ist. Der Ventilraum 17 ist über mindestens einen sich in Längsrichtung erstreckenden Strömungskanal 13 mit einem Niederdruckraum 18 verbunden, so dass bei geöffnetem Steuerventil 1 eine Entlastung des Steuerraums 22 bewirkt wird.
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Zum Schließen des Steuerventils 1 wird die Bestromung der Magnetspule 14 beendet, so dass auf den Anker 7 keine Magnetkraft mehr wirkt. Die Rückstellung des Ankers 7 bzw. des Ventilschließelements 6 wird dann mittels der Federkraft einer Feder 19 bewirkt, die unmittelbar oder mittelbar am Anker 7 abgestützt ist.
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Bei dem in der 1 dargestellten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor ist die Ventilspannschraube 4 an einer Stützfläche 9 abgestützt, die an einem Bundabschnitt 8 des Ventilstücks 2 ausgebildet ist. Die axiale Lage der Stützfläche 9 wird durch einen axialen Abstand x zum Ventilsitz 5 bestimmt. Erfindungsgemäß beträgt der axiale Abstand x weniger als ein Viertel eines axialen Abstands y zwischen dem Ventilsitz 5 und dem am Magnetkern 16 ausgebildeten Hubanschlag 23 für den Anker 7. Der axiale Abstand x ist bevorzugt möglichst klein gewählt, so dass die Stützfläche 9 in die Nähe bzw. in den Bereich des Ventilsitzes 5 rückt.
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Wie der 2a zu entnehmen ist, kann die Stützfläche 9 noch näher an den Ventilsitz 5 heranrücken. Hier ist die Stützfläche 9 in etwa auf der Höhe des Ventilsitzes 5 ausgebildet. Je geringer der Abstand x der Stützfläche 9 zum Ventilsitz 5 ist, desto geringer ist der Einfluss thermisch bedingter Längenänderungen des Ventilstücks 2 auf den Hub des Ankers 7.
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In der 2b ist zum Vergleich eine aus dem Stand der Technik bekannte Ventilstückgeometrie dargestellt, bei welcher die Stützfläche 9 in etwa auf Höhe der Ablaufdrossel 10 zu liegen kommt. Da die axiale Lage der Stützfläche 9 über die Ventilspannschraube 4 fixiert ist, führen thermisch bedingte Längenänderungen des Ventilstücks zu einer Lageveränderung des Ventilsitzes 5. Entsprechend verändert sich der Ankerhub.
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Der Einfluss thermisch bedingter Längenänderungen auf den Ankerhub kann deutlich reduziert werden, wenn wie in den 1 und 2a dargestellt, die Stützfläche 9 im Bereich oder zumindest in der Nähe des Ventilsitzes 5 angeordnet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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