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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein druckgesteuertes Einspritzsystem
mit wenigstens einer Einspritzdüse, die
eine Düsennadel
aufweist, die gegen die Rückstellkraft
einer Düsenfeder
durch einen in einem Kraftstoffzulauf herrschenden und an einer
Schulterfläche
der Düsennadel
angreifenden Kraftstoffsystemdruck von einem Dichtsitz abgehoben
wird.
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Solche Einspritzsysteme werden für die Zumessung
von Kraftstoff zu Verbrennungsprozessen, beispielsweise in Verbrennungsmotoren,
eingesetzt. Dabei werden üblicherweise
Schraubenfedern aus Federstahl als Düsenfedern verwendet. Es versteht sich
aber, dass auch andere elastische Elemente verwendet werden können. Der
Begriff der Düsenfeder wird
daher im Folgenden als Synonym für
ein elastisches Element beliebiger Art verwendet.
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Unter einem druckgesteuerten Einspritzsystem
wird hier ein Einspritzsystem verstanden, bei dem ein ansteigender
Druck im Kraftstoffsystem die Düsennadel
gegen die Kraft der Düsenfeder öffnet, so
dass die Einspritzung unmittelbar durch den ansteigenden Druck ausgelöst wird
und nicht mittelbar durch beispielsweise elektromagnetisch über den Hub
eines Stellgliedes erfolgendes Freigeben eines hohen Druckes auf
eine Einspritzdüsennadel
hervorgerufen wird.
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Typische Beispiele von druckgesteuerten Einspritzsystemen
sind die bekannten Pumpe-Düse- und
Pumpe-Leitungs-Düse-Einspritzsysteme
der Anmelderin für
diese Brennkraftmaschinen. Diese Einspritzsysteme besitzen ein nockenbetätigtes Pumpelement
und eine mit dem Pumpelement über
eine Hochdruckleitung verbundene Einspritzdüse. Bei Pumpe-Düse-Systemen
sind Pumpelement und Einspritzdüse
zu einem Bauteil zusammengefasst, in dem die Hochdruckleitung beispielsweise
als gebohrter Kanal realisiert ist. Bei Pumpe-Leitungs-Düse-Systemen
sind Einspritzdüse
und Pumpelement jeweils als separates Bauteil realisiert und über eine externe
Hochdruckrohrleitung miteinander verbunden.
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Durch das periodische Betätigen des
Pumpelementes wird bei beiden Systemen eine periodische Kraftstoffsystemdruckschwankung
erzeugt. Beim Betätigen
des Pumpelementes öffnet
der steigende Kraftstoffsystemdruck ohne Zwischenschalten weiterer
Stellglieder die Einspritzdüse
gegen die Düsenfederkraft
und löst
damit einen Einspritzvorgang aus. Beendet wird die Einspritzung über ein
Zusammenbrechen des Kraftstoffsystemdruckes nach dem Öffnen eines
Pumpventiles in einem Kraftstoffrücklauf, über den sich der Kraftstoffsystemdruck
abbauen kann.
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Zur Unterscheidung von solchen druckgesteuerten
Systemen wird ein über
den Hub eines Stellgliedes erfolgendes Freigeben eines hohen Druckes
auf eine Einspritzdüsennadel
auch als hubgesteuerte Einspritzung bezeichnet.
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Die bekannte Common Rail Einspritztechnik, bei
der mehrere Einspritzventile aus einem gemeinsamen Hochdruck-Kraftstoffspeicher,
dem Common Rail, mit unter vergleichsweise konstantem Einspritzdruck
stehendem Kraftstoff versorgt werden, stellt eine hubgesteuerte
Realisierung eines Einspritzsystems dar. In diesem Fall werden die
Einspritzvorgänge
durch den Hub eines Stellgliedes, das eine Verbindung vom Rail zum
Einspritzventil freigibt, gesteuert.
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Ein weiteres Beispiel eines hubgesteuerten Systems
basiert auf der Verwendung einer Pumpe-Düse Einheit mit periodischer
Hochdruckerzeugung durch Betätigung
des Pumpelementes mit dem Nocken einer Nockenwelle. Bei dem hubgesteuerten Beispiel
einer Pumpe-Düse-Einheit
besitzt die Düsennadel
eine erste Fläche
und einer zweite Fläche, die
dem hohen Druck ausgesetzt werden.
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Die erste Fläche ist so angeordnet, dass
der Hochdruck eine öffnende
Kraft, also eine die Düsennadel
von einem Dichtsitz abhebende erste Kraft auf die Düsennadel
ausübt.
Die zweite Fläche
ist so angeordnet, dass der Hochdruck eine schließende Kraft,
also eine die Düsennadel
auf ihren Dichtsitz pressende zweite Kraft auf die Düsennadel
ausübt. Darüber hinaus übt noch
eine Düsenfeder
eine schließende
dritte Kraft auf die Düsennadel
aus.
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Der Hochdruck auf die zweite Fläche kann über ein
Ventil mit steuerbarem Hub abgebaut werden, das im geöffneten
Zustand ein Abfließen
des den Hochdruck auf die zweite Fläche ausübenden Kraftstoffs an einen
Kraftstoffrücklauf
erlaubt.
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Ist dieses Ventil geschlossen, schließt die Resultierende
der drei genannten Kräfte
die Einspritzdüse.
Ein Öffnen dieses
Ventil bewirkt dagegen, dass die weiter wirkende erste Kraft größer wird
als die Summe aus der dritten Kraft (Düsenfederkraft) und der abnehmenden
zweiten Kraft. Da die Veränderung
der Resultierenden der drei genannten Kräfte von dem steuerbaren Hub
des genannten Ventils abhängig
ist, spricht man auch in diesem Fall von einer hubgesteuerten Öffnung der
Einspritzdüse.
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Es hat sich gezeigt, dass ein druckgesteuertes Öffnen von
Einspritzdüsen
die Schwarzrauchemissionen beim Betrieb von Verbrennungsmotoren verringert.
Diesem Vorteil bekannter druckgesteuerter Systeme stand jedoch bisher
der Nachteil gegenüber,
dass der Einspritzdruck durch die Düsenfeder festgelegt war, so
dass der Einspritzdruck nicht in Abhängigkeit von Betriebsparametern
des Verbrennungsprozesses, beispielsweise in Abhängigkeit von der Last eines
Verbrennungsmotors, variiert werden konnte.
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Außerdem lässt sich mit bekannten druckgesteuerten
Systemen eine Aufteilung der Einspritzmenge in mehrere Teileinspritzungen,
beispielsweise in eine Vor- und in eine Haupteinspritzung, gegebenenfalls
noch ergänzt
um eine Nacheinspritzung, nicht realisieren.
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Ein variabler Einspritzdruck ist
jedoch zur weiteren Verbesserung der Emissionen von Verbrennungsprozessen
wünschenswert.
Eine Aufteilung der Einspritzung ist beispielsweise zur Verbesserung
des Verbrennungsgeräusches
bei Dieselbrennkraftmaschinen wünschenswert.
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Vor diesem Hintergrund besteht die
Aufgabe der Erfindung darin, ein druckgesteuertes Einspritzsystem
anzugeben, mit dem sich eine druckgesteuerte Voreinspritzung realisieren
lässt.
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Diese Aufgabe wird bei einem druckgesteuerten
Einspritzsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
sich die Düsenfeder
unmittelbar an einem Kolben abstützt,
der in der Einspritzdüse beweglich
geführt
ist und dessen Position sich in Abhängigkeit von wenigstens einem
auf den Kolben wirkenden Kraftstoffdruck einstellt.
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Vorteile der
Erfindung
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Durch Variation des wenigstens einen
auf den Kolben wirkenden Kraftstoffdruckes lässt sich die Vorspannung der
Düsenfeder
und damit die Schließkraft
der Düsenfeder
variieren. Dadurch wird es möglich,
die Schließkraft
nach dem Beginn einer Voreinspritzung so zu erhöhen, dass die Düsennadel
vorübergehend
auf ihren Dichtsitz gedrückt
wird. Anschließend
wird sie bei weiter ansteigendem Systemdruck wieder druckgesteuert
für die
Haupteinspritzung von dem Dichtsitz abgehoben. Die Erfindung ermöglicht damit
eine rein druckgesteuerte Voreinspritzung und eine rein druckgesteuerte
Haupteinspritzung. Dabei verbessert die Voreinspritzung als solche
die Geräuschemissionen
und die druckgesteuerte Auslösung
sowohl der Voreinspritzung als auch der Nacheinspritzung verringert
oder vermindert die Schwarzrauchemissionen.
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Als weiterer Vorteil gegenüber hubgesteuerten
Systemen ergibt sich eine erhöhte
Eigensicherheit des Systems daraus, dass die Düsennadel bei wenigstens einem
der eingestellten Düsenöffnungsdrücke zwangsläufig (druckgesteuert) öffnet, während bei
einer hubgesteuerten Auslösung
eine Fehlfunktion des Hubsteuerungs-Stellgliedes dazu führen kann,
dass das Einspritzventil nicht öffnet.
Das zwangsweise Öffnen
nach der Erfindung verhindert damit, dass die Einspritzdüse oder
das Pumpelement durch eine Stellglied-Fehlfunktion zerstört werden kann.
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Im Ergebnis liefert die Erfindung
damit eine verringerte Geräuschemission
in Verbindung mit einer verringerten Schwarzrauchemission und in
Verbindung mit einer hohen Eigensicherheit des Einspritzsystems.
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Es ist bevorzugt, dass der Kolben
durch die Düsenfeder
in eine erste Anschlagposition gedrückt wird, wenn der erste Kraftstoffdruck
unterhalb eines ersten Schwellenwertes liegt, und dass der Kolben durch
den ersten Kraftstoffdruck gegen die Düsenfederkraft in eine zweite
Anschlagposition gedrückt wird,
wenn der erste Kraftstoffdruck oberhalb eines zweiten Schwellenwertes
liegt.
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Dabei ist der zweite Schwellenwert
im Allgemeinen höher
als der erste Schwellenwert, und die Vorspannung der Düsenfeder
ist in der ersten Anschlagposition im Allgemeinen geringer als in
der zweiten Anschlagposition. Die erste und die zweite Anschlagposition
definieren damit zwei verschiedene vorbestimmte Vorspannungen der
Düsenfeder.
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Da jeweils die aus der Vorspannung
der Düsenfeder
resultierende Kraft beim Abheben der Düsennadel von ihrem Dichtsitz
durch einen entsprechend hohen Öffnungsdruck überwunden
werden muss, ergeben sich aus den verschiedenen Vorspannungen verschiedene Öffnungsdrücke der
Einspritzdüse.
Dabei ist der niedrigere der beiden Öffnungsdrücke der Voreinspritzung zugeordnet,
und der höhere
der beiden Öffnungsdrücke ist
der Haupteinspritzung zugeordnet.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der
erste auf den Kolben wirkende Kraftstoffdruck durch wenigstens zeitweise
erfolgendes Ankoppeln eines von dem Kolben begrenzten Volumens an
den unter Kraftstoffsystemdruck stehenden Kraftstoffzulauf erzeugt
wird.
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Durch diese Ausgestaltung ergibt
sich eine Rückwirkung
der Kolbenbewegung aus der ersten in die zweite Anschlagposition
auf den Kraftstoffsystemdruck. Die Kolbenbewegung vergrößert das
unter Kraftstoffsystemdruck stehende Volumen und führt daher
zu einem kurzzeitigen Einbruch des Kraftstoffsystemdruckes. Dies
reduziert die öffnende
Kraft an der Düsennadel
und begünstigt
damit ein automatisch und druckgesteuert erfolgendes Beenden der Voreinspritzung.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der
Kraftstoffsystemdruck durch periodisch erfolgendes Betätigen eines
Pumpkolbens in einem Pumpzylinder erzeugt wird.
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Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass
der erste auf den Kolben der Einspritzdüse wirkende Kraftstoffdruck
mit einem periodisch erfolgenden Anstieg des Kraftstoffsystemdrucks
ebenfalls periodisch ansteigt, so dass sich automatisch und ohne weitere
Steuerungsmaßnahmen
ein periodisches Durchlaufen der beiden verschiedenen Öffnungsdrücke ergibt,
was eine Aufteilung der Einspritzung in eine Voreinspritzung und
eine Haupteinspritzung bewirkt.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der
Kraftstoffsystemdruck über
ein steuerbares Pumpenventilabbaubar ist.
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Diese Ausgestaltung erlaubt eine
hochgenaue Zumessung einer vorbestimmten Einspritzmenge durch Beenden
des Einspritzvorganges beim Erreichen der vorbestimmten Einspritzmenge.
Der Abbau des Kraftstoffsystemdruckes über ein Öffnen des Pumpventils hat zur
Folge, dass die Düsenfeder
die Düsennadel
gegen den wieder schwächer werdenden
Kraftstoffsystemdruck auf den Dichtsitz drückt und damit die Einspritzdüse schließt.
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Das Pumpenventil kann darüber hinaus
zur Steuerung einer Nacheinspritzung dienen, indem ein erneuter
Druckaufbau für
eine nach der Haupteinspritzung erfolgende Nacheinspritzung durch Öffnen und
Schließen
des Pumpenventils erfolgt. Dies setzt ein Profil des Nockens voraus,
das eine durch das nockenbetätigte
Pumpelement unter hohem Druck erfolgende Kraftstoffförderung
auch noch nach dem Ende der Haupteinspritzung erlaubt.
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Es ist weiter bevorzugt, dass ein
sich in einem Düsenfederraum
einstellender zweiter Kraftstoffdruck über eine Ablaufdrossel in einem
Kraftstoffrücklauf
abbaubar ist.
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Diese Ausgestaltung bewirkt, dass
sich ein erhöhter
Druck im Düsenfederraum über die
Ablaufdrossel langsamer abbaut als dies ohne Ablaufdrossel der Fall
wäre.
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Ein erhöhter Druck im Düsenfederraum
ergibt sich beispielsweise durch die weiter oben beschriebene Bewegung
des Kolbens aus der ersten Anschlagposition in die zweite Anschlagposition.
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Der auf die Düsennadelrückseite wirkende Druck führt, wie
auch die Vorspannung der Düsenfeder,
die durch die Bewegung des Kolbens vergrößert worden ist, zu einem Beenden
der Voreinspritzung und zu einem erhöhten Düsenöffnungsdruck für die Haupteinspritzung.
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Es ist weiter bevorzugt, dass ein
steuerbares Injektorventil in einem Kraftstoffrücklauf des Düsenfederraumes
vorhanden ist.
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Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass
sich der Druck im Düsenfederraum
und damit die auf die Düsennadelrückseite
wirkende Schließkraft
gesteuert beeinflussen lässt.
Bei geöffnetem
Injektorventil stellt sich im Düsenfederraum
vergleichsweise schnell der Rücklaufdruck
ein. Bei geschlossenem Injektorventil stellt sich der Rücklaufdruck
dagegen nur verzögert
ein, so dass der Düsenöffnungsdruck
für eine
nachfolgende Haupteinspritzung erhöht ist. Ein erhöhter Düsenöffnungsdruck
für die Haupteinspritzung
verringert insbesondere im Teillastbereich eines Verbrennungsmotors
die Abgasemissionen.
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Die Ansteuerung des Injektorventils
erlaubt damit eine beispielsweise von der Last des Verbrennungsmotors
abhängige
Variation des Düsenöffnungsdruckes
einer druckgesteuerten Haupteinspritzung ohne Veränderung
der Parameter einer druckgesteuert ausgelösten Voreinspritzung. Dabei
lassen sich die genannten Vorteile mit einem einfach aufgebauten
Ventil, das lediglich zwischen zwei Schaltstellungen umschaltbar
ist, erreichen. Bereits mit einem derart einfachen, digital zwischen
zwei Schaltstellungen umschaltbaren Injektorventil lassen sich zwei
unterschiedliche Druckniveaus im Düsenfederraum einstellen. Im
Ergebnis wird damit mit einem einfachen Stellglied eine Umschaltmöglichkeit
zwischen zwei Öffnungsdrücken bei
einem druckgesteuerten System realisiert.
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Es ist weiter bevorzugt, dass die
Ablaufdrossel in das Injektorventil integriert ist.
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Diese Ausgestaltung stellt zunächst eine
Alternative zur parallelen Anordnung einer Ablaufdrossel und eines
Ein/Aus- Injektorventils
dar. Gegenüber dieser
Parallelanordnung erlaubt die integrierte Ausgestaltung ein vollständigeres
Verhindern des Druckaufbaus im Düsenfederraum
und, durch taktweises Ansteuern des Injektorventils, einen größeren Gestaltungsspielraum
bei der Steuerung des Zeitverhaltens des Druckabbaues. Dadurch kann
das Zeitverhalten des Druckabbaus beispielsweise auf die von der
Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängige Frequenz der Einspritzungen
abgestimmt werden.
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Es ist weiter bevorzugt, dass ein
steuerbares Injektorventil zwischen dem von dem Kolben begrenzten
Volumen und dem unter Kraftstoffsystemdruck stehenden Kraftstoffzulauf
angeordnet ist.
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Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass
eine Voreinspritzung gesteuert zu- und abschaltbar ist.
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Beide Anordnungen von Injektorventilen können auch
kombiniert werden, so dass sich die Vorteile der einzelnen Anordnungen
addieren.
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Alle beschriebenen Anordnungen und
Kombinationen von Anordnungen von Injektorventilen erlauben die
Realisierung eines zweiten zuschaltbaren Düsenöffnungsdruckes.
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Je nach Ansteuerung des Injektorventils
lassen sich zwei unterschiedliche Druckniveaus einstellen, bei denen
die Düsennadel
druckgesteuert öffnet. Der
angehobene Druck im Düsenfederraum
wird dabei durch den Kolben der Einspritzdüse bewirkt. Dies hat den weiteren
Vorteil, dass kein ständiger
Leckölfluss über die
Drosseln zwischen der Hoch- und Niederdruckseite fließt, der
den Wirkungsgrad senkt.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass das
zur Realisierung der beiden Düsenöffnungsdrücke notwendige Stellglied
nicht besonders schnell schalten muss. Die geringen Anforderungen
an die Schaltgeschwindigkeit (Dynamik) können durch eine einfache elektrische
Ansteuerung realisiert werden. Vorzugsweise bietet sich als Stellglied
ein Magnetventil an. Allerdings sind auch einfachere Stellglieder,
wie zum Beispiel Bimetalle, Piezokristalle, Formgedächtnislegierungen
verwendende Stellglieder oder auch elektrochemische Stellglieder
zur Steuerung eines Injektorventils denkbar. Aufgrund der Einfachheit
der zu verwendenden Komponenten ist der Mehraufwand gegenüber bekannten
Einspritzsystemen gering.
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Es ist weiter bevorzugt, dass eine
Zulaufdrossel zwischen dem von dem Kolben begrenzten Volumen und
dem unter Kraftstoffsystemdruck stehenden Kraftstoffzulauf vorhanden
ist.
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Die Zulaufdrossel bestimmt das Zeitverhalten
des Druckes in dem von dem Kolben der Einspritzdüse begrenzten Volumen mit.
Die Zulaufdrossel stellt damit ein konstruktiv beeinflussbares Mittel zur
Steuerung der Voreinspritzung dar.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus
der Beschreibung und den beigefügten
Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1:
schematisch ein druckgesteuertes Einspritzsystem, in dem eine erste
Ausgestaltung der Erfindung realisiert ist;
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2:
schematisch einen Ausschnitt aus der 1 zum
Veranschaulichen einer ersten Anschlagposition;
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3:
schematisch einen vergleichbaren Ausschnitt aus der 1 zum Veranschaulichen einer zweiten
Anschlagposition;
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4:
schematisch einen weiteren, vergrößerten Ausschnitt aus der 1 zum Veranschaulichen der
Definition verschiedener Drücke;
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5:
zeitliche Verläufe
verschiedener Drücke
im Einspritzventil bei einer ersten Schaltstellung eines Injektorventils;
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6:
zeitliche Verläufe
solcher Drücke
im Einspritzventil bei einer zweiten Schaltstellung eines Injektorventils;
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7:
schematisch ein druckgesteuertes Einspritzsystem, in dem eine zweite
Ausgestaltung der Erfindung realisiert ist;
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8:
schematisch ein druckgesteuertes Einspritzsystem, in dem eine dritte
Ausgestaltung der Erfindung realisiert ist;
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9:
ein Einspritzventil 12 einer Pumpe-Düse-Anordnung entsprechend der
Ausgestaltung nach 1 im
Teilschnitt;
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10 einen
vergleichbaren Teilschnitt entsprechend der Ausgestaltung nach 7;
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11 einen
vergleichbaren Teilschnitt entsprechend der Ausgestaltung nach 8.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die Ziffer 10 in der 1 bezeichnet schematisch
eine erste Ausgestaltung eines druckgesteuerten Einspritzsystems
mit einer Einspritzdüse 12 und
einem Pumpelement 14. Eine im Inneren der Einspritzdüse 12 bewegliche
Düsennadel 16 wird, bei
geschlossener Einspritzdüse,
von einer Düsenfeder 18 auf
einen Dichtsitz 20 am einspritzseitigen Ende 22 der
Einspritzdüse 12 gepresst.
Ein Teilbereich der Düsennadel 16 ist
von einem Hohlraum 24 im Inneren der Einspritzdüse 12 umgeben,
der über eine
Hochdruckleitung 26 mit unter Kraftstoffsystemdruck stehendem
Kraftstoff versorgt wird.
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Der Kraftstoffsystemdruck in dem
Hohlraum 24 greift an einer Schulterfläche 28 der Düsennadel 16 an
und hebt diese bei ausreichend hohem Kraftstoffsystemdruck gegen
die Rückstellkraft
der Düsenfeder 18 von
dem Dichtsitz 20 ab. Dadurch wird das Einspritzventil an
seinem einspritzseitigen (brennraumseitigen) Ende 22 geöffnet und
Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum für einen
Verbrennungsprozess dosiert. Die Düsenfeder 18 stützt sich
an ihrem der Düsennadel 16 abgewandten
Ende an einem Kolben 30 ab.
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Der Kolben 30 weist eine
erste Konturierung 31 auf, die mit einer korrespondierenden
negativen Konturierung 33 der Einspritzdüse 12 eine
erste Anschlagposition für
den Kolben 30 definiert. Eine Teilfläche 32 des Kolbens
begrenzt ein Volumen 34 im Inneren der Einspritzdüse 12,
da sie über
eine Leitung 35 und eine Zulaufdrossel 36 mit
der Hochdruckleitung 26 verbunden ist. Die Hochdruckleitung 26 stellt
einen Kraftstoffzulauf für
die Einspritzdüse 12 dar.
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Die Düsenfeder 18 ist in
einem als Düsenfederraum 38 bezeichneten
Teilvolumen der Einspritzdüse
angeordnet, das über
einen Rücklauf 40 mit
einem Kraftstofftank 42 verbunden ist. Zwischen dem Düsenfederraum 38 und
dem Kraftstofftank 42 ist in paralleler Anordnung ein Injektorventil 44 und
eine Ablaufdrossel 46 geschaltet. Das Injektorventil 44 ist beispielsweise
als Ein/Aus-Magnetventil
realisiert, das von einem Steuergerät 48 gesteuert wird.
Das Steuergerät 48 steuert
auch ein beispielsweise als Magnetventil realisiertes Pumpenventil 50,
das in einem Rücklauf 52 zwischen
dem Pumpelement 14 und dem Kraftstofftank 42 angeordnet
ist.
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Das Pumpelement 14 weist
einen Pumpkolben 54 auf, der in einem Pumpzylinder 56 beweglich geführt ist
und der von einem Nocken 58 einer Nockenwelle 60 gegen
die Kraft einer Rückstellfeder 62 periodisch
betätigt
wird. Der Pumpkolben 54 dichtet das Pumpzylindervolumen 64 beweglich
ab und erzeugt bei einer Betätigung
durch den Nocken 58 und gleichzeitig geschlossenem Pumpenventil 50 einen Kraftstoffsystemdruck
von weit über
1000 bar im Pumpzylindervolumen 64.
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In der Darstellung ist das Pumpenventil 50 geöffnet, so
dass vom Pumpkolben 54 verdrängter Kraftstoff über den
Rücklauf 52 in
den Kraftstofftank 42 abfließen kann. In der gezeichneten
Schaltstellung des Pumpenventils 50 baut sich daher kein
hoher Kraftstoffsystemdruck auf.
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Die Ziffer 66 bezeichnet
eine alternative Ausgestaltung des Injektorventils 44.
Das alternative Injektorventil 66 weist eine integrierte
Ablaufdrossel 68 auf, die die Ablaufdrossel 46 ersetzt.
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Durch das Schließen des Pumpenventils 50 baut
sich durch die verdichtende Wirkung des Pumpkolbens 54 ein
hoher Kraftstoffsystemdruck im Pumpzylindervolumen 64 auf.
Der Kraftstoffsystemdruck pflanzt sich über den Kraftstoffzulauf 26 in
den Hohlraum 24 fort und öffnet die Einspritzdüse 12 durch
Abheben der Düsennadel 16 von
ihrem Dichtsitz 20. Das bei ansteigendem Kraftstoffsystemdruck erste Öffnen des
Einspritzventils 12 definiert den Beginn einer Voreinspritzung.
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Parallel pflanzt sich der Kraftstoffsystemdruck über die
Zulaufdrossel 36 und die Leitung 35 in das vom
Kolben 30 begrenzte Volumen 34 in der Einspritzdüse 12 fort.
Bei ausreichend hohem Druck im Volumen 34 gibt der Kolben 30 zusätzliches
Volumen frei, was zu einem kurzzeitigen Einbruch des Kraftstoffsystemdrucks
führt.
Zugleich erhöht
sich die Vorspannung der Düsenfeder 18 durch
die Bewegung des Kolbens 30 bis in eine zweite Anschlagposition. Die
Verringerung des Kraftstoffsystemdrucks bei gleichzeitig erhöhter Vorspannung
der Düsenfeder 18 führt zum
Schließen
der Düsennadel 16,
womit die Voreinspritzung beendet ist.
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Während
der gesamten nachfolgend beschriebenen Haupteinspritzung verbleibt
der Kolben 30 in der zweiten Anschlagposition und kehrt
erst nach Abbau des Kraftstoffsystemdrucks wieder in seine ursprüngliche
erste Anschlagposition zurück.
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Bei geöffnetem Injektorventil 44 verhält sich das Einspritzsystem 10 im
weiteren Einspritzverlauf wie eine konventionelle Einspritzdüse, bei
der sich die Düsenfeder 18 nicht
an einem in der Einspritzdüse 12 beweglichen
Kolben abstützt.
Im Düsenfederraum 38 stellt
sich ein Rücklaufdruck
ein. Entgegen der Kraft der Düsenfeder 18 öffnet die
Einspritzdüse 12 durch
den wieder steigenden Kraftstoffsystemdruck, so dass die Haupteinspritzung
beginnt. Die Haupteinspritzung wird durch das Öffnen des Pumpenventils 50 und
den daraus resultierenden Druckabfall beendet.
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2 zeigt
den Kolben 30 aus der 1 nochmals
in der ersten Anschlagposition.
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3 zeigt
dagegen den Kolben 30 aus der 1 in der zweiten Anschlagposition, in
der das vom Kolben 30 begrenzte Volumen 34 vergrößert ist.
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4 zeigt
das einspritzseitige (brennraumseitige) Ende 22 der Einspritzdüse 12 in
vergrößerter Form,
um die Drücke
P1 und P2, auf die weiter unten Bezug genommen wird, zu definieren.
P1 stellt den Kraftstoffsystemdruck dar, der sich in der oben beschriebenen
Weise im Hohlraum 24 an der Schulterfläche 28 der Düsennadel 16 einstellt.
P2 stellt dagegen den eigentlichen Einspritzdruck dar, der bei geöffneter
Einspritzdüse 12,
also bei vom Dichtsitz 20 abgehobener Düsennadel 16, dem Kraftstoffsystemdruck
P1 entspricht.
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5 zeigt
in qualitativer Form zeitliche Verläufe des Kraftstoffsystemdruckes
P1 und des Einspritzdruckes P2, wie sie sich bei geöffnetem
Injektorventil 44 in der 1 einstellen.
Dabei ergibt sich der ansteigende Verlauf von P1 und P2 durch das Betätigen des
Pumpkolbens 54 durch den Nocken 58 bei geschlossenem
Pumpenventil 50. Das erste Maximum von P2 repräsentiert
die Voreinspritzung und das zweite, größere Maximum repräsentiert
die nachfolgende Haupteinspritzung. Der kurze Einbruch des Kraftstoffsystemdrucks
P1 bei den Voreinspritzungen wird durch die Bewegung des Kolbens 30 hervorgerufen.
Zum Zeitpunkt t_E wird das Pumpenventil 50 geöffnet, was
zu einem Zusammenbrechen des Kraftstoffsystemdrucks P1 und damit
zum Schließen
der Einspritzdüse 12 führt. Die
Druckverläufe
der 5 korrespondieren
zu den oben beschriebenen Verhältnissen
bei geöffnetem
Injektorventil 44 in der 1.
In diesem Fall stellt sich ein erster Düsenöffnungsdruck P1_1 ein.
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Im Unterschied zur Darstellung der 5 zeigt die 6 einen höheren Düsenöffnungsdruck P1_2, bei dem
die Einspritzdüse 12 für die Haupteinspritzung öffnet. Dieser
höhere
Düsenöffnungsdruck P1_2
wird bei dem in der 1 dargestellten
Einspritzsystem 10 bei geschlossenem Injektorventil 44 aufgebaut.
Bei geschlossenem Injektorventil 44 baut sich ein Druck
im Düsenfederraum 38 auf,
der sich über
die Ablaufdrossel 46 im Rücklauf 40 nur langsam
abbaut.
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Der erhöhte Druck im Düsenfederraum 38 kommt
dadurch zustande, dass sich der Kolben 30 von seiner ersten
Anschlagposition in seine zweite Anschlagposition bewegt.
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Diese Bewegung ist mit einer Verkleinerung des
Düsenfederraumes 38 verbunden.
Dadurch wird der auf die Düsennadelrückseite
wirkende Druck im Düsenfederraum 38 vergrößert. Dieser
vergrößerte Druck
im Düsenfederraum 38 muss
zum Abheben der Düsennadel 16 von
ihrem Dichtsitz 20 durch einen entsprechend vergrößerten Kraftstoffsystemdruck
P_2 überwunden
werden.
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Sowohl bei geöffnetem als auch bei geschlossenem Injektorventil 44 kann
ein erneuter Druckaufbau für
eine nach der Haupteinspritzung erfolgende Nacheinspritzung durch Öffnen und
Schließen
des Pumpenventils 50 erfolgen. Dies setzt ein Profil des
Nockens 58 voraus, das eine Kraftstoffförderung unter hohem Druck durch
das Pumpelement 14 auch noch nach dem Ende der Haupteinspritzung erlaubt.
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In der Ausgestaltung der 1 kann die Düsennadel 16 für die Haupteinspritzung
auch hubgesteuert geöffnet
werden. Nach der Voreinspritzung ist aufgrund der Bewegung des Kolbens 30 von
seiner ersten in seine zweite Anschlagposition ein erhöhter Druck
im Düsenfederraum 38 vorhanden.
Dieser erhöhte
Druck baut sich über
die Ablaufdrossel 46 langsam ab. Wird nun das zuvor geschlossene
Injektorventil 44 geöffnet, öffnet die
Düsennadel 16 schlagartig,
da sich der Druck im Düsenfederraum 38 über das
geöffnete
Injektorventil 44 rasch abbaut. Der Düsenöffnungsdruck, der sich dabei
einstellt, ist in erster Linie vom Druckanstieg im System sowie
von dem Zeitpunkt, zu dem das Injektorventil 44 geöffnet wird, abhängig.
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7 zeigt
ein druckgesteuertes Einspritzsystem 10 mit einer zweiten
Ausgestaltung der Erfindung. Diese zweite Ausgestaltung unterscheidet
sich von der Ausgestaltung nach der 1 durch
die Anordnung des Injektorventils 44. In der Darstellung
der 7 ist das Injektorventil 44 in
Reihe mit der Zulaufdrossel 36 in der Leitung 35 angeordnet.
Die Leitung 35 verbindet das vom Kolben 30 begrenzte
Volumen 34 mit der Hochdruckleitung 26 (Kraftstoffzulauf).
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Bei geschlossenem Injektorventil 44 verhält sich
diese Ausgestaltung während
der Einspritzung wie eine konventionelle Einspritzdüse, die
keinen beweglichen Kolben
30 aufweist. Diese Funktion ergibt sich
dadurch, dass der Kolben 30 bei geschlossenem Injektorventil 44 in
seiner ersten Anschlagposition verbleibt. Im Düsenfederraum 38 stellt
sich unter diesen Verhältnissen
der Rücklaufdruck
ein. Entgegen der Kraft der Düsenfeder 18 öffnet die
Einspritzdüse 12 durch
den steigenden Kraftstoffsystemdruck bei Betätigung des Pumpkolbens 54 durch
den Nocken 58. Die Haupteinspritzung wird durch das Öffnen des Pumpenventils 50 und
den daraus resultierenden Abfall des Kraftstoffsystemdrucks beendet.
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Bei geöffnetem Injektorventil 44 wird
dagegen durch die Funktion des Kolbens 30, wie sie in Verbindung
mit der 1 beschrieben
wurde, eine Voreinspritzung realisiert. Gleichzeitig baut sich durch
das Volumen, das durch den Kolben 30 bei seiner Bewegung
von der ersten Anschlagposition in die zweite Anschlagposition verdrängt wurde,
ein Druck im Düsenfederraum 38 auf.
Dieser Druck baut sich über
die Ablaufdrossel 46 nur langsam ab. Dadurch ergibt sich
auch hier ein erhöhter
Düsenöffnungsdruck.
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Aufgrund des zunehmenden Druckes
im System öffnet
die Düsennadel 16 nach
dem Ende der Voreinspritzung erneut und die Haupteinspritzung beginnt.
Die Haupteinspritzung wird wieder durch das Öffnen des Pumpenventils 50 beendet.
Erst danach kehrt der Kolben 30 in seine ursprüngliche
Position (erste Anschlagposition) zurück. Auch hier kann gegebenenfalls
eine Nacheinspritzung durch erneutes Betätigen des Pumpenventils 50 bei
entsprechend ausgelegtem Nockenprofil erfolgen.
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Bei der Ausgestaltung nach der 1 erfolgt in beiden Schaltstellungen
des Injektorventils 44 eine Voreinspritzung. Dagegen findet
eine solche Voreinspritzung bei der Ausgestaltung nach der 7 nur in Verbindung mit
einem erhöhten
Düsenöffnungsdruck
P1_2 statt. Außerdem
lässt sich
die Voreinspritzung bei der Ausgestaltung nach der Fig. 7 im Gegensatz zur Ausgestaltung
nach der 1 unmittelbar
vor der Haupteinspritzung abschalten, da sie für die Haupteinspritzung nicht
erforderlich ist.
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Ebenso wie das Injektorventil 44 der
Ausgestaltung nach der 1 braucht
auch das Injektorventil 44 nach der Ausgestaltung der 7 nicht druckausgeglichen
zu sein. Das erneute Schließen des
Injektorventils 44, das einen niedrigen Druck am Ausgang
des Injektorventils 44 voraussetzt, kann in beiden Ausgestaltungen
in einer Phase erfolgen, bei der sich am Ausgang des Injektorventils 44 ein
niedriger Druck eingestellt hat. Dies ist beispielsweise im Anschluss
an die Haupteinspritzung (gegebenenfalls im Anschluss an eine Nacheinspritzung)
der Fall.
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8 zeigt
ein druckgesteuertes Einspritzsystem mit einer dritten Ausgestaltung
der Erfindung. Diese dritte Ausgestaltung der Erfindung unterscheidet
sich von den Ausgestaltungen der 1 und 7 dadurch, dass sie kein
steuerbares Injektorventil 44 aufweist. Bei der Ausgestaltung
der 8 wird, wie in Verbindung
mit der 1 beschrieben,
durch die Funktion des Kolbens 30 eine Voreinspritzung
realisiert. Durch die Bewegung des Kolbens 30 von seiner ersten
Anschlagposition in seine zweite Anschlagposition baut sich im Düsenfederraum 38 ein
Druck auf, der sich über
die Ablaufdrossel 46 nur langsam abbaut.
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Dadurch wird der Düsenöffnungsdruck
für die
nachfolgende Haupteinspritzung erhöht. Nach dem Ende der Voreinspritzung öffnet die
Düsennadel 16 aufgrund
des zunehmenden Kraftstoffsystemdruckes erneut und die Haupteinspritzung
beginnt. Während
der gesamten Haupteinspritzung verbleibt der Kolben 30 in
einer zweiten Anschlagposition und kehrt erst danach in seine ursprüngliche
erste Anschlagposition zurück.
Auch hier wird die Haupteinspritzung durch das Öffnen des Pumpenventils 50 beendet.
Gegebenenfalls kann auch hier unter den vorstehend beschriebenen
Bedingungen eine Nacheinspritzung erfolgen.
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Im Unterschied zu den Ausgestaltungen
der 1 und 7 wird mit der Ausgestaltung
nach der 8 lediglich
ein Düsenöffnungsdruck
realisiert, während
die Ausgestaltungen der 1 und 7, wie beschrieben, zwei
verschiedene Düsenöffnungsdrücke ermöglichen.
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Die vorstehende Beschreibung bezieht
sich auf die in den Figuren dargestellten Pumpe-Leitungs-Düsesysteme.
Es versteht sich aber, dass die Erfindung weder auf Pumpe-Leitungs-Düse-Systeme noch
auf Pumpe-Düse-Systeme
beschränkt
ist, sondern allgemein druckgesteuerte Einspritzsysteme betrifft,
wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
definiert werden.
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9 zeigt
ein Einspritzventil (12) eines Pumpe-Düse-Systems entsprechend der Ausgestaltung
nach 1 im Teilschnitt.
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10 zeigt
ein Einspritzventil (12) eines Pumpe-Düse-Systems entsprechend der Ausgestaltung
nach 7 im Teilschnitt.
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11 zeigt
ein Einspritzventil (12) eines Pumpe-Düse-Systems entsprechend der Ausgestaltung
nach 8 im Teilschnitt.
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Dabei kennzeichnet die Ziffer 70 jeweils
ein Stellgliedelement, beispielsweise einen vertikal beweglichen
Anker, des Injektorventils 44.
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Die 9 bis 11 offenbaren einen weiteren Vorteil
der Erfindung, indem sie die wenig aufwendige Realisierbarkeit der
verschiedenen Ausgestaltungen durch wenige Bohrungen in wenigen
plattenförmigen
oder zylinderförmigen
Komponenten eines Einspritzventils (12) zeigen. Damit lassen
sich beispielsweise bei einem modular aufgebauten Standard-Einspritzventil die
verschiedenen Ausgestaltungen durch Auswechseln weniger Teilkomponenten realisieren,
was insbesondere bei einer Massenfertigung von großem Vorteil
ist.