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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft ein druckgesteuertes Einspritzsystem
mit wenigstens einer Einspritzdüse, die
eine Düsennadel
mit einer einspritzseitigen Dichtkontur, einer Schulterfläche und
einer Rückseite
aufweist, wobei die Düsennadel
durch einen in einem Kraftstoffzulauf herrschenden und an der Schulterfläche angreifenden Öffnungsdruck
von einem Dichtsitz gehoben wird, und wobei das Anheben der Düsennadel
gegen die Rückstellkraft
einer in einem Düsenfederraum
angeordneten Düsenfeder
und gegen einen Schließdruck
erfolgt, der in einem von der Rückseite der
Düsennadel
begrenzten Volumen herrscht.
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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
Diesel-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 separate
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 eine 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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Ein variabler Einspritzdruck ist
jedoch zur weiteren Verbesserung der Emissionen von Verbrennungsprozessen
wünschenswert.
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Vor diesem Hintergrund besteht die
Aufgabe der Erfindung darin, ein druckgesteuertes Einspritzsystem
anzugeben, das eine Einstellung unterschiedlicher Düsenöffnungsdrücke während des
Betriebs des Einspritzsystems erlaubt.
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Diese Aufgabe wird bei einem druckgesteuerten
Einspritzsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
der Kraftstoffzulauf über
das genannte Volumen mit einem Kraftstoffrücklauf verbunden ist und in
dieser Verbindung wenigstens ein steuerbares Injektorventil angeordnet
ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese Lösung besitzt den Vorteil, dass
sich der Druck im Düsenfederraum
und damit die auf die Düsennadelrückseite
wirkende Schließkraft
gesteuert beeinflussen lässt.
Die Ansteuerung des Injektorventils erlaubt damit eine beispielsweise
von der Last des Verbrennungsmotors abhängige Variation des Düsenöffnungsdruckes
bei einer druckgesteuerten Einspritzung.
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Als weiterer Vorteil gegenüber hubgesteuerten
Systemen ergibt sich eine erhöhte
Eigensicherheit des Systems daraus, dass die Düsennadel in jeder Schaltstellung
des Injektorventils garantiert druckgesteuert öffnet. Dagegen kann eine Fehlfunktion
des Hubsteuerungs-Stellgliedes bei einer hubgesteuerten Auslösung dazu
führen,
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 Schwarzrauchemission in Verbindung mit einer
hohen Eigensicherheit des Einspritzsystems.
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Es ist bevorzugt, dass der Düsenfederraum das
genannte Volumen bildet und dass das Injektorventil in einer Verbindung
des Düsenfederraumes
mit dem Kraftstoffrücklauf
angeordnet ist.
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Bei geöffnetem Injektorventil stellt
sich im Düsenfederraum
der Rücklaufdruck
ein. Bei geschlossenem Injektorventil stellt sich dagegen ein erhöhter Druck
ein, weil Kraftstoff vom einspritzseitigen Ende der Düsennadel
an der Düsennadel
vorbei in den Düsenfederraum
gedrückt
wird. Daneben kann eine gezielte Druckerhöhung auch durch andere Maßnahmen,
die weiter unten noch erläutert
werden, erzeugt werden. Ein erhöhter
Düsenöffnungsdruck verringert
insbesondere im Teillastbereich eines Verbrennungsmotors die Abgasemissionen.
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Dabei lassen sich die genannten Vorteile
mit einem einfach aufgebauten Ventil, das lediglich zwischen zwei
Schaltstellungen digital umschaltbar ist, erreichen. Bereits mit
einem derart einfachen Ventil 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 eine
Ablaufdrossel parallel zu dem Injektorventil in der Verbindung des
Düsenfederraumes
mit dem Kraftstoffrücklauf
angeordnet ist.
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Damit ist der Vorteil verbunden,
dass auch bei einem fehlerhaft geschlossenen Injektorventil kein
unerwünscht
hoher Druck im Düsenfederraum aufgebaut
werden kann.
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Es ist weiter bevorzugt, dass das
Injektorventil eine Ablaufdrossel aufweist und dass diese Ablaufdrossel
in einem der Schaltzustände
des Injektorventils in die Verbindung geschaltet 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.
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Durch das taktweise erfolgende Ansteuern kann
das Zeitverhalten des Druckabbaus beispielsweise auf die von der
Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängige Frequenz der Einspritzungen
abgestimmt werden. Dies gilt für
alle in der Beschreibung näher
erläuterten
Ausgestaltungen.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der
Düsenfederraum
das genannte Volumen bildet und dass die Verbindung des Düsenfederraumes
mit dem Kraftstoffzulauf eine Zulaufdrossel aufweist.
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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
Festlegung der Düsenöffnungsdrücke dar.
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Außerdem stellt sie ein Beispiel
der oben erwähnten
Maßnahmen
zum Erzeugen eines erhöhten Druckes
im Düsenfederraum
dar, da sie den Düsenfederraum
an den unter Kraftstoffsystemdruck stehenden Kraftstoffzulauf koppelt.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der
Düsenfederraum
das genannte Volumen bildet und dass das Injektorventil in einer
Verbindung des Düsenfederraumes
mit dem Kraftstoffzulauf angeordnet ist.
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Dadurch lässt sich die Höhe des Druckes
im Düsenfederraum
gezielt durch eine Ansteuerung des Injektorventils beeinflussen,
wobei Leckströme
durch den Düsenfederraum
minimiert werden.
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Es ist in Verbindung mit einem Injektorventil im
Zulauf weiter bevorzugt, dass die Verbindung des Düsenfederraums mit
dem Kraftstoffrücklauf
eine Ablaufdrossel aufweist.
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Zunächst ist festzustellen, dass
eine Verbindung des Düsenfederraumes
mit dem Kraftstoffrücklauf
erforderlich ist, um, ausgehend von einem erhöhten Druckniveau im Düsenfederraum,
einen verringerten Druck einstellen zu können. Das Vorsehen einer Ablaufdrossel
verlangsamt diesen Druckabbau und verringert auch den Leckstrom
durch den Düsenfederraum
bei geöffnetem
Injektorventil.
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Es ist weiter bevorzugt, dass das
Injektorventil in Reihe mit der Zulaufdrossel geschaltet ist.
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Diese Anordnung verringert ebenfalls
die unerwünschten
Leckströme
durch den Düsenfederraum.
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Es ist weiter bevorzugt, dass sich
die Düsenfeder
unmittelbar an einem Kolben abstützt,
der in der Einspritzdüse
beweglich geführt
ist und dessen Position sich in Abhängigkeit von einem auf eine
der Düsenfeder
abgewandte Teilfläche
des Kolbens einwirkenden Kraftstoffdruck in einem von dem Kolben begrenzten
Volumen einstellt, wobei der genannte Druck durch wenigstens zeitweise
erfolgendes Ankoppeln des Volumens an den Kraftstoffzulauf erzeugt
wird.
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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
nach einem ersten Öffnen
der Einspritzdüse
variieren. Dadurch wird die Auslösung einer
druckgesteuerten Voreinspritzung in Verbindung mit einer nachfolgenden,
ebenfalls druckgesteuert ausgelösten
Haupteinspritzung möglich.
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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Es ist weiter bevorzugt, dass die
Ankopplung über
eine Zulaufdrossel erfolgt.
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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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Es ist weiter bevorzugt, dass das
steuerbare Injektorventil eine erste und eine zweite Schaltstellung
aufweist, und dass in der ersten Schaltstellung das Volumen über eine
in Reihe mit dem Injektorventil geschaltete Zulaufdrossel mit dem
Kraftstoffzulauf verbunden ist und dass das Injektorventil in der
zweiten Schaltstellung eine Verbindung des Volumens zu einem Kraftstoffrücklauf freigibt
und die Verbindung zum Kraftstoffzulauf unterbricht.
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Auch diese Ausgestaltung ermöglicht die Auslösung einer
druckgesteuerten Voreinspritzung in Verbindung mit einer druckgesteuert
ausgelösten Haupteinspritzung.
Gegenüber
den vorstehend genannten Ausgestaltungen hat diese Ausgestaltung den
weiteren Vorteil, dass während
einer Einspritzung kein Leckstrom über die Drosseln der Zulaufseite
und Rücklaufseite
fließt.
Daher besitzt diese Ausgestaltung einen guten Wirkungsgrad.
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Alle beschriebenen Anordnungen und
Kombinationen von Anordnungen von Injektorventilen erlauben die
Realisierung eines zweiten zuschaltbaren Düsenöffnungsdruckes durch Ansteuerung
des Injektorventils als Stellglied.
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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. Die genannten Drosselanordnungen liefern
den weiteren Vorteil einer guten Dämpfung von Druckspitzen im Einspritzsystem,
was die Materialbeanspruchung der Systemkomponenten verringert.
Eine gute Dämpfung
trägt zur
Stabilität
des Einspritzverhaltens bei und wirkt sich positiv, d. h. verringernd
auf die Streubreite der Einspritzmengen aus.
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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 weiteren, vergrößerten Ausschnitt aus der 1 zum Veranschaulichen der
Definition verschiedener Drücke;
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3:
zeitliche Verläufe
verschiedener Drücke
im Einspritzventil bei einer ersten Schaltstellung eines Injektorventils;
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4:
zeitliche Verläufe
solcher Drücke
im Einspritzventil bei einer zweiten Schaltstellung eines Injektorventils;
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5:
schematisch ein druckgesteuertes Einspritzsystem, in dem eine zweite
Ausgestaltung der Erfindung realisiert ist;
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6:
zeitliche Verläufe
verschiedener Drücke
bei einer ersten Schaltstellung eines Injektorventils bei der zweiten
Ausgestaltung;
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7:
zeitliche Verläufe
solcher Drücke
bei einer zweiten Schaltstellung eines Injektorventils bei der zweiten
Ausgestaltung;
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8:
schematisch ein druckgesteuertes Einspritzsystem, in dem eine dritte
Ausgestaltung der Erfindung realisiert ist;
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9:
schematisch ein druckgesteuertes Einspritzsystem mit einer vierten
Ausgestaltung der Erfindung; und
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10:
schematisch ein druckgesteuertes Einspritzsystem mit einer fünften Ausgestaltung
der Erfindung;
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11 eine
Einspritzdüse
entsprechend der Ausgestaltung nach 1 im
Teilschnitt;
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12 eine
Einspritzdüse
entsprechend der Ausgestaltung nach 5 im
Teilschnitt.
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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 12,
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. Die Hochdruckleitung 26 wird
im folgenden auch als Kraftstoffzulauf bezeichnet.
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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.
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Die Düsenfeder 18 ist in
einem als Düsenfederraum 30 bezeichneten
Teilvolumen der Einspritzdüse 12 angeordnet,
das über
einen Rücklauf 32 mit einem
Kraftstofftank 34 verbunden ist. Der Düsenfederraum 30 ist über eine
Zulaufdrossel 45 mit der Hochdruckleitung 26 verbunden.
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Zwischen dem Düsenfederraum 30 und
dem Kraftstofftank 34 ist in paralleler Anordnung ein Injektorventil 36 und
eine Ablaufdrossel 38 geschaltet. Das Injektorventil 36 ist
beispielsweise als Ein/Aus-Magnetventil realisiert, das von einem
Steuergerät 40 gesteuert
wird. Das Steuergerät 40 steuert auch
ein beispielsweise als Magnetventil realisiertes Pumpenventil 42,
das in einem Rücklauf 44 zwischen dem
Pumpelement 14 und dem Kraftstofftank 34 angeordnet
ist.
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Das Pumpelement 14 weist
einen Pumpkolben 46 auf, der in einem Pumpzylinder 48 beweglich geführt ist
und der von einem Nocken 50 einer Nockenwelle 52 gegen
die Kraft einer Rückstellfeder 54 periodisch
betätigt
wird. Der Pumpkolben 46 dichtet das Pumpzylindervolumen 56 beweglich
ab und erzeugt bei einer Betätigung
durch den Nocken 50 und gleichzeitig geschlossenem Pumpenventil 42 einen Kraftstoffsystemdruck
von weit über
1000 bar im Pumpzylindervolumen 56.
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In der Darstellung der 1 ist das Pumpenventil 42 geöffnet, so
dass vom Pumpkolben 46 verdrängter Kraftstoff über den
Rücklauf 44 in
den Kraftstofftank 34 abfließen kann. In der gezeichneten Schaltstellung
des Pumpenventils 42 baut sich daher kein hoher Kraftstoffsystemdruck
auf.
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Die Ziffer 58 bezeichnet
eine alternative Ausgestaltung des Injektorventils 36.
Das alternative Injektorventil 58 weist eine integrierte
Ablaufdrossel 60 auf, die die Ablaufdrossel 38 ersetzt.
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Durch das Schließen des Pumpenventils 42 baut
sich durch die verdichtende Wirkung des Pumpkolbens 46 ein
hoher Kraftstoffsystemdruck im Pumpzylindervolumen 56 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.
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Bei geöffnetem Injektorventil 36 verhält sich das
Einspritzsystem 10 im weiteren Einspritzverlauf wie eine
konventionelle Einspritzdüse.
Im Düsenfederraum 30 stellt
sich ein Rücklaufdruck
ein, da sich wegen des geöffneten
Injektorventils 36 kein hoher Druck im Düsenfederraum 30 einstellen
kann. Die Einspritzung wird durch das Öffnen des Pumpenventils 42 und
den daraus resultierenden Druckabfall beendet.
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2 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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3 zeigt
in qualitativer Form zeitliche Verläufe des Kraftstoffsystemdruckes
P1 und des Einspritzdruckes P2 über
der Zeit t, wie sie sich bei geöffnetem
Injektorventil 36 in der 1 einstellen.
Dabei ergibt sich der ansteigende Verlauf von P1 und P2 durch das
Betätigen
des Pumpkolbens 46 durch den Nocken 50 bei geschlossenem
Pumpenventil 42.
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Zum Zeitpunkt t_E wird das Pumpenventil 42 geöffnet, was
zu einem Zusammenbrechen des Kraftstoffsystemdrucks P1 und damit
zum Schließen der
Einspritzdüse 12 führt. Die Druckverläufe der 3 korrespondieren zu den
oben beschriebenen Verhältnissen
bei geöffnetem
Injektorventil 36 in der 1.
In diesem Fall stellt sich ein erster Düsenöffnungsdruck P1_1 ein.
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Im Unterschied zur Darstellung der 3 zeigt die 4 einen höheren Düsenöffnungsdruck P1_2, bei dem
die Einspritzdüse 12 für die Einspritzung öffnet. Dieser
höhere
Düsenöffnungsdruck P1_2
wird bei dem in der 1 dargestellten
Einspritzsystem 10 bei geschlossenem Injektorventil 36 aufgebaut.
Bei geschlossenem Injektorventil 36 baut sich ein Druck
im Düsenfederraum 30 auf,
der sich über
die Ablaufdrossel 38 im Rücklauf 32 nur langsam
abbaut.
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Die Höhe des Druckes im Düsenfederraum 30 bei
geschlossenem Injektorventil 36 wird durch die Dimensionierung
der Drosseln 45 und 38 wesentlich mitbestimmt.
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Insgesamt stellen sich damit je nach Ein/Aus-Schaltstellung
des Injektorventils 36 zwei verschiedene Drücke im Düsenfederraum
ein, die zu zwei verschiedenen Düsenöffnungsdrücken führen. Durch
getaktete Ansteuerung des Injektorventils 36 lassen sich
weitere Druckwerte einstellen.
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Sowohl bei geöffnetem als auch bei geschlossenem
Injektorventil 36 kann ein erneuter Druckaufbau für eine nach
der Haupteinspritzung erfolgende Nacheinspritzung durch Öffnen und
Schließen
des Pumpenventils 42 erfolgen. Dies setzt ein Profil des
Nockens 50 voraus, das eine Kraftstoffförderung unter hohem Druck durch
das Pumpelement 14 auch noch nach dem Ende der Einspritzung
erlaubt.
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Die zweite Ausgestaltung nach der 5 weist gegenüber der
Ausgestaltung nach der 2 einen
Kolben 58 auf, der in der Einspritzdüse 12 beweglich geführt ist
und an dem sich die Düsenfeder 18 mit
ihrem der Düsennadel 16 abgewandten
Ende abstützt.
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Der Kolben 58 weist eine
erste Konturierung 60 auf, die mit einer korrespondierenden
negativen Konturierung 62 der Einspritzdüse 12 eine
erste Anschlagposition für
den Kolben 58 definiert. Eine Teilfläche 64 des Kolbens 58 begrenzt
ein Volumen 66 im Inneren der Einspritzdüse 12,
das über
eine Leitung 68 und eine Zulaufdrossel 70 mit
der Hochdruckleitung 26 verbunden ist.
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Das bei ansteigendem Kraftstoffsystemdruck erste Öffnen des
Einspritzventils 12 definiert den Beginn einer Voreinspritzung.
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Parallel zum Druckanstieg im Volumen 24 pflanzt
sich der Kraftstoffsystemdruck über
die Zulaufdrossel 70 und die Leitung 68 in das
vom Kolben 58 begrenzte Volumen 66 in der Einspritzdüse 12 fort.
Bei ausreichend hohem Druck im Volumen 66 gibt der Kolben 58 zusätzliches
Volumen frei, was zu einem kurzzeitigen Einbruch des Kraftstoffsystemdrucks
führt.
Zugleich erhöht
sich die Vorspannung der Düsenfeder 18 durch
die Bewegung des Kolbens 58 bis in eine zweite Anschlagposition,
wie sie in der 5 dargestellt
ist. 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 58 in der dargestellten zweiten Anschlagposition
und kehrt erst nach Abbau des Kraftstoffsystemdrucks wieder in seine ursprüngliche
erste Anschlagposition zurück.
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Die Einspritzverläufe in Abhängigkeit von der Schaltstellung
des Injektorventils sind in den 6 und 7 dargestellt.
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Das erste Maximum von P2 repräsentiert
in beiden Figuren 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 58 hervorgerufen.
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Der erhöhte Druck im Düsenfederraum 30 kommt
dadurch zustande, dass sich der Kolben 58 von seiner ersten
Anschlagposition in seine zweite Anschlagposition bewegt.
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Diese Bewegung ist mit einer Verkleinerung des
Düsenfederraumes 30 verbunden.
Dadurch wird der auf die Düsennadelrückseite
wirkende Druck im Düsenfederraum 30 vergrößert. Dieser
vergrößerte Druck
im Düsenfederraum 30 muss
zum Abheben der Düsennadel 16 von
ihrem Dichtsitz 20 durch einen entsprechend vergrößerten Kraftstoffsystemdruck
P_2 überwunden
werden.
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Die dritte Ausgestaltung nach der 8 unterscheidet sich von
der ersten Ausgestaltung im Wesentlichen durch eine Anordnung des
Injektorventils 36 auf der Zulaufseite des Düsenfederraums.
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Bei geschlossenem Injektorventil 36 verhält sich
diese Ausgestaltung wie eine konventionelle Einspritzdüse, bei
der allein die Düsenfederkraft
den Düsenöffnungsdruck
bestimmt. Im Düsenfederraum 30 stellt
sich der Rücklaufdruck
ein. Entgegen der Kraft der Düsenfeder 18 öffnet der
steigende Druck im Hohlraum 24 das Einspritzventil 12.
Die Einspritzung wird durch das Öffnen
des Pumpenventils 42 und den damit verbundenen Druckabfall
beendet.
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Bei geöffnetem Injektorventil 36 stellt
sich im Düsenfederraum 30 das
durch die beiden Drosseln 45 und 38 vorbestimmte
Druckniveau ein. Die Einspritzung beginnt, sobald die durch den
zunehmenden Kraftstoffdruck im Hohlraum 24 zunehmende Öffnungskraft
die Summe aus der schließenden
Kraft der Düsenfeder 18 und
der auf die Rückseite
der Düsennadel 16 wirkenden
Druckkraft überwindet.
Beendet wird die Einspritzung durch das Öffnen des Pumpenventils 42.
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Im Vergleich zu der ersten Ausgestaltung
hat die alternative dritte Ausgestaltung einen besseren Wirkungsgrad,
da bei geschlossenem Injektorventil 36 kein Leckstrom vom
Zulauf 26 über
den Düsenfederraum
30 zum Rücklauf 44 fließt.
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Ebenso wie in der ersten Ausgestaltung braucht
das Injektorventil auch bei der dritten Ausgestaltung nicht druckausgeglichen
zu sein. Das erneute Schließen
des Injektorventils 36, das einen niedrigen Druck an seinem
Ausgang voraussetzt, kann im Anschluss an eine Einspritzung erfolgen.
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Die in der 9 dargestellte vierte Ausgestaltung entspricht
in ihrer Funktion teilweise der dritten Ausgestaltung. Jedoch besitzt
die vierte Ausgestaltung im Gegensatz zur dritten Ausgestaltung noch
einen Kolben 58, wie ihn auch die zweite Ausgestaltung
aufweist.
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Die Anordnung der Injektorventils 36 auf
der Zulaufseite des Düsenfederraums
hat gegenüber
der zweiten Ausgestaltung den Vorteil, dass die Voreinspritzung
auch abgeschaltet werden kann, so dass die Einspritzdüse 12 auch
wie eine konventionelle Einspritzdüse betrieben werden kann.
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Die in der 10 dargestellte fünfte Ausgestaltung weist im
Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen unter
anderem ein 3/2-Wege Injektorventil 36 auf.
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In der dargestellten Schaltstellung
des Injektorventils 36 verhält sich diese Ausgestaltung
wie eine konventionelle Einspritzdüse. Im Düsenfederraum 30 sowie
oberhalb eines Steuerkolbens 72 stellt sich der Rücklaufdruck
ein. Entgegen der Schließkraft
der Düsenfeder 18 öffnet die
Einspritzdüse 12 bei
steigendem Kraftstoffdruck an der Schulterfläche 28. Die Einspritzung
wird durch das Öffnen
des Pumpenventils 42 und den daraus resultierenden Druckabfall
beendet.
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In der anderen Schaltstellung des
Injektorventils 36 ergibt sich ein erhöhter Druck oberhalb des Steuerkolbens 72.
Denkbar ist auch eine Ausgestaltung ohne Steuerkolben 72,
bei der der Druck im Düsenfederraum
durch Ankopplung an den Kraftstoffzulauf erhöht wird.
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Wie weiter oben erläutert wurde,
ergibt sich aus dem erhöhten
Druck im Düsenfederraum 30 oder aus
einer zusätzlichen
Druckkraft auf der Rückseite der
Düsennadel 16 ein
erhöhter
Düsenöffnungsdruck.
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In Verbindung mit einem erhöhten Düsenöffnungsdruck
kann bei der fünften
Ausgestaltung eine Voreinspritzung durchgeführt werden. Zunächst baut sich
in der dargestellten Schaltstellung des Injektorventils 36 und
bei parallel erfolgender Betätigung
des Pumpelements 14 Druck im System auf. Eine Voreinspritzung
beginnt, sobald der durch die Kraft der Düsenfeder 18 vorbestimmte
Düsenöffnungsdruck
erreicht ist. Ein anschließendes
Aktivieren des Injektorventils 36 führt zu einer Druckerhöhung auf
der Rückseite
der Düsennadel 16 und
damit zum Auftreten einer zusätzlichen
Schließkraft,
die die Voreinspritzung beendet. Die zusätzliche Schließkraft kann
durch den dargestellten Steuerkolben übertragen werden.
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Die Haupteinspritzung beginnt, sobald
die durch den steigenden Druck im Kraftstoffzulauf weiter zunehmende Öffnungskraft
auf die Schulterfläche 28 die
Summe der Schließkräfte erneut übersteigt.
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Während
die Voreinspritzung hubgesteuert ausgelöst werden kann, erfolgt das
Auslösen
der Haupteinspritzung druckgesteuert, das heißt ohne unmittelbares Betätigen des
Injektorventils 36 bei einem voreingestellten Druck. Beendet
wird die Haupteinspritzung durch das Öffnen des Pumpenventils 42.
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Gegenüber den weiter oben beschriebenen ersten
vier Ausgestaltungen hat die fünfte
Ausgestaltung den Vorteil, dass während einer Einspritzung kein
Leckstrom von der Hochdruckseite durch den Düsenfederraum zur Niederdruckseite
auftritt. Daher besitzt diese Ausgestaltung einen guten Wirkungsgrad.
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Grundsätzlich ist es bei entsprechender
Auslegung der fünf
beschriebenen Ausgestaltungen möglich,
ein hubgesteuertes Öffnen
und Schließen der
Düsennadel 16 zu
realisieren. Hierzu wird die Bewegung der Düsennadel unmittelbar durch
das Injektorventil 3 gesteuert.
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11 zeigt
ein Einspritzventil 12 eines Pumpe-Düse- Systems nach 1 im Teilschnitt.
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12 zeigt
ein Einspritzventil 12 eines Pumpe-Düse-Systems nach 5 im Teilschnitt.
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Dabei bezeichnet die Ziffer 74 jeweils
ein Stellgliedelement, beispielsweise einen vertikal beweglichen
Anker, des Injektorventils 44.
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Die 11 und 12 verdeutlichen einen weiteren
Vorteil der Erfindung, indem sie die wenig aufwendige Realisierbarkeit
der verschiedenen Ausgestaltungen durch wenige Bohrungen in wenigen
plattenförmigen
(Drosselplatte 76) 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.
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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.