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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere mit Kraftstoff-Direkteinspritzung,
mit mindestens zwei Ventilelementen, von denen ein Ventilelement
eine in Öffnungsrichtung
wirkende Druckfläche,
welche einen Druckraum begrenzt, und eine in Schließrichtung
wirkende Beaufschlagungseinrichtung aufweist, und von denen ein
anderes Ventilelement eine in Schließrichtung wirkende hydraulische Steuerfläche, welche
einen hydraulischen Steuerraum begrenzt, der wenigstens zeitweise
mit einem Hochdruckanschluss verbunden ist, und eine in Öffnungsrichtung
wirkende Beaufschlagungseinrichtung aufweist, und mit einem Steuerventil,
welches den Steuerraum mit einem Niederdruckanschluss verbinden
kann.
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Eine
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus
der
DE 100 58 130
A1 bekannt. Diese zeigt eine Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit zwei
koaxial angeordneten und separat ansteuerbaren Ventilelementen.
Das äußere Ventilelement
ist druckgesteuert, das heißt,
es hebt durch Erhöhen
eines Einspritzdruckes, der an einer in Öffnungsrichtung wirkenden Druckfläche angreift, gegen
eine Federkraft von seinem Ventilsitz ab und gibt hierdurch entsprechende
Austrittsöffnungen
frei. Das innere Ventilelement ist hubgesteuert. Das heißt, es öffnet, wenn
der Druck eines Hydraulikfluids in einem Steuerraum abgesenkt wird.
Die in Öffnungsrichtung
wirkende Kraft des inneren Ventilelements wird durch den an einer
entsprechenden Druckfläche angreifenden
Einspritzdruck bereitgestellt. Für
die Steuerung der bekannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sind mindestens
zwei Druckspeicher mit unterschiedlichen Druckniveaus und mindestens
zwei Steuerventile erforderlich.
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Die
Gründe
für die
Realisierung von Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
mit mehreren Ventilelementen sind folgende:
Insbesondere bei
Dieselbrennkraftmaschinen ist es zur Senkung der Emissionen und
zur Steigerung des Wirkungsgrads erforderlich, den Kraftstoff möglichst fein
zerstäubt
in die entsprechenden Brennräume
der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Dies kann entweder dadurch
erreicht werden, dass der Einspritzdruck, mit dem der Kraftstoff
in die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gelangt, hoch ist, oder dass
die Anzahl der Kraftstoff-Austrittsöffnungen, aus denen der Kraftstoff
von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
in den Brennraum austritt, erhöht
und gleichzeitig der einzelne Querschnitt einer Kraftstoff-Austrittsöffnung gesenkt
wird. Diese Maßnahmen
ermöglichen
eine Verbesserung der Zerstäubungsqualität der eingespritzten
Kraftstoffstrahlen bei gleichzeitiger Verringerung der Tropfendurchmesser
des erzeugten Kraftstoffnebels ("Spray").
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Durch
die Verwendung von mehreren Ventilelementen, welche jeweils eine
gewisse Anzahl von Kraftstoff- Austrittsöffnungen
freigeben, kann auch dann, wenn nur eine kleine Kraftstoffmenge
eingespritzt werden soll, eine gute Zerstäubungsqualität erzielt
werden. Dabei muss in jenem Fall, in dem eine große Kraftstoffmenge
eingespritzt werden soll, eine übermäßig lange
Einspritzdauer und/oder ein übermäßig hoher
Einspritzdruck nicht in Kauf genommen werden.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie möglichst einfach
angesteuert werden kann und dennoch zuverlässig arbeitet. Gleichzeitig
soll bei ihrem Einsatz an der entsprechenden Brennkraftmaschine
ein gutes Emissions- und Verbrauchsverhalten erzielt werden können.
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Diese
Aufgaben werden bei einer Kraft-Einspritzvorrichtung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst,
dass sie eine Zusatz-Ventileinrichtung umfasst, welche in einer
ersten Endstellung den Druckraum nur mit dem Niederdruckanschluss
und den Steuerraum mit dem Hochdruckanschluss verbindet, in einer
zweiten Endstellung den Druckraum mindestens vorwiegend mit dem
Hochdruckanschluss verbindet und mindestens einen Bereich des Steuerraums
im Wesentlichen vom Hochdruckanschluss trennt, und in einer Zwischenstellung
den Druckraum mindestens vorwiegend mit dem Hochdruckanschluss und
den Steuerraum auch mit dem Hochdruckanschluss verbindet.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
ist nur ein Hochdruck- und ein Niederdruckanschluss erforderlich.
Auf eine Mehrzahl von Druckspeichern mit unterschiedlichen Druckniveaus
kann verzichtet werden. Das Öffnen
und Schließen
der Ventilelemente kann dabei unabhängig voneinander gesteuert
werden.
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In
der ersten Endstellung der Zusatz-Ventileinrichtung herrscht im
Druckraum ein geringer Druck, so dass das erste Ventilelement von
der Beaufschlagungseinrichtung in die Schließstellung gedrückt werden
kann. Gleichzeitig herrscht im Steuerraum ein hoher Druck, durch
den das zweite Ventilelement ebenfalls in die Schließstellung
gedrückt
wird.
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In
der zweiten Endstellung der Ventileinrichtung herrscht im Druckraum
ein hoher Druck, der an der Druckfläche eine entsprechende hydraulische Öffnungskraft
bewirkt, durch die das erste Ventilelement öffnet. Gleichzeitig ist der
hydraulische Steuerraum vom Hochdruckanschluss im Wesentlichen getrennt,
und kann daher über
das Steuerventil ausschließlich
mit dem Niederdruckanschluss verbunden werden. Der Druck im Streuerraum
sinkt daher deutlich und schnell ab und das zweite Ventilelement kann
von der in Öffnungsrichtung
wirkenden Beaufschlagungsvorrichtung geöffnet werden. In dieser zweiten
Endstellung sind also beide Ventilelemente geöffnet.
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In
der erfindungsgemäß vorgesehenen
Zwischenstellung ist der Druckraum mit dem Hochdruckanschluss verbunden,
es herrscht in diesem also ein hoher Druck, durch den das erste
Ventilelement geöffnet
wird. Der Steuerraum dagegen ist auch mit dem Hochdruckanschluss
verbunden. Wird er nun gleichzeitig über das Steuerventil mit dem
Niederdruckanschluss verbunden, stellt sich im Steuerraum ein "Zwischendruck" ein. Die in Öffnungsrichtung
auf das zweite Ventilelement wirkende Beaufschlagungseinrichtung
ist so ausgelegt, dass auch bei einem solchen Zwischendruck im hydraulischen
Steuerraum das zweite Ventilelement noch zuverlässig geschlossen bleibt. In
dieser Zwischenstellung der Ventileinrichtung ist somit nur das
erste Ventilelement geöffnet.
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Dies
alles wird letztlich nur mit den bereits bei üblichen Vorrichtungen vorhandenen
Hochdruck- und Niederdruckanschlüssen
ermöglicht,
so dass die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung preiswert
und einfach baut. Durch die druckgesteuerte Öffnung des ersten Ventilelements
wird ein rampenförmiger
Druckanstieg bei gleichzeitig geschlossenem zweitem Ventilelement
erreicht. Dies führt
besonders bei niedriger Last der Brennkraftmaschine zu einem günstigen
Emissions- und Verbrauchsverhalten. Wird die Ventileinrichtung dagegen
sofort in die zweite Endstellung gebracht, öffnen sehr schnell beide Ventilelemente,
was im Volllastbetrieb bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
die Realisierung eines rechteckigen Einspritzverlaufs ermöglicht.
Hierdurch kann die gesamte Einspritzdauer bei hohen Drehzahlen begrenzt
werden.
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Das
Ansteuerprinzip kann sehr einfach auch bei bestehenden Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen umgesetzt
werden, da beispielsweise an den Ventilelementen selbst keine Änderungen
erforderlich sind. Darüber
hinaus ergeben sich bei der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß der Erfindung
die typischen Vorteile von Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen mit zwei Ventilelementen.
Hierzu gehört,
dass beispielsweise im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine kleine
Einspritzmengen auch bei vergleichsweise hohem Druck realisiert
werden können.
Dies deshalb, da dann, wenn nur das erste Ventilelement öffnet, nur wenig
Austrittsöffnungen "aktiv" sind, und daher
längere
Einspritzzeiten realisiert werden können. Dadurch wird auch bei
kleinen einzuspritzenden Mengen eine ähnlich gute Zerstäubung wie
im Volllastbetrieb erreicht. Eine harte Verbrennung mit starker
Geräuschbildung
wird vermieden.
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Außerdem sinken
die Genauigkeitsanforderungen an die Einhaltung einer sehr kurzen
Schaltzeit bei der Einspritzung sehr kleiner Mengen, wie sie beispielsweise
bei einer Voreinspritzung vorliegen. Hierdurch kann die Mengenstreuung
von einer Einspritzung zu einer anderen Einspritzung reduziert werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird
vorgeschlagen, dass die Zusatz-Ventileinrichtung
einen zylindrisches Schaltkörper
aufweist, welcher eine erste Ventilkante, die den Druckraum vom
Niederdruckanschluss trennt, und eine zweite Ventilkante, die den
Druckraum mit dem Hochdruckanschluss verbindet, und eine hydraulische
Steuerfläche
aufweist, die den hydraulischen Steuerraum begrenzt. Die Zusatzventileinrichtung
ist in diesem Fall also ein hydraulisches Servoventil. Ein solches
ist technisch einfach zu realisieren und arbeitet zuverlässig. Zusätzliche
Ansteuerleitungen sind nicht erforderlich.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn in dem Schaltkörper ein
Fluidkanal ausgebildet ist, welcher wenigstens zeitweise den Hochdruckanschluss mit
dem Steuerraum verbindet. Ein solcher Fluidkanal kann in den Schaltkörper einfach
eingebohrt werden und reduziert die beispielsweise an einem Gehäuse der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
vorzunehmenden spanabhebenden Arbeiten auf ein Minimum. Letztlich
werden hierdurch bei der Herstellung Kosten gespart.
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Dabei
kann in dem Fluidkanal eine Strömungsdrossel
vorhanden sein, oder er kann insgesamt als Strömungsdrossel ausgebildet sein.
Eine solche Strömungsdrossel
wird auch als "Zulaufdrossel" oder "Z-Drossel" bezeichnet. Durch
die Dimensionierung der Zulaufdrossel wird der Druckabfall, der Druckaufbau,
und auch die Höhe
des Zwischendrucks dann, wenn die Zusatz-Ventileinrichtung in der
Zwischenstellung ist, beeinflusst. Hierdurch kann insgesamt das
Schaltverhalten der gesamten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eingestellt werden.
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Ebenfalls
sehr einfach zu fertigen ist jene Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung,
bei welcher an einer axialen Begrenzungsfläche des Steuerraums ein Dichtabschnitt vorhanden
ist, an dem der Schaltkörper
in der zweiten Endstellung in Anlage kommt, und welcher in dieser
zweiten Endstellung des Schaltkörpers
einen von der Steuerfläche
des zweiten Ventilelements begrenzten und mit dem Niederdruckanschluss
verbindbaren Bereich des Steuerraums von einem mit dem Fluidkanal
verbundenen Bereich des Steuerraums trennt. Auf diese Weise wird
in der zweiten Endstellung des Schaltkörpers der an der Steuerfläche des
zweiten Ventilelements angreifende hydraulische Druck sehr schnell
abgesenkt, da der Zustrom von Kraftstoff aus dem Fluidkanal stark
gedrosselt oder sogar weitgehend unterbunden wird. Wenn der Schaltkörper in
der zweiten Endstellung angelangt ist, öffnet das zweite Ventilelement
daher mit großer Geschwindigkeit,
was die Ausbildung des gewünschten
rechteckförmigen
Einspritzverlaufs begünstigt. Dabei
sei ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass der Dichtabschnitt beispielsweise am Schaltkörper selbst ebenso
wie an einer dem Schaltkörper
gegenüberliegenden
Gehäusefläche vorhanden
sein kann.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die in Schließrichtung an dem ersten Ventilelement
wirkende Beaufschlagungseinrichtung so ausgelegt ist, dass das erste
Ventilelement bei einem vergleichsweise geringen Druck am Hochdruckanschluss öffnet. In
diesem Fall wird ein sehr flacher Druckanstieg bei geringem Druck
am Hochdruckanschluss ermöglicht,
was bei geringer Last der Brennkraftmaschine der Fall sein kann.
Gleichzeitig wird ein steiler Druckanstieg bei hoher Last gewährleistet,
bei der zumeist ein hoher Druck am Hochdruckanschluss anliegt.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass der Schaltkörper eine zentrische Durchgangsöffnung aufweist, in
der ein Abschnitt des zweiten Ventilelements geführt ist. Hierdurch werden die
Abmessungen der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sehr
klein gehalten.
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen;
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2 einen Teilschnitt durch
eine der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
von 1;
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3 ein Detail III der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
von 2;
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4 ein Detail IV der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
von 2; und
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5 ein Diagramm, in dem der
Einspritzverlauf bei einer Betätigung
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
von 2 in unterschiedlichen
Betriebsfällen
gezeigt ist.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Ein
Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es
umfasst einen Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 14 den Kraftstoff
zu einer Hochdruckpumpe 16 fördert. Diese fördert den
Kraftstoff weiter zu einer Kraftstoff-Sammelleitung 18 ("Rail"), in der der Kraftstoff
unter sehr hohem Druck gespeichert ist. An die Kraftstoff-Sammelleitung 18 sind
mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 20 angeschlossen,
die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 22 einspritzen.
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Der
Anschluss der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 20 an die
Kraftstoff-Sammelleitung 18 erfolgt über Hochdruckanschlüsse 24.
Eine Niederdruckleitung 26 verbindet die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 20 mit
dem Kraftstoff-Behälter 12.
Hierzu sind an den Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 20 Niederdruckanschlüsse 28 vorgesehen.
Der Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 20 wird
von einem Steuer- und Regelgerät 30 gesteuert
beziehungsweise geregelt.
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2 zeigt eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 20 stärker im
Detail: Sie umfasst ein Gehäuse 32,
in dem in einer stufenförmigen
Längsbohrung 33 zwei
zueinander koaxiale Ventilelemente 34 und 36 geführt sind.
Das äußere Ventilelement 36 ist
druckgesteuert, das innere Ventilelement 34 hubgesteuert.
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Das äußere Ventilelement 36 weist
hierzu in etwa auf Höhe
seiner halben Länge
eine Druckfläche 38 auf,
deren Kraftresultierende in Öffnungsrichtung zeigt.
Die Druckfläche 38 begrenzt
einen Druckraum 40, der, wie weiter unten noch im Detail
gezeigt werden wird, über
einen Kanal 42 wahlweise mit dem Niederdruckanschluss 28 oder
dem Hochdruckanschluss 24 verbunden werden kann. Ein Ringraum 43 führt vom
Druckraum 40 bis zu dem in 2 unteren und
in Einbaulage in den Brennraum 22 ragenden Ende der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 20,
welches im Detail in 3 gezeigt
ist.
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Dort
ist am äußeren Ventilelement 36 eine weitere
Druckfläche 38b vorhanden.
Eine Dichtkante 44 des äußeren Ventilelements 36 arbeitet
mit einer konischen Gehäusefläche 46 zusammen.
Hebt die Dichtkante 44 von der Gehäusefläche 46 ab, werden Kraftstoff-Austrittskanäle 48,
die über
den Umfang der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 20 verteilt
angeordnet sind, mit dem Ringraum 43 verbunden. Eine Druckfeder 50 beaufschlagt
das äußere Ventilelement 36 in
die geschlossene Stellung, in welcher die Dichtkante 44 an
der Gehäusefläche 46 anliegt.
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Das
innere Ventilelement 34 ist bereichsweise im äußeren Ventilelement 36 geführt. Es
weist an seinem in 2 unteren
Ende ebenfalls eine in Öffnungsrichtung
wirkende Druckfläche 51 und
eine Dichtkante 52 auf, die im geschlossenen Zustand ebenfalls
an der Gehäusefläche 46 anliegt.
Zu dem inneren Ventilelement 34 gehören Kraftstoff-Austrittskanäle 54,
die ebenfalls über
den Umfang der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 20 verteilt
angeordnet sind. Das innere Ventilelement 34 weist einen
Druckstangenabschnitt 56 (vgl. 2) auf, der einen etwas größeren Durchmesser
hat als jener Abschnitt (ohne Bezugszeichen), an dem die Dichtkante 52 vorhanden ist.
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Der
Druckstangenabschnitt 56 wird an seinem in 2 oberen Ende (vergleiche auch 4) von einer hydraulischen
Steuerfläche 58 begrenzt, welche
in Schließrichtung
des inneren Ventilelements 34 wirkt. Die hydraulische Steuerfläche 58 begrenzt
einen hydraulischen Steuerraum 60. Von diesem führt eine
Ablaufdrossel 62 zu einem elektromagnetischen 2/2-Schaltventil 64 (dieses
kann aber auch als Piezoventil ausgestaltet sein). Über dieses kann
die Ablaufdrossel 62 mit dem Niederdruckanschluss 28 verbunden
werden.
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Das Öffnen und
Schließen
der beiden Ventilelemente 34 und 36 wird letztlich
von einer Zusatz-Ventileinrichtung 66 beeinflusst, die
als hydraulisches Servoventil ausgebildet ist. Dessen Aufbau wird
nun insbesondere unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert:
Das
Servoventil 66 umfasst einen zylindrischen Schaltkörper 68.
Dieser weist eine zentrische Durchgangsbohrung 70 auf,
durch die der Druckstangenabschnitt 56 des inneren Ventilelements 34 hindurchgeführt ist.
Der Schaltkörper 68 weist
insgesamt vier Abschnitte 68a, 68b, 68c,
und 68d auf, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Die beiden Abschnitte 68a und 68b sind in einem
Abschnitt 33a der Längsbohrung 33 aufgenommen,
wohingegen die beiden Abschnitte 68c und 68d in
einem Abschnitt 33b der Längsbohrung angeordnet sind.
Der Abschnitt 33b hat größeren Durchmesser als der Abschnitt 33a.
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Der
Außendurchmesser
des in 4 untersten Abschnitts 68a des
Schaltkörpers 68 hat
in etwa den gleichen Durchmesser wie der Abschnitt 33a der Längsbohrung 33,
der Abschnitt 68d des Schaltkörpers 68 in etwa den
gleichen Durchmesser wie der Abschnitt 33b der Längsbohrung 33.
Diese beiden Abschnitte sind daher in der Längsbohrung 33 fluiddicht
geführt.
Der Abschnitt 68b des Schaltkörpers 68 hat einen
geringeren Durchmesser als der Abschnitt 68a. Der Abschnitt 68c hat
einen größeren Durchmesser
als der Abschnitt 68a, jedoch einen kleineren Durchmesser
als der Abschnitt 68d.
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Auf
diese Weise wird zwischen den Abschnitten 68a und 68b des
Schaltkörpers 68 eine Schieberkante 72 gebildet.
Durch diese kann ein Kanal 74, der mit dem Niederdruckanschluss 28 in
Verbindung steht, freigegeben oder verschlossen werden. Zwischen
den Abschnitten 68b und 68c ist eine Dichtkante 76 gebildet,
die mit einem leicht konischen Absatz 78, der zwischen
dem Abschnitt 33a und 33b der Längsbohrung 33 vorhanden
ist, zusammenarbeitet. Liegt die Dichtkante 76 am Absatz 78 an,
ist ein Ringraum 80, der zwischen dem Abschnitt 68b des
Schaltkörpers 68 und
dem Abschnitt 33a der Längsbohrung 33 vorhanden
ist, von einem Ringraum 82, der zwischen dem Abschnitt 68c des Schaltkörpers 68 und
dem Abschnitt 33b der Längsbohrung 33 vorhanden
ist, getrennt. Ist die Dichtkante 76 dagegen vom Absatz 78 abgehoben,
sind die beiden Ringräume 80 und 82 miteinander
verbunden, Der Kanal 42, der vom Druckraum 40 ausgeht, mündet in
den Abschnitt 33a der Längsbohrung 33, und
zwar in 4 axial oberhalb
der Einmündung des
Kanals 74. Vom Ringraum 82 wiederum zweigt ein
Hochdruckkanal 84 ab, der mit dem Hochdruckanschluss 24 in Verbindung
steht. Im Hochdruckkanal 84 ist eine Drosselstelle 86 vorhanden.
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Im
Abschnitt 68d des Schaltkörpers 68 ist ein in
axialer Richtung verlaufender Fluidkanal 88 vorhanden,
in dem wiederum eine Zulaufdrossel 90 ausgebildet ist.
Der Fluidkanal 88 verbindet den Ringraum 82 mit
dem hydraulischen Steuerraum 60. Die dem Steuerraum 60 zugewandte
ringförmige
Stirnfläche
des Schaltkörpers 68 bildet
eine hydraulische Steuerfläche 92.
Die der Steuerfläche 92 des
Schaltkörpers 68 gegenüberliegende
gehäuseseitige
Begrenzungsfläche
(ohne Bezugszeichen) des Steuerraums 60 weist einen ringförmigen Dichtabschnitt 94 auf.
Dieser ist in radialer Richtung gesehen zwischen der Mündung des
Fluidkanals 88 in den Steuerraum 60 und der Steuerfläche 58 des
inneren Ventilelements 34 angeordnet.
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Die
in den 2 bis 4 gezeigte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 20 arbeitet
folgendermaßen:
Bei
geschlossenem 2/2-Schaltventil 64 ist die Verbindung zwischen
dem Steuerraum 60 und dem Niederdruckanschluss 28 unterbrochen.
Gleichzeitig ist der Steuerraum 60 jedoch über den
Hochdruckkanal 84, den Ringraum 82, und den Fluidkanal 88 mit
dem Hochdruckanschluss 24 verbunden. Im Steuerraum 60 herrscht
daher ein hoher Fluiddruck. Durch die entsprechende an der hydraulischen
Steuerfläche 58 des
inneren Ventilelements 34 in Schließrichtung wirkende hydraulische
Kraft wird das innere Ventilelement 34 mit der Dichtkante 52 gegen
die Gehäusefläche 46 gedrückt.
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Durch
die ebenfalls an der Steuerfläche 92 des
Schaltkörpers 68 wirkende
hydraulische Kraft wird dieser mit der Dichtkante 76 gegen
den Absatz 78 gedrückt.
In dieser Stellung des Schaltkörpers 68 gibt
die Schieberkante 72 den Kanal 74 frei. Somit
ist der Druckraum 40 über
den Kanal 42 und den Ringraum 80 letztlich mit
dem Niederdruckanschluss 28 verbunden. Die an den Druckflächen 38a und 38b wirkenden
hydraulischen Kräfte
sind vergleichsweise gering, so dass das äußere Ventilelement 36 von
der Druckfeder 50 mit der Dichtkante 44 gegen
die Gehäusefläche 46 gedrückt wird.
Auch das äußere Ventilelement 36 ist
daher geschlossen. Von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 20 wird
kein Kraftstoff abgegeben.
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Wird
das 2/2-Schaltventil 64 geöffnet, wird der hydraulische
Steuerraum 60 mit dem Niederdruckanschluss 28 verbunden.
Hierdurch sinkt der Druck im Steuerraum 60. Aufgrund des
im Ringraum 82 herrschenden hohen Drucks (dieser ist ja über den
Hochdruckkanal 84 ständig
mit dem Hochdruckanschluss 24 verbunden) hebt der Schaltkörper 68 nun
mit der Dichtkante 76 vom Absatz 78 ab. Dies führt dazu,
dass zum einen die Schieberkante 72 des Schaltkörpers 78 die
Mündung
des Kanals 74 verdeckt, so dass der Ringraum 80 nun
vom Niederdruckanschluss 28 getrennt ist. Zum anderen werden hierdurch
die beiden Ringräume 80 und 82 miteinander
verbunden, so dass sich auch im Ringraum 80 und im Kanal 42 und
dem Druckraum 40, sowie dem Ringraum 43 ein entsprechender
hoher Fluiddruck aufbaut.
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Die
an den Druckflächen 38a und 38b in Öffnungsrichtung
wirkenden hydraulischen Kräfte übersteigen
die in Schließrichtung
durch die Druckfeder 50 wirkende Kraft, so dass das äußere Ventilelement 36 mit
der Dichtkante 44 von der Gehäusefläche 46 abhebt. Kraftstoff
wird nun durch die Austrittskanäle 48 abgegeben.
Dabei ergibt sich der bei druckgesteuerten Ventilelementen typische
Druckverlauf, der in 5 das
Bezugszeichen 96 trägt,
mit einem rampenförmigen
Druckanstieg. Der Steuerraum 60 bleibt dabei weiterhin
insgesamt über
den Fluidkanal 88 mit dem Hochdruckanschluss 24 verbunden.
Es stellt sich daher im hydraulischen Steuerraum 60 ein
immer noch vergleichsweise hoher Zwischendruck ein, durch den verhindert
wird, dass das innere Ventilelement 34 öffnet. Kraftstoff wird also
ausschließlich durch
die Austrittskanäle 48 abgegeben.
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Wenn
die Steuerfläche 92 des
Schaltkörpers 68 in
dessen "oberer" Endstellung am gehäuseseitigen
Dichtabschnitt 94 in Anlage kommt, wird die Verbindung
des radial innen von dem Dichtabschnitt 94 liegenden Bereichs
des Steuerraums 60 mit dem Fluidkanal 88 und somit
letztlich mit dem Hochdruckanschluss 24 weitgehend oder
sogar vollständig
unterbrochen. Nun sinkt der Druck in diesem radial innen liegenden
Bereich des Steuerraums 60 weiter ab, was zu einer entsprechenden
Reduzierung der an der Steuerfläche 58 des
inneren Ventilelements 34 in Schließrichtung wirkenden hydraulischen
Kraft führt.
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Da
das äußere Ventilelement 36 mit
seiner Dichtkante 44 von der Gehäusefläche 46 abgehoben hat,
wirken nun an der Druckfläche 51 des
inneren Ventilelements 34 in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische
Kräfte.
Diese führen
dazu, dass das innere Ventilelement 34 nun öffnet. Kraftstoff
kann zusätzlich
auch durch die Austrittskanäle 54 austreten. Dabei
ergibt sich ein Druckverlauf, der in 5 gestrichelt
dargestellt ist und das Bezugszeichen 98 trägt.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird das 2/2-Schaltventil 64 wieder
geschlossen. Hierdurch steigt der Druck im Steuerraum 60 wieder
an. Aufgrund der an der Steuerfläche 92 des
Schaltkörpers 68 wirkenden
Kraft bewegt sich dieser wieder in seine Ausgangsstellung, in der
er mit der Dichtkante 76 am Absatz 78 anliegt
und in der die Schieberkante 72 den Kanal 74 wieder
freigibt. Der Druckraum 40 wird hierdurch vom Hochdruckanschluss 24 getrennt und
mit dem Niederdruckanschluss 28 verbunden, so dass der
Druck im Ringraum 80 und in der Folge auch im Kanal 42 und
im Druckraum 40 absinkt.
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Das äußere Ventilelement 36 kann
daher von der Druckfeder 50 wieder in die geschlossene
Stellung gedrückt
werden, in der die Dichtkante 44 an der Gehäusefläche 46 anliegt.
Hierdurch sinkt die an der Druckfläche 51 des inneren
Ventilelements 34 wirkende hydraulische Kraft, und gleichzeitig
erhöht
sich die an der Steuerfläche 58 des
inneren Ventilelements 34 wirkende hydraulische Kraft.
Somit wird dieses wieder in seine geschlossene Stellung gedrückt.
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Soll
bei einer Einspritzung nur das äußere Ventilelement 36 öffnen, wird
das 2/2-Schaltventil wieder geschlossen, bevor der Schaltkörper 68 mit der
Steuerfläche 92 am
Dichtabschnitt 94 in Anlage kommt. In diesem Fall ist der
Steuerraum 60 gleichzeitig mit dem Niederdruckanschluss 28 und über den
Fluidkanal 88 mit dem Hochdruckanschluss 24 verbunden.
Daher ergibt sich im Steuerraum 60 (ggf. sehr kurzzeitig)
ein "Zwischendruck", bei dem der Schaltkörper 68 nicht
ganz öffnet
und das innere Ventilelement 34 zuverlässig geschlossen bleibt. Zwar
ist der Druckraum 43 über
die Zulaufdrossel 90 in gewisser Weise auch mit dem Niederdruckanschluss 28 verbunden,
der entsprechende Druckabfall im Druckraum 43 ist jedoch
so gering, dass dies noch nicht zu einem Schließen des äußeren Ventilelements 36 führt. Geschlossen
wird das äußere Ventilelement 36 erst,
wenn die Schieberkante 72 den Kanal 74 wieder
freigibt.
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Auf
eine Rückstellfeder
für das
innere Ventilelement 34 kann verzichtet werden, da dieses
im Normalbetrieb durch die herrschenden Druckkräfte sicher bewegt wird. Im Übrigen ist
auch bei einem Defekt des 2/2-Schaltventils 64 unabhängig vom Druck
in der Kraftstoff-Sammelleitung 18 sichergestellt, dass
kein Kraftstoff eingespritzt wird, da das äußere Ventilelement 36 durch
die Druckfeder 50 geschlossen wird und somit auch den Zufluss
zu den Kraftstoff-Austrittskanälen 54 unterbindet.
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Ferner
sei darauf hingewiesen, dass die Rampe des Druckverlaufs (Bezugszeichen 96 in 5) beim Öffnen des äußeren Ventilelements 36 vom
Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 18 abhängt. Bei
einem hohen Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 18, wie
er üblicherweise
bei hoher Last und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eingestellt
wird, kann eine vergleichsweise steile Rampe realisiert werden,
das äußere Ventilelement 36 öffnet also
entsprechend schnell. Bei geringer Last und entsprechend geringem
Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 18 wird dagegen eine
vergleichsweise flache Rampe realisiert.