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Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
aus, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 100 24 703 A1 bekannt
ist. Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist in einem Ventilkörper eine
Bohrung ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem
konischen Ventilsitz begrenzt wird. Von dem konischen Ventilsitz
gehen mehrere Einspritzöffnungen
aus, die in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In
der Bohrung ist eine kolbenförmige
Ventilnadel längsverschiebbar
angeordnet, die mit ihrem brennraumseitigen Ende, das ebenfalls
näherungsweise
konisch ausgebildet ist, mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. Hierdurch
wird ein Druckraum, der zwischen der Ventilnadel und der Wand der
Bohrung ausgebildet ist, mit den Einspritzöffnungen verbunden oder diese
Verbindung unterbrochen.
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Der
Kraftstoffdruck im Druckraum, der beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils
ständig
dort anliegt, beaufschlagt auch einen Teil der Ventildichtfläche, und
zwar bis zur Dichtkante, mit der die Ventilnadel auf dem Ventilsitz
aufliegt. Durch die teilweise mit Kraftstoffdruck beaufschlagte
Ventildichtfläche ergibt
sich eine Kraft in axialer Richtung auf die Ventilnadel, die vom
Ventilsitz weggerichtet ist und die so einen Teil der Öffnuungskraft
ausmacht. Der Öffnungskraft
entgegengerichtet ist eine Schließkraft, die beispielsweise
hydraulisch auf das ventilsitzabgewandte Ende der Ventilnadel ausgeübt wird. Über das
Verhältnis
dieser beiden Kräfte
lässt sich
die Längsbewegung
der Ventilnadel und damit die Kraftstoffeinspritzung steuern.
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Hierbei
weist das bekannte Kraftstoffeinspritzventil den Nachteil auf dass
die hydraulische Öffnungskraft
nicht konstant ist. Nach dem Abheben der Ventilnadel vom Ventilsitz
wird auch die vorher vom Druckraum getrennte Teilfläche der
Ventildichtfläche
vom Krafstoffdruck beaufschlagt, was eine starke Zunahme der hydraulischen Öffnungskraft
bewirkt. Insbesondere bei Kraftstoffeinspritzventilen, bei denen
die Schließkraft über einen
Piezoaktor entweder direkt oder über
einen hydraulischen Übersetzer
ausgeübt
wird, muss diese zunehmende Öffnungskraft
kompensiert werden. Dies macht es notwendig, einen größeren Piezoaktor
zu verwenden, um den für
den hohen Druck im Druckübersetzer
notwendigen Hub zur Verfügung
zu haben. Dies macht den Piezoaktor und damit das Kraftstoffeinspritzventil entsprechend
groß und
teuer.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass die hydraulische Öffnungskraft beim Öffnungsvorgang
der Ventilnadel zumindest näherungsweise konstant
ist, was eine Steuerung der Schließkraft mit einem kleinen und
kostengünstigen
Piezoaktor ermöglicht.
Hierzu ist die Ventilnadel an ihrer Ventildichtfläche so ausgebildet,
dass die Einspritzöffnungen
sowohl stromaufwärts
als auch stromabwärts
bezüglich
der Flussrichtung des Kraftstoffs aus dem Druckraum verschlossen
werden. Der zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz verbleibende Zwischenraum,
der stromabwärts
der Einspritzöffnungen
verbleibt, wird über
einen Kanal mit dem Druckraum verbunden, so dass sich dort bei geschlossenem
Kraftstoffeinspritzventil derselbe Druck wie im Druckraum einstellt.
Nach dem Abheben der Ventilnadel vom Ventilsitz wird als zusätzliche
Fläche nur
die Fläche
der Ventildichtfläche
mit Kraftstoffdruck beaufschlagt, die im geschlossenen Zustand die
Einspritzöffnungen überdeckt
und die dann sowohl stromauf- als auch stromabwärts abgedichtet ist. Dadurch ändert sich
die Öffnungskraft
kaum, was ein kontrolliertes Öffnen
der Ventilnadel ermöglicht.
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Ein
besonderer Vorteil ergibt eine derart ausgestaltete Ventilnadel
in einem Kraftstoffeinspritzventil, bei dem die Schließkraft über einen
Piezoaktor und einen hydraulischen Koppler direkt auf die ventilsitzabgewandte
Stirnfläche
der Ventil nadel ausgeübt wird.
Bei herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzventilen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt
sind, ist die Öffnungskraft,
die durch die teilweise druckbeaufschlagte Ventildichtfläche erzeugt
wird, vergleichsweise gering. Die resultierende Kraft, mit der die
Ventilnadel bewegt wird, ergibt sich aus der Differenz aus Schließ- und Öffnungskraft,
so dass bei einer geringen Öffnungskraft
eine starke Absenkung der Schließkraft erforderlich ist, um
eine für
eine schnelle Bewegung der Ventilnadel ausreichende resultierende
Kraft zur Verfügung
zu haben. Deshalb muss der Piezoaktor bei den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen
einen großen
Hub durchfahren, um den Kraftstoffdruck im Steuerraum, der die ventilsitzabgewandte
Stirnfläche
der Ventilnadel beaufschlagt und damit die Schließkraft erzeugt,
ausreichend abzusenken. Die Längenänderung
eines Piezoaktors ist im Vergleich zu seiner gesamten Länge relativ
gering, so dass für
einen großen
Hub ein entsprechend großer
Aktor erforderlich ist, der einen entsprechend großen Bauraum
einnimmt. Durch die Beaufschlagung eines größeren Teils der Ventildichtfläche von Anfang
an, wie es durch den erfindungsgemäßen Kanal zustande kommt, ist
ein weit geringeres Druckabsenken im Steuerraum nötig, um
die entsprechende Öffnungskraft
auf die Ventilnadel zu erreichen. Deshalb kann der Piezoaktor deutlich
kürzer
ausfallen, was eine kompaktere Bauweise des gesamten Kraftstoffeinspritzventils
ermöglicht.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung
ist der Kanal in der Ventilnadel ausgebildet, was einfacher zu fertigen
ist als ein beispielsweise im Ventilkörper verlaufender Kanal. Insbesondere
ist es hierbei vorteilhaft, diesen Kanal als Querbohrung und als
eine die Querbohrung schneidende Längsbohrung auszubilden. Dadurch lassen
sich beliebige Querschnitte und damit Fließwiderstände im Kanal erreichen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kanal durch eine
Schrägbohrung
ausgebildet, die die Längsachse
der Ventilnadel schneidet. Dadurch lässt sich der Kanal in einem
einzigen Arbeitsgang herstellen, was schneller zu fertigen und damit kostengünstiger
ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Kanal eine Drossel,
also eine gezielt eingebrachte Engstelle ausgebildet, so dass der
Zwischenraum mit dem Druckraum nur gedrosselt verbunden ist. Dies
hat den Vorteil, dass die hydrauli sche Öffnungskraft durch Beaufschlagung
der Ventildichtfläche
zu Beginn des Öffnungshub
sogar leicht abfällt.
Dadurch ist es möglich,
die Ventilnadel stabil in einer Teilöffnungslage zu halten, was
zum Beispiel dann vorteilhaft sein kann, wenn eine Voreinspritzung
mit einer nur geringen Kraftstoffmenge erforderlich ist. Ein variabler
Hubanschlag ist dann nicht nötig.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Es zeigt
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1 einen Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
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2 eine Vergrößerung von 1 im Bereich des Ventilsitzes,
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3 dieselbe Darstellung wie 2, wobei die Ventilnadel
hier vom Ventilsitz abgehoben hat,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel
in derselben Darstellung wie 2,
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die Ventilnadel teilweise geschnitten dargestellt ist und
das ansonsten in seiner Darstellung der 2 entspricht,
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel
in derselben Darstellung wie 5 und
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7 zeigt den Verlauf der Öffnungskraft durch
die hydraulische Kraft auf die Ventildichtfläche bei verschiedenen Ausführungsbeispielen
als Funktion des Nadelhubs.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf,
das einen Ventilkörper 2 und
einen Ventilhaltekörper 5 umfasst.
Der Ventilkörper 2 wird
mittels einer Spannmutter 4 gegen den Haltekörper 5 gepresst,
so dass beide fest miteinander verbunden sind. Im Ventilkörper 2 ist
eine Bohrung 7 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt
wird. Vom Ventilsitz 9 gehen mehrere Einspritzöffnungen 11 ab,
die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum
der Brennkraftma schine münden.
In der Bohrung 7 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 10 längsverschiebbar
angeordnet, die in einem mittleren Abschnitt der Bohrung 4 geführt ist.
Am geführten
Abschnitt der Ventilnadel 10 sind mehrere Anschliffe 20 ausgebildet,
die einen Kraftstoffzufluss zum Ventilsitz 9 ermöglichen.
Die Ventilnadel 10 weist an ihrem dem Ventilsitz 9 zugewandten
Ende eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 12 auf, mit der
sie mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt und so die Einspritzöffnungen 11 öffnet oder
verschließt.
Dem Ventilsitz 9 abgewandt erweitert sich die Bohrung 7 zu
einem Federraum 22, in den ein im Haltekörper 5 und im
Ventilkörper 2 verlaufender
Zulaukanal 15 mündet. Über den
Zulaufkanal 15 lässt
sich der Federraum 22 und durch die hydraulische Verbindung über die
Anschliffe 20 auch der zwischen der Ventilnadel 10 und
der Wand der Bohrung 7 ausgebildete Druckraum 14 mit
Kraftstoff unter hohem Druck befüllen. Durch
eine Querschnittserweiterung der Ventilnadel 10 im Bereich
der Anschliffe 20 ist an der Ventilnadel 10 eine
Druckschulter 18 ausgebildet, die vom Kraftstoffdruck im
Druckraum 14 beaufschlagt wird und so zusammen mit der
hydraulischen Kraft auf Teile der Ventildichtfläche 12 eine Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 10 bewirken, die vom Ventilsitz 9 weggerichtet ist.
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Im
Federraum 22 ist eine Hülse 26 angeordnet,
die die Ventilnadel 10 umgibt und zwischen der und einem
an der Ventilnadel 10 sich abstützenden Federteller 24 eine
vorgespannte Schließfeder 28 angeordnet
ist. Durch die Schließfeder 28 wird
eine Schließkraft
auf die Ventilnadel 10 ausgeübt, die in Richtung des Ventilsitzes 9 gerichtet
ist. Die ventilsitzabgewandte Stirnfläche 29 der Ventilnadel 10 begrenzt
einen im Haltekörper 5 ausgebildeten
Steuerraum 30, der an seinem gegenüberliegenden Ende von der Stirnseite 34 eines
Druckkolbens 32 begrenzt wird. Der Druckkolben 32 ist über einen
in der Zeichnung nicht dargestellten Aktor längsbewegbar, beispielsweise
durch einen Piezoaktor, so dass durch die Längsbewegung des Kolbens 32 der
Kraftstoff im Steuerraum 30 komprimiert oder entspannt
werden kann, so dass der Druck dort steigt oder fällt, je
nach Bewegung des Druckkolbens 32. Der Steuerraum 30 ist
darüber
hinaus über
eine Ausgleichsdrossel 37 mit dem Zulaufkanal 15 verbunden,
so dass sich im Steuerraum 30 nach einer gewissen Zeit
derselbe Druck wie im Zulaufkanal 15 einstellt. Die Funktion der
Ausgleichsdrossel 37 kann auch durch die Führungsspalte
zwischen Ventilnadel 10 und Hülse 26 sowie zwischen
Druckkolben 32 und Haltekörper 5 wahrgenommen
werden, so dass die Ausgleichsdrossel 37 dann entfallen
kann.
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Die
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist dergestalt, dass
zu Beginn der Einspritzung, bei der die Ventilnadel 10 in
ihrer Schließstellung
in Anlage an dem Ventilsitz 9 ist, der Druck im Steuerraum 30 dem
Druck im Zulaufkanal 15 entspricht. Durch die hydraulische
Schließkraft
auf die relativ große
Stirnseite 29 der Ventilnadel 9, unterstützt durch
die Kraft der Schließfeder 28, überwiegt die
Schließkraft
auf die Ventilnadel 10 gegenüber der hydraulischen Öffnungskraft
auf Teile der Ventildichtfläche 12 und
der Druckschulter 18. Soll eine Einspritzung erfolgen so
bewegt der Aktor den Druckkolben 32 von der Ventilnadel 10 weg,
wodurch der Druck im Druckraum 30 abnimmt. Dadurch verringert sich
die hydraulische Schließkraft
auf die Stirnseite 29 der Ventilnadel 10, so dass
jetzt die Öffnungskraft durch
die hydraulische Beaufschlagung der Druckschulter 18 und
der Ventildichtfläche 12 ausreicht,
die Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 abzuheben.
Die Ventilnadel 10 setzt ihren Öffnungshub so lange fort, bis entweder
der Federteller 24 an der Hülse 26 anliegt oder
bis durch Anheben der Ventilnadel 10 das Volumen des Steuerraums 30 so
weit verringert ist, dass zwischen Stirnseite 29 und Ventildichtfläche 12 der Ventilnadel 10 wieder
ein Kräftegleichgewicht herrscht.
Der Endhub der Ventilnadel 10 und damit der Hub des Druckkolbens 32 muss
so groß gewählt werden,
dass bei Endhub der Durchfluss durch die Spritzlöcher 11 durch die
Ventilnadel 10 nur unwesentlich beeinflusst wird.
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Die
Dimensionierung der Ausgleichsdrossel 37 ist hierbei so
gewählt,
dass der Zufluss den Druck im Steuerraum 30 während des
Einspritzvorgangs praktisch nicht beeinflusst. Durch das Abheben
der Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 fließt Kraftstoff
aus dem Druckraum 14 zwischen der Ventildichtfläche 12 und
dem Ventilsitz 9 hindurch zu den Einspritzöffnungen 11 und
wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Soll die Einspritzung beendet werden, so bewegt der Aktor den Druckkolben 32 in
Richtung der Ventilnadel 10, so dass der Druck im Steuerraum 30 wieder
ansteigt. Hierdurch erhöht
sich die Schließkraft
auf die Stirnseite 29, und die Ventilnadel 10 gleitet
zurück
in ihre Schließstellung.
Nach Beendigung der Einspritzung, die nur wenige Grad Kurbelwinkel
andauert, wird über
die Ausgleichsdrossel 37 wieder der Ausgangsdruck, also
der Druck im Zulaufkanal 15, im Steuerraum 30 eingestellt,
so dass nach einer Einspritzung wieder der anfängliche Zustand erreicht wird,
auch dann, wenn der Piezoaktor im Laufe seiner Lebensdauer eine
Drift zeigt.
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2 zeigt eine Vergrößerung von 1 im Bereich des Ventilsitzes 9.
Die Ventildichtfläche 12 der
Ventilnadel 10 umfasst eine erste Konusfläche 40 und
eine zweite Konusfläche 42,
zwischen denen eine Ringnut 43 verläuft. Am Übergang der ersten Konusfläche 40,
die einen kleineren Öffnungswinkel aufweist
als der konische Ventilsitz 9, ist eine erste Dichtkante 44 ausgebildet,
und am Übergang
der Ringnut 43 zur zweiten Konusfläche 42 eine zweite Dichtkante 46.
Zwischen dem Ventilsitz 9 und dem Ende der Ventilnadel 10 verbleibt
ein Zwischenraum 55. Da der Öffnungswinkel der zweiten Konusfläche 42 größer als
der Öffnungswinkel
des konischen Ventilsitzes 9 ist, kann erreicht werden,
dass bei Auflage der Ventilnadel 10 auf dem Ventilsitz 9 die
Einspritzöffnungen 11 durch
die erste Dichtkante 44 stromaufwärts und durch die zweite Dichtkante 46 stromabwärts abgedichtet
werden. Dadurch werden die Einspritzöffnungen sowohl gegen den Druckraum 14 als auch
gegen den zwischen der Ventilnadel 10 und dem Ventilsitz 9 verbleibenden
Zwischenraum 55, der stromabwärts der Einspritzöffnungen 11 ausgebildet
ist, abgedichtet.
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In
der Ventilnadel 10 ist ein Kanal 48 ausgebildet,
der sich aus einer Querbohrung 50 und einer Längsbohrung 52 zusammensetzt. Über den
Kanal 48 ist der Druckraum 14 mit dem Zwischenraum 55 verbunden,
so dass ein Druckausgleich zwischen dem Druckraum 14 und
dem Zwischenraum 55 hergestellt wird. Da der Kanal 48 in
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
einen relativ großen
Querschnitt aufweist, ergeben sich auch bei Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils,
also bei bewegter Ventilnadel 10, stets nur kurzzeitig
Druckunterschiede zwischen dem Druckraum 14 und dem Zwischenraum 55.
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Durch
den Druck im Druckraum 14 wird die Ventildichtfläche 12 bis
zur ersten Dichtkante 44 mit Kraftstoffdruck beaufschlagt,
was der ersten Konusfläche 40 entspricht. Über die
Verbindung des Druckraums 14 mit dem Zwischenraum 55 herrscht
dort ein hoher Kraftstoffdruck, so dass auch die zweite Konusfläche 42 bis
zur zweiten Dichtkante 46 vom Kraftstoffdruck im Zwischenraum 55 beaufschlagt wird.
Darüber
hinaus ergibt sich eine resultierende Kraft auf die Ventilnadel 10 durch
den Druck im Kanal 48, die dem Querschnitt der Längsbohrung 52 entspricht.
Bis auf die Fläche
der Ringnut 43 ist somit die gesamte Ventildichtfläche 12 vom
Kraftstoffdruck beaufschlagt und ergibt eine entsprechende, in Längs richtung
der Ventilnadel 10 wirkende Öffnungskraft, die vom Ventilsitz 9 weggerichtet
ist. Hebt die Ventilnadel 10 in der oben beschriebenen
Weise vom Ventilsitz 9 ab, so ergibt sich ein Zustand,
wie er in 3 dargestellt
ist. Durch den Spalt zwischen der ersten Dichtkante 44 und
dem Ventilsitz 9 strömt
jetzt Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zu den Einspritzöffnungen 11. Über den
Kanal 48 bleibt der Druck im Zwischenraum 55 erhalten
und damit auch die hydraulischen Kräfte auf die Ventilnadel 10.
Zusätzlich
zum Kraftstofffluss, der direkt zwischen der ersten Dichtkante 44 und
dem Ventilsitz 9 hindurchfließt, kommt es zu einem weiteren
Kraftstoffstrom, der durch den Kanal 48 in den Zwischenraum 55 und
von dort zwischen der zweiten Dichtkante 46 und dem Ventilsitz 9 hindurch
zu den Einspritzöffnungen 11 führt. Dies bewirkt,
dass bei gleichem Hub der Ventilnadel 10 gegenüber der
Ausführung
ohne Kanal 48 ein stärkerer
Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen 11 stattfindet.
Durch das Abheben der Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 wird
zusätzlich
die Ringnut 43 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt, was eine
weitere Erhöhung der Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 10 bewirkt.
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In 7 ist die hydraulische Öffnungskraft auf
die Ventildichtfläche 12 in
Abhängigkeit
vom Nadelhub h dargestellt. Mit I ist der Verlauf dargestellt, wie
er sich ohne einen Kanal 48 in der Ventilnadel 10 ergibt.
Exemplarisch wurde hier ein Einspritzdruck im Druckraum 14 von
1600 bar angenommen. Durch die üblichen
Abmessungen ergibt sich ohne den Kanal 48 bei geschlossenen
Kraftstoffeinspritzventil eine hydraulische Kraft auf die Ventilnadel 10 von
etwa 1100 bar. Durch das Abheben der Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 und
die zusätzliche
Beaufschlagung weiterer Teil der Ventildichtfläche 12 mit dem Kraftstoffdruck
erhöht
sich diese Kraft F im Verlauf des Nadelhubs h bis zu seinem Endwert,
der bei etwa 200 μm Nadelhub
mit ca. 1500 N erreicht wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausführung der Ventilnadel 10 mit
einem Kanal 48 ergibt sich der mit II bezeichnete Verlauf
der Öffnuungskraft
F. Bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil ergibt sich eine deutlich
höhere Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 10, die knapp 1400 N beträgt. Durch
das Abheben der Ventilnadel 10 und die zusätzliche
Beaufschlagung der Ringnut 43 ergibt sich eine Erhöhung der Öffnungskraft,
die bereits nach ca. 80 μm
Nadelhub den Endwert von gut 1500 N erreicht.
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Betrachtet
man nochmals 1, so sieht man,
dass der Druck im Steuerraum 30 von der Höhe des Hubs
des Kolbens 32 abhängt.
Um die Ventilnadel 10 zum Öffnen zu bringen, muss die
Kraft auf die Ventilnadel 10, wie in 7 dargestellt, von einer Schließkraft,
die größer als
1500 N ist, auf ca. 1100 N abgesenkt werden, wenn der Kanal48 nicht
vorhanden ist. Dafür
ist ein relativ großer
Hub des Kolbens 32 und damit auch des Aktors erforderlich.
Piezoaktoren zeigen jedoch nur einen relativ geringen Hub, so dass
ein entsprechend großer
Piezoaktor vorhanden sein muss, der entsprechend viel Bauraum einnimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil
mit dem Kanal48 in der Ventilnadel 10 muss die Schließkraft hingegen
nur auf ca. 1350 N abgesenkt werden, damit die Ventilnadel 10 in
Bewegung gesetzt wird. Hierzu ist ein deutlich geringerer Hub des
Kolbens 32 und damit des Piezoaktors nötig, so dass der Piezoaktor
entsprechend kleiner gestaltet werden kann.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
in derselben Darstellung wie 2.
Der Kanal 48 setzt sich hier aus einem Einstich 58,
einer Querbohrung 50' und
einer Längsbohrung 52,
die die Querbohrung 50' schneidet,
zusammensetzt. Der Einstich 58 bewirkt, dass die Spitze
der Ventilnadel 10 etwas flexibler ist, so dass eine leichte
elastische Verformung der Ventilnadel 10 dahingehend stattfinden
kann, dass sowohl die erste Dichtkante 44, als auch die
zweite Dichtkante 46 am Ventilsitz 9 dichten.
Der Einstich 58 ist hierbei umlaufend um die Ventilnadel 10 und
ermöglicht
einen ungehinderten Zufluss des Kraftstoffs zur Querbohrung 50'. Die sonstigen
hydraulischen Eigenschaften der Ventilnadel 10 und ihre
Funktionsweise im Kraftstoffeinspritzventil ist identisch mit dem Ausführungsbeispiel,
das in 2 und 3 dargestellt ist.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
in derselben Darstellung wie 2,
wobei die Ventilnadel 10 hier teilweise geschnitten dargestellt
ist. Der Kanal 48 ist als eine Querbohrung 50 und
eine Längsbohrung 52 dargestellt,
wobei in der Längsbohrung 52 eine
Drossel 54 ausgebildet ist, also eine gezielt eingebrachte
Engstelle. Bei einer Druckdifferenz zwischen dem Druckraum 14 und
dem Zwischenraum 55 findet der Druck ausgleich dadurch mit
einer gewissen Verzögerung
statt, die durch den Durchflusswiderstand der Drossel 54 bedingt
ist. Dies wirkt sich folgendermaßen aus:
Zu Beginn der
Einspritzung, d.h. nachdem die Ventilnadel 10 längere Zeit
am Ventilsitz 9 in Anlage war, herrscht wegen des Kanals 48 im
Druckraum 14 und im Zwischenraum 55 derselbe Kraftstoffdruck.
Beim Abheben der Ventilnadel 10 vergrößert sich das Volumen des Zwischenraums 55,
so dass der Druck dort abfällt
und damit auch die hydraulische Kraft auf die zweite Konusfläche 42.
Bei geeigneter Dimensionierung der Drossel 54 bleibt der
Druck im Zwischenraum 55 unter dem Druck im Druckraum 14 so
lange, bis durch den Zufluss aus dem größer werdenden Spalt zwischen
der zweiten Dichtkante 46 und dem Ventilsitz 9 ein
Druckausgleich mit dem Druckraum 14 hergestellt ist. Die Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 10 hat dann den in 7 mit III bezeichneten Verlauf. Ausgehend
von der Öffnungskraft
von knapp 1400 N, die dieselbe wie bei den Ausführungsbeispielen nach 2 und 4 ist, sinkt die Öffnungskraft F wegen des fallenden
Drucks im Zwischenraum 55 bis zu einem Hub der Ventilnadel 10 von
ca. 20 μm ab.
Danach steigt die Kraft F wieder an, wobei sie in etwa dem Verlauf
der Ventilnadel 10 ohne den Kanal 48 folgt, bis
auf den Endwert von gut 1500 N. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit,
die Ventilnadel 10 beispielsweise für eine Teil- oder Voreinspritzung nur einen sehr
kleinen Hub ausführen
zu lassen. Dazu wird durch eine geeignete Bewegung des Kolbens 32 der
Druck im Steuerraum 30 so weit abgesenkt, dass sich die
Schließkraft
von einem Wert oberhalb 1400 N auf beispielsweise 1300 N absenkt.
Dadurch hebt die Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 9 ab,
stoppt jedoch wieder nach einem Hub von etwa 20 μm, da dann die Öffnungskraft
F wieder der Schließkraft
entspricht. Auch ein sehr geringer Teilhub der Ventilnadel 10, beispielsweise
die oben erwähnten
20 μm, führen zu einer
ausreichenden Durchflussrate an den Einspritzöffnungen 11. Trotz
der Drossel 54 erhöht
der Kanal 48 den Zufluss zu den Einspritzöffnungen 11 bei
gegebenem Nadelhub h erheblich, so dass ein für eine Teileinspritzung ausreichende
Kraftstofffluss ohne Probleme erreicht wird. Ausgehend von diesem
Teilhub kann die Ventilnadel 10 durch entsprechendes Betätigen des
Piezoaktors und damit des Kolbens 32 wieder geschlossen
werden, so dass eine Einspritzung einer sehr kleinen Kraftstoffmenge
möglich
ist, ohne dass ein variabler Hubanschlag für die Ventilnadel 10 vorgesehen
sein muss.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Kraftstoffeinspritzventils, bei dem in der Ventilnadel 10 der
Kanal 48 eine Drossel 54' aufweist. Der Kanal48 ist als
Schrägbohrung 60 ausgebildet
und geht von der zweiten Konusfläche 42 aus
und mündet
in den Druckraum 14. Die Schrägbohrung 60 schneidet
hierbei die Längsachse 16 der
Ventilnadel 10, wobei der Winkel zur Längsachse 16 beliebig
ist, solange eine hydraulische Verbindung zwischen dem Zwischenraum 55 und
dem Druckraum 14 stattfindet.
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Gegenüber den
herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzventilen kann der Piezoaktor, der den Kolben 32 bewegt,
noch weiter verkürzt
werden. Da über
den Kanal 48 ein zusätzlicher
Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen 11 stattfindet,
muss die Nadel 10 für einen
gewünschten
Durchfluss weniger Hub durchfahren, wodurch der Druckanstieg im
Steuerraum 30 durch die Öffnungsbewegung der Ventilnadel 10 entsprechend
geringer ausfällt.