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Diese
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil zur Verwendung
bei der Abgabe von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff an einen
Verbrennungsraum eines damit verbundenen Verbrennungsmotors mit
Kompressionszündung.
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Ein
typisches Kraftstoffeinspritzventil umfasst eine Ventilnadel, die
in einer in einem Düsenkörper ausgebildeten
Bohrung verschieblich angeordnet ist und an einem Sitz zur Anlage
gelangen kann, um die Abgabe von Kraftstoff durch eine oder mehrere
Auslassöffnungen
zu steuern, die stromabwärts
des Sitzes mit der Bohrung in Verbindung stehen. Die Bewegung der
Ventilnadel erfolgt während des
Betriebs schnell, wobei die Zeiträume, während denen eine Kraftstoffeinspritzung
erfolgt, von kurzer Dauer sind. Außerdem kann es zum Zwecke der
Verringerung des Lärmpegels
und der teilchenförmigen Verunreinigungen,
die von einem Motor erzeugt werden, in manchen Anwendungen erforderlich
sein, dass sich das Einspritzventil öffnet, um eine kleine Kraftstoff-Voreinspritzung
abzugeben, sich zu schließen
und nach kurzer Verzögerung
zu öffnen,
um eine Haupteinspritzung abzugeben. Es hat sich herausgestellt,
dass manche Kraftstoffeinspritzventile nicht in der Lage sind, ausreichend
schnell zu reagieren, um in solchen Anwendungen eingesetzt werden
zu können.
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Es
sind Kraftstoffeinspritzventile vorgeschlagen worden, bei denen
versucht wurde, diese Eigenschaften abzumildern. Beispielsweise
offenbart die US-A-4,570,853 ein Kraftstoffeinspritzventil, das
einen Düsenkörper mit
einer einen Sitz bildenden Bohrung umfasst. Eine Ventilnadel ist
innerhalb der Bohrung hin- und herbewegbar, wobei die Ventilnadel
mit einer weiteren Bohrung ausgestattet ist, die sich von ihrer
Spitze ausgehend aufwärts
erstreckt und innerhalb der ein Anlagekörper gleiten kann. Der Anlagekörper ist
mit Hilfe einer Feder in Anlage mit einem Satz von Düsenöffnungen
vorgespannt, um die Abgabe von Kraftstoff aus dem Einspritzventil
zu steuern.
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Außerdem offenbart
die
DE 37 36 700 A eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einem
Düsenkörper, der eine
Bohrung begrenzt. Ein Sicherungselement ist in der Bohrung angeordnet,
und eine Nadel kann darin gleiten, wobei das Sicherungselement sicherstellt, dass
die Nadel von der Bohrung des Düsenkörpers beabstandet
ist. Die Ventilnadel kann an einem Auslass zur Anlage gelangen,
um die Abgabe von Kraftstoff durch diesen zu steuern.
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Die
GB 2 204 357 offenbart ein
Kraftstoffeinspritzventil, in welchem ein innerer Ventilstift innerhalb
einer äußeren Ventilnadel
bewegbar ist. Die äußere Ventilnadel steuert
die Einspritzung von Kraftstoff durch einen Satz von Einspritz-Auslässen. Wenn
die äußere Ventilnadel
nur um einen relativ geringen Betrag weg von ihrem Sitz angehoben
wird, verbleibt der innere Ventilstift in Anlage gegen seinen Sitz
und bildet einen relativ engen Spalt, der dann den Fluss von Kraftstoff
an der äußeren Ventilnadel vorbei
zu den Auslässen
beschränkt.
Wenn die äußere Ventilnadel
um einen weiteren Betrag bewegt wird, wird der innere Ventilstift
veranlasst, sich mit der äußeren Nadel
abzuheben, so dass der Spalt für
den Kraftstofffluss zu den Auslässen
geöffnet
wird. Die Beschränkung
des Flusses von Kraftstoff zu den Auslässen hängt daher davon ab, wie weit
sich die äußere Ventilnadel
abhebt.
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Die
EP 0 878 623 beschreibt
ein Einspritzventil der Art, die zwei Ventilnadeln besitzt, wobei eine
innere Ventilnadel die Kraftstoff-Abgabe durch einen ersten Satz
von Einspritzventil-Auslässen
steuert und eine äußere Ventilnadel
die Abgabe von Kraftstoff durch einen zweiten Satz von Einspritz-Auslässen steuert.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzventil bereitzustellen,
das sich für
den Gebrauch in Anwendungen eignet, die eine schnelle Reaktion der
Ventilnadel erfordern.
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Erfindungsgemäß wird ein
Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellt, umfassend eine Mehrzahl von
Auslassöffnungen
und einen Düsenkörper, der mit
einer ersten, einen Sitz bildenden Bohrung ausgestattet ist, wobei
eine Ventilnadel innerhalb der Bohrung hin- und herbewegt werden und an dem Sitz zur
Anlage gebracht werden kann, um die Abgabe von Kraftstoff durch
alle der Mehrzahl von Auslassöffnungen
zu steuern. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst weiterhin ein
längliches
oder langgestreckes Führungselement,
das innerhalb der Bohrung angebracht ist, wobei das Führungselement
mit einer zweiten Bohrung ausgestattet ist, in der mindestens ein
Teil der Ventilnadel aufgenommen ist, um die Ventilnadel bei ihrer
Bewegung innerhalb der ersten Bohrung zu führen. Die zweite, im Führungselement befindliche
Bohrung bildet eine Schulter, in der die Ventilnadel zur Anlage
gelangen kann, um die Strecke zu begrenzen, über die sich die Ventilnadel
während
des Betriebs weg von dem Sitz bewegen kann.
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Eine
solche Anordnung ist vorteilhaft, weil die Ventilnadel relativ geringe
Abmessungen und eine niedrige Masse besitzen kann. Die Trägheit der Ventilnadel
kann damit verringert werden, was zu einem verbesserten Reaktionsverhalten
führt.
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Das
Führungselement
kann zusammen mit dem Düsenkörper einen
Durchflussweg für
Kraftstoff bilden, der in Richtung der Mehrzahl von Auslassöffnungen
fließt.
Das Führungselement
kann Ausformungen besitzen, die eine Verengung für entlang des Durchflusswegs
fließenden
Kraftstoff bilden.
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Wenn
das Einspritzventil beispielsweise in einem Kraftstoffsystem vom "common rail"-Typ (Typus mit gemeinsamer
Druckleitung) verwendet werden soll, dann bildet die Ventilnadel
zusammen mit dem Führungselement
in günstiger
Weise eine Steuerkammer, wobei das Führungselement weiterhin einen
Kanal begrenzt, durch den Kraftstoff der Steuerkammer zugeführt oder
daraus abgezogen werden kann, um den Kraftstoffdruck innerhalb der
Steuerkammer zu verändern.
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Die
Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf 1 beschrieben,
bei der es sich um eine Querschnittsansicht eines Teils eines Kraftstoffeinspritzventils
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung handelt.
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Das
teilweise in 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil
umfasst einen weitgehend typischen Düsenkörper 10, der mit einer
geschlossenendigen Bohrung 11 ausgestattet ist, deren geschlossenes Ende
einen Sitz 12 bildet. Stromabwärts des Sitzes 12 steht
eine Mehrzahl von Auslassöffnungen 13 mit geringem
Durchmesser mit der Bohrung 11 in Verbindung. Die Bohrung 11 ist
so gestaltet, dass sie einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser umfasst,
der einen ringförmigen
Galerieraum 14 bildet, welcher mit einer Drillbohrung 15 in
Verbindung steht, die während
des Betriebs einen Teil eines Versorgungskanals zur Zufuhr von Kraftstoff
zur Bohrung 11 bildet.
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In
der Bohrung 11 angeordnet ist ein längliches Führungselement 16.
Das Führungselement 16 umfasst
in der dargestellten Ausrichtung an seinem oberen Ende einen Bereich
mit vergrößertem Durchmesser,
wobei dieser Bereich einen Durchmesser besitzt, der im Wesentlichen
dem Durchmesser des benachbarten Teils der Bohrung 11 gleich
ist und eine im Wesentlichen flüssigkeitsdichte
Abdichtung zwischen dem Führungselement 16 und
dem oberen Ende der Bohrung 11 bildet. Das untere Ende
des Führungselements 16 besitzt
ebenfalls einen Durchmesser, der demjenigen der Bohrung 11 im
Wesentlichen gleich ist, und ist mit rillenförmigen Ausformungen 17 ausgestattet,
die es ermöglichen,
dass Kraftstoff vom Versorgungskanal entlang eines Durchflusswegs,
der von der Bohrung 11 gebildet wird, in Richtung des Sitzes 12 fließen kann.
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Das
Führungselement 16 ist
mit einer sich axial erstreckenden, durchgehenden Bohrung 18 von gestufter
Form versehen. Das untere Ende der Bohrung 18 besitzt einen
relativ großen
Durchmesser und dient dazu, eine Ventilnadel 19 bei ihrer
Vor- und Rückwärtsbewegung
innerhalb der Bohrung 18 zu führen, wobei die Ventilnadel 19 an
dem Sitz 12 zur Anlage gelangen kann, um durch Öffnen und
Schließen
die Zufuhr von Kraftstoff von der Bohrung 11 her zu den
Auslassöffnungen 13 zu
steuern und damit die Kraftstoffabgabe aus dem Einspritzventil heraus zu
steuern. Die Bohrung 18 bildet eine Stufe oder Schulter 20,
gegen die das obere Ende der Nadel 19 zur Anlage kommen
kann, um die Wegstrecke zu begrenzen, über die sich die Nadel 19 während des
Betriebs bewegen kann. Das Führungselement 16 bildet
außerdem
eine zweite Stufe 21, die als Federanlage für eine Feder 22 dient,
die zwischen der Federanlage und der oberen Endfläche der
Nadel 19 angeordnet ist, wobei die Feder 22 eine
vorspannende Kraft auf die Nadel 19 aufbringt, die die
Nadel 19 in Richtung des Sitzes 12 drückt. Das
obere Ende der Bohrung 18 steht über (nicht gezeigte) Kanäle, die
in anderen Teilen des Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen sind,
mit einer Quelle für
unter niedrigem Druck stehenden Kraftstoff in Verbindung, beispielsweise dem
Kraftstoffspeicher oder Tank, der mit dem Motor verbunden ist.
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Während des
Betriebs kann der Versorgungskanal, der teilweise von der Drillbohrung 15 gebildet
wird, mit dem Auslass einer Kreisel-Verteilerpumpe verbunden sein.
Wenn der Versorgungskanal unter relativ geringem Druck steht, befindet
sich die Bohrung 11 unter niederem Druck, und die vom Kraftstoff
innerhalb der Bohrung 11 auf die ausgesetzten, gewinkelten
Druckflächen 19a
der Nadel 19 aufgebrachte Kraft ist relativ gering. Unter
diesen Umständen
bringt die Feder 22 eine ausreichende Kraft auf die Nadel 19 auf,
um sicherzustellen, dass die Nadel 19 in Anlage mit dem
Sitz 12 verbleibt.
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Wenn
die Kreisel-Verteilerpumpe arbeitet, steigt der Kraftstoffdruck
innerhalb der Bohrung 11 an, und damit steigt die Größe der auf
die Ventilnadel 19 aufgebrachten Kraft, die die Ventilnadel 19 weg von
dem Sitz 12 drückt,
an, und es wird ein Punkt erreicht, jenseits dessen die Ventilnadel 19 in
der Lage ist, sich gegen die Wirkung der Feder 22 zu bewegen,
wobei sie sich weg von dem Sitz 12 abhebt und es möglich macht,
dass Kraftstoff von der Bohrung 11 zu den Auslassöffnungen 13 fließt, um an
den Verbrennungsraum des Motors abgegeben zu werden, mit dem das
Einspritzventil verbunden ist. Weil sich die Nadel 19 bewegt,
wird Kraftstoff innerhalb der Bohrung 18 in Richtung des
Niederdruck-Speichers verdrängt.
Die Bewegung der Nadel 19 wird durch die Stufe 20 begrenzt.
Die Rillen 17 besitzen ausreichende Abmessungen, so dass
die Menge pro Zeiteinheit, mit der Kraftstoff entlang des Durchflusswegs
in Richtung des Sitzes 12 fließen kann, nicht wesentlich beschränkt ist.
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Es
sollte klar sein, dass das Führungselement 16,
das in einer im Wesentlichen konzentrischen Stellung innerhalb der
Bohrung 11 gehalten wird, die Bewegung der Nadel 19 führt und
damit sicherstellt, dass die Nadel 19 im Wesentlichen konzentrisch
innerhalb der Bohrung 11 verbleibt, während sie von ihrem Sitz 12 beabstandet
ist, was einen gleichmäßigen Kraftstofffluss
zu allen Auslassöffnungen 13 ermöglicht.
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Wenn
die Einspritzung beendigt werden soll, wird der Kraftstoffdruck
innerhalb der Bohrung 11 verringert. Dies kann einfach
dadurch erreicht werden, dass die Zufuhr von Kraftstoff zur Bohrung 11 beendet
wird, wobei die fortgesetzte Abgabe von Kraftstoff durch die Auslassöffnungen 13 nach
und nach bewirkt, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrung 11 absinkt.
Alternativ kann der Kraftstoffdruck dadurch zum Fallen gebracht
werden, dass ein Überströmventil
geöffnet
wird, um Kraftstoff von der Bohrung 11 abzuziehen, wodurch
der auf die Druckflächen 19a der
Ventilnadel 19 aufgebrachte Kraftstoffdruck abnimmt. Unabhängig davon,
wie der Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrung 11 verringert wird,
senkt die Verringerung des Kraftstoffdrucks die Größe der Kraft,
die die Ventilnadel 19 weg von dem Sitz 12 drückt, und
es wird ein Punkt erreicht, jenseits dessen die Ventilnadel 19 unter
der Wirkung der Feder 22 in Anlage mit dem Sitz 12 zurückgeführt wird. Wenn
eine solche Anlage erreicht ist, kann kein Kraftstoff mehr zu den
Auslassöffnungen 13 fließen, und damit
ist die Krafteinspritzung beendet.
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Obwohl
in der voranstehenden Beschreibung das Einspritzventil unter Bezugnahme
auf ein Kraftstoffsystem beschrieben wird, das eine Kreisel-Verteilerpumpe
beinhaltet, sollte klar sein, dass das Einspritzventil auch mit
anderen Arten von Kraftstoffsystemen verwendet werden könnte, in
denen der Zeitverlauf der Kraftstoffeinspritzung durch Steuern der
absoluten Größe des auf
die Bohrung 11 aufgebrachten Kraftstoffdrucks gesteuert
wird. Das Einspritzventil kann alternativ beispielsweise in einem Kraftstoffsystem
vom "common rail"-Typ (mit gemeinsamer
Druckleitung) eingesetzt werden. In einem solchen Kraftstoffsystem
ist die Drillbohrung 15 über den Versorgungskanal mit
einer Quelle für
unter hohem Druck stehenden Kraftstoff verbunden. Die Bohrung 11 wird
deshalb kontinuierlich mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff
versorgt, und daher ist die auf die Ventilnadel 19 aufgebrachte
Kraft, die die Ventilnadel 19 weg von dem Sitz 12 drückt, hoch.
In einer solchen Anordnung bildet die obere Endfläche der
Nadel 19 zusammen mit der Bohrung 18 eine Steuerkammer,
wobei der darin herrschende Kraftstoffdruck eine Kraft auf die Nadel 19 aufbringt,
die die Nadel 19 in Richtung des Sitzes 12 drückt. Der Kraftstoffdruck innerhalb
der Steuerkammer wird durch Steuern des auf die Bohrung 18 aufgebrachten Kraftstoffdrucks
gesteuert, beispielsweise unter Verwendung eines elektromagnetisch
betätigbaren
Ventils oder unter Verwendung einer piezoelektrischen Betätigungsanordnung
(nicht gezeigt).
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Wenn
das Einspritzventil in einem "common rail"-Kraftstoffsystem
eingesetzt wird, ist der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer
vor dem Beginn der Einspritzung hoch, und eine nach unten gerichtete
Kraft relativ hoher absoluter Größe wirkt
auf die Nadel 19 ein, was die Feder 22 dabei unterstützt, sicherzustellen,
das die Nadel 19 in Anlage mit dem Sitz 12 verbleibt.
In dieser Stellung ist der effektive Flächenbereich der Nadel 19,
der dem Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer ausgesetzt ist, größer als
derjenige, der dem Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrung 11 ausgesetzt
ist, und dieser Unterschied bildet eine Unterstützung dabei, dass die Nadel 19 sicher
in Anlage mit dem Sitz 12 verbleibt. Wenn eine Einspritzung
beginnen soll, wird der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer
abgelassen, beispielsweise durch Öffnen eines elektromagnetisch
betätigbaren
Ventils oder durch eine geeignete Steuerung einer piezoelekrischen
Betätigungsanordnung.
Die Verringerung des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerkammer
verringert die absolute Größe der auf
die Nadel 19 wirkenden, nach unten gerichteten Kraft, und
es wird ein Punkt erreicht, jenseits dessen die Nadel 19 in
der Lage ist, sich weg von dem Sitz 12 zu bewegen und es
damit zu ermöglichen,
dass Kraftstoff zu den Auslassöffnungen 13 fließen kann.
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Um
die Einspritzung zu beenden, wird die Steuerkammer wieder mit Druck
beaufschlagt. Wenn das Einspritzventil unter Verwendung eines elektromagnetisch
betätigbaren
Ventils gesteuert wird, kann dies durch Schließen des Ventils erreicht werden, wobei
Kraftstoff durch einen verengten Kanal, der die Bohrung 18 mit
dem Versorgungskanal verbindet, zur Steuerkammer fließt. Alternativ
kann ein Ventil anstelle des verengten Kanals vorgesehen sein. Die
erneute Beaufschlagung der Steuerkammer mit Druck erhöht die Größe der auf
die Nadel 19 aufgebrachten, nach unten gerichteten Kraft,
und es wird ein Punkt erreicht, jenseits dessen die Ventilnadel 19 in
Anlage mit dem Sitz 12 zurückkehrt, und damit wird die
Einspritzung beendet.
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Obwohl
in der voranstehend beschriebenen Anordnung das Führungselement 16 mit
Gestaltungen versehen ist, die Rillen 17 bilden, welche
keine signifikante Beschränkung
für den
Kraftstofffluss innerhalb der Bohrung 11 darstellen, kann
auf Wunsch das Führungselement 16 mit
Ausformungen versehen sein, die zusammen mit dem Düsenkörper 10 eine
Verengung für
den Fluss von Kraftstoff entlang des Durchflussweges bilden. Dies
führt dazu,
dass während
der Einspritzung die Menge pro Zeiteinheit, mit der Kraftstoff zu
dem stromabwärts
des Führungselements 16 gelegenen
Teil der Bohrung 11 fließen kann, beschränkt ist,
und demzufolge fällt
der Kraftstoffdruck innerhalb dieses Bereichs während der Einspritzung ab,
und die Größe der auf
die Ventilnadel 19 einwirkenden Kraft, die die Ventilnadel weg
von dem Sitz 12 drückt,
verringert sich. Dies kann von Vorteil sein, weil es zu einer schnelleren Bewegung
der Nadel 19 in Richtung des Sitzes 12 führt, wenn
die Einspritzung beendet werden soll, was zur Folge hat, dass das
Kraftstoffeinspritzventil ein verbessertes Reaktionsverhalten zeigt.
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Unabhängig von
der Art des Kraftstoffsystems, mit dem das Kraftstoffeinspritzventil
verwendet werden soll, ist das Reaktionsverhalten des Einspritzventils
verbessert, weil die Nadel 19 verglichen mit einer typischen
Ventilnadel relativ geringe Abmessungen und eine geringe Masse und
infolgedessen eine im Vergleich zu typischen Anordnungen verringerte
Trägheit
besitzt. Es kann daher eine schnelle Bewegung der Nadel 19 erreicht
werden. Das Einspritzwegventil eignet sich deshalb zur Verwendung in
Kraftstoffsystemen von der Art, in denen eine Voreinspritzung vorgenommen
werden soll, wobei auf die Voreinspritzung von Kraftstoff nach einer
kurzen Verzögerung
einer Haupteinspritzung von Kraftstoff folgen soll. In einem solchen
Kraftstoffsystem wird die Ventilnadel veranlasst, sich innerhalb
eines sehr kurzen Zeitraums schnell innerhalb der Bohrung hin- und
herzubewegen.
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Ein
weiterer Vorteil der hier voranstehend beschriebenen Anordnung liegt
darin, dass das Führungselement 16 eine
im Wesentlichen flüssigkeitsdichte
Abdichtung mit dem Düsenkörper 10 bildet. Das
hat zur Folge, dass die Anforderung typischer Anordnungen an die
Nadel, eine im Wesentlichen flüssigkeitsdichte
Abdichtung mit dem Düsenkörper zu
bilden, nicht besteht. Weil die Nadel keine im Wesentlichen flüssigkeitsdichte
Abdichtung mit dem Düsenkörper bilden
muss, kann ein schmaler Spalt zwischen der Nadel und der Bohrung,
in der die Nadel gleiten soll, ausgebildet sein, und solch ein Spalt
verringert das Risiko, dass sich die Nadel im Betrieb festfrisst.