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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzdüse und insbesondere
auf eine Brennstoffeinspritzdüse
für direkte
Einspritzung von Benzin in die Brennkammer eines Verbrennungsmotors.
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Moderne
Benzinmotoren für
Direkteinspritzung erfordern Brennstoffeinspritzdüsen, um
unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen und mit hohen Brennstoffdrücken betrieben
zu werden. Des Weiteren muss die Brennstoffeinspritzdüse sehr schnell
zu öffnen
und zu schließen
sein, um Multiimpulseinspritzungszyklen bereitzustellen, die für Brennstoffwirksamkeit
und wenig Abgase erforderlich sind.
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Gegenwärtige Brennstoffeinspritzdüsen für Hochdruckdirekteinspritzung
verwenden entweder sich nach innen öffnende Ventile (düsenartige
oder Mehrloch-Richtgeräte)
in Verbindung mit Magnetantrieb oder sich nach außen öffnende
Ventile, die piezoelektrischen Antrieb verwenden. Die sich nach
außen öffnende
piezoelektrisch angetriebene Einspritzdüse hat das größte Potential
zum Reduzieren von Brennstoffverbrauch bewiesen, aber die Kosten
des Piezostapels und -treibers sind untragbar für Massenanwendungen.
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Bekannte,
sich nach außen öffnende,
piezoelektrisch angetriebene Brennstoffeinspritzdüsen beinhalten
im Allgemeinen einen Ventilkörper,
der einen Spitzenabschnitt, der eine Sprühöffnung definiert, einen Drehbolzen
oder Ventilschaft, der sich innerhalb des Spitzenabschnitts zur
axialen Bewegung zwischen einer ausgestreckten Position und einer
eingezogenen Position erstreckt, wobei der Drehbolzen einen externen
Kopf, der in einen Ventilsitz der Sprühöffnung eingreifen kann, um
die Sprühöffnung zu schließen, wenn
sich der Drehbolzen in seiner eingezogenen Position befindet, aufweist,
eine Rückstellfeder,
die den Drehbolzen in Richtung seiner eingezogenen Position vorspannt,
ein Betätigungsmittel
in der Form eines Piezostapels, das auf den Drehbolzen wirkt, um
den Drehbolzen in seine ausgestreckte Position zu drängen, wenn
der Piezostapel bedampft wird.
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Der
Piezostapel kann eine hohe Öffnungskraft
bereitstellen, um die starke Rückstellfeder,
die erforderlich ist, um das Ventil geschlossen zu halten und die
hochhydraulischen Kräfte,
die während
des Hochdruckbetriebs der Einspritzdüse erzeugt werden, zu überwinden.
Der Piezostapel stellt ebenfalls schnelle Ventilöffnung bereit und kann eine
variable Ventilerhebung erreichen. Piezoelektrische Brennstoffeinspritzdüsen sind
jedoch im Vergleich zu magnetangetriebenen Einspritzdüsen sehr
kostspielig in der Produktion und erfordern komplexe und kostspielige
Steuersysteme für
den Betrieb des Piezostapels.
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Im
Gegensatz dazu sind magnetangetriebene Brennstoffeinspritzdüsen erheblich
kostengünstiger
in der Produktion. Bekannte magnetangetriebene Brennstoffeinspritzdüsen können jedoch
nicht dasselbe Niveau an Leistung bereitstellen wie piezoelektrisch
angetriebene Geräte,
hauptsächlich
aufgrund der geringeren Öffnungskraft,
die von elektromagnetischen Magnetantrieben und dem langsameren
Anstieg von Kraft über
die Zeit erreichbar ist.
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Ein
besonderes Problem bei bekannten, sich nach außen öffnenden, magnetangetriebenen Brennstoffeinspritzdüsen, wenn
sie bei hoher Geschwindigkeit betrieben werden, ist Ventilfederkraft. Wenn
die Einspritzdüse
bei hoher Geschwindigkeit geschlossen wird, kann die Auswirkung
des Drehbolzenkopfes auf den Ventilssitz aufgrund der großen Masse
des Ankers, der mit dem Drehbolzen verbunden ist, und der Kraft,
die durch die Rückstellfeder
auf den Drehbolzen ausgeübt
wird, beträchtlich
sein. Aufgrund der Elastizität
der Ventiloberflächen
und des Drehbolzenschaftes, prallt der Drehbolzenkopf von dem Ventilsitz
tendenziell ab, was verursacht, dass sich die Einspritzdüse wieder öffnet. Derartige Ventilfederkraft
kann nach dem Schließen
der Einspritzdüse
eine oder mehrere nicht dosierte Nacheinspritzungen von Brennstoffanfuhr
verursachen. Dieses Problem ist insbesondere bei Hochdruckanwendungen
akut.
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Bekannte,
sich nach außen öffnende,
magnetangetriebene Brennstoffeinspritzdüsen benutzen Squeeze-Film-Dämpfung,
um zu versuchen, Ventilfederkraft durch vorsichtiges Steuern des
Luftspalts zwischen dem Anker und den gegenüberliegenden Oberflächen oberhalb
und unterhalb des Ankers zu eliminieren, wenn sich der Drehbolzen
in seiner eingezogenen und seiner ausgestreckten Position befindet.
Derartige Spalte sind erforderlich, um auf ungefähr 20 μm oder weniger mit leichten
Abwandlungen gesteuert zu werden, was zu beträchtlichen Variationen bei der
Squeeze-Dämpfungs-Wirkung
führt.
Herstellung und Einstellung derartiger Luftspalte hat sich als sehr
teuer und schwierig zu steuern erwiesen, mit zusätzlichen Problemen von Haltbarkeit
und Leistung, insbesondere in Bezug auf unterschiedliche Wärmeausdehnung verschiedener
Teile der Einspritzdüse
während
der Verwendung. Squeeze-Fim-Dämpfungs-Kräfte sind
im Wesentlichen proportional zu der Kubikzahl des Abstands zwischen Squeeze-Dämpfungs-Oberflächen und
ihrer entsprechenden Geschwindigkeit. Aufgrund dieser hoch nichtlinearen
Beschaffenheit müssen
Squeeze-Dämpfungs-Spalte
sehr gut gesteuert werden, um Teil-für-Teil-Variationen bei einer Einspritzdüse aus Massenproduktion
zu begrenzen.
GB1197738 offenbart
eine bekannte Einspritzdüse,
die einen Anker offenbart, der von dem Ventildrehbolzen entkoppelt
ist.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine magnetangetriebene
Brennstoffeinspritzdüse
bereitzustellen, die die gleiche Leistung erreicht wie ein piezoelektrisch
angetriebenes Gerät.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Brennstoffeinspritzdüse für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt,
wobei die Einspritzdüse
einen Einspritzdüsenkörper, der
einen Spitzenabschnitt, der eine Sprühöffnung definiert, aufweist;
einen Drehbolzen, der sich innerhalb des Spitzenabschnitts zur axialen
Bewegung zwischen eineroffenen oder ausgestreckten Position und
einer geschlossenen oder eingezogenen Position erstreckt, wobei
der Drehbolzen einen Kopfabschnitt, der in die Sprühöffnung eingreifen
kann, um die Sprühöffnung zu
schließen,
wenn sich der Drehbolzen in seiner eingezogenen Position befindet,
aufweist; Vorspannmittel, die zum Vorspannen des Drehbolzens in
Richtung seiner eingezogenen Position bereitgestellt sind; und Magnetmittel zum
selektiven Bewegen des Drehbolzens in die ausgestreckte Position;
wobei die Magnetmittel eine elektromagnetische Spule und einen beweglichen Anker,
der fähig
ist, dass die Spule auf ihn wirkt, um den Drehbolzen in Richtung
seiner ausgestreckten Position zu drängen, beinhalten; wobei der
Drehbolzen und der Anker voneinander trennbar sind, wodurch der
Anker sich von dem Drehbolzen entkoppeln kann, wenn sich der Drehbolzen
von seiner ausgestreckten Position in seine eingezogene Position bewegt,
beinhaltet, wobei eine Stoppvorrichtung bereitgestellt ist, um die
ausgestreckte Position des Drehbolzens zu definieren, wodurch ein
unterer minimaler Luftspalt zwischen dem Anker und dem Einspritzdüsengehäuse/der
elektromagnetischen Spule vorhanden ist, wenn sich der Anker in
seiner betriebsbereiten Position befindet und sich der Drehbolzen
in seiner ausgestreckten Position befindet, um die Erzeugung von
Squeeze-Film-Dämpfung
zwischen dem Anker und angrenzenden Oberflächen zu vermeiden, wenn sich
der Anker in seiner betriebsbereiten Position befindet. Vorzugsweise
beträgt
der untere minimale Luftspalt mindestens 20 μm. Besser beträgt der untere
minimale Luftspalt mindestens 40 μm.
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Vorzugsweise
ist der Anker zwischen einer betriebsbereiten Position, wobei der
Anker in den Drehbolzen eingreift und den Drehbolzen in seiner ausgestreckten
Position hält,
und einer Position außer
Betrieb, wobei der Anker von dem Drehbolzen mit Zwischenraum angeordnet
ist, bewegbar. Vorzugsweise ist ein axialer Spalt von mindestens
20 μm, besser
mindestens 40 μm
zwischen dem Drehbolzen und dem Anker vorhanden, wenn sich der Anker
in seiner Position außer
Betrieb befindet und sich der Drehbolzen in seiner eingezogenen
Position befindet.
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Durch
Entkoppeln des Ankers von dem Drehbolzen, wird die Verwendung von
Squeeze-Film-Dämpfungs-Spalten,
die keine festen Stoppvorrichtungen sind, vermieden, wodurch der
Bedarf des vorsichtigen Steuerns derartiger Spalte während der
Herstellung vermieden wird. Der obere minimale Luftspalt zwischen
dem Anker und der oberen Stoppvorrichtung beträgt stets Null, da, aufgrund
des Entkoppelns des Ankers von dem Drehbolzen, der Anker sich stets
weiter zu der oberen Stoppvorrichtung bewegt, nachdem der Drehbolzen
seine geschlossene oder eingezogene Position erlangt hat. Aufgrund
der Trennung der Masse des Ankers von dem Drehbolzen wird die Trägheit des
Drehbolzens erheblich reduziert, die Gefahr von Nacheinspritzungen
aufgrund von Ventilfederkraft beim Schließen der Einspritzdüse wird
gemindert.
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Um
die Gefahr der Ventilfederkraft während des Öffnens der Einspritzdüse weiter
zu reduzieren, kann eine kleine Menge an Fluidscherdämpfung durch
Steuern des radialen Spaltes zwischen mindestens einem Abschnitt
des Drehbolzens und/oder des Ankers und einem umgebenden Abschnitt
des Einspritzdüsenkörpers und/oder
des Elektromagneten eingeführt
werden. Alternativ oder zusätzlich dazu
kann eine gesteuerte Reibungskraft mittels eines Reibungselements,
wie etwa eines radial vorgespannten Stifts, der gegen eine Seitenoberfläche des Drehbolzens
und/oder den Anker stößt, eingeführt werden.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der Anker in Richtung seiner Position außer Betrieb
vorgespannt, wodurch der Anker von dem Drehbolzen mit Zwischenraum
angeordnet ist, wenn sich der Drehbolzen in seiner eingezogenen Position
befindet und die elektromagnetische Spule unbedämpft ist.
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in
einer alternativen Ausführungsform
ist der Anker in Richtung seiner betriebsbereiten Position vorgespannt,
um den Anker zu jeder Zeit in Kontakt mit dem Drehbolzen zu drängen.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Schnittsansicht einer Brennstoffeinspritzdüse gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Schnittsansicht einer Brennstoffeinspritzdüse gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Eine
Brennstoffeinspritzdüse
gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt.
Die Brennstoffeinspritzdüse
beinhaltet einen Einspritzdüsenkörper 1,
der einen Spitzenabschnitt 2, der eine Sprühöffnung 3 an
einem distalen Ende davon aufweist, aufweist. Ein sich nach außen öffnender
Ventildrehbolzen 5 erstreckt sich innerhalb des Spitzenabschnitts 2,
wobei der Drehbolzen 5 einen Kopfabschnitt 6 aufweist,
der in einen Ventilsitz 4, der die Sprühöffnung 3 umgibt, um
die Sprühöffnung 3 zu
schließen,
eingreifen kann.
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Der
Drehbolzen 5 ist innerhalb des Einspritzdüsenkörpers 1 zwischen
einer eingezogenen Position, in der der Kopfabschnitt 6 in
den Ventilsitz 4 eingreift, und einer ausgestreckten Position,
in der der Kopfabschnitt 6 von dem Ventilsitz 4 mit
Zwischenraum angeordnet ist, axial bewegbar. Eine Rückstellfeder 7 ist
innerhalb des Spitzenabschnitts montiert, wobei der Drehbolzen 5 in
Richtung seiner eingezogenen Position vorgespannt wird. Ein Anschlag 8,
der an dem Einspritzdüsengehäuse 1 montiert
ist, kooperiert mit einem Kragen 9 auf dem Drehbolzen,
um die Erstreckung des Drehbolzens 5 zu begrenzen und die
ausgestreckte Position des Drehbolzens 5 zu definieren.
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Das
Innere des Spitzenabschnitts 2 des Einspritzdüsenkörpers 1 steht
mittels eines Brennstoffzufuhrdurchgangs 10, wodurch dem
Inneren des Einspritzdüsenkörpers 1 stromaufwärts der
Sprühöffnung 3 Hochdruckbrennstoff
zugeführt
werden kann, mit einem Einlasskanal des Einspritzdüsenkörpers in Verbindung.
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Ein
Magnetantrieb, der eine elektromagnetische Spule 12 und
einen bewegbaren Anker 14, auf den die Spule 12 wirken
kann, beinhaltet, ist innerhalb des Einspritzdüsengehäuses 1 bereitgestellt und
ist angeordnet, um betriebsfähig
zu sein, um den Drehbolzen 5 in seine ausgestreckte Position
zu drängen.
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In
ein distales Ende 16 des Drehbolzens 5, entfernt
von dem Kopfabschnitt 6, kann ein Abschnitt 18 des
Ankers 14 eingreifen, um den Drehbolzen in seine ausgestreckte
Position zu drängen,
wenn die elektromagnetische Spule 12 bedampft ist, um die Einspritzdüse zu öffnen, wobei
das distale Ende 16 des Drehbolzens 5 von dem
Abschnitt 8 des Ankers 14 trennbar ist, wodurch
der Anker 14 von dem Drehbolzen 5 entkoppelt werden
kann, wenn sich der Drehbolzen 5 während des Schließens der
Einspritzdüse
aus seiner ausgestreckten Position in seine eingezogene Position
bewegt.
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Die
vorliegende Erfindung vermeidet Ventilfederkraft beim Schließen der
Einspritzdüse
durch Entkoppeln des Ankers 14 von dem Drehbolzen 5,
so dass sich der Anker 14 von dem Drehbolzen 5 trennt und
sich weiter in Richtung einer oberen Stoppvorrichtung 20 bewegt,
wenn der Kopfabschnitt 6 des Drehbolzens 5 gegen
den Ventilsitz 4 stößt, wenn sich
die Einspritzdüse
schließt
(d. h. der Drehbolzen 5 bewegt sich in seine eingezogene
Position). Somit hat die Trägheit
des Ankers 14 bei dem Schließen der Einspritzdüse keine
Wirkung auf den Kopfabschnitt 6 des Drehbolzens 5,
und die Stoßkraft
des Kopfabschnitts 6 auf den Ventilsitz 4 wird
reduziert. Deswegen kann Ventilfederkraft vermieden werden, ohne dass
die Verwendung von Squeeze-Film-Dämpfung und der sich daraus
ergebenden Bedarf an vorsichtiger Steuerung des oberen Luftspaltes
des Ankers 14 erforderlich ist.
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Um
spaltenabhängige
Squeeze-Film-Dämpfungs-Wirkungen
zu vermeiden, ist der Anschlag 8 angeordnet, um einen unteren
minimalen Luftspalt von mindestens 20 μm zwischen Anker 14 und
dem Einspritzdüsengehäuse/der
elektromagnetischen Spule 12 bereitzustellen, wenn der
Elektromagnet bedampft ist und sich der Drehbolzen 5 in
seiner ausgestreckten Position befindet. Vorzugsweise ist der Anschlag 8 angeordnet,
um einen unteren minimalen Luftspalt von mindestens 40 μm bereitzustellen.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist eine Ankerrückstellfeder 22 zwischen
dem Anker 14 und der Spule 12 bereitgestellt,
um den Anker 14 in Richtung seiner oberen Stoppvorrichtung 20 zu drängen, um
einen oberen Luftspalt von Null beizubehalten, wenn der Elektromagnet
unbedämpft
ist.
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Durch
Bereitstellen eines Luftspaltes zwischen dem Anker 14 und
dem Drehbolzen 5, wenn der Elektromagnet unbedämpft ist
und die Einspritzdüse
geschlossen ist, wird die anfängliche
Kraft, die erforderlich ist, um von dem Elektromagneten ausgeübt zu werden, um
den Kopfabschnitt 6 des Drehbolzens 5 von dem
Ventilsitz 4 wegzubewegen, um die Einspritzdüse zu öffnen, reduziert,
da der Anker 14 imstande ist, Geschwindigkeit aufzuholen,
wenn er einen derartigen Luftspalt schließt, ebenfalls ohne des Bewegens
des Drehbolzens zu bedürfen,
wobei das erhaltene Moment des Ankers 14 dann die anfängliche
Bewegung des Drehbolzens 5 unterstützt, wenn der Anker 14 den
Drehbolzen 5 beeinflusst.
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Eine
derartige Anordnung ermöglicht
ebenfalls Kalibrierung der Leistung der Einspritzdüse, um die
Menge an Brennstoff, der für
eine gegebene Magnetantriebsimpulsdauer geliefert wird, zu variieren, ohne
des Variierens der Stärke
der Hauptrückstellfeder 7 zu
bedürfen.
Derartige Kalibrierung kann entweder durch Variieren des Luftspaltes
zwischen dem Drehbolzen 5 und dem Anker 14 erreicht
werden, da ein derartiger Luftspalt aufgrund der Zeit, die für das Bewegen
des Ankers 14 in eine Position, in der er gegen den Drehbolzen 5 stößt, genommen
wurde, eine Verzögerung
beim Öffnen
bereitstellt, je größer der Luftspalt,
desto länger
diese Verzögerung.
Alternativ dazu kann derartige Kalibrierung durch Einstellen der Vorspannkraft
nach oben der Ankerrückstellfeder 22 erreicht
werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform,
in 2 gezeigt, ist die Ankerrückstellfeder 22 zwischen
dem Anker 14 und der oberen Stoppvorrichtung 20 bereitgestellt,
um den Anker 14 in Kontakt mit dem Drehbolzen 5 vorzuspannen.
Bei einer derartigen Ausführungsform
kann die Ankerrückstellfeder 22' ausgewählt werden,
um die Einspritzdüse
zu kalibrieren, wobei eine derartige Feder gegen die Hauptrückstellfeder 7 wirkt,
um eine Kraft bereitzustellen, die auf den Drehbolzen 5 in
einer Ventilöffnungsrichtung wirkt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
(nicht gezeigt) kann der Anker nach oben von dem Drehbolzen weg
vorgespannt sein, wie bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform.
Anstatt die Ankerrückstellfeder
zwischen dem Gehäuse
und dem Anker zu lokalisieren – wie
in 1 gezeigt – kann
die Ankerrückstellfeder
jedoch zwischen dem Drehbolzen 5 und dem unteren Abschnitt 18 des
Ankers 14 wirken, so dass die Rückstellfeder eher auf den Drehbolzen 5 Bezug
hat als auf das Gehäuse 1.
Durch Lokalisieren der Ankerrückstellfeder
angrenzend an den Drehbolzen 5 ist eine Vorspannung nach
oben bereitgestellt, die die erhältliche
Ankermagnetkraft nicht reduziert.