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Diese Erfindung betrifft ein Kraftstoffspritzventil
zur Verwendung bei der Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff
an den Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine mit Kompressionszündung (eines
Dieselmotors). Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzventil
der Art, in welcher der Beginn der Einspritzung unter Verwendung
eines elektromagnetischen Betätigungselements
gesteuert wird. Die Erfindung ist insbesondere geeignet zur Verwendung
in einer Pumpen/Einspritzventil-Anordnung, aber es sollte klar sein,
dass die Erfindung auch für
andere Zwecke eingesetzt werden kann.
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Bei einer bekannten Pumpen/Einspritzventil-Anordnung
wird der Beginn der Einspritzung durch die Steuerung des Kraftstoffdrucks
innerhalb einer Steuerungskammer gesteuert wird, wobei der Kraftstoffdruck
innerhalb der Steuerungskammer eine Kraft auf eine Ventilnadel ausübt, durch
die die Nadel in Richtung ihres Sitzes gedrückt wird. Der Kraftstoffdruck
innerhalb der Steuerungskammer wird durch Verwendung eines geeigneten
magnetisch betätigten Ventils
gesteuert. Eine solche Anordnung ist relativ komplex, und es ist
schwierig, sie genau zu steuern.
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Im Hinblick auf den Hintergrund der
vorliegenden Erfindung beschreibt die GB 2307513 ein Kraftstoffeinspritzventil,
in welchen ein elektromagnetisches Betätigungselement so angeordnet
ist, dass es die Bewegung einer Ventilnadel gegen die Kraft einer
Feder steuern kann. Damit die Einspritzung beginnen kann, wird eine
Wicklung des elektromagnetischen Betätigungselements mit Energie
beaufschlagt, was bewirkt, dass ein Anker des Betätigungselements
sich weg von der Ventilnadel gegen die Wirkung der Feder bewegt,
und dadurch wird es der Nadel ermöglicht, sich von ihrem Sitz
zu heben, was die Einspritzung von Kraftstoff ermöglicht.
Um die Einspritzung zu beenden, wird die Wicklung des Betätigungselementes
von der Energiequelle getrennt, und der Anker bewegt sich zurück in eine
Ruhestellung, und damit wird die Ventilnadel in ihre Sitzposition
zurückgeführt, was
eine weitere Einspritzung verhindert.
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Erfindungsgemäß wird ein Kraftstoffeinspritzventil
bereitgestellt, umfassend eine Ventilnadel, die durch eine Feder
gegen einen Sitz vorgespannt ist, eine erste elektromagnetische
Betätigungseinrichtung
mit einem ersten Anker und einer ersten Wicklung, die so angeordnet
ist, dass sie die Größe der durch
die Feder auf die Nadel aufgebrachten Vorspannungskraft verändern kann,
wenn sie bis zu einem ersten Erregungs-Niveau mit Energie beaufschlagt
wird, und dass sie durch Anheben der Ventilnadel den Beginn der
Einspritzung ermöglicht, wenn
sie bis zu einem zweiten Energie-Niveau mit Energie beaufschlagt
wird, und eine zweite elektromagnetische Betätigungseinrichtung mit einem
zweiten Anker und einer zweiten Wicklung, die unabhängig von
der ersten Betätigungseinrichtung
gesteuert werden kann und so angeordnet ist, dass sie ein Überströmventil
betätigen
kann, das den Zeitablauf der Druckbeaufschlagung innerhalb einer
Versorgungsleitung steuert, wobei beide, die erste und die zweite
Betätigungseinrichtung
zusammen, ein übliches
Stellglied bilden.
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In einer solchen Anordnung ist die
Feder günstigerweise
so angeordnet, dass sie eine ausreichend große Spannkraft auf die Nadel
ausübt,
um sicherzustellen, dass keine Einspritzung erfolgt, wenn das Betätigungselement
bis zu einem ersten Erregungs-Niveau
mit Energie beaufschlagt wird. Wenn das Betätigungselement bis zu einem
zweiten Energie-Niveau mit Energie beaufschlagt wurde, wirkt das Betätigungselement
gegen die Feder, um die Größe der durch
die Feder auf die Nadel aufgebrachten Vorspannkraft auf ein Niveau
zu reduzieren, das ausreicht, um die Bewegung der Einspritznadel
zu ermöglichen,
wodurch die Einspritzung beginnen kann.
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Vorzugsweise wird der erste Anker
von einem Steuerungselement getragen, wobei die Federkraft durch
das Steuerungselement auf die Feder übertragen wird.
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Da das Kraftstoffeinspritzventil
keine Betätigung
eines Ventils benötigt,
um die Einspritzung zu steuern, kann die Anzahl von Drillbohrungen,
Bohrlöchern
und anderen Ausformungen, die im Einspritzventil vorgesehen sein
müssen,
verringert werden, was die Konstruktion vereinfacht. Das Kraftstoffeinspritzventil
ist darüber
hinaus relativ einfach zu steuern, und dies ermöglicht die genaue Steuerung
des Einspritz-Zeitpunktes.
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Die Erfindung ist insbesondere geeignet
für die
Verwendung in einer Pumpen/Einspritzventil-Anordnung, in der der
Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung relativ zum Zeitpunkt des Schließens eines
Ablassventils den Einspritzdruck steuert. Es ist deutlich, dass
in einer solchen Anordnung die Erfindung eine verbesserte Steuerung
des Einspritzdrucks ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine
Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer
Ausgestaltung ist und
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2 eine
Teilansicht des Einspritzventils der 1 in
vergrößertem Maßstab ist.
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Das in den beigefügten Zeichnungen dargestellte
Einspritzventil umfasst einen Düsenkörper 10, der
mit einer geschlossenen Bohrung 12 versehen ist. Innerhalb
der Bohrung ist eine Ventilnadel 14 hin und her bewegbar,
und diese kann in Anlage mit einem Sitz gebracht werden, der sich
benachbart zum geschlossenen Ende der Bohrung befindet, um die Verbindung
zwischen der Bohrung 12 und einer oder mehreren Auslassöffnungen
zu steuern, die stromabwärts
vom Sitz mit der Bohrung 12 in Verbindung stehen. Die Bohrung 12 besitzt
eine Gestalt mit einem oberen Bereich, dessen Durchmesser im wesentlichen
gleich dem Durchmesser des benachbarten Teils der Nadel 14 ist,
und dieser Teil führt
die Nadel 14, so dass sie eine Gleitbewegung in der Bohrung 12 ausführen kann.
Dieser Teil der Bohrung 12 ist so gestaltet, dass er eine
ringförmige
Galerie 16 aufweist, die mit einer Versorgungsleitung 18 in
Verbindung steht. Die Bohrung 12 umfasst weiterhin einen unteren
Bereich mit vergrößertem Durchmesser,
der einen Teil der Ventilnadel 14 mit verringertem Durchmesser
umschließt
und zusammen mit dem benachbarten Teil der Nadel 14 eine
Kammer begrenzt, aus der während
des Betriebs Kraftstoff am Sitz vorbei zu den Auslassöffnungen
geführt
wird. Die Ventilnadel 14 ist so ausgestaltet, dass sie
eine Mehrzahl von Rillen oder Rinnen besitzt, die Durchflusswege
zwischen der ringförmigen
Galerie 16 und der zwischen dem unteren Teil der Bohrung 12 und
dem benachbarten Teil der Nadel 14 befindlichen Kammer
bilden. An der Schnittstelle zwischen dem oberen Teil der Nadel 14 mit
relativ großem
Durchmesser und ihrem Teil mit verringertem Durchmesser befindet
sich eine Druckfläche,
die dem Kraftstoffdruck innerhalb der Kammer ausgesetzt ist.
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Die obere Außenfläche des Düsenkörpers 10 liegt an
einem Abstandsstück 20 an,
das mit einer durchgehenden Bohrung versehen ist, in die sich ein Endteil
der Nadel 14 erstreckt. Ein Lastübertragungselement 22 liegt
am oberen Teil der Nadel 14 an und befindet sich in einem
Teil der Bohrung des Abstandsstücks 20,
der einen vergrößerten Durchmesser
besitzt. Im Abstandsstück 20 sind
Drillbohrungen 24 vorgesehen, die mit der Versorgungsleitung 18 in Verbindung
stehen.
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Die obere Endfläche des Abstandsstücks 20 liegt
an der unteren Endfläche
eines zweiten Abstandsstücks 26 an,
das mit Drillbohrungen 28 versehen ist, die mit den Drillbohrungen 24 des
ersten Abstandsstücks 20 in
Verbindung stehen. Das zweite Abstandsstück 26 ist außerdem mit
einer durchgehenden Bohrung versehen, die einen Bereich mit relativ
großem
Durchmesser umfasst, der eine Federkammer 30 umschließt. Ein
Steuerungselement 32 erstreckt sich in die Federkammer,
wobei das untere Ende des Steuerungselements 32 einen sich
nach außen
erstreckenden Flansch 34 umfasst, dessen obere Außenfläche eine
Beilagsscheibe 36 trägt,
wobei eine spiralförmige
Druckfeder zwischen einer an einem Ende der Federkammer 30 befindlichen
Stufe und der oberen Außenfläche der
Beilagsscheibe 36 eingespannt ist. Die Feder 38 spannt
das Element 32 in der gezeigten Ausrichtung nach unten,
wobei sie die untere Endfläche
des Elements 32 in Anlage mit den Lastübertragungselement 22 spannt,
wodurch die Ventilnadel 14 in Anlage mit ihrem Sitz gespannt wird.
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Das obere Ende des Steuerungselements 32 definiert
eine Stufe, an der eine Beilagscheibe 40 anliegt, wobei
die Beilagscheibe die Funktion ausübt, einen Anker 42 an
seinem Ort zu halten, wobei der Anker 42 und die Beilagscheibe 40 mit
Hilfe eines Elements 44 mit Schraubgewinde am Element 32 befestigt
sind. Der Anker 42 bewegt sicht unter dem Einfluss eines
magnetischen Feldes, das im Betrieb mit Hilfe einer ersten Wicklung 46 erzeugt
wird, die einen Teil einer Betätigungseinrichtung 48 darstellt, welche
sich in einem für
diese Einrichtung vorgesehenen Gehäuse 50 befindet. Ein
Kanal 52 erstreckt sich durch das Gehäuse 50 für das Betätigungselement,
wobei der Kanal 52 mit den Drillbohrungen in Verbindung
steht.
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Die obere Außenfläche des Gehäuses 50 für die Betätigungseinrichtung
grenzt an ein Ventilgehäuse 54,
das eine Drillbohrung 56 umfasst, die mit dem Kanal 52 in
Verbindung steht. Das Ventilgehäuse
birgt eine durchgehende Bohrung 58, innerhalb der ein Ventilelement 60 verschiebbar
angeordnet ist, wobei das Ventilelement 60 einen Bereich
umfasst, der eine solche Form besitzt, dass er an einem von einem
Teil der durchgehenden Bohrung 58 gebildeten Sitz anliegen
kann. Die durchgehende Bohrung 58 und das Ventilelement 60 bilden
zusammen eine ringförmige
Kammer 62, die sich stromaufwärts vom Sitz befindet und durch
eine Drillbohrung 64 und eine in der oberen Außenfläche des
Ventilgehäuses 54 ausgebildete
Vertiefung 66 mit der Drillbohrung 56 in Verbindung
steht. Das untere Ende des Ventilelements 60 ist mit Hilfe
eines mit einem Schraubgewinde versehenen Elements 70 am
Anker 68 befestigt, wobei das Element 70 mit einem
mit einem Schraubgewinde versehenen Teil des Ventilelements 60 in Eingriff
liegt. Der Anker 68 lässt
sich unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes bewegen, das im Betrieb
durch eine zweite Wicklung 72, die einen Teil des Betätigungselements 48 bildet,
erzeugt wird.
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Eine Beilagscheibe 74 befindet
sich unterhalb des mit einem Schraubgewinde versehenen Elements 70,
wobei eine spiralförmige
Druckfeder 76 zwischen der Beilagscheibe 74 und
der oberen Außenfläche des
mit einem Schraubgewinde versehenen Elements 44 eingespannt
ist.
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Die obere Außenfläche des Ventilgehäuses 54 grenzt
an das untere Ende eines Pumpengehäuses 78, das eine
Bohrung umschließt,
innerhalb der ein Pumpenkolben 82 unter dem Einfluss einer
Nocken- und (Ventil-)Stößel-Anordnung
gegen die Wirkung einer Rückstellfeder 84 hin-
und herbewegt werden kann.
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Es sollte klar sein, dass die Beilagscheiben 36, 40, 74 in
Abhängigkeit
vom vorgesehenen Einsatz des Einspritzventils ausgewählt werden,
wobei die Beilagscheiben die Vorspannung der Federn 38, 76 und
den Bewegungsspielraum des Steuerungselements 32 festlegen.
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Im Betrieb wird das Ventilelement 60 durch die
Feder 76 weg von seinem Sitz gespannt, während der
Kolben 82 unter der Einwirkung der Feder 84 aus
der Kolbenbohrung 80 herausgezogen ist und während die
erste und die zweite Wicklung 46, 72 des Betätigungselements 48 ohne
Strom sind, und dies ermöglicht
die Verbindung zwischen einer Quelle von unter niedrigem Druck stehendem
Kraftstoff, die mit einer flussabwärts des Sitzes und der Kolbenbohrung 80 gelegenen
Kammer 86 in Verbindung steht. Dies bewirkt, dass Kraftstoff
zur Kolbenbohrung 80 fließt, wobei dieser Kraftstoff
Fluss solange stattfindet, bis der Kolben 82 seine äußerste Stellung erreicht
hat. Es sollte klar sein, dass in diesem Stadium des Einspritzventil-Betriebs
der auf die Ventilnadel 14 und insbesondere auf deren winklige,
dem Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrung 12 ausgesetzte
Druckflächen
einwirkende Kraftstoffdruck relativ niedrig ist. Die durch das Aufbringen
von unter Druck stehendem Kraftstoff auf die Ventilnadel 14 aufgebrachte
Kraft ist deshalb unzureichend, um die Ventilnadel 14 von
ihrem Sitz anzuheben, wobei die Feder 38 dazu beiträgt, dass
die Ventilnadel 14 in Anlage mit ihrem Sitz verbleibt.
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Wenn die nach innen gerichtete Bewegung des
Kolbens 82 beginnt, während
das Betätigungselement 48 immer
noch nicht mit Energie beaufschlagt wird, wird Kraftstoff aus der
Kolbenbohrung 80 am Ventilelement 60 und dem Sitz
vorbei zum Niederdruckbehälter
verdrängt.
Wenn festgelegt wird, dass die Beaufschlagung von Kraftstoff mit
Druck beginnen sollte, wird die zweite Wicklung 72 mit
Energie versorgt, was dazu führt,
dass sich der Anker 68 in Richtung der Wicklung 72 bewegt
und das Ventilelement 60 in Anlage mit dem Sitz bringt.
Diese Bewegung unterbricht die Verbindung zwischen der Kolbenbohrung 80 und
dem Niederdruck-Kraftstofbehälter,
und da kein weiterer Kraftstoff aus der Kolbenbohrung 80 herausfließen kann,
setzt die fortgesetzte Bewegung des Kolbens 82 nach innen
den Kraftstoff in der Kolbenbohrung 80 und den damit in
Verbindung stehenden Kanälen
bzw. Leitungen unter Druck. In diesem Stadium des Betriebs des Einspritzventils
ist, obwohl der auf die Nadel 14 aufgebrachte Kraftstoffdruck
steigt, dieser Kraftstoffdruck immer noch nicht ausreichend, um
eine Bewegung der Ventilnadel gegen die Wirkung der Feder 38 weg
von ihrem Sitz zu bewirken.
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Wenn die Einspritzung beginnen soll,
wird die erste Wicklung 46 mit Energie beaufschlagt, wodurch
der Anker 42 in Richtung der Wicklung 46 angezogen
wird. Diese Anziehungskraft wird durch das Steuerungselement 32 auf
die Feder 38 übertragen, und
es sollte klar sein, dass dies dazu führt, dass die von der Feder 38 auf
die Nadel 14 aufgebrachte Vorspannkraft verringert wird.
Die Verringerung der auf die Nadel 14 aufgebrachten Vorspannkraft
ist ausreichend, damit sich die Ventilnadel 14 unter der
Einwirkung des Kraftstoffdrucks innerhalb der Bohrung 12 von
ihrem Sitz hebt. Diese Bewegung der Nadel 14 ermöglicht es,
dass Kraftstoff am Sitz vorbei zu den Auslassöffnungen fließt, und
damit beginnt die Einspritzung.
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Um die Einspritzung zu beenden, wird
die Beaufschlagung der zweiten Wicklung 72 mit Energie beendet,
und dies führt
dazu, dass sich das Ventilelement 60 unter Einwirkung der
Feder 76 weg von seinem Sitz hebt. Die Bewegung des Ventilelements 60 macht
es möglich,
dass Kraftstoff zum Niederdruck-Kraftstoffbehälter verdrängt werden kann, und dies ermöglicht einen
schnellen Abfall des Kraftstoffdrucks innerhalb der Kolbenbohrung 80 und
anderen mit dem Einspritzventil verbundenen Kanälen und Leitungen. Der auf
die Nadel 14 einwirkende Kraftstoffdruck sinkt deshalb,
und infolge des verringerten auf die Nadel 14 wirkenden
Drucks kehrt diese unter der Einwirkung der Feder 38 in
Anlage mit ihrem Sitz zurück,
wodurch die Einspritzung beendet wird. Auf Wunsch kann auch die
erste Wicklung 46 von der Stromzufuhr getrennt werden,
wenn die Beaufschlagung der zweiten Wicklung 42 mit Energie
endet, was die Größe der durch
die Feder 38 auf die Ventilnadel 14 aufgebrachten
Vorspannkraft zum Zeitpunkt der Beendigung der Einspritzung erhöht.
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Nach Beendigung der Einspritzung
verdrängt
die fortgesetzte Bewegung des Kolbens nach innen weiterhin Kraftstoff
zum Niederdruckbehälter.
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Indem sichergestellt wird, dass die
Anziehungskraft zwischen der ersten Wicklung 46 und dem Anker 42 so
schnell wie möglich
steigt, kann der Zeitpunkt, an dem die Einspritzung beginnt, relativ
genau gesteuert werden, was sogar geringfügige Ungenauigkeiten der wirksamen
Fläche
der Ventilnadel 14, die innerhalb der Bohrung 12 unter
Wegdrücken
der Nadel 14 von ihrem Sitz dem Kraftstoffdruck ausgesetzt ist,
gestattet. Da der Zeitpunkt des Beginns der Einspritzung relativ
genau gesteuert werden kann, kann auch der Einspritzdruck unter
Verwendung der hier voranstehend beschriebenen Vorrichtung genau
gesteuert werden.
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In einem alternativen Betriebsmodus
kann die erste Wicklung 46 kontinuierlich mit Energie beaufschlagt
werden, anstatt dass diese erste Wicklung 46 jeweils getrennt
für jede
Einspritzung mit Energie beaufschlagt wird, um sicherzustellen,
dass die Einspritzung beginnt, sobald ein vorgegebener Druck erreicht
ist, wobei der vorgegebene Druck von der Federkraft der Feder 38,
der Stärke
der Anziehungskraft zwischen dem Betätigungselement 48 und
dem Anker 42 und der wirksamen Fläche der Ventilnadel 14 abhängt, die
innerhalb der Bohrung 12 dem Kraftstoffdruck ausgesetzt
ist. In diesem Betriebsmodus kann die Größe der Anziehungskraft zwischen
dem Betätigungselement 48 und
dem Anker 42 im Betriebsverlauf verändert werden, um den Druck,
bei dem die Einspritzung beginnt, zu verändern.
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Auch wenn in den voranstehend beschriebenen
Ausgestaltungen die Erfindung in eine Pumpen-Einspritzventil-Anordnung
eingebaut ist, sollte klar sein, dass die Erfindung auch auf andere
Arten von Kraftstof-Einspritzventilen anwendbar ist, in denen der
Beginn der Einspritzung elektronisch gesteuert wird, wobei die Erfindung
sowohl auf Anordnungen anwendbar ist, in denen der Zeitpunkt des
Beginns der Einspritzung gesteuert wird, als auch auf Anordnungen,
in denen die Einspritzung dann beginnen muß, wenn ein vorgegebener Druck
erreicht ist.