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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Die
EP 1 612 403 A1 beschreibt
einen Common-Rail-Injektor mit einem in axialer Richtung druckausgeglichenen
Steuerventil zum Sperren und Öffnen
eines Kraftstoff-Ablaufweges aus einer Steuerkammer. Mittels des
Steuerventils kann der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer
beeinflusst werden, wobei die Steuerkammer über einen Druckkanal (Drosselbohrung)
mit Kraftstoff aus einer mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher verbundenen
Ringkammer versorgt wird. Durch Variation des Kraftstoffdruckes
innerhalb der Steuerkammer wird eine Düsennadel zwischen einer Öffnungsstellung
einer Schließstellung
verstellt, wobei die Düsennadel
in ihrer Öffnungsstellung
den Kraftstofffluss in den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigibt.
Der axiale Weg der Ventilhülse
ist einerseits durch eine ortsfeste Ventilsitzfläche und andererseits durch
eine Hubanschlagsfläche
begrenzt. Bei dem bekannten Injektor wird die Hubanschlagsfläche von
einer ebenen Ringfläche
eines Sicherungsrings gebildet, der in einer Umfangsnut eines die
Ventilhülse
durchsetzenden Stiftes aufgenommen ist. Das Schaltverhalten des
Steuerventils wird dabei von Anschlagprellern der Ventilhülse an der
ebenen Hubanschlagsfläche beeinträchtigt.
Zur Dämpfung
der Anschlaggreller ist es bekannt, die Ankerflächen eines die Ventilhülse betätigenden
Elektromagnetantriebes möglichst großflächig auszubilden.
Hierbei treten jedoch große Toleranzprobleme
auf, die durch die nicht vernachlässigbaren Einflüsse der
Kraftstofftemperatur, des Luftgehaltes und des Rücklaufdrucks verursacht sind.
Weiterhin verursachen großflächig ausgebildete
Ankerflächen
eine Verzögerung
der Schließbewegung,
was sich negativ auf die Schaltzeiten und damit auf die Mehrfacheinspritzfähigkeit
des Injektors auswirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Injektor vorzuschlagen,
bei dem Anschlaggreller der Ventilhülse an der Hubanschlagsfläche auf
einfache Weise, mit minimierten negativen Auswirkungen auf die Schaltzeit
gedämpft
werden.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die
Unteransprüche
geben günstige
Weiterbildungen der Erfindung an. Zudem fallen in den Rahmen der
Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung,
der Zeichnung und/oder den Ansprüchen
offenbarten Merkmale.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, anstelle einer ebenen Hubanschlagsfläche eine
konisch ausgeformte Hubanschlagsfläche vorzusehen, die mit einem
entsprechenden Gegenkonus der Ventilhülse oder eines mit der Ventilhülse fest
verbundenen Bauteils zusammenwirkt. Durch das Vorsehen eines kegelförmigen Hubanschlags
wird eine gute Anschlags dämpfung
erreicht und Anschlaggreller wirksam verhindert. Dabei wird mit
Vorteil nur eine kleine radiale Hubanschlagsfläche benötigt, um eine große hydraulische
sowie mechanische Anschlagsdämpfung
zu realisieren. Hierdurch können
negative Auswirkungen der Anschlagsdämpfung auf die Schließ- und/oder Öffnungszeit
des Steuerventils erheblich reduziert werden. Bei dem Steuerventil
handelt es sich bevorzugt um ein in axialer Richtung druckausgeglichenes
Ventil. Bei einem in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventil
wirken auf den Ventilkolben bei geschlossenem Steuerventil keine
oder nur minimale Druckkräfte
in axialer Richtung. Eine Realisierung eines derartigen axialdruckausgeglichenen
Steuerventils kann auf einfache Weise dadurch realisiert werden,
dass eine Ventilhülse mit
einer Hülsenbohrung
eingesetzt wird, wobei die Hülsenbohrung
den gleichen Durchmesser hat, wie der Ventilsitz. Die Ventilhülse liegt
bevorzugt mit ihrem Innendurchmesser dichtend an der Ventilsitzfläche an.
Durch das Vorsehen eines axial-druckausgeglichenen Steuerventils
werden nur geringe Federkräfte
und/oder geringe Aktuator-Schaltkräfte, insbesondere geringe Magnetkräfte zur
Betätigung und/oder
zum Halten des Steuerventils in seiner Schließstellung benötigt. Dies
hat wiederum vorteilhafte Auswirkungen auf. das Anschlagverhalten
des Ventilkolbens, insbesondere einer Ventilhülse, sowie auf den maximal
benötigten
Bauraum. Weiterhin können
kleinere Ventilkolbenhübe
und somit schnellere Schaltzeiten realisiert werden, wodurch die
Mehrfacheinspritzfähigkeit
verbessert wird.
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Zur
Aufnahme der in axialer Richtung wirkenden Druckkräfte ist
mit Vorteil ein Bolzen vorgesehen, der in axialer Richtung innerhalb
der Ventilhülse
aufgenommen ist. Dieser Bolzen gibt die Druckkräfte an einen Injektorkörper weiter.
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Hierzu
kann der Bolzen entweder fest mit dem Injektorkörper verbunden oder einstückig mit diesem
ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass der Bolzen keine feste
Verbindung zu dem Injektorkörper
aufweist, sondern sich lediglich an diesem abstützt. Dabei wird der Bolzen
beispielsweise von dem auf ihn wirkenden Kraftstoffdruck an den
Injektorkörper
angedrückt.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die kegelförmige Hubanschlagsfläche an dem
Bolzen angeformt ist. Hierdurch wird die Konzentrizität der Hubanschlagsfläche zur
Verstellachse der Ventilhülse
wesentlich erhöht.
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Etwaige
Winkelfehler zwischen Ventilhülse und
Hubanschlagsfläche
können
gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch reduziert werden,
dass die Ventilhülse,
vorzugsweise hochdruckdicht, mit ihrer inneren Mantelfläche an der äußeren Mantelfläche des
Bolzens geführt
ist.
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Eine
zusätzliche
Dämpfung
des Anschlags der Ventilhülse
an der Hubanschlagsfläche
kann gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht werden,
dass innerhalb der Ventilhülse
ein Dämpfungsraum
vorgesehen ist, der einerseits von der Ventilhülse und andererseits, von der Stirnfläche des
Bolzens begrenzt ist. Zur Erzielung der Dämpfungseigenschaft ist der
Dämpfungsraum mit
Vorteil über
mindestens eine Drossel mit einer Ventilsitzkammer hydraulisch verbunden,
wobei die Ventilsitzkammer wiederum hydraulisch mit der Steuerkammer
verbunden ist. Über
die Ventilsitzkammer kann Kraftstoff aus der Steuerkammer bei geöffnetem
Steuerventil in einem Bereich mit niedrigem Kraftstoffdruck abfließen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
Aktuator als Elektromagnetantrieb ausgebildet ist, wobei mindestens
eine Ankerplatte vorgesehen ist, die fest mit dem Ventilkolben, insbesondere
der Ventilhülse,
verbunden oder einstückig
mit diesem ausgebildet ist, um den Ventilkolben bei Bestromung des
Elektromagnetantriebes in axialer Richtung zu verstellen. Selbstverständlich ist es
denkbar, anstelle eines Elektromagnetantriebs beispielsweise einen
Piezoaktuator vorzusehen.
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Bevorzugt
weist der Ventilkolben, insbesondere an seinem oberen, der Ventilsitzfläche abgewandten
Bereich einen Innenkonus auf, der mit einem Außenkonus (Hubanschlagsfläche) zusammenwirkt.
Dabei sind Innenkonus und Außenkonus
formkongruent zueinander ausgebildet. Alternativ dazu ist es denkbar,
dass der Ventilkolben einen Außenkonus aufweist
und mit einer formkongruenten innenkonusförmigen Hubanschlagsfläche, beispielsweise
am Injektorkörper
oder an einem mit diesem verbundenen Bauteil, insbesondere einem
Bolzen, zusammenwirkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in der einzigen 1 einen
stark schematisierten Injektor mit einem Steuerventil, dessen Ventilhülse mit
einem Innenkonus versehen ist, der mit einer kegelförmigen Hubanschlagsfläche zusammenwirkt.
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Ausführungsform der Erfindung
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In
der einzigen 1 ist ein Injektor 1 dargestellt.
Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 2, einen Düsenkörper 3 und
eine zwischen Düsenkörper 3 und
Injektorkörper 2 aufgenommene
Drosselplatte 4 auf. Eine Düsenspannmutter 5 ist
mit dem Injektorkörper 2 verschraubt
und verspannt so den Düsenkörper 3 und
die Drosselplatte 4 gegen den Injektorkörper 2.
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Die
Düsenspannmutter 5 umgibt
koaxial die Drosselplatte 4 sowie bereichsweise den Injektorkörper 2 und
den Düsenkörper 3.
Der Düsenkörper 3 durchsetzt
in axialer Richtung eine Durchgangsöffnung 6 der Düsenspannmutter 5.
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Innerhalb
des Düsenkörpers 3 ist
eine Führungsbohrung 7 ausgebildet,
in der eine längliche,
in diesem Ausführungsbeispiel
einstückige
Düsennadel 8 axial
beweglich geführt
ist. Anstelle einer einstückigen
Düsennadel 8 kann
auch eine mehrteilige Düsennadel
verwendet werden, wobei die einzelnen Teile miteinander wirkverbunden
sind. An einer Nadelspitze 9 weist die Düsennadel 8 eine
Schließfläche 10 auf,
mit welcher sie in dichte Anlage an einen innerhalb des Düsenkörpers 3 ausgebildeten
Nadelsitz 11 bringbar ist.
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Wenn
die Düsennadel 8 am
Nadelsitz 11 anliegt, d.h. sich in einer Schließstellung
befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer Düsenlochanordnung 12 gesperrt.
Ist sie dagegen vom Nadelsitz 11 angehoben, kann Kraftstoff
aus einem zwischen der Düsennadel 8 und
dem Umfangsmantel der Führungsbohrung 7 ausgebildeten
Hochdruckraum 13 und einen in Fließrichtung darunter angeordneten
Ringraum 14 an den Na delsitz 11 zur Düsenlochanordnung 12 strömen und
dort im Wesentlichen unter dem Hochdruck (Rail-Druck) stehend in
einen Brennraum gespritzt werden. Der Hochdruckraum 13 ist über eine
Versorgungsleitung 15 hydraulisch mit einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 16 verbunden, welcher
beispielsweise über
eine nicht dargestellte Radialkolbenpumpe mit Kraftstoff versorgt
wird.
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Die
Düsennadel 8 ist
durch eine Vorspannfeder 17 in Richtung auf ihre Schließstellung
vorgespannt. Hierzu stützt
sich die Vorspannfeder 17 einends an einem am Außenumfang
der Düsennadel 8 gehaltenen
Sicherungsring 18 und anderenends an einem hülsenförmigen Bauteil 19 ab,
welches sich wiederum an der Drosselplatte 4 abstützt. Das
Bauteil 19 und die Drosselplatte 4 können auch
einstückig
ausgebildet sein.
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Innerhalb
des Bauteils 19 ist eine Steuerkammer 20 angeordnet,
die über
einen Druckkanal 21 mit Zulaufdrossel 22 mit unter
Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt wird. Der Druckkanal 21 verbindet
die Steuerkammer 20 mit einem Ringraum 23 innerhalb
des Düsenkörpers 3,
wobei der Ringraum 23 über
eine Versorgungsleitung 24 mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 16 verbunden
ist.
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Die
Düsennadel 8 ragt über eine
Bohrung 25 in dem Bauteil 19 mit ihrer oberen
Stirnseite 26 in die Steuerkammer 20 hinein, so
dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 20 auf
die Düsennadel 8 in
axialer Richtung wirkt.
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Die
Steuerkammer 20 ist über
eine mit einer Ablaufdrossel 27 ausgestatteten Ablaufbohrung 28, die
sowohl das Bauteil 19 als auch die Drosselplatte 4 durchsetzt,
mit einem Kraftstoffabflussweg 29 verbunden.
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Mittels
eines elektromagnetischen Aktuators 30 kann ein in axialer
Richtung druckausgeglichenes Steuerventil 31 den Kraftstofffluss
zu der Abflussleitung 29 sperren.
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Durch
die Vorspannfeder 17 und die Einwirkung des in der Steuerkammer 20 herrschenden Drucks
auf die Stirnfläche 26 wird
eine axial zum Brennraum hin gerichtete Schließkraft auf die Düsennadel 8 ausgeübt. Diese
Schließkraft
wirkt axial einer Öffnungskraft
entgegen, die infolge der Einwirkung des in dem Hochdruckraum 13 herrschenden
Drucks auf einer an der Düsennadel 8 ausgebildeten
Konusfläche 32 auf
die Düsennadel 8 ausgeübt wird.
Befindet sich das Steuerventil 31 in einer geschlossenen Stellung
und ist der Kraftstoffabfluss durch die Ablaufbohrung 28 gesperrt,
ist im stationären
Zustand die Schließkraft
größer als
die Öffnungskraft,
weshalb die Düsennadel 8 dann
ihre Schließstellung
einnimmt. Wird das Steuerventil 31 daraufhin geöffnet, fließt Kraftstoff
aus der Steuerkammer 15 in einen Niederdruckraum 33 und
von dort aus durch den Abflussweg 29 ab. Der Kraftstoffdruck
im Niederdruckraum 33 beträgt je nach Betriebszustand
etwa zwischen 0 und 10 bar. Der Kraftstoffdruck im Ringraum 23 und
im Hochdruckraum 13 beträgt dagegen etwa 1800 bis 2000
bar.
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Die
Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 22 und der Ablaufdrossel 27 sind
dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Zufluss durch den Druckkanal 21 schwächer als
der Abfluss durch die Ablaufbohrung 28 ist und demnach
bei geöffnetem Steuerventil 31 ein
Nettoabfluss von Kraftstoff resultiert. Der daraus folgende Druckabfall
in der Steuerkam mer 15 bewirkt, dass der Betrag der Schließkraft unter
den Betrag der Öffnungskraft
sinkt und die Düsennadel 8 vom
Nadelsitz 11 abhebt.
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Der
Niederdruckraum 33 wird radial außen von einem Ankerhubeinstellring 34 begrenzt, über den
sich der Aktuator 30 an der Drosselplatte 4 abstützt.
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Das
Steuerventil 31 umfasst eine in axialer Richtung verschiebbare
Ventilhülse 36 (Ventilkolben),
die fest mit einer Ankerplatte 37 verbunden oder einstückig mit
dieser ausgebildet ist. Die Ankerplatte 37 wirkt mit einem
Elektromagneten 38 des elektromagnetischen Aktuators 30 zusammen
und ist radial innerhalb des Ankerhubeinstellrings 34 aufgenommen.
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Die
Ventilhülse 31 stützt sich über eine Schraubenfeder 39 an
dem Injektorkörper 2 ab
und wird von der Schraubenfeder 39 in Richtung ihrer Schließstellung,
d.h. in Richtung auf eine Ventilsitzfläche 40 federkraftbeaufschlagt.
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Die
Schraubenfeder 39 ist in einer Durchgangsöffnung 41 innerhalb
des Aktuators 30 aufgenommen. Radial innerhalb der Schraubenfeder 39 ist ein
Bolzen 42 angeordnet, der sich mit seiner in der Zeichnungsebene
oberen Stirnfläche 43 am
Injektorkörper 2 abstützt. Mit
einem unteren Teilabschnitt 44 ist der Bolzen 42 innerhalb
der Ventilhülse 36 aufgenommen,
wobei die Ventilhälse 36 hochdruckdicht
in axialer Richtung an dem unteren Teilabschnitt 44 geführt ist.
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Der
untere Teilabschnitt 44 geht in seinem in der Zeichnungsebene
oberen Ende über
einen konisch ausgeformten Absatz 45 in einen oberen Teilabschnitt 46 mit
einem größeren Durchmesser über. Anders
ausgedrückt
sind die beiden zylinderförmigen Teilabschnitte 44, 46 über den
konischen sich in Richtung Nadelspitze 9 verjüngenden
Absatz 45, vorzugsweise einstückig, miteinander verbunden.
Die Außenfläche des
konusförmigen
Absatzes 45 bildet eine Hubanschlagsfläche 47 zur Anlage
eines Innenkonus 48, der am in der Zeichnungsebene oberen Abschnitt
der Ventilhülse 36 vorgesehen
ist. Der Innenkonus 48 ist durch Anfasen der Hülsenbohrung 49 hergestellt.
Innenkonus 48 und Absatz 45 (Außenkonus)
sind formkongruent zueinander ausgebildet und liegen in Öffnungsstellung
des Steuerventils 31, also bei von der Ventilsitzfläche 40 abgehobener Ventilhülse 36 aneinander
an und dämpfen
somit Auflaufpreller zwischen Ventilhülse 36 und Bolzen 42.
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Die
in der Zeichnungsebene untere Stirnfläche 50 des Bolzens 42 begrenzt
einen Dämpfungsraum 51 innerhalb
der Ventilhülse 36.
Der Dämpfungsraum 51 ist über eine
Drosselbohrung 52 innerhalb des Drosselraumbodens 53 mit
einer Ventilsitzkammer 54 verbunden. Bei einer Bewegung
der Ventilhülse 36 von
der Ventilsitzfläche 40 in
Richtung der Hubanschlagsfläche 47 wird
Kraftstoff durch die Drosselbohrung 52 in der Ventilsitzkammer 54 verdrängt und
strömt
von dort aus in den Niederdruckraum 33 und von da aus über die
Durchgangsöffnung 41 zu
dem Abflussweg 29. Dadurch, dass der Kraftstoff durch die
Drosselbohrung 52 strömen
muss, wird die Schließbewegung
und damit der Aufprall des Innenkonus 48 an der Hubanschlagsfläche 47 gedämpft.
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Bei
dem Steuerventil 31 handelt es sich, wie erwähnt, um
ein in axialer Richtung druckausgeglichenes Ventil. Hierzu liegt
die Ventilhülse 36 mit
ihrer Innenkontur 35 an der kreisringförmigen Ventilsitzfläche 40 an.
Der Durchmesser des unteren Teilabschnitts 44 des Bolzens 42 entspricht
dabei dem Innendurchmesser der Ventilsitzkammer 54 sowie
dem Innendurchmesser des Dämpfungsraumes 51.
Zur Optimierung der Ventilauslegung kann der untere Teilabschnitt 44 des
Bolzens 42 auch einen geringfügig geringeren Durchmesser
aufweisen als die Ventilsitzfläche 40.