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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Common-Rail-Injektor gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
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Ein
aus der
DE 102 07
227 A1 bekannter Common-Rail-Injektor umfasst ein mittels
eines elektromagnetischen Aktuators betriebenes Steuerventil zum
Sperren und Öffnen eines Kraftstoff-Ablaufweges aus einer
Steuerkammer, die über eine Zulaufdrossel mit Kraftstoff
aus einem Kraftstoffhochdruckspeicher versorgt wird. Mittels des
Steuerventils kann der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer
beeinflusst werden. Durch Variation des Kraftstoffdruckes innerhalb
der Steuerkammer wird ein Ventilelement (Düsennadel) axial
zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung
verstellt, wobei die Düsennadel in ihrer Öffnungsstellung
den Kraftstofffluss in den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigibt.
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Aus
der
DE 197 44 723
A1 ist ein ähnliches Injektor-Prinzip bekannt,
bei dem das Steuerventil über einen separaten Zulaufkanal
innerhalb des Injektors mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
versorgt wird.
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Nachteilig
bei den bekannten Injektoren, bei denen das elektromagnetisch betriebene
Steuerventil mit einem nicht druckausgeglichenen Kugeldichtsitz versehen
ist, ist, dass der maximal mittels des Steuerventils schaltbare
Steuerdruck (bei vertretbarem Bauraum sowie bei verwertbarem Strombedarf) begrenzt
ist.
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Daher
wurden die beispielsweise in der
EP 1 612 403 A1 beschriebenen Injektoren
mit einem sog. druckausgeglichenen Steuerventil mit einer Ventilhülse
entwickelt. Nachteilig bei derartigen Injektoren ist jedoch, dass
bei druckausgeglichenen Steuerventilen bauartbedingt eine permanente
Leckage aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich des Injektors
auftritt. Durch die permanente Leckage wird der Gesamtwirkungsgrad
des Einspritzsystems reduziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor vorzuschlagen,
mittels dessen Einspritzdrücke jenseits von 2000 bar, vorzugsweise
Einspritzdrücke um 3000 bar oder darüber, realisiert werden
können.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche
Kombinationen von zumindest zwei der in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zusätzlich zu dem,
vorzugsweise mittels eines elektromagnetischen Aktuators betriebenen
Steuerventils ein Servoventil vorzusehen, wobei mittels des aktuatorbetriebenen
Steuerventils der Druck innerhalb einer dem Servoventil zugeordneten
Steuerkammer variierbar ist, wodurch wiederum das Servoventil schaltbar
ist. Das Servoventil selbst wiederum steuert dabei den Druck in
einem dem eigentlichen Einspritzventil zugeordneten zweiten Steuerraum,
derart, dass eine einteilig oder mehrteilig aufgebaute Düsennadel
zwischen einer Schließposition und einer den Kraftstofffluss
durch eine Düsenlochanordnung hindurch in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine freigebenden Öffnungsstellung
verstellbar ist. Erfindungswesentlich ist es, dass der erste Steuerraum
des Steuerventils, insbesondere über eine Zulaufdrossel,
mit aus einem ersten Hochdruckanschluss des Injektors zuströmenden
Steuerfluid versorgt wird, während zur Versorgung des zweiten Steuerraumes
des Servoventils ein zusätzlicher zweiter Hochdruckanschluss
vorgesehen ist. Der durch den zweiten Hochdruckanschluss zuströmende
Kraftstoff wird insbesondere über eine Zulaufdrossel dem
zweiten Steuerraum des Servoventils zugeführt. Über
den zweiten Hochdruckanschluss wird der Injektor vorzugsweise auch
mit dem durch die Düsenlochanordnung einzuspritzenden Kraftstoffvolumen
versorgt.
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Theoretisch
ist es denkbar, den Aktuator des erfindungsgemäßen
Injektors als piezoelektrischen Aktuator auszubilden. Von Vorteil
ist es jedoch, wenn der Aktuator aufgrund seines größeren
Stellweges als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet ist. Das Steuerventil
ist dabei bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil, insbesondere mit einem
Kugel-/Kegelsitz ausgebildet, mittels dem das Steuerfluiddruckniveau
am Ser voventil (in der ersten Steuerkammer) gesteuert wird. Da das
Servoventil über die Druckdifferenz zwischen den beiden
Steuerkammern mit einem individuell angepassten Kraftüberschuss
ausgelegt wird, kann das Einspritzventil mit dem für die
Einspritzung in den Brennraum optimalen Druckniveau beaufschlagt werden.
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Zum Öffnen
des Einspritzventils (Abheben der einteilig oder mehrteilig ausgebildeten
Düsennadel von ihrem Nadelsitz) wird zunächst
mittels des, insbesondere elektromagnetischen Aktuators das Steuerventil
geöffnet, wodurch Steuerfluid. aus der ersten Steuerkammer
durch einen Kraftstoff-Ablaufweg in einen Niederdruckbereich des
Injektors abströmen kann. Der Zulauf zu der ersten Steuerkammer
und der Abfluss von Steuerfluid durch den Kraftstoff-Ablaufweg aus
der ersten Steuerkammer heraus sind dabei derart aufeinander abgestimmt,
dass bei geöffnetem Steuerventil ein Nettoabfluss aus der ersten
Steuerkammer resultiert. Hierdurch sinkt der Druck in der ersten
Steuerkammer, wodurch das mit der ersten Steuerkammer wirkverbundene
Servoventil öffnet, insbesondere dadurch, dass ein Servokolben
von seinem Dichtsitz abhebt und somit den Kraftstofffluss aus einer
dem eigentlichen Einspritzventil (Düsennadel) zugeordneten
zweiten Steuerkammer freigibt, wobei auch der Zulauf zur und der
Abfluss von Kraftstoff aus der zweiten Steuerkammer derart aufeinander
abgestimmt sind, dass bei geöffnetem Servoventil ein Nettoabfluss
von Kraftstoff aus der zweiten Steuerkammer resultiert. Bei Erreichen
eines ausreichend großen Druckgefälles hebt die
Düsennadel von ihrem Nadelsitz ab und gibt die Düsenlochanordnung
für unter Hochdruck, von insbesondere etwa 3000 bar, stehendem
Kraftstoff, der bevorzugt durch den zweiten Hochdruckanschluss zuströmt,
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine frei.
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Zum
Schließen des Einspritzventils wird das Steuerventil des
Aktuators geschlossen, wodurch der Druck in der ersten Steuerkammer
ansteigt, was dazu führt, dass das Servoventil schließt
und dadurch der Druck in der zweiten Steuerkammer ansteigt. Dies
wiederum führt dazu, dass die Düsennadel axial
in ihren Nadelsitz bewegt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist das Druckniveau des aus
dem ersten Hochdruckanschluss zuströmenden Steuerfluids
niedriger als das Druckniveau des aus dem zweiten Hochdruckanschluss
zuströmenden Kraftstoffs, welcher über die Düsenlochanordnung
dem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugeführt wird.
Hierdurch steuert der Aktuator lediglich das vergleichsweise geringe Druckniveau
des Steuerfluids, während das Servoventil den unter (maximalem)
Hochdruck (Einspritzdruck) stehenden, einzuspritzenden Kraftstoff
steuert. Hierdurch ist es insbesondere möglich, auch elektromagnetische
Aktuatoren, deren Stellweg mit Vorteil größer
ist als der von piezoelektrischen Aktuatoren, bei Einspritzdrücken
jenseits der 2000 bar-Grenze einzusetzen. Zur Realisierung unterschiedlicher
Druckniveaus können beispielsweise zwei separate Hochdruckspeicher
für das Steuerfluid und den einzuspritzenden Kraftstoff
vorgesehen werden, die mit unterschiedlich stark dimensionierten Hochdruckpumpen
mit Steuerfluid bzw. Kraftstoff versorgt werden. Für bestimmte
Betriebszustände von Verbrennungsmotoren kann es von Vorteil
sein, wenn das Druckniveau des ersten Hochdruckanschlusses und das
Druckniveau des zweiten Hochdruckanschlusses in etwa gleich sind.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
Aktuator-Steuerventil ein, insbesondere als 2/2-Wege-Ventil ausgebildetes
Magnet-Steuerventil, vorzugsweise mit einem Kugel-/Kegelventilsitz
oder einem Flach-/Flach-Ventilsitz ausgebildet ist. Diese Ventile
haben gegenüber druckausgeglichenen Ventilen den Vorteil,
dass (nahezu) keine Leckage in Schließposition auftritt.
Es ist jedoch auch denkbar, das Steuerventil als druckausgeglichenes
Ventil auszubilden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Servoventil
um ein Servokolbenventil mit einem Kugel-/Kegel-Ventilsitz oder
einem Flach-/Flach-Ventilsitz.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass jeder
der beiden Steuerkammern eine Zulaufdrossel und eine Ablaufdrossel
zugeordnet sind, wobei die jeweils zusammenwirkenden Drosseln derart
dimensioniert sind, dass bei geöffnetem Steuerventil bzw.
bei geöffnetem Servoventil ein Nettoabfluss aus der jeweiligen
Steuerkammer resultiert.
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Zur
Ausgestaltung der Rücklaufsituation der Steuermengen aus
den beiden Steuerkammern gibt es zwei unterschiedliche Alternativen.
Gemäß einer ersten Alternative ist der Injektor
mit zwei separaten Rücklaufanschlüssen für
die unterschiedlichen Steuermengen versehen. Ebenso ist es gemäß einer zweiten
Alternative denkbar, insbesondere dann, wenn das Steuerfluid Kraftstoff
ist, beide Steuermengen einem gemeinsamen Rücklaufanschluss
zuzuführen. Die separaten Rücklaufanschlüsse
können auf einem unterschiedlichen Druckniveau arbeitend ausgebildet
sein.
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Insbesondere
zur Realisierung eines gemeinsamen Rücklaufanschlusses
ist es von Vorteil, wenn der Kraftstoff-Ablaufweg aus der zweiten
Steuerkammer zunächst in eine Zwischenkammer mündet
und Kraftstoff von dort aus über mindestens eine Drossel
dem Niederdruckbereich des Injektors zuströmt. In denselben
Niederdruckbereich mündet mit Vorteil auch der Steuerfluid-Ablaufweg
aus der ersten Steuerkammer, so dass lediglich ein einziger Rücklaufanschluss
vorgesehen werden muss.
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Um
eine doppelte (axial beabstandete) Führung eines Servokolbens
des Servoventils zu vermeiden, ist es von Vorteil, das Servoventil
als sog. Flip-Flop-Ventil auszubilden, wobei das insbesondere kugelförmige
Ventilelement zwischen zwei, insbesondere gegenüberliegenden
Dichtsitzen verstellbar ist. In dem ersten Dichtsitz versperrt das
Ventilelement dabei den Kraftstoff-Ablaufweg aus der ersten Steuerkammer
in die Zwischenkammer (Ventilkammer), während das Ventilelement
in dem zweiten Dichtsitz einen, insbesondere drosselfreien Verbindungskanal
in Richtung des Niederdruckbereiches des Injektors sperrt, so dass
Kraftstoff lediglich über einen Drosselkanal aus der Zwischenkammer
in Richtung des Niederdruckbereiches abströmen kann.
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Es
ist denkbar, dass das Steuerfluid, welches mit dem aktuatorbetriebenen
Steuerventil geschaltet ist, beispielsweise Wasser, Öl
oder Luft ist.
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Von
Vorteil ist jedoch eine Ausführungsform, bei der das Steuerfluid
ebenfalls Kraftstoff, insbesondere auf einem niedrigen Druckniveau
als der über den zweiten Hochdruckanschluss zuströmenden Kraftstoff
ist. Diese Ausführungsform ermöglicht das Vorsehen
lediglich eines einzigen Rücklaufanschlusses.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
aus dem zweiten Steuerraum abströmende Kraftstoffmenge
nicht (zumindest nicht unmittelbar) in den Niederdruckbereich des
Injektors abgelassen wird, sondern lediglich auf das nächstliegende
Druckniveau des Kraftstoffes aus dem ersten Hochdruckanschluss entspannt
wird. Durch diese Anordnung wird eine permanente Leckage an der Führung
des Servokolbens aus dem unter Einspritzdruck stehendem Bereich
des Injektors in den Bereich mit reduziertem Hochdruck vermieden.
Ferner verbessert sich bei einer derartigen Ausführungsform der
Wirkungsgrad des Injektors im Hinblick auf den Verdichtungs- und
Steuerungsaufwandes. Ferner wird das Temperaturniveau im Rücklauf
reduziert. Durch die Erhöhung des Wirkungsgrades kann das gesamte
Einspritzsystem mit einem geringeren Bauvolumen realisiert werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
aus dem Kraftstoff-Ablaufweg der zweiten Steuerkammer abströmende
Steuermenge (Kraftstoff) in einen Injektorbereich fließt,
der derart mit einem Ventilelement (Servokolben) des Servoventils
gekoppelt ist, dass das Druckniveau in diesem mit Kraftstoff aus
dem ersten Hochdruckanschluss versorgten Injektorbereich, insbesondere durch
eine schnelle Öffnungsbewegung des Ventilelementes, unter
das Druckniveau des Kraftstoffes im ersten Hochdruckanschluss sinkt,
wodurch das Druckniveau des ersten Hochdruckanschlusses zumindest
in bestimmten Betriebszuständen gleich dem Druckniveau
des zweiten Hochdruckanschlusses sein kann und dennoch ein Ablauf
von Kraftstoff durch den Kraftstoff-Ablaufweg der zweiten Steuerkammer
bei geöffnetem Servoventil realisierbar ist. Der Injektorbereich,
in den der Kraftstoff-Ablaufweg aus der zweiten Steuerkammer mündet, weist
also ein temporär unter dem Druckniveau des zweiten Hochdruckanschlusses
liegendes Druckniveau auf.
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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 bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1:
in einer schematischen Darstellung den allgemeinen Aufbau eines
Injektors mit einem Steuerventil und einem zusätzlichen
Servoventil,
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2:
eine schematische Teilansicht eines alternativen Injektors, bei
dem ein Ventilelement des Servoventils als Ventilkugel ausgebildet
ist,
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3:
eine schematische Teilansicht eines alternativen Injektors, bei
dem ein Kraftstoff-Ablaufweg aus einer zweiten Steuerkammer zunächst
in eine Zwischenkammer und von dort aus über eine Drossel
in einen Niederdruckbereich des Injektors strömt,
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4:
eine schematische Teilansicht eines Injektors, bei dem das Servoventil
als Flip-Flop-Ventil ausgebildet ist,
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5:
eine detailgetreue Darstellung eines Injektors mit zwei Hochdruckanschlüssen;
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5a:
eine Detailvergrößerung aus 5;
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5b:
eine weitere Detailvergrößerung aus 5;
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6:
eine schematische Darstellung eines Injektors, bei dem der Kraftstoff-Ablaufweg
aus der zweiten Steuerkammer in ein mit Kraftstoff aus dem ersten
Hochdruckanschluss versorgten Injektorbereich mündet,
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7:
eine schematische Teildarstellung eines Injektors, bei dem der Injektorbereich,
in den der Kraftstoff-Ablaufkanal mündet, über
eine Drossel mit Kraftstoff aus dem ersten Hochdruckanschluss versorgt
wird,
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8:
eine schematische Teildarstellung eines Injektors, bei dem eine
Drossel, die den Injektorbereich in den der Kraftstoff-Ablaufweg
aus der zweiten Steuerkammer mündet, in ein Ventilelement
des Servoventils integriert ist,
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9:
eine schematische Teildarstellung eines Injektors, bei dem der Injektorbereich,
in den der Kraftstoff-Ablaufweg aus der zweiten Steuerkammer mündet, über
eine in dem Ventilelement des Servoventils vorgesehene Drossel mit
der ersten Steuerkammer verbunden ist, die über diese Drossel
mit Kraftstoff aus dem ersten Hochdruckanschluss versorgt wird und
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10:
eine schematische Darstellung eines Injektors, bei dem der Kraftstoff-Ablaufweg
aus der zweiten Steuerkammer in eine Zwischenkammer mündet
und der Kraftstoff von dort aus über zwei separate Drosseln
der ersten Steuerkammer zugeführt wird.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Anhand
von 1 wird im Folgenden die prinzipielle Funktionsweise
eines als Common-Rail-Injektor ausgebildeten Injektors 1 erläutert. Allen
Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass der Injektor 1 über
einen ersten Hochdruckanschluss 2 und einen zweiten Hochdruckanschluss 3 versorgt wird. Über
den ersten Hochdruckanschluss 2 strömt als Steuerfluid
dienender Kraftstoff zu, während über den zweiten
Hochdruckanschluss 3 u. a. das Kraftstoffvolumen zuströmt,
das in den nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine
hineingespritzt wird. Weiterhin ist allen Ausführungsbeispielen
gemeinsam, dass der Injektor 1 mit einem einzigen Rücklaufanschluss 4 versehen
ist, über den Kraftstoff einem Kraftstoff-Vorratsbehälter
und von dort aus beispielsweise über zwei nicht gezeigte
unterschiedlich dimensionierte Hochdruckpumpen zwei unterschiedlichen
Kraftstoff-Hochdruckspeichern 5, 6 zugeführt
wird. Insbesondere für den Fall, dass über den
ersten Hochdruckanschluss 2 nicht Kraftstoff als Steuerfluid
zugeführt wird, kann der Injektor 1 auch mit zwei
separaten Rücklaufanschlüssen 4 versehen werden.
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Innerhalb
des Injektors 1 ist eine in den Ausführungsbeispielen
einstückige Düsennadel 7 aufgenommen,
die im Bereich einer Nadelspitze 8 mit einer Schließfläche 9 verse hen
ist, mit welcher sie in dichte Anlage an einen Nadelsitz 10 bringbar
ist.
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Wenn
die Düsennadel 7 am Nadelsitz 10 anliegt,
d. h., sich in einer Schließstellung befindet, ist der
Kraftstoffaustritt aus einer Düsenlochanordnung 11 gesperrt.
Ist sie dagegen vom Nadelsitz 10 angehoben, kann aus dem
zweiten Hochdruckanschluss 3 zuströmender Kraftstoff
aus einem Ringraum 12 an der Nadelspitze 8 vorbei
zur Düsenlochanordnung 11 strömen und
von dort im Wesentlichen unter dem Hochdruck (Raildruck) stehend
in einen Brennraum gespritzt werden.
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Die
Düsennadel 7 ist durch eine Schließfeder 13,
die in einem Druckraum 14 des Injektors 1 angeordnet
ist und sich einends an einem Bauteil 15 und anderenends
an einem Umfangsbund 16 der Düsennadel 7 abstützt,
in Richtung auf ihre Schließstellung vorgespannt.
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Der
Injektor 1 ist mit einem als 2/2-Wege-Magnetventil 17 ausgebildeten
Aktuator-Steuerventil 17 ausgestattet. Mittels des Aktuator-Steuerventils 17 ist ein
Steuerfluid(Kraftstoff)Ablaufweg 18 aus einer innerhalb
eines Injektorkörpers 19 angeordneten ersten Steuerkammer 20 in
einen Niederdruckbereich 21 des Injektors 1 freigebbar
und sperrbar. Dabei ist der Steuerfluid-Ablaufweg 18 mit
einer ersten Ablaufdrossel 22 versehen. Über eine
erste Zulaufdrossel wird die erste Steuerkammer 20 über
den ersten Hochdruckanschluss 2 mit unter Hochdruck (p1)
stehendem Kraftstoff (Steuerfluid) versorgt. Die erste Ablaufdrossel 22 und
die erste Zulaufdrossel 23 sind derart aufeinander abgestimmt,
dass bei geöffnetem Aktuator-Steuerventil 17 ein
Nettoabfluss aus der Steuerkammer 20 in den Nieder druckbereich 21 des Injektors 1 und
von dort aus in den Rücklaufanschluss 4 resultiert.
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Durch
den hiermit verbundenen Druckabfall in der ersten Steuerkammer 20 bewegt
sich ein Servokolben 24 eines Servoventils 31,
der mit seiner in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite 25 die
erste Steuerkammer 20 bevorzugt, von der dargestellten Schließposition
in der Zeichnungsebene nach oben in eine Öffnungsposition,
in der er einen Kraftstoff-Ablaufweg 26 mit einer zweiten
Ablaufdrossel 27 aus einer zweiten Steuerkammer 28 freigibt.
Dabei wird die zweite Steuerkammer 28 radial außen von
dem Bauteil 15 und in der Zeichnungsebene unten von einer
oberen Stirnseite 29 der Düsennadel 7 begrenzt.
Die zweite Steuerkammer 28 wird über eine Zulaufdrossel 30 mit
unter Hochdruck (p2), insbesondere Einspritzdruck, stehendem Kraftstoff
aus dem Druckraum 14 versorgt, welcher wiederum unmittelbar
mit Kraftstoff über den zweiten Hochdruckanschluss 3 aus
dem zweiten Kraftstoff-Hochdruckspeicher 6 versorgt wird.
Die Durchflussquerschnitte der zweiten Ablaufdrossel 27 und
der Zulaufdrossel 30 sind dabei derart aufeinander abgestimmt,
dass bei geöffnetem Servoventil 31, also bei in
der Zeichnungsebene nach oben bewegtem Servokolben 24 ein
Nettoabfluss von Kraftstoff aus der zweiten Steuerkammer 28 resultiert,
wodurch der Druck innerhalb der zweiten Steuerkammer 28 absinkt
und die Düsennadel 7 von ihrem Nadelsitz 10 abhebt
und somit den Kraftstofffluss aus der Düsenlochanordnung 11 freigibt.
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Wird
das Aktuator-Steuerventil 17 geschlossen, steigt der Druck
in der ersten Steuerkammer 20 aufgrund des durch die Zulaufdrossel 23 zuströmenden
Kraftstoffs (Steuerfluid) wieder an, wodurch die auf den Servokolben 24 wirkende Druckkraft
ansteigt, wodurch wiederum der Servokolben 24 in der Zeichnungsebene
nach unten auf seinem Ventilsitz 32 bewegt wird und hierdurch
den Kraftstoff-Ablaufweg 26 aus der zweiten Steuerkammer 28 sperrt. Hierdurch
steigt der Druck in der zweiten Steuerkammer 28 (durch
den durch die Zulaufdrossel 30 zuströmenden Kraftstoff)
an, wodurch die Düsennadel 7 in der Zeichnungsebene
nach unten in ihren Nadelsitz 10 bewegt wird, wodurch wiederum
der Einspritzvorgang beendet wird.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
das Druckniveau p1 des ersten Hochdruckspeichers 2 geringer
als das Druckniveau p2 des zweiten Hochdruckspeichers 3.
Das Druckniveau p2 entspricht dabei dem Einspritzdruckniveau.
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Der
Ventilsitz 32 des Servoventils 31 als Flach-/Flach-Sitz
ausgebildet. Bei angehobenem Servokolben 24 strömt
unter Hochdruck (p2) stehender Kraftstoff in einen Ventilraum 33 des
Servoventils 31 und von dort aus über eine Verbindungsleitung 24 innerhalb
des Injektorkörpers 19 zu dem Niederdruckbereich 21 des
Injektors 1 und von da aus zu dem Rücklaufanschluss 4.
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Die
Konstruktion hat den Vorteil, dass mittels des Aktuator-Steuerventils 17 nicht
das Einspritzdruckniveau geschaltet werden muss, sondern dass mittels
des Aktuator-Steuerventils 17 vorzugsweise Drücke
von maximal 2000 bar geschaltet werden müssen, wohingegen
der eigentliche Einspritzdruck von dem mittels des Aktuator-Steuerventils 17 betätigten
Servoventil 31 geschaltet wird.
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Zur
Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden bei der Beschreibung
der weiteren Ausführungsbeispiele lediglich auf die Unterschiede zu
dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eingegangen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wirkt
der Servokolben 24 mit einem als Ventilkugel 35 ausgebildeten
Ventilelement zusammen, das in dichte Anlage an einen kegelförmigen
Ventilsitz 36 bringbar ist. Im Gegensatz zu dem Injektor 1 gemäß 1,
bei der der Servokolben 24 mit einer unteren Stirnseite
unmittelbar mit einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt,
können durch die Kombination Ventilkugel-/Kegelsitz (2)
Fertigungstoleranzen verbessert ausgeglichen werden, wodurch Undichtigkeiten
vermieden werden. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel
gemäß 2 dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1.
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Im
Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 mündet
der Kraftstoff-Ablaufweg 26 mit zweiter Ablaufdrossel 27 bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß 3 zunächst
in einer den Ventilsitz 32 des Servoventils 31 beinhaltenden
Zwischenkammer 37, von wo aus der Kraftstoff über
eine weitere Drossel 38, deren Durchflussquerschnitt bevorzugt
größer ist als der Durchflussquerschnitt der zweiten
Ablaufdrossel 27 in den von einer Schulter des Servokolbens 24 begrenzten
Ventilraum 33 und von dort aus über die, insbesondere drosselfreie
Verbindungsleitung 34 zu dem Niederdruckbereich des Injektors 1.
Die erste Ablaufdrossel 26 der Ausführungsbeispiele
gemäß den 1 und 2 wurde
bei dem Injektor 1 gemäß 3 anders ausgedrückt
aufgeteilt auf die zweite Ablaufdrossel 26 und die zusätzliche
Drossel 38. Dies ist von Vorteil, da so die Druck- und
Temperaturbelastung der Drossel 26 um die aus der Drossel 38 reduziert
wird. Der Servokolben 24 wird einerseits an der Mantelfläche
seines großen Durchmesserabschnitts 39 als auch
im Bereich seines geringen Durchmesserabschnitts 40 geführt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist
das Servoventil 31 als sog. Flip-Flop-Ventil ausgeführt.
Der Servokolben 24 wirkt auch bei diesem Ausführungsbeispiel,
wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2,
mit einem als Ventilkugel ausgebildeten Ventilelement 35 zusammen,
welches wiederum mit zwei gegenüberliegenden Kegelsitzen 36, 41 alternativ
in dichte Anlage bringbar ist. Das Ventilelement 35 ist
in der Zwischenkammer 37 untergebracht. Befindet sich das
Ventilelement 35 in dichter Anlage an dem in der Zeichnungsebene
unteren Kegelsitz 36, ist der Kraftstoff-Ablaufweg 26 aus
der zweiten Steuerkammer 28 in die Zwischenkammer 37 gesperrt.
Befindet sich das Ventilelement 35 bei angehobenem Servokolben 24 in
dichter Anlage an dem den unteren Kegelsitz 36 gegenüberliegenden oberen
Kegelsitz 41, wird der radial zwischen dem geringen Durchmesserabschnitt 40 des
Servokolbens 24 und dem Injektorkörper 19 bzw.
einem Scheibenbauteil ausgebildete Verbindungskanal 42 (Ringkanal)
axial zwischen der Zwischenkammer 37 und dem Ventilraum 33 gesperrt,
so dass der Kraftstoff aus der zweiten Steuerkammer 28 über
den Kraftstoff-Ablaufweg 26 und die Zwischenkammer 37 über
die zusätzliche Drossel 38 dem Ventilraum 33 zuströmen
und von da aus über die Verbindungsleitung 34 in
den Niederdruckbereich und von dort aus zum Rücklaufanschluss 4 abströmen
kann. Bei der gezeigten Ausführungsform mit als Flip-Flop-Ventil ausgebildeten
Servoventil 31 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 von Vorteil, dass der Servokolben 24 ausschließlich
im Bereich seines großen Durchmesserabschnittes 39 geführt
werden muss.
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Der
in 5 im Detail dargestellte Injektor 1 (siehe
auch Detailvergrößerungen gemäß 5a und 5b)
weist einen Düsenkörper 43 und einen Injektorkörper 44 auf,
wobei der Düsenkörper 43 gegen den Injektorkörper 44 mittels
einer Überwurfmutter 45, die von dem Düsenkörper 43 in
axialer Richtung durchsetzt ist, verspannt wird. Die Düsennadel 7 ist
in einem Düsenraum 46 innerhalb des Düsenkörpers 43 angeordnet
und wird mittels der Schließfeder 13 in Richtung
des Nadelsitzes 10 federkraftbeaufschlagt. Der Düsenraum 46 wird über
den zweiten Hochdruckanschluss 3 mit unter Hochdruck (Einspritzdruck)
von etwa 3000 bar stehendem Kraftstoff versorgt. Über Zuleitungen 47 in
einem Plattenbauteil 48 wird die zweite Steuerkammer 28 mit
Kraftstoff aus dem Düsenraum 46 versorgt. In die
Zuleitungen 47 ist die zweite Zulaufdrossel 30 integriert.
Zu erkennen ist, dass der Kegelsitz 36 des als Ventilkugel
ausgebildeten Ventilelements 35 des Servoventils 31 in dem
Plattenbauteil 48 aufgenommen ist. Der Servokolben 24 ist
in einer Stufenbohrung im Injektorkörper 44 aufgenommen.
Zwischen dem Servokolben 24 und dem Injektorkörper 44 ist
ein Ringraum 49 ausgebildet, der als Niederdruckbereich 21 des
Injektor 1 dient und in den die in das Plattenbauteil 48 integrierte
zweite Ablaufdrossel 27 der zweiten Steuerkammer 28 mündet.
Der Niederdruckbereich 21 ist an den Rücklaufanschluss 4 angeschlossen.
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Der
Servokolben 24 wird mittels einer Druckfeder 50,
die sich an einem am Servokolben 24 gehaltenen Sicherungsring 51 und
an einem positionsfesten Bauteil 52 abstützt in
Richtung des Kegelsitzes 36 federkraftbeaufschlagt. Der
Servokolben 24 begrenzt mit seiner in der Zeichnungsebene
oberen Stirnfläche 25 die erste Steuerkammer 20,
die über die erste Zulaufdrossel 23 mit unter
Hochdruck (p1; p1 < p2)
stehendem Kraftstoff aus einem Ringraum 53 versorgt wird.
Der Ringraum 53 ist unmittelbar an den ersten Hochdruckanschluss 2 angebunden
und zwischen dem Bauteil 52 und dem Injektorkörper 44 ausgebildet.
Die aus der ersten Steuerkammer 20 ausmündende
erste Ablaufdrossel 22 wird von dem Aktuator-Steuerventil 17 geöffnet
bzw. geschlossen. Über die erste Ablaufdrossel 22 strömt
Kraftstoff bei geöffnetem Aktuator-Steuerventil 17 in
den Ankerraum 58, der mit dem Rücklauf 21 über
einen nicht dargestellten Kanal verbunden ist. Wie zu erkennen ist,
weist ein mit einer Ventilkugel 54 zusammenwirkender Kolben 55 des
Aktuator-Steuerventils 17 in seinem in der Zeichnungsebene
oberen Bereich einen Anker 56 auf, der mit Elektromagneten 57 zusammenwirkt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 mündet
der Kraftstoff-Ablaufweg 26 mit zweiter Ablaufdrossel 27 in
den Ventilraum 33 des Servoventils 31 in der Zeichnungsebene
unterhalb des großen Durchmesserabschnittes 39 des
Servokolbens 24. Dieser Ventilraum 33 ist über
einen Querkanal an einen Ringraum 60 angeschlossen, welcher
unmittelbar mit Kraftstoff aus dem zweiten Hochdruckanschluss 3 versorgt
wird. Damit also bei angehobenem Servokolben 24 Kraftstoff
aus der zweiten Steuerkammer 28 abströmen kann,
muss das Druckniveau p1 des über den ersten Hochdruckanschluss 2 zuströmenden
Kraftstoffs geringer sein als das Druckniveau p2 des über
den zweiten Hochdruckanschluss 3 zuströmenden
Kraftstoffes. Letzterer gelangt in den Druckraum 14 und
von dort aus über die zweite Zulaufdrossel 30 in
die zweite Steuerkammer 28 bzw. bei von dem Nadelsitz 10 angehobener
Düsennadel 7 über die Düsenlochanordnung 11 in
einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Aus
dem mit Kraftstoff aus dem ersten Hochdruckanschluss 2 beaufschlagten
Ringraum 60 gelangt der Kraftstoff über die erste
Zulaufdrossel 23 in die erste Steuerkammer 20 und
von dort aus bei geöffnetem Aktuator-Steuerventil 17 in
den Niederdruckbereich 21 des Injektors 1 und
von da aus in den Rücklaufanschluss 4. In 6 ist
zu erkennen, dass der Servokolben 24 des Servoventils 31 mittels der
Druckfeder 50 in Richtung auf seinen Ventilsitz 32 federkraftbeaufschlagt
wird. Diese Druckfeder 50 ist aus Übersichtlichkeitsgründen
in den 1 bis 4 nicht gezeigt.
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Die
folgenden Ausführungsbeispiele gemäß den 7 bis 10 haben
gemeinsam, dass der am ersten Hochdruckanschluss anliegende Kraftstoffdruck
und der am zweiten Hochdruckanschluss 3 anliegende Kraftstoffdruck
p2, zumindest für einige Betriebszustände oder
auch dauerhaft gleich groß sein kann. Dies wird dadurch
erreicht, dass der aus dem zweiten Kraftstoff-Ablaufweg 26 mit
Ablaufdrossel 27 aus der zweiten Steuerkammer 28 abströmende
Kraftstoff in einen Injektorbereich einströmt, der zwar
mit aus dem ersten Hochdruckanschluss 2 zuströmenden
Kraftstoff versorgt wird, jedoch der Druck in diesem Injektorbereich
temporär bei einer Öffnungsbewegung des Servokolbens 24 unter
das Druckniveaus p1 des durch den ersten Hochdruckanschluss 2 zuströmenden
Kraftstoffes sinkt, wodurch überhaupt erst Kraftstoff aus
dem Kraftstoff-Ablaufweg 26 abströmen kann.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 mündet
der Kraftstoff-Ablaufweg 26 in den Ventilraum 33 unterhalb
des großen Durchmesserabschnittes 29 des Servokolbens 24.
Dieser Ventilraum 33 ist über eine Drossel 61 an
den ersten Hochdruckanschluss 2 angebunden. Die Drossel 61 befindet sich
in einem Kanal 62, der den Ventilraum 33 mit der ersten
Steuerkammer 20 verbindet und in den Kraftstoff aus dem
ersten Hochdruckanschluss 2 gespeist wird. Wenn das Aktuator-Steuerventil 17 geöffnet wird,
sinkt der Druck in der ersten Steuerkammer 20 und der Steuerkolben 24 vollführt
eine schnelle Hubbewegung. Hierdurch wird das Volumen des Ventilraumes 33 schlagartig
verringert, wodurch der Druck im Ventilraum 33 unter den
Druck p1 im ersten Kraftstoffhochdruckspeicher 5 fällt.
Hierdurch kann unter Hochdruck (p2, z. B. p2 = p1) stehender Kraftstoff aus
der zweiten Steuerkammer 28 über den Kraftstoff-Ablaufweg 26 in
den Ventilraum 33 abströmen. Die Drossel 61 sorgt
dabei dafür, dass Kraftstoff aus dem ersten Hochdruckanschluss 2 nur
langsam in den Ventilraum 33 nachströmen kann.
Wird das Aktuator-Steuerventil 17 geschlossen, sorgt die
Druckfeder 50 dafür, dass der Servokolben 24 wieder
auf seinen Ventilsitz 32 verstellt wird.
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8 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der Kraftstoff-Ablaufweg 26 mit
Ablaufdrossel 27 ebenfalls in den Ventilraum 33 des
Servoventils 31 mündet. Der Ventilraum 33 ist über
die Drossel 61, die in den großen Durchmesserabschnitt 39 des
Servokolbens 24 eingebracht ist, hydraulisch mit der ersten
Steuerkammer 20 verbunden, welche unmittelbar über
die erste Zulaufdrossel 23 mit Kraftstoff aus dem ersten
Hochdruckanschluss 2 versorgt wird. Die Drossel 61 sorgt
wieder dafür, dass bei einer schnellen Öffnungsbewegung
des Servokolbens 24 Kraftstoff nur langsam aus dem ersten
Hochdruckanschluss 2 bzw. in diesem Fall aus der ersten
Steuerkammer 20 in den Ventilraum 33 nachströmt,
wodurch der Druck innerhalb des Ventilraumes 33 zumindest
während der Öffnungsbewegung des Servokolbens 24 unter
das Druckniveau p1 des über den ersten Hochdruckanschluss 2 zuströmenden
Kraftstoffes fällt, wodurch Kraftstoff über den
Kraftstoff-Ablaufweg 26 aus der zweiten Steuerkammer 28 entweichen
kann.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 9 entspricht
im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 mit
dem einzigen Unterschied, dass die erste Zulaufdrossel 23 zur
Versorgung der ersten Steuerkammer 20 in den großen
Durchmesserabschnitt 39 des Servokolbens 24 eingearbeitet
ist und dass der Ventilraum 33 unmittelbar über
die Drossel 61 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
von dem ersten Hochdruckanschluss 2 versorgt wird, so dass
die erste Steuerkammer 20 indirekt über den Ventilraum 33 befüllt
wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel sinkt der Druck im
Ventilraum 33, also den Injektorbereich, in den der Kraftstoff-Ablaufweg 26 aus der
zweiten Steuerkammer 28 mündet, unter den Druck
p1 im ersten Kraftstoffhochdruckspeicher, so dass Kraftstoff bei
geöffnetem Servoventil 31 aus der zweiten Steuerkammer 28 in
den Ventilraum 33 und von dort aus über die erste
Zulaufdrossel 23 und den Steuerfluid-Ablaufweg 18 in
den Niederdruckbereich 21 des Injektors 1 und
von dort aus zum Rücklaufanschluss 4 strömen
kann.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 10 zeichnet
sich dadurch aus, dass der Kraftstoff-Ablaufweg 26 aus
der zweiten Steuerkammer 28 in die Zwischenkammer 37 mündet
und von dort aus über die zusätzliche Drossel 38 in
den eigentlichen Ventilraum 33 unterhalb des großen
Durchmesserabschnittes 39 des Servokolbens 24 des
Servoventils 31. Dieser Ventilraum 33 ist über
die in den großen Durchmesserabschnitt 39 integrierte
Drossel 21 hydraulisch mit der ersten Steuerkammer 20 verbunden,
welche über die unmittelbar mit dem ersten Hochdruckanschluss 2 verbundene
erste Zulaufdrossel 23 mit unter Hochdruck (p1) stehenden
Kraftstoff versorgt wird. Bei einer schnellen Öffnungsbewegung
des Servokolbens 24 bei geöffnetem Aktuator-Steuerventil 17 sinkt
der Druck sowohl innerhalb der Zwischenkammer 37 als auch
innerhalb des Ventilraumes 33 unterhalb des Druckes p1
am ersten Hochdruckanschluss 2. Die Drossel 61 verhindert
einen zu schnellen Druckanstieg im Ventilraum 33 und die
zusätzliche Drossel 38 verringert zusätzlich
die Druckanstiegsgeschwindigkeit in der Zwischenkammer 37,
wodurch Kraftstoff über den Kraftstoff-Ablaufweg aus der
zweiten Steuerkammer 28 abströmen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10207227
A1 [0002]
- - DE 19744723 A1 [0003]
- - EP 1612403 A1 [0005]