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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur
Einbringung von Kraftstoff in direkteinspritzende, selbstzündende
Verbrennungskraftmaschinen werden zum Beispiel Hochdruckspeicher-Einspritzsysteme
(Common-Rail-Systeme) eingesetzt. Bei diesem System wird unter hohem
Druck stehender Kraftstoff in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine
mit Hilfe von Kraftstoffinjektoren eingespritzt. Die Injektoren
werden üblicherweise über ein Steuerventil angesteuert.
Es ist bekannt, das Steuerventil mittels eines Magnetaktors oder
eines Piezoaktors anzusteuern.
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Magnetgesteuerte
Injektoren umfassen üblicherweise einen Anker, in dem ein
Ankerbolzen geführt ist. Mit dem Ankerbolzen ist ein Schließelement des
Steuerventils verbunden. Der Ankerbolzen ist in einer Bohrung im
Anker geführt. Um das Steuerventil zu verschließen,
wirkt auf den Ankerbolzen eine Federkraft eines Federelementes.
Zum Öffnen des Steuerventiles wird der Anker durch Anlegen
einer Spannung an den Elektromagneten und dem sich dadurch ausbildenden
Magnetfeld von dem Elektromagneten angezogen. Hierbei schlägt
der Anker gegen eine Anlagefläche am Ankerbolzen an und
hebt diesen mit an. Hierdurch wird das Schließelement aus seinem
Sitz gehoben. Ein solcher Injektor ist zum Beispiel in C.
Stan, Direkteinspritzsysteme für Otto- und Dieselmotoren,
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1999, Seiten 166, 167,
dargestellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäß ausgebildeter Injektor zum Einspritzen
von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
umfasst ein Einspritzventilglied, welches mindestens eine Einspritzöffnung
freigibt oder verschließt. Das Einspritzventilglied wird
durch ein magnetbetätigtes Steuerventil angesteuert, wobei
das magnetbetätigte Steuerventil einen Anker mit einer
Ankerplatte umfasst, die mit einem eine Spule umfassenden Elektromagneten
zusammenwirkt. An der Ankerplatte ist ein Federelement derart geführt,
dass die Ankerplatte bei nicht bestromter Spule durch die Federkraft
des Federelementes von der Spule weggedrückt wird.
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Durch
die Führung des Federelementes an der Ankerplatte lässt
sich eine definiertere Federführung erzielen, als dies
bei den aus dem Stand der Technik bekannten Injektoren der Fall
ist. Anders als bei den bekannten Injektoren wirkt das Federelement nicht
auf den Ankerbolzen, sondern direkt auf die Ankerplatte. Ein weiterer
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
ist, dass die Anzahl der Bauteile und damit die Kosten des Injektors
reduziert werden können. Auch die Montage wird vereinfacht,
da es nicht mehr erforderlich ist, den Ankerbolzen durch eine Bohrung
im Anker hindurchzuführen und mit einem Sicherungsring
zu sichern. Üblicherweise werden bei den aus dem Stand
der Technik bekannten Injektoren der Ankerbolzen und der Sicherungsring
von einer Hülse umschlossen. Diese entfällt bei
der erfindungsgemäßen Lösung ebenfalls.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Führung
des Federelementes ein zylinderförmiger Fortsatz an der
Ankerplatte ausgebildet, welcher vom Federelement umschlossen ist.
Das Federelement ist hierbei üblicherweise eine als Druckfeder
ausgebildete Spiralfeder. Durch den zylinderförmigen Fortsatz,
welcher von dem Federelement umschlossen ist, wird vermieden, dass
das Federelement bei einer aufgeprägten Druckkraft abknickt.
Weiterhin wird durch den zylinderförmigen Fortsatz, der
von dem Federelement umschlossen ist, vermieden, dass sich das Federelement
auf der Ankerplatte verschiebt. Die Positionierung des Federelementes
auf der Ankerplatte lässt sich weiter verbessern, wenn
in der Ankerplatte eine Nut ausgebildet ist, in der das Federelement
aufgenommen ist. Durch die Nut wird sowohl ein Aufweiten als auch
ein radiales Verschieben des Federelementes auf der Ankerplatte
verhindert.
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Die
Ankerplatte und die Führung für das Federelement
sind vorzugsweise einstückig ausgebildet. Alternativ ist
es jedoch auch möglich, dass die Ankerplatte und die Führung
für das Federelement zweistückig ausgebildet sind.
Hierbei sind die Ankerplatte und die Führung vorzugsweise
kraft- oder formschlüssig miteinander verbunden. So können
die Ankerplatte und die Führung zum Beispiel miteinander
verschraubt oder miteinander verschweißt sein.
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Erfindungsgemäß ist
am Anker eine hülsenförmige Vertiefung ausgebildet,
in der ein Ankerbolzen aufgenommen ist und geführt wird.
Der Ankerbolzen wirkt mit einem Schließelement zusammen,
welches in einen Sitz stellbar ist und durch welches eine Verbindung
aus einem Steuerraum in einen Kraftstoffrücklauf freigegeben
oder verschlossen werden kann. Das Schließelement und der
Sitz können dabei jede beliebige dem Fachmann bekannte
Geometrie annehmen. Bevorzugt ist das Schließelement kugelförmig
ausgeführt und der Ventilsitz in Form eines Kegelsitzes.
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Der
Ankerbolzen wird vorzugsweise in einer Ankerhülse geführt,
die im Gehäuse des Injektors fixiert ist. Hierzu ist an
der Ankerhülse eine ringförmige Erweiterung ausgebildet,
die mit einer unteren Stirnfläche auf einer Einstellscheibe
aufliegt, während auf eine obere Stirnfläche der
ringförmigen Erweiterung ein Gewindering wirkt, der in
den oberen Gehäuseabschnitt des Injektors eingeschraubt
ist und die ringförmige Erweiterung gegen die Einstellscheibe
drückt. Die Einstellscheibe ihrerseits liegt auf einem
Ventilstück auf, welches auf einer Stufe im oberen Gehäuseabschnitt
aufliegt. Durch die Einstellscheibe können Fertigungsungenauigkeiten
ausgeglichen werden.
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Um
den Hub des Ankerbolzens zu begrenzen, ist in einer bevorzugten
Ausführungsform am Ankerbolzen zwischen dem Schließelement
und der Ankerhülse eine Erweiterung ausgebildet, die zur
Hubbegrenzung gegen die Ankerhülse anschlägt.
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Zum
Verschließen der Verbindung aus dem Steuerraum in den Kraftstoffrücklauf
wird die Bestromung des Aktors aufgehoben. Hierdurch wird der Magnet
abgeschaltet. Es wirkt keine Magnetkraft mehr auf die Ankerplatte.
Durch das Federelement wird die Ankerplatte vom Magneten weggedrückt. Durch
diese Bewegung erhöht sich zunächst der Druck
im Steuerraum, der von der hülsenförmigen Vertiefung
und dem Ankerbolzen gebildet wird. Der erhöhte Druck im
Steuerraum wirkt auf den Ankerbolzen und drückt diesen
mit dem Schließelement in seinen Sitz.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Steuerventil
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die
einzige Figur zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Steuerventil eines Kraftstoffinjektors.
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Ein
Injektor 1 umfasst einen oberen Gehäuseabschnitt 3,
in dem ein Steuerventil 5 aufgenommen ist. In der hier
dargestellten Ausführungsform ist das Steuerventil 5 ein
2/2-Wege-Ventil.
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Erfindungsgemäß wird
das Steuerventil 5 durch einen Magnetaktor 7 betätigt.
Der Magnetaktor 7 umfasst eine Spule 9, die in
einem Kern 11 aufgenommen ist. Der Magnetaktor 7 wirkt
auf einen Anker 13 mit Ankerplatte 15.
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Im
Anker 13 ist eine hülsenförmige Vertiefung 17 ausgebildet.
In der hülsenförmigen Vertiefung 17 ist
ein Ankerbolzen 19 geführt. Mit einer dem Anker 13 abgewandten
unteren Stirnfläche 21 wirkt der Ankerbolzen 19 auf
einen Haltekörper 23, in dem ein Schließelement 25 aufgenommen
ist. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das
Schließelement 25 kugelförmig ausgeführt.
Neben der hier dargestellten kugelförmigen Ausführungsform
ist es auch möglich, dass das Schließelement 25 in
jeder beliebigen anderen, dem Fachmann bekannten Geometrie ausgebildet
ist. So kann das Schließelement 25 zum Beispiel
auch kegelförmig ausgebildet sein. Auch ist es möglich,
dass das Schließelement 25 als Flachsitz ausgebildet
ist.
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Der
Ankerbolzen 19 ist in einer Ankerhülse 27 geführt.
Die Ankerhülse 27 weist eine ringförmige Erweiterung 29 auf,
mit der diese am oberen Gehäuseabschnitt 3 des
Injektors 1 fixiert ist. Hierzu liegt die ringförmige
Erweiterung 29 mit einer unteren Stirnfläche 31 auf
einer Einstellscheibe 33 auf, während auf eine
obere Stirnfläche 35 der ringförmigen
Erweiterung 29 ein Gewindering 37 wirkt, der in
den oberen Gehäuseabschnitt 3 des Injektors 1 eingeschraubt
ist und die ringförmige Erweiterung 29 gegen die
Einstellscheibe 33 drückt. Die Einstellscheibe 33 liegt auf
einem Ventilstück 39 auf, welches seinerseits
auf einer Stufe 41 im oberen Gehäuseabschnitt 3 aufliegt.
Durch die Einstellscheibe 33 können beispielsweise
Fertigungsungenauigkeiten ausgeglichen werden.
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Erfindungsgemäß ist
die hülsenförmige Vertiefung 17 durch
die Ankerplatte 15 verschlossen. Hierdurch bildet sich
zwischen dem Ankerbolzen 19 und der Ankerplatte 15 im
Anker 13 ein Steuerraum 43 aus. Der Steuerraum 43 ist üblicherweise
mit Kraftstoff befüllt.
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Auf
die Ankerplatte wirkt ein erstes Federelement 45. Das erste
Federelement 45 ist vorzugsweise eine als Spiralfeder ausgebildete
Druckfeder. Mit einer ersten Seite wirkt das erste Federelement 45 auf
die Ankerplatte 15. Mit einer zweiten Seite ist das Federele ment 45 gegen
das Gehäuse gestellt. In der hier dargestellten Ausführungsform
ist dies ein Gehäusedeckel 47. Zur Einstellung
der Federkraft des Federelementes 45 ist zwischen dem Federelement 45 und
dem Gehäusedeckel 47 ein Einstellring 49 aufgenommen.
Das Federelement 45 ist dabei vom Kern 11 des
Magnetaktors 7 umschlossen.
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Zur
Führung des Federelementes 45 ist es bevorzugt,
wenn in der Ankerplatte 15 eine Nut 51 ausgebildet
ist. Das Federelement 45 ist in der Nut 51 positioniert,
so dass dieses nicht auf der Ankerplatte 15 verrutschen
kann. Dabei umschließt das erste Federelement 45 weiterhin
einen zylinderförmigen Fortsatz 53 an der Ankerplatte,
welcher zusätzlich zur stabilen Halterung des Federelementes 45 beiträgt.
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Erfindungsgemäß ist
es möglich, wie in der hier dargestellten Ausührungsform,
den Anker 13 einteilig auszubilden. In diesem Fall ist
die hülsenförmige Vertiefung 17 als Sackloch
im Anker 13 ausgeführt. Alternativ ist es auch
möglich, den Anker 13 zweiteilig auszubilden.
In diesem Fall wird die hülsenförmige Vertiefung
als Bohrung durch den Anker 13 hindurchgeführt
und anschließend mit einem zweiten Bauteil verschlossen.
Dieses wird zum Beispiel mit dem Anker 13 kraft- oder formschlüssig
verbunden. So kann das zweite Bauteil, mit dem die hülsenförmige
Vertiefung 17 verschlossen wird, zum Beispiel eingeschweißt,
eingeschraubt oder eingelötet werden. Es ist jedoch für
den Betrieb des Kraftstoffinjektors erforderlich, dass die Verbindung
zwischen dem Anker 13 und dem zweiten Bauteil, welches
die hülsenförmige Vertiefung 17 verschließt,
flüssigkeitsdicht ist.
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Der
Anker 13 und die Ankerhülse 27 sind von einem
zweiten Federelement 55 umschlossen. Das zweite Federelement 55 wirkt
einerseits auf die dem Magnetaktor 7 gegenüberliegende
Seite der Ankerplatte 15 und andererseits auf die ringförmige
Erweiterung 29 an der Ankerhülse 27.
Das zweite Federelement 55 ist ebenfalls vorzugsweise eine
als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder.
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Über
einen Kraftstoffzulauf 57 wird der Injektor 1 mit
unter Systemdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Über
den Kraftstoffzulauf 57 strömt der Kraftstoff
in einen Ringraum 59, der das Ventilstück 39 umschließt. Über
eine Zulaufdrossel 61 strömt der Kraftstoff aus
dem Ringraum 59 in einen Steuerraum 63 im Ventilstück 39.
Der Steuerraum 63 wird durch einen Ventilkolben 65 begrenzt,
der im Ventilstück geführt ist. Über
eine Ablaufdrossel 67 kann Kraftstoff aus dem Steuerraum 63 ausströmen.
Die Ablaufdrossel 67 ist durch das Steuerventil 5 verschließbar oder
freigebbar.
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Um
einen Einspritzvorgang zu starten, wird der Magnetaktor 7 bestromt.
Es bildet sich ein Magnetfeld aus. Durch das Magnetfeld wird die
Ankerplatte 15 vom Magnetaktor 7 ange zogen. Der
Anker 13 bewegt sich in Richtung des Magnetaktors 7.
Die Magnetkraft, die durch den Magnetaktor 7 erzeugt wird,
ist dabei größer als die Federkraft des ersten Federelementes 45.
Gleichzeitig wird die Bewegung des Ankers 13 durch das
zweite Federelement 55 unterstützt. Durch die
Bewegung des Ankers 13 vergrößert sich
zunächst das Volumen im Steuerraum 43. Hierdurch
sinkt der Druck im Steuerraum 43 ab. Die Druckkraft, die
auf den Ankerbolzen 19 wirkt, nimmt ab. Gleichzeitig wirkt
auf das Schließelement 25 unter Systemdruck stehender
Kraftstoff über die Ablaufdrossel 67. Diese Druckkraft
ist ausreichend, um das Steuerventil 5 zu öffnen.
Durch die Druckkraft wird das Schließelement 25 aus
seinem Sitz gehoben. Aus dem Steuerraum 63 strömt
Kraftstoff aus. Der Druck im Steuerraum 63 nimmt ab. Hierdurch
bewegt sich der Ventilkolben 65 in Richtung des Steuerventils 5.
Ein hier nicht dargestelltes Einspritzventilglied öffnet
zumindest eine Einspritzöffnung in einen Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine und der Einspritzvorgang wird gestartet.
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Zum
Beenden des Einspritzvorganges muss das Steuerventil 5 wieder
geschlossen werden. Hierzu wird die Bestromung des Magnetaktors 7 beendet. Das
Magnetfeld, welches sich um die Spulen 9 gebildet hat,
bricht zusammen. Durch die Federkraft des Federelementes 45 wird
der Anker 13 vom Magnetaktor 7 weg bewegt. Die
Bewegung des Ankers 13 wird dabei durch die Ankerhülse 27 begrenzt,
indem der Anker 13 an der Ankerhülse 27 anschlägt.
Durch die Bewegung des Ankers 13 wird das Volumen im Steuerraum 43 zunächst
verkleinert. Der Druck im Steuerraum 43 steigt an. Aufgrund
des zunehmenden Druckes wird der Ankerbolzen 19 in Richtung des
Steuerventiles bewegt. Das Schließelement 25 wird
in seinen Sitz gestellt und verschließt so die Verbindung
aus dem Steuerraum 63 über die Ablaufdrossel 67 in
einen hier nicht dargestellten Kraftstoffrücklauf. Durch
die verschlossene Ablaufdrossel 67 kann unter Systemdruck
stehender Kraftstoff über die Zulaufdrossel 61 in
den Steuerraum 63 strömen. Der Druck im Steuerraum 63 nimmt
wieder zu und der Ventilkolben 65 wird in Richtung des
Einspritzventilgliedes bewegt. Die Einspritzöffnung wird
verschlossen und der Einspritzvorgang ist beendet.
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Um
beim Öffnen des Steuerventiles 5 den Hub des Ankerbolzens 19 zu
begrenzen ist am Ankerbolzen 19 zwischen dem Schließelement 25 und der
Ankerhülse 27 eine Erweiterung 69 ausgebildet. Zur
Begrenzung des Hubes schlägt der Ankerbolzen 19 mit
der Erweiterung 69 an der Ankerhülse 27 an. Der
Abstand zwischen der Erweiterung 69 und der Ankerhülse 27 ist
bei geschlossenem Steuerventil 5 vorzugsweise so gewählt,
dass dieser dem gewünschten Hub entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - C. Stan, Direkteinspritzsysteme
für Otto- und Dieselmotoren, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,
1999, Seiten 166, 167 [0003]