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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse und einem von einem Elektromagneten betätigten Steuerventil, über das ein Steuerraum mit einem Niederdruckraum verbindbar ist.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2012 220 031 A1 bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor umfasst das Steuerventil eine von einem Elektromagneten bewegbare Steuerhülse und einen gehäusefesten Ventilkörper. An die Steuerhülse grenzt ein mit dem Steuerraum verbundener Ventilraum an und die Steuerhülse wirkt mit einem an dem Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz zum Öffnen und Schließen eines den Ventilraum und den Niederdruckraum verbindenden Drosselspalts zusammen. Im Bereich stromabwärts des Drosselspalts ist eine Drosselöffnung ausgebildet. Bei diesem Kraftstoffinjektor ist die Drosselöffnung ähnlich dem Drosselspalt ausgebildet: zwischen Steuerhülse und Ventilkörper und mit einer Drosselhöhe, die abhängig vom Hub des Steuerventils ist bzw. abhängig von der Bewegung der Steuerhülse.
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Der bekannte Kraftstoffinjektor reduziert Störgrößen auf die Schließ- und Öffnungsbewegung des Steuerventils, indem eine Kavitationsbildung hinter dem Drosselspalt im Niederdruckraum positiv beeinflusst wird, so dass Kavitationsblasen möglichst nicht wandnah zu den angrenzenden Bauteilen kollabieren.
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Diese Störgrößen sollen weiter reduziert werden. Weiterhin soll während des Schließvorgangs des Steuerventils ein Prellen der Hülse auf den Ventilkörper verhindert werden, so dass es nicht zu einer ungewollten zweiten Einspritzung nach der ersten Einspritzung des Kraftstoffinjektors kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu umfasst der Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine ein Gehäuse und ein von einem Elektromagneten betätigtes Steuerventil, von dem ein Steuerraum mit einem Niederdruckraum verbindbar ist. Das Steuerventil weist eine von dem Elektromagneten bewegbare Steuerhülse und einen gehäusefesten Ventilkörper auf. Die Steuerhülse begrenzt einen mit dem Steuerraum verbundenen Ventilraum. Die Steuerhülse wirkt mit einem an dem Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz zum Öffnen und Schließen eines den Ventilraum und den Niederdruckraum verbindenden Drosselspalts zusammen, wobei der Drosselspalt abhängig vom Hub der Steuerhülse ist. Stromabwärts des Drosselspalts ist eine Drosselöffnung ausgebildet, wobei die Drosselöffnung unabhängig vom Hub der Steuerhülse bzw. vom Steuerventilhub ist.
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Dadurch ist die Drosselöffnung sehr robust ausgeführt, in dem Sinne, dass ihre Drosselwirkung nicht durch den Hub des Steuerventils bzw. der Steuerhülse beeinflusst ist; das heißt der Strömungsquerschnitt der Drosselöffnung ist konstant. Dies reduziert die Störgrößen auf das Steuerventil, speziell auf die Steuerhülse während des Schließvorgangs des Steuerventils. Die Drosselöffnung bewirkt, vor allem gemeinsam mit einem entsprechend ausreichend groß dimensionierten Niederdruckraum, eine räumliche und zeitliche Stabilisierung eines etwaigen Kavitationsgebietes im Bereich des Niederdruckraums. Der Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors wird dadurch robuster; sogenannte Ghost Injections, also ungewollte, nach der Haupteinspritzung auftretende weitere Einspritzungen aufgrund im Niederdruckraum auftretender Druckwellen, die zum Prellen der Hülse führen können, werden verhindert.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Drosselspalt stromabwärts des Ventilraums angeordnet. Dadurch kann das Steuerventil kompakt gebaut werden, da schon der sich an den Drosselspalt anschließende Niederdruckraum eine gewisse Größe erfordert, um die Druckwellen dämpfen zu können.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist der Niederdruckraum zwischen der Steuerhülse und dem Ventilkörper ausgebildet. Diese Bauweise ist sehr kompakt und bauteilsparend, da sowohl die Steuerhülse als auch der Ventilkörper mehrere Funktionen innerhalb des Steuerventils erfüllen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Drosselöffnung an dem dem Drosselspalt entgegengesetzten Ende des Niederdruckraums ausgebildet. Dadurch steht nahezu das gesamte Volumen des Niederdruckraums als Dämpfungsvolumen zur Verfügung, um die auftretenden Druckwellen, speziell während des Öffnens und Schließens des Steuerventils, zu dämpfen. Unerwünschte Störkräfte auf die Steuerhülse werden dadurch verhindert bzw. minimiert.
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Vorteilhafterweise umfasst die Drosselöffnung zumindest eine zwischen dem Niederdruckraum und einer Injektorrücklaufleitung ausgebildete Auslassbohrung. Eine Auslassbohrung ist eine einfache und kostengünstige Ausführung einer Drosselöffnung.
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In einer Weiterbildung umfasst die Drosselöffnung zwei bis acht Auslassbohrungen, vorzugsweise vier Auslassbohrungen. Dadurch erfolgt die Drosselung an der Drosselöffnung homogener, das heißt nicht nur an einer Stelle stromabwärts des Niederdruckraums. Die Dämpfung von Druckwellen des stromabwärts folgenden Volumens, beispielsweise eines Rückführraums, zurück in den Niederdruckraum wird dadurch erhöht, weil die einzelnen Auslassbohrungen einen vergleichsweise kleinen Strömungsquerschnitt aufweisen. Die Druckwellen können so nicht durch die Auslassbohrungen zurück in den Niederdruckraum „wandern“.
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Vorteilhafterweise ist die zumindest eine Auslassbohrung im Ventilkörper ausgebildet. Dies ist eine kostengünstige und bauraumsparende Anordnung der Auslassbohrung bzw. der Auslassbohrungen.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Drosselöffnung einen Strömungsquerschnitt von 0,001 mm2 bis 0,1 mm2, bevorzugt zwischen 0,05 mm2 und 0,1 mm2 auf. Im Falle der Verwendung mehrerer Auslassbohrungen ist der gesamte Strömungsquerschnitt nach den obigen Werten zu gestalten. Zusätzlich erfolgt eine genaue Abstimmung der Drosselöffnung bzw. Gesamtdrosselöffnung nach der Größe und der Ausbildung des jeweiligen Kraftstoffinjektors. Dabei sind die genannten Werte vorzugsweise auf Kraftstoffinjektoren bezogen, die bei Einspritzsystemen für PKW-Kraftfahrzeuge verwendet werden. Bei Kraftstoffinjektoren für Einspritzsysteme, die beispielsweise bei Nutzfahrzeugen oder Baumaschinen eingesetzt werden, können auch andere, insbesondere größere Strömungsquerschnitte, erforderlich sein.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Drosselung durch die Drosselöffnung kleiner als die Drosselung durch den Drosselspalt. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass das von dem Drosselspalt abhängige Öffnungs- und Schließverhalten des Kraftstoffinjektors nicht oder nur ganz unwesentlich durch die Drosselöffnung geändert wird. Insofern muss der entsprechende Kraftstoffinjektor bei der Anordnung der Drosselöffnung nicht neu abgestimmt werden.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Strömungsweg zwischen dem Drosselspalt und der Drosselöffnung mindestens 10-mal so groß wie die Wurzel aus dem Strömungsquerschnitt der Drosselöffnung. Dadurch ist der Niederdruckraum ausreichend dimensioniert, um auftretende Druckwellen dämpfen zu können ohne dass Störkräfte auf die Steuerhülse wirken.
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In vorteilhaften Ausführungen des Kraftstoffinjektors bildet der Ventilkörper einen zylindrischen Fortsatz, in dem die Steuerhülse geführt ist, wobei die Drosselöffnung in dem Fortsatz ausgebildet ist. Dadurch sind zwei Funktionen des Steuerventils bauraumsparend in dem Fortsatz integriert: die Führung der Steuerhülse und die Anordnung der Drosselöffnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines Kraftstoffinjektors,
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2 den Ausschnitt II aus 1 mit einem Drosselspalt und einer Drosselöffnung.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt einen Längsschnitt durch den im Rahmen der Erfindung interessierenden Teil eines Kraftstoffinjektors. Der Kraftstoffinjektor ist insbesondere zur Einspritzung von Kraftstoff in einen zugeordneten Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine vorgesehen. Dabei entnimmt der Kraftstoffinjektor Kraftstoff aus einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Einspritzsystems, in den der Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe gefördert wird. Das Common-Rail-Einspritzsystem ist vorzugsweise an einer selbstzündenden Brennkraftmaschine verbaut, die mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Ein Steuerventil, dessen wesentliche Bereiche in 1 dargestellt sind, steuert Längsbewegungen einer im Kraftstoffinjektor angeordneten Injektornadel 17, die durch ihre Längsbewegungen nicht dargestellte Einspritzöffnungen in den Brennraum öffnet und verschließt. Daraus ergibt sich die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffinjektors.
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Der Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein Elektromagnet 2 fest angeordnet ist. Der Elektromagnet 2 weist einen Magnetkern 3 auf, in dem eine Magnetspule 4 angeordnet ist. Bei einer Bestromung der Magnetspule 4 wird ein Magnetfeld aufgebaut, das einen Anker 5 anzieht und bis zur Anlage an dem Magnetkern 3 auf diesen zubewegt. Der Anker 5 weist eine zentrale Bohrung auf, in die ein Führungsbolzen 7 eingeführt ist.
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Der Anker 5 weist einen als Steuerhülse 8 ausgebildeten Ankerfortsatz auf, wobei die Steuerhülse 8 mit einem Ventilkörper 9, der wiederum gehäusefest angeordnet ist, zusammenwirkt und ein Steuerventil bildet. Der Ventilkörper 9 weist einen zylindrischen Fortsatz 9a auf, in dem die Steuerhülse 8 längsbeweglich geführt ist. Im nichtbestromten Zustand der Magnetspule 4 wird der Anker 5 mitsamt der Steuerhülse 8 von einer Feder 10 gegen den Ventilkörper 9 bewegt, wobei eine Stirnwand 11 der Steuerhülse 8 mit einem an dem Ventilkörper 9 ausgebildeten Ventilsitz 12 zusammenwirkt.
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Zwischen dem Führungsbolzen 7, der Steuerhülse 8 und dem Ventilkörper 9 ist ein innerer Ventilraum 14 ausgebildet. In radialer Richtung weiter außen liegend ist zwischen der Steuerhülse 8 und dem Ventilkörper 9 ein äußerer Niederdruckraum 15 ausgebildet. Ein Drosselspalt 19a zwischen dem Ventilraum 14 und dem Niederdruckraum 15 ist bei geöffnetem Steuerventil ausgebildet und bei geschlossenem Steuerventil unterbrochen. Das Steuerventil ist geöffnet, wenn die Stirnwand 11 vom Ventilsitz 12 abgehoben ist, und geschlossen, wenn die Stirnwand 11 mit dem Ventilsitz 12 zusammenwirkt.
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Wird die Magnetspule 4 bestromt, wird der Anker 5 mitsamt der Steuerhülse 8 von dem Ventilkörper 9 wegbewegt und der Drosselspalt 19a zwischen dem Ventilraum 14 und dem Niederdruckraum 15 wird freigegeben. In diesem Zustand strömt in dem Ventilraum 14 befindlicher Kraftstoff durch den Drosselspalt 19a in den Niederdruckraum 15. Der Niederdruckraum 15 ist über in dem Ventilkörper 9 bzw. in dem Fortsatz 9a ausgebildete Auslassbohrungen 13 mit einem Rückführraum 30 verbunden, der im Inneren des Gehäuses 1 ausgebildet ist. Der Rückführraum 30 kann dabei auch so ausgebildet sein, dass Teile des Steuerventils, beispielsweise der Elektromagnet 2, zumindest teilweise in ihm angeordnet sind. Der Rückführraum 30 wiederum ist mit einer nicht dargestellten Injektorrücklaufleitung verbunden, durch die der durch das Steuerventil abgesteuerte Kraftstoff, aber auch Leckagekraftstoff, einer nicht dargestellten Vorförderpumpe zugeführt wird, die den Kraftstoff anschließend wieder zur Hochdruckpumpe fördert.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 sind zwei Auslassbohrungen 13 in dem Fortsatz 9a ausgebildet. Es können jedoch auch eine oder mehrere Auslassbohrungen 13, beispielsweise vier Auslassbohrungen 13, ausgebildet sein. Erfindungsgemäß sind die Auslassbohrungen 13 als Drosselöffnung 19b gestaltet. Die Drosselöffnung 19b ist bei geöffnetem Steuerventil stromabwärts des Drosselspalts 19a angeordnet und verhindert einen wandnahen Blasenkollaps der Kavitationsblasen im Niederdruckraum 15. Die Drosselöffnung 19b ist so angeordnet und gestaltet, dass auch eine nachteilige Reflexion der Druckwellen auf die Steuerhülse 8 minimiert bzw. verhindert wird. Dazu kann in zur 1 alternativen Ausführungsformen die Drosselöffnung 19b beispielsweise auch nierenförmig im Ventilstück 9 ausgebildet sein.
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Der Ventilraum 14 ist über einen Strömungskanal 18 mit eingesetzter Drossel mit einem Steuerraum 16 verbunden. Der Steuerraum 16 wird kontinuierlich mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher befüllt. Weiterhin ragt in den Steuerraum 16 die Injektornadel 17 mit einer einer Nadelspitze gegenüberliegenden Stirnseite hinein. Bei geschlossenem Steuerventil, bei dem also die Steuerhülse 8 mit der Stirnwand 11 auf dem Ventilsitz 12 aufsitzt, baut sich in dem Steuerraum 16 ein Kraftstoffdruck auf, der die Injektornadel 17 mit der Nadelspitze gegen einen nicht dargestellten Injektornadelspitzensitz presst, der die Einspritzöffnungen, die in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden, verschließt. Wird das Steuerventil geöffnet und somit die Steuerhülse 8 von dem Ventilsitz 12 abgehoben, strömt Kraftstoff aus dem Ventilraum 14 durch den Drosselspalt 19a in den Niederdruckraum 15 ab und gleichzeitig wird dadurch der Kraftstoffdruck in dem Steuerraum 16 reduziert, da der dort befindliche Kraftstoff durch den Strömungskanal 18 schneller abströmen kann, als durch einen nicht dargestellten Zuflusskanal aus dem Hochdruckspeicher Kraftstoff in den Steuerraum 16 nachließt. Dadurch wird die Injektornadel 17 nach oben in Richtung zu dem Führungsbolzen 7 bewegt und die gegenüberliegende Nadelspitze gibt die Einspritzöffnungen frei, durch die dann dort ebenfalls unter Hochdruck zugeführter Kraftstoff in den zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Beendet wird der Einspritzvorgang durch eine Beendigung der Bestromung der Magnetspule 4 und die dadurch bewirkte Schließung des Drosselspalts 19a.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 mit dem interessierenden Bereich des Steuerventils. Zwischen dem Führungsbolzen 7 und der Steuerhülse 8 ist der Ventilraum 14 gebildet, der bekanntermaßen über den Strömungskanal 18 mit dem Steuerraum 16 verbunden ist. Gegenüberliegend zu der Steuerhülse 8 ist der Ventilkörper 9 angeordnet, der den Ventilsitz 12 aufweist, auf dem die Steuerhülse 8 mit einem Abschnitt der Stirnwand 11 aufsitzt. Wird die Steuerhülse 8 mit der Stirnwand 11 von dem Ventilsitz 12 abgehoben, wird der Drosselspalt 19a zwischen dem Ventilraum 14 und dem Niederdruckraum 15 freigegeben, der dann von der Stirnwand 11 zusammen mit dem Ventilsitz 12 gebildet wird. Dieser Drosselspalt 19a ist benachbart zu dem Ventilraum 14 angeordnet und abhängig vom Hub des Steuerventils bzw. vom Hub der Steuerhülse 8.
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An dem dem Drosselspalt 19a gegenüberliegenden Endbereich des Niederdruckraums 15 ist die Drosselöffnung 19b in Form einer Auslassbohrung 13 ausgebildet. Vorzugsweise ist dabei die Drosselung durch die Drosselöffnung 19b kleiner als die Drosselung durch den Drosselspalt 19a.
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Durch die Positionierung der Drosselöffnung 19b in Form der Auslassbohrungen 13 in einer vergleichsweise großen Entfernung zum Drosselspalt 19a sind die an den Niederdruckraum 15 grenzenden Flächen der Steuerhülse 8 vor reflektierten Druckwellen oder im Rückführraum 30 erzeugten Druckwellen sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen des Steuerventils geschützt. Besitzt die Drosselöffnung 19b eine ähnlich starke Drosselwirkung wie der Drosselspalt 19a, dann ist die Dampfblasenbildung im Niederdruckraum 15 minimiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012220031 A1 [0002]
