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Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen
aus, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 100 58 130 A1 bekannt
ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst ein Kraftstoffeinspritzventil
mit einem Gehäuse,
in dem ein verschiebliches Ventilglied angeordnet ist. Das Ventilglied
ist im Gehäuse
beweglich und steuert durch seine Bewegung die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung,
durch welche Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar
ist. Im Gehäuse
des Kraftstoffeinspritzventils ist ein Druckraum ausgebildet, der über einen Hochdruckkanal
mit einer Kraftstoffhochdruckquelle verbindbar ist. Eine am Ventilglied
ausgebildete Druckfläche
begrenzt den Druckraum und wird vom Druck im Druckraum so beaufschlagt,
dass das Ventilglied durch diese hydraulische Kraft bewegbar ist, so
dass die wenigstens eine Einspritzöffnung freigegeben wird.
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Bei
dem bekannten Kraftstoffeinspritzsystem kann es auftreten, dass
es durch das rasche Öffnen des
Ventilglieds und durch die sonstigen geometrischen Abmessungen zu
Druckschwingungen im Druckraum kommt. Diese Druckschwingungen wirken
sich nachteilig auf die Einspritzdynamik aus, insbesondere dann,
wenn Druckschwingungen um den Öffnungsdruck
des Ventilglieds herum auftreten. Der Öffnungsdruck entspricht dabei
dem Druck, bei dem das Ventilglied entgegen einer Schließkraft von
seiner die Einspritzöffnung
verschließenden
Position in eine Öffnungsposition
gleitet. Durch Druckschwingungen um diesen Öffnungsdruck herum kann das Ventilglied
kurzzeitig öffnen,
was zu einer unkontrollierten Einspritzung von Kraftstoff in den
Brennraum führt.
Außerdem
wird der Einspritzzeitpunkt unbestimmt, so dass die Einspritzmenge
nicht genau vorgegeben werden kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass das Ventilglied einen genau definierten Öffnungsdruck
aufweist, so dass ein unkontrolliertes Öffnen vermieden wird und eine
genaue Zumessung des Kraftstoffs möglich ist. Hierzu ist der Hochdruckbereich
des Kraftstoffeinspritzsystems, also entweder der Hochdruckkanal
oder der im Gehäuse
des Kraftstoffeinspritzventils ausgebildete Druckraum, mit einem
Dämpfungsraum
verbunden, in dem ein beweglicher Dämpfungskolben angeordnet ist.
Die Stirnseite des Dämpfungskolbens
wird von Kraftstoffdruck im Hochdruckbereich so beaufschlagt, dass der
Dämpfungskolben
beim Überschreiten
eines bestimmten Schwelldrucks im Dämpfungsraum entgegen einer
Gegenkraft bewegbar ist, so dass es zu einer Druckminderung kommt.
Entsprechend werden kurzzeitige Druckschwankungen im Hochdruckbereich
hierdurch ausgeglichen und abgedämpft,
wodurch die oben genannten Nachteile vermieden werden.
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Durch
die Unteransprüche
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In
einer ersten vorteilhaften Aufgestaltung ist der Dämpfungsraum
als Bohrung im Gehäuse ausgebildet,
in welcher Bohrung der Dämpfungskolben
längsverschiebbar
geführt
ist. Vorteilhafter Weise wird der Dämpfungskolben hierbei zylindrisch ausgebildet
und wird von einem in einem Federraum befindlichen Federelement
so beaufschlagt, dass die Kraft des Federelements dem Druck auf
die Stirnseite des Dämpfungskolbens
entgegen gerichtet ist, so dass das Federelement die Gegenkraft
auf den Dämpfungskolben
erzeugt. Diese Konstruktion ist einfach zu fertigen, und über verschiedene
Federelemente können
ohne Probleme verschiedene Schwelldrücke eingestellt werden, bei
denen der Dämpfungskolben
aktiv wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ventilglied als
Ventilnadel ausgebildet, die eine Längsbohrung aufweist, in der
wiederum eine Ventilinnen nadel angeordnet ist. Beide Ventilnadeln wirken
mit einem im Gehäuse
des Kraftstoffeinspritzventils ausgebildeten Ventilsitz zusammen
und steuern jeweils die Öffnung
wenigstens einer Einspritzöffnung.
Bei solchen, sogenannten Koaxialdüsen ist es besonders wichtig,
stets einen definierten Druck im Druckraum zur Verfügung zu
haben, um beide Nadeln, die gesteuert durch den Druck im Druckraum öffnen oder
schließen,
gezielt steuern zu können. Hierzu
weist sowohl die Ventilnadel als auch die Ventilinnennadel jeweils
eine Druckfläche
auf, wobei die Druckfläche
der Ventilinnennadel erst nach dem Abheben der Ventilnadel vom Ventilsitz
vom Kraftstoffdruck des Druckraums beaufschlagt wird. Da die Einspritzrate
davon abhängt,
ob nur die Ventilnadel oder sowohl die Ventilnadel als auch die
Ventilinnennadel ihre jeweiligen Einspritzöffnungen freigeben, ist es besonders
wichtig, Druckschwingungen zu vermeiden, die im Bereich des Öffnungsdrucks
der Ventilinnennadel auftreten. Besonders vorteilhaft ist es deshalb,
das den Dämpfungskolben
beaufschlagende Federelement so auszulegen, dass der Schwelldruck,
bei dem sich der Dämpfungskolben
bewegt, unterhalb des Öffnungsdrucks
der Ventilinnennadel ist. Ist der Dämpfungskolben an seinem Anschlag
angelangt, was bei einem bestimmten Enddruck im Dämpfungsraum
geschieht, so sollte dieser Enddruck vorteilhafterweise oberhalb
des Öffnungsdrucks
der Ventilinnennadel liegen, so dass Druckschwingungen um den Öffnungsdruck
der Ventilinnennadel herum abgedämpft
werden. Vorteilhafterweise ist hierbei die Differenz zwischen dem
Schwelldruck und dem Enddruck des Dämpfungskolbens 50 bis 250 bar.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems dargestellt.
Es zeigt
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1 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem,
wobei das Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt und die übrigen Komponenten
des Kraftstoffeinspritzsystems nur schematisch dargestellt sind
und
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2 zeigt eine Vergrößerung von 1 im Bereich des Dämpfungskolbens,
wobei die 2a, 2b und 2c unterschiedliche Stellungen des Dämpfungskolbens
darstellen.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem
dargestellt, das als wesentliche Komponente ein Kraftstoffeinspritzventil 1 mit
einem Gehäuse 2 aufweist.
Das Gehäuse 2 umfasst
unter anderem aus einem Ventilkörper 5 und
einem Ventilhaltekörper 3,
die durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung aneinander
gepresst werden. Im Ventilkörper 5 ist
eine Bohrung 25 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem konischen Ventilsitz 27 begrenzt wird. Vom
Ventilsitz 27 geht eine äußere Einspritzöffnungsreihe 29 und eine
innere Einspritzöffnungsreihe 30 aus,
durch die Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar
ist. In der Bohrung 25 ist ein Ventilglied in Form einer
Ventilnadel 32 angeordnet, die in einem brennraumabgewandten
Abschnitt in der Bohrung 25 geführt ist. Die Ventilnadel 32 verjüngt sich
vom geführten
Abschnitt aus gesehen dem Ventilsitz 27 zu unter Bildung
einer Druckschulter 36 und liegt mit ihrem ventilsitzseitigen
Ende auf dem Ventilsitz 27 auf. Zwischen der Ventilnadel 32 und
der Wand der Bohrung 25 ist ein Druckraum 26 ausgebildet,
der auf Höhe
der Druckschulter 36 radial erweitert ist. Die Ventilnadel 32 weist
eine Längsbohrung 33 auf,
in der ein weiteres Ventilglied in Form einer Ventilinnennadel 34 längsverschiebbar
angeordnet ist. Die Ventilinnennadel 34 wirkt mit ihrem
ventilsitzseitigen Ende ebenfalls mit dem Ventilsitz 27 zusammen
und verschließt
oder öffnet,
je nach ihrer Längsposition,
die inneren Einspritzöffnungen 30.
Die Bewegung der Ventilinnennadel 34 erfolgt über die
Druckbeaufschlagung einer an dieser ausgebildeten Druckfläche 35,
die erst nach dem Abheben der Ventilnadel 32 vom Ventilsitz 27 vom
Kraftstoffdruck des Druckraums 26 beaufschlagt wird.
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Im
Ventilhaltekörper 3 ist
ein Federraum 50 ausgebildet, in dem eine äußere Schließfeder 52 unter
Druckvorspannung so angeordnet ist, dass sie die Ventilnadel 32 in
Richtung des Ventilsitzes 27 beaufschlagt. Koaxial zur äußeren Schließfeder 52 ist
im Federraum 50 eine innere Schließfeder 54 angeordnet,
die ebenfalls unter Druckvorspannung angeordnet ist und die über einen
Federteller 58 und einen Kolben 56 die Ventilinnennadel 34 in
Richtung des Ventilsitzes 27 beaufschlagt. Bei der in 1 gezeigten Position der
Ventilnadel 32 und der Ventilinnennadel 34 werden
sämtliche
Einspritzöffnungen 29, 30 verschlossen.
Hebt die Ventilnadel 32 vom Ventilsitz 27 ab,
so strömt
Kraftstoff aus dem Druckraum 26 in Richtung der Einspritzöffnungen 29, 30 und
wird durch die äußeren Einspritzöffnungen 29 in
den Brennraum eingespritzt. Hebt auch die Ventilinnennadel 34 vom
Ventilsitz 27 ab, so wird Kraftstoff durch sämtliche
Einspritzöffnungen 29, 30 in
den Brennraum eingespritzt.
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Das
Kraftstoffeinspritzsystem beinhaltet einen Kraftstofftank 10,
aus dem über
eine Zuleitung 12 mittels einer Hochdruckpumpe 14 Kraftstoff
in einen Hochdrucksammelraum 15 gefördert wird. Die Hochdruckpumpe 14 ist
dabei so ausgebildet, dass im Hochdrucksammelraum 15 ein
vorgegebener, konstanter Hochdruck aufrecht erhalten wird. Vom Hochdrucksammelraum 15 gehen
gemäß der Anzahl der
Kraftstoffeinspritzventile mehrere Kraftstoffleitungen 17 ab,
von denen in 1 nur eine
exemplarisch ganz dargestellt ist. Die Kraftstoffleitung 17 mündet in einen
Zulaufkanal 22, der im Ventilkörper 5 ausgebildet
ist und welcher wiederum in die radiale Erweiterung des Druckraums 26 mündet, wobei
der Zulaufkanal 22 und der Druckraum 26 den Hochdruckbereich
des Kraftstoffeinspritzventils bilden. In der Kraftstoffleitung 17 ist
ein Zumessventil 20 ausgebildet, das als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet
ist und über
das die Kraftstoffleitung 17 verschlossen oder geöffnet werden
kann.
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Vom
Zulaufkanal 22 zweigt eine Bohrung 42 ab, die
in einen im Gehäuse 2 ausgebildeten
Dämpfungsraum 40 mündet. Im
Dämpfungsraum 40 ist
ein Dämpfungskolben 44 angeordnet,
der im Dämpfungsraum 40 längsverschiebbar
ist. 2a zeigt eine vergrößerte Darstellung
des Dämpfungskolbens 44 mit
dem Dämpfungsraum 40.
Bei entsprechender Druckbeaufschlagung der Stirnseite 45 des
Dämpfungskolbens 44 bewegt
sich der Dämpfungskolben 44 entgegen
der Kraft einer Schließfeder 46,
die in einem Federraum 47, der sich unmittelbar an den Dämpfungsraum 40 anschließt, angeordnet
ist. Hierdurch nimmt der Dämpfungskolben
die Stellung ein, die in 2b dargestellt
ist. Am Ende des Dämpfungsraums 40 ist
eine Schulter 49 ausgebildet, die die Längsbewegung des Dämpfungskolbens 44 begrenzt
und so als Anschlag wirkt, was in 2c gezeigt
ist. Vom Federraum 47 führt
eine Leckölleitung 48 ab,
die in den Kraftstofftank 10 mündet und in der stets ein niedriger
Kraftstoffdruck herrscht, der im wesentlichen dem Druck im Kraftstofftank 10 entspricht.
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Die
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzsystems ist wie folgt: Soll
eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine
erfolgen, so wird das Zumessventil 20 betätigt, so
dass der Hochdrucksammelraum 15 über die Kraftstoffleitung 17 mit
dem Druckraum 26 verbunden wird. Hierdurch steigt der Druck
im Druckraum 26 an, so dass sich eine entsprechende hydraulische
Kraft auf die Druckschulter 36 der Ventilnadel 32 ergibt.
So bald diese hydraulische Kraft größer ist als die Kraft der äußeren Schließfeder 52,
bewegt sich die Ventilnadel 32 vom Ventilsitz 27 weg
und gibt die äußeren Einspritzöffnungen 29 frei.
Wird das Zumessventil 20 gleich darauf wieder geschlossen,
so kann sich nur ein relativ geringer Druck im Druckraum 26 aufbauen, der
zwar ausreicht, die Ventilnadel 32 in ihre Öffnungsstellung
zu bewegen, jedoch nicht die Ventilinnennadel 34. Durch
das Schließen
des Zumessventils 20 sinkt der Druck im Druckraum 26 wieder
ab, und die Ventilnadel 32 gleitet zurück in ihre Schließstellung.
Soll hingegen durch sämtliche
Einspritzöffnungen 29, 30 Kraftstoff
eingespritzt werden, so bleibt das Zumessventil 20 länger geöffnet. Hierdurch baut
sich ein höherer
Druck im Druckraum 26 auf, so dass schließlich auch
der Öffnungsdruck
der Ventilinnennadel 34 erreicht wird, bei der die Beaufschlagung
einer entsprechenden Druckfläche
ausreicht, die Ventilinnennadel vom Ventilsitz 27 entgegen
der Kraft der inneren Schließfeder 54 abzuheben.
Zur Beendigung der Einspritzung wird wiederum das Zumessventil 20 geschlossen.
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Sowohl
bei der Einspritzung nur durch die äußeren Einspritzöffnungen 29 als
auch bei der Einspritzung durch sämtliche Einspritzöffnungen 29, 30 können Druckschwingungen
im Druckraum 26 auftreten, die im Bereich des Öffnungsdrucks
der Ventilinnennadel 34 liegen. Hierdurch kann es zum einen vorkommen,
dass die Ventilinnennadel 34 bedingt durch diese Druckschwingungen
kurzzeitig öffnet und
so unkontrolliert Kraftstoff in den Brennraum gelangt. Außerdem wird
der Öffnungszeitpunkt
der Ventilinnennadel 34 unbestimmt, da durch die Druckschwingungen
nicht genau bekannt ist, wann der Druck im Druckraum 26 den Öffnungsdruck
erreicht. Eine genaue Zumessung des Kraftstoffs, wie es für einen
optimalen Verbrennungsvorgang unerlässlich ist, wird so unmöglich.
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Zur
Vermeidung dieser Druckschwingungen ist der Dämpfungskolben 44 vorgesehen,
der im Dämpfungsraum 40 angeordnet
ist und dessen Stirnseite 45 über eine Bohrung 42 mit
dem Zulaufkanal 22 verbunden ist und damit auch mit dem Druckraum 26.
Die Vorspannung des Federelements 46 wird hierbei so gewählt, dass
der Schwelldruck im Dämpfungsraum 40,
bei dem sich der Dämpfungskolben 44 in
Bewegung setzt, unterhalb des Öffnungsdrucks der
Ventilinnennadel 34 liegt und der Enddruck, bei dem der
Dämpfungskolben 44 an
einer Schulter 49 im Dämpfungsraum 44 zur
Anlage kommt, etwas höher
als der Öffnungsdruck
der Ventilinnennadel 34 ist. Treten nun Druckschwingungen
im Zulaufkanal 22 bzw. im Druckraum 26 auf, die
im Druckbereich zwischen dem Schwelldruck und dem Enddruck des Dämpfungskolbens 44 liegen,
so bewegt sich der Dämpfungskolben 44 entsprechend
und dämpft
so die Druckschwingungen, da bei einem Ausweichen des Dämpfungskolbens 44 der
Druck gemindert wird, während
sich der Druck beim Zurückschwingen
des Dämpfungskolbens 44,
angetrieben durch das Federelement 46, im Zulaufkanal 22 bzw.
im Druckraum 26 wieder erhöht. Durch diesen Dämpfungsmechanismus
werden die oben genannten Nachteile vermieden und ein exaktes Öffnen der
Ventilinnennadel 34 wird möglich.
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Der
Dämpfungskolben 44 ist
auch dann sinnvoll und kann vorgesehen sein, wenn statt zweier Ventilnadeln,
wie in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel,
nur eine Ventilnadel angeordnet ist, die druckgesteuert, d.h. durch
den Druck im Druckraum 26, bewegt wird. Druckschwingungen
können in
den Einspritzsystemen durch verschiedene Faktoren ausgelöst werden,
beispielsweise durch ein Schalten des Ventils oder, wie oben dargestellt,
durch eine Kraftstoffmenge, die plötzlich in Bewegung gesetzt
oder abgebremst wird. Damit das Kraftstoffeinspritzsystem einwandfrei
funktioniert ist es stets wichtig und unabdingbar, dass die Ventilnadel
zu einem festgesetzten Zeitpunkt öffnet und die vorgesehene Kraftstoffmenge
in den Brennraum einspritzt. Nur durch das Vermeiden solcher Druckschwingungen
lässt sich
dies zuverlässig
und bei allen Betriebspunkten erreichen.