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Kraftstoff-Einsritzdüse für Brennkraftmaschinen
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoff-Einspritzdüse
für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei diesen Einspritzdüsen
wird die Öffnungsbewegung der Ventilnadel zumindest über einen Teilhub hinweg dadurch
verzögert bzw. gedämpft, daß der Kraftstoff nur gedrosselt in den sich dabei vergrößernden
oder verkleinernden Dämpfungsraum nachströmen bzw. aus diesem Raum austreten kann.
Beim Schließhub der Ventilnadel ist dafür zu sorgen, daß die Ventilnadel ohne Behinderung
durch die Dämpfungsmittel rasch in ihre Schließstellung zurückkehren kann. Bei einer
bekannten Einspritzdüse der gattungsgemäßen Art (DE-A-31 20 060) ist dies dadurch
erreicht, daß der Kolben über eine Schleppverbindung mit der Ventilnadel gekoppelt
ist, welche beim Rückhub der Ventilnadel unterbrochen ist und den Kolben unter dem
Einfluß einer eigenen Rückführfeder in die Ausgangsstellung zurückkehren läßt. Der
Dämpfungsraum
ist durch eine Sackbohrung im Düsenhalter gebildet,
in welcher der Kolben mit definiertem Radialspiel verschiebbar gelagert ist. Bei
dieser Ausführung ist der Kolben ein zusätzliches Teil und seine Rückführfeder benötigt
zusätzlich Platz in Achsrichtung der Einspritzdüse. Die Schleppverbindung zwischen
Ventilnadel und Kolben muß ein genügend großes radiales Spiel haben, damit der Kolben
nicht an der Bohrungswand des Düsenhalters klemmt und das einwandfreie Arbeiten
der Ventilnadel behindert. Das Ankoppeln der Schleppverbindung ist zudem mit Verschleiß
verbunden.
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Die Ausführungsbeispiele nach dem Hauptpatent (Patentanmeldung P 32
20 398.5) haben demgegenüber den Vorteil, daß sich die den Dämpfungsraum bilde-nde
Kappe in radialer Richtung unmittelbar am Kolben zentriert, so daß zwischen der
Kappe und den sie umgebenden Wänden des Düsenhalters ein genügend großes radiales
Spiel vorgesehen und dadurch ein Klemmen der Teile mit Sicherheit vermieden werden
kann. Der Kolben kann daher zumindest mit der zum Angriff der Schließfeder dienenden
Stützscheibe einstückig verbunden oder, wenn eine zusatzliche Dämpfung durch Massenkräfte
nicht angestrebt wird, vorzugsweise auch durch die Ventilnadel selbst bzw. durch
deren von der Spritzöffnung abgekehrten Endabschnitt gebildet sein. In beiden Fällen
wird ein besonderes Teil zur Bildung des Kolbens und eine Schleppverbindung zwischen
Ventilnadel Wnd Kolben eingespart.
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Durch die im Volumen des Druckraumes integrierte Kappe wird eine,
den Förderstrom beeinflußende Volumenverdrängung durch Kolbenwirkung vermieden.
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Bei den Ausführungsbeispielen des Hauptpatents bleibt jedoch der Durchgangsquerschnitt
des Drosselkanals über den gesamten ersten Teilhub der Ventilnadel vollständig oder
nahezu vollstandig gleich, was in manchen Anwendungsfällen dazu führt, daß der für
den unteren Leerlauf-Betriebspunkt ausgelegte Drosselkanal bei Drehzahlanstieg und
zunehmendem Ventilnadelhub stärker als erwünscht drosselt und die Ventilnadel bei
ihrer Öffnungsbewegung hemmt.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Drosselwirkung
bereits während des ersten Teilhubes der Ventilnadel einen nachgebenden Verlauf
hat, so daß mit steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine und zunehmendem Ventilnadelhub
die Drosselung insgesamt schwächer wird. Durch entsprechende geometrische Gestaltung
des Drosselkanals bzw. des den Drosselkanal steuernden Teils kann die Intensität
der Querschnittszunahme des Drosselkanals bis zur höchsten Drehzahl der Brennkraftmaschine
auf die Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsfalles abgestimmt werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der im Hauptansp-ruch angegebenen Anordnung möglich.
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Eine einfache Ausführung ergibt sich, wenn der Drosselkanal von mindestens
einem Durchbruch in der Mantelwand der Kappe gebildet ist, welcher durch den Kolben
in Schließlage der Ventilnadel mindestens teilsweise
überdeckt ist.
In diesem Fall steuert der Kolben selbst den Durchgangsquerschnitt des Drosselkanals.
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Eine progressive Abnahme der Drosselwirkung läßt sich durch Anordnung
der in den Ansprüchen 3 bis 6 aufgeführten Merkmale erreichen.
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Zur exakten Bestimmung der Anfangsdrosselung wird erfindungsgemäß
weiter vorgeschlagen, daß außer dem vom Kolben bzw. von einem mit dem Kolben verbundenen
Teil gesteuerten Drosselkanal mindestens ein weiterer zusätzlicher Drosselkanal
mit unveränderlichem Durchgangsquerschnitt vorgesehen ist. In diesem Falle kann
der gesteuerte Drosselkanal in Schließstellung der Ventilnadel auch vollkommen geschlossen
sein. Der zusätzliche Drosselkanal mit dem unveränderlichen Durchgangs querschnitt
kann vorteilhaft durch eine Feinstbohrung in einem Lochstein gebildet sein, der
beispielsweise in den Boden der Kappe eingesetzt ist und aus synthetischem Saphir
besteht. Eine solche Bohrung kann mit bekannten Fertigungsmethoden mit kleinsten
Fertigungstoleranzen hergestellt werden.
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Die Verwendung eines Lochsteins aus synthetischem Saphir kann sich
auch bei den Ausführungsbeispielen des Hauptpatents empfehlen, bei denen ein zusätzlicher
Drosselkanal nicht vorgesehen ist. Auch kann der gesteuerte Drosselkanal in einem
Lochstein aus synthetischem Saphir gebildet sein, welcher bei spielsweise ebenfalls
im Boden der Kappe sitzt und in dessen Bohrung ein am Kolben angeformter Drosselzapfen
ragt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Drosselverbindung zwischen Dämpfungsraum
und Strömungsweg des Kraftstoffs kann vorteilhaft auch mit der Maßnahme kombiniert
werden, daß die den Dämpfungsraum umschließende Kappe einen Vorhub und einen Abstützpunkt
auf der Ventilnadel bzw. den Kolben erhält. Der Vorhub dient zur schnellen Einspritzung
der Anfangsmenge und zusammenwirkend mit der Abstützung zur Dämpfung der Nadelpreller
beim Schließen der Ventilnadel. Zur Abstimmung der Prellerdämpfungseigenschaften
kann die Masse des Dämpfungszylinders variiert werden.
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Zeichnung Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen Figur 1 einen
Längsschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel, Figur 2 vergrößert die Dämpfungsmittel
der Einspritzdüse nach Figur 1, und Figur 3 eine Seitenansicht der Dämpfungsmittel
in Richtung des Pfeiles A in Figur 2 gesehen, Figur 4 zeigt eine der Figur 3 entsprechende
Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels und in Figur 5 sind die Dämpfungsmittel
einer Einspritzdüse nach dem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Einspritzdüse nach den Figuren
1 bis 3 hat einen Düsenkörper 10, der durch eine Überwurfmutter 12 an einem Düsenhalter
14 festgespannt ist. Zwischen dem Düsenkörper 10 und dem Düsenhalter 14 ist eine
Hülse 16 angeordnet, welche eine nach innen gerichtete Schulter 18 hat, die eine
Kammer 20 von einer im Durchmesser größeren Kammer 22 im Inneren der Einspritzdüse
abteilt. Im Düsenkörper 10
ist ein Ventilsitz 24 gebildet und eine
Ventilnadel 26 verschiebbar gelagert, deren Dichtkegel 27 von einer Schließfeder
28 gegen den Ventilsitz 24 gedrückt ist.
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Die Schließfeder 28 stützt sich am Düsenkörper 10 ab und greift über
ein Flanschteil 30 an einer Stützscheibe 32 an, die sich ihrerseits an einer Schulter
34 der Ventilnadel 26 abstützt.
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Im Düsenhalter 14 ist eine Zulaufbohrung 36 gebildet, welche in die
Kammer 20 mündet die über einen von der Schulter 18 umgebenen Durchbruch 38 mit
der Kammer 22 verbunden ist. Aus dieser führt eine Bohrung 40 im Düsenkörper 10
in einen Ringraum 42, der zwischen der zentralen Bohrungswand des Düsenkörpers 10
und dem Mantelumfang eines im Durchmesser verkleinerten Abschnittes 44 der Ventilnadel
26 gebildet ist und unmittelbar bis vor den Ventilsitz 24 reicht. Zwischen dem Flanschteil
30 und dem Düsenkörper 10 ist in der dargestellten Schließlage ein Abstand h vorhanden,
g welcher dem Gesamthub der Ventilnadel 26 entspricht.
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Die Ventilnadel 26 wird vom Kraftstoffdruck entgegen der Schließfeder
28 nach außen in Öffnungsrichtung verschoben, bis der Flanschteil 30 am Düsenkörper
10 anschlägt. Beim Schließen des Ventils führt die Schließfeder 28 die Ventilnadel
26 nach innen in die dargestellte Schließlage zurück.
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An die Schulter 34 der Ventilnadel 26 schließt sich ein kolbenförmiger
Ansatz 46 an, welcher durch den Durchbruch 38 hindurchtritt und in die Kammer 20
ragt. Der Durchmesser des kolbenförmigen Ansatzes 46 entspricht dem Führungsdurchmesser
der Ventilnadel 26.
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Auf den Ansatz 46 ist eine Kappe 48 aufgesetzt, welche
einen
Boden 50, einen Mantelteil 52 und einen Flanschrand 54 hat. An der Kappe 48 greift
eine Rückholfeder 56 an, welche den Mantelteil 52 umgibt und den Flanschrand 54
gegen die Schulter 18 der Hülse 16 drückt.
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Im Flanschrand 54 und einem daran anschließenden Bereich des Mantelteils
52 der Kappe 48 sind Querschlitze 58 vorgesehen, durch welche der Kraftstoff aus
der Kammer 20 in die Kammer 22 übertreten kann. In der dargestellten Schließlage
der Ventilnadel 26 ist zwischen der Stirnseite des Ansatzes 46 und dem Boden 50
in der Kappe 48 ein Dämpfungsraum 60 gebildet, welcher über einen Drosselkanal 62
im Boden 50 mit der Kammer 20 ständig verbunden ist. Der Drosselkanal 62 ist durch
die zentrale Bohrung eines Lochsteins 64 gebildet, welcher aus synthetischem Saphir
besteht und in den Boden 50 fest eingeklebt oder eingepreßt ist. Im Mantelteil 52
ist ferner ein schmaler, im Querschnitt trapezförmiger Durchbruch 66 vorgesehen,
dessen Querschnittsprofil sich zum Flanschrand 54 hin erweitert und welcher in den
einen Querschlitz 58 einmündet. In der dargestellten Schließlage überdeckt der kolbenförmige
Ansatz 46 die Querschlitze 58 in der Kappe 48 in axialer Richtung um den Weg hv,
welcher dem nachstehend beschriebenen gedämpften Vorhub der Ventilnadel 26 entspricht.
Ferner ist in der Schließlage der Durchbruch 66 durch den Ansatz 46 vollständig
abgedeckt.
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Die dargestellte Einspritzdüse arbeitet wie folgt:
Am
Beginn des Öffnungshubes der Ventilnadel 26 ist der Dämpfungsraum 60 nur über den
Drosselkanal 62 mit der Kammer 20 und dem Strömungsweg des Kraftstoffs verbunden.
Die Kappe 48 kann der Öffnungsbewegung der Ventilnadel 26 nicht folgen, so daß eine
Druckdifferenz zwischen dem Dämpfungsraum 60 und der Kammer 20 entsteht, welche
die Bewegung der Ventilnadel 26 verzögert bzw.
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dämpft. Sobald die Ventilnadel 26 ein kleines Wegstück zurückgelegt
hat, beginnt der Ansatz 46 den Durchbruch 66 aufzusteuern, wonach eine weitere,
zunächst ebenfalls noch gedrosselte Verbindung des Dämpfungsraumes 60 mit der Kammer
20 geschaffen und die Dämpfungskraft gemindert wird. Mit zunehmendem Ventilnadelhub
wird der aufgesteuerte Querschnitt des Durchbruchs 66 progressiv größer und dadurch
die Dämpfungswirkung auf die Ventilnadel 26 entsprechend geringer. Wenn die Ventilnadel
26 den Weg h zurückgelegt hat, ist die Stirnseite des v Ansatzes 46 an den Beginn
der breiteren Querschlitze 5B gelangt. Von dort ab erfolgt der Resthub der Ventilnadel
ungedämpft, bis das Flanschteil 30 nach dem Gesamthub h g am Düsenkörper 10 anschlägt.
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Beim ersten Teilhub h wird Kraftstoff durch den Drosv selkanal 62
und den Durchbruch 66 in den Dãmpfungsraum 60 eingedrückt. Bei der Schließbewegung
der Ventilnadel 26 wird über das eingeströmte Kraftstoffpolster im Dämpfungsraum
60 die Kappe 48 mit nach oben genommen, wobei die Rückführfeder 56 der wesentlich
stärkeren Schließfeder 28 nur einen verhältnismäßig geringen Widerstand entgegensetzt.
Die Rückführfeder 56 kann im Hinblick auf Steifigkeit und Vorspannung so bemessen
werden, daß die in den Dämpfungsraum 60 ein geströmte Kraftstoffmenge vom Beginn
des Schließhubes
der Ventilnadel 26 bis zum Beginn des nächsten
Öffnungshubes entweder bis auf das Anfangs- oder ein bestimmtes Restvolumen aus
dem Dämpfungsraum 60 herausgedrückt wird. Die Kappe 48 kommt dabei entweder wieder
zur Anlage an der Schulter 18 oder bleibt drehzahlabhängig um einen Betrag von der
Schulter 18 entfernt, was die Dämpfungscharakteristik beeinflußt-und deren Anpassung
weitere Flexibilität verleiht.
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Die Kappe 48 zentriert sich auf der Ventilnadel 26 und hat ein ausreichend
großes radiales Spiel gegenüber dem Düsenhalter 14, so daß die Ventilnadel 26 klemmfrei
arbeiten kann. Die Rückführfeder 56 für die Kappe 48 erstreckt sich zum Teil über
die Kappe 48 hinweg, so daß bei dieser Ausführung die Mittel zum partiellen Dämpfen
des Öffnungshubes der Ventilnadel 26 nur wenig Platz in Achsrichtung der Einspritzdüse
benötigen.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist die Kappe 48 anstelle der
trapezförmigen Durchbrüche 66 mit parallel am Umfang liegenden Längsschlitzen 68,
69 versehen, deren dem Boden 50 der Kappe zugekehrte Enden in Achsrichtung zueinander
versetzt sind. Die Längsschlitze 68, 69 bilden miteinander den gesteuerten Drosselkanal;
sie werden vom kolbenförmigen Ansatz 46 beim Öffnungshub der Ventilnadel 26 zeitlich
nacheinander aufgesteuert, wodurch sich der gewünschte Querschnittsverlauf über
dem Ventilnadelhub ergibt. Die Längsschlitze 68, 69 liegen aus Fertigungsgründen
im Bereich von örtlichen Vertiefungen 70, welche außen im Mantelteil 52 der Kappe
48 vorgesehen sind.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist die Kappe 48 anstelle von
Durchbrüchen 66 im Mantelteil 52 mit einer größeren Bohrung 72 im Boden 50 versehen,
in welche ein
Zapfen T4 des kolbenförmigen Ansatzes 46 der Ventilnadel
26 hineinragt. Der Zapfen 74 ist in Achsrichtung gesehen derart profiliert, daß
sich ein im Durchmesser größerer Anfangsabschnitt 76 und ein im Durchmesser kleinerer
Endabschnitt 78 ergibt.
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Bei geschlossenem Ventil ragt, wie in Figur 5 dargestellt, der größere
Anfangsabschnitt 76 des Zapfens 74 in die Bohrung 72 hinein. Diese Teile sind so
aufeinander abgestimmt, daß ein geringer Restspalt 80 erhalten bleibt, über welchen
der Dämpfungsraum 60 mit der Kammer 20 (Figur 1) verbunden ist. Im Verlauf des Öffnungshubes
der Ventilnadel 26 tritt der Anfangsabschnitt 76 des Zapfens 74 aus der Bohrung
72 aus, wodurch sich wie gewünscht der Querschnitt der Bohrung 72 vergrößert.