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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist bereits bekannt und wird insbesondere in sogenannten „Common-Rail-Systemen” bei Diesel-Brennkraftmaschinen zur Dosierung des Kraftstoffes in die Brennräume der Brennkraftmaschine benutzt. Hierbei weist das bekannte Kraftstoffeinspritzventil ein stiftförmiges Einspritzdüsenelement auf, das wenigstens einen Kraftstoffaustrittkanal in einem Injektorgehäuse öffnet beziehungsweise schließt. Hierbei ist das dem wenigstens einen Kraftstoffaustrittskanal gegenüberliegende Ende des Einspritzdüsenelements in einem Ventilelement geführt, dessen dem wenigstens einen Kraftstoffaustrittskanal zugewandtes Ende hülsenförmig ausgebildet ist. Das Einspritzdüsenelement geht bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil im Endbereich des Ventilelements in einen im Durchmesser verringerten Abschnitt über. Von dem im Durchmesser reduzierten Abschnitt des Einspritzdüsenelements wird im Injektorgehäuse ein Hochdruckspeicherraum für Kraftstoff ausgebildet, der mit dem wenigstens einen Kraftstoffaustrittskanal Verbindung hat.
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Nachteilig bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist, dass dieses in dem Hochdruckraum relativ starke Druckschwingungen aufweist, die sich nachteilig auf die Dosiergenauigkeit des Kraftstoffs sowie die Geräuschemissionen auswirken.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dessen Druckschwankungen verringert werden, ohne dass dies zu Nachteilen bezüglich der Dosiergenauigkeit oder sonstigen Ventileigenschaften führt. Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, durch ein gegenüber dem Stand der Technik verlängertes Ventilelement den Übergangsbereich des Einspritzdüsenelements von dem ersten Bereich innerhalb des Ventilelements, in dem dieses einen relativ großen Durchmesser aufweist, auf den relativ hierzu geringeren Durchmesser innerhalb des Ventilelements anzuordnen. Es hat sich herausgestellt, dass sich die Druckschwankungen durch diese Maßnahme reduzieren lassen, ohne dass dies zu Nachteilen bezüglich der Dosiergenauigkeit des Kraftstoffs oder anderen Ventileigenschaften führt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausführung des Kraftstoffeinspritzventils ist es vorgesehen, dass sich an den Übergangsbereich innerhalb des Ventilelements ein Teilbereich des zweiten Abschnitts des Einspritzdüsenelements anschließt. Durch diese Maßnahmen lassen sich die Druckschwankungen im Hochdruckspeicherraum beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils weiter reduzieren.
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Vorteilhaft sowohl für die Druckschwankungen als auch für eine relativ einfache Herstellbarkeit des Ventilelements ist es, wenn der Innenbohrungsdurchmesser des Ventilelements im ersten und zweiten Abschnitt des Einspritzdüsenelements konstant ist.
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Um die Herstellkosten des Ventilelements möglichst gering zu halten, ist es darüber hinaus in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Ventilelement einstückig ausgebildet ist.
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Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass das Ventilelement zweiteilig ausgebildet ist und ein hülsenförmiges Verlängerungselement auf der der Steuerkammer gegenüberliegenden Seite aufweist.
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Im letztgenannten Fall kann die Verbindung zwischen den beiden Teilen des Ventilelements konstruktiv ausgebildet werden, indem das Verlängerungselement als Aufsteckhülse ausgebildet ist, die durch eine, insbesondere stoff- oder kraftschlüssige, Verbindung, insbesondere über einen umlaufenden Rand, mit dem Ventilelement verbunden ist.
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Vorteilhaft für die Druckschwankungen sowie für die Festigkeit des Einspritzdüsenelements ist es weiterhin, wenn der Übergangsbereich vom ersten auf den zweiten Abschnitt des Einspritzdüsenelements kontinuierlich erfolgt, insbesondere mittels eines kegelförmigen Übergangsbereichs.
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Um ein bekanntes Kraftstoffeinspritzventil nach dem Stand der Technik in ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil umzuwandeln, so dass dieses seine sonstigen Ventileigenschaften behält, ist es vorgesehen, dass das Injektorgehäuse zur Aufnahme des Einspritzdüsenelements eine Ausnehmung mit wenigstens zwei Bereichen aufweist, dass das Einspritzdüsenelement neben seiner Führung im Ventilelement in dem im Durchmesser kleineren Bereich der Ausnehmung geführt ist, dass im Bereich der Ausnehmung ein im Wesentlichen von dem Einspritzdüsenelement und dem Ventilelement begrenzter Hochdruckspeicherraum für Kraftstoff ausgebildet ist und, dass das Volumen des Hochdruckspeicherraums konstant gehalten ist, indem der im Durchmesser größere Bereich der Ausnehmung im Vergleich zu einem Kraftstoffeinspritzventil, bei dem der Übergangsbereich im Bereich des dem Steuerraum gegenüberliegenden Endes des Ventilelements angeordnet ist, um die Länge des den Übergangsbereich überragenden Abschnitts des Ventilelements verlängert ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigt in:
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1: ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil in einem vereinfachten Längsschnitt, und
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2: einen Ausschnitt des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der 1 im Bereich der Verlängerung des Ventilstücks bei einem gegenüber der 1 abgewandelten, zweiteiligen Ventilstück.
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Ein Kraftstoffeinspritzsystem trägt in der 1 insgesamt das Bezugszeichen 1. Das Kraftstoffeinspritzsystem 1 weist für jeden der Zylinder einer Brennkraftmaschine ein Kraftstoffeinspritzventil 10 auf. Mittels des Kraftstoffeinspritzventils 10 wird Kraftstoff direkt in einen ihr zugeordneten, jedoch nicht gezeichneten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Hierzu verfügt das Kraftstoffeinspritzventil 10 über einen Hochdruckanschluss 12, der an einen Druckspeicher 13 (”Rail”) angeschlossen ist, in dem Kraftstoff unter hohem Druck, beispielsweise etwa 2000 bar, gespeichert ist.
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Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ein Injektorgehäuse 14 auf, in dessen Längsachse eine Ausnehmung 15 ausgebildet ist. Hierbei gliedert sich die Ausnehmung 15 in zumindest zwei Abschnitte 16, 17, wobei der erste Abschnitt 16 einen größeren Durchmesser aufweist, als der zweite Abschnitt 17. In der Ausnehmung 15 ist unter anderem eine als Einspritzdüsenelement ausgebildete Düsennadel 20 angeordnet. An seinem in der 1 unterem Ende ist an der Düsennadel 20 eine Dichtkante 21 vorhanden, die mit einem gehäuseseitigen Einspritzventilsitz 22 zusammenarbeitet. Je nach Stellung der Düsennadel 20 wird von dem Kraftstoffeinspritzventil 10 über wenigstens einen Kraftstoffaustrittskanal 23 Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine abgegeben oder eine solche Abgabe unterbunden.
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Zwischen der Ausnehmung 15 und der Düsennadel 20 ist in der Ausnehmung 15 ein Hochdruckspeicherraum 24 gebildet, der über im Injektorgehäuse 14 ausgebildete Axialkanäle 25 und den Hochdruckanschluss 12 das Kraftstoffeinspritzventil 10 im Bereich des Einsspritzventilsitzes 22 mit Kraftstoff versorgt.
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Die Düsennadel 20 weist im Ausführungsbeispiel zumindest zwei Abschnitte 26 und 27 auf. Hierbei kennzeichnet die Bezugsziffer 26 einen ersten Abschnitt, der auf der der Dichtkante 21 gegenüberliegenden Seite der Düsennadel 20 angeordnet ist und einen größeren Durchmesser aufweist, als der sich daran über einen Zwischenabschnitt 29 anschließende zweite Abschnitt 27. Hierbei ist der Zwischenabschnitt 29 bevorzugt schräg beziehungsweise kegelförmig ausgebildet. Der erste Abschnitt 26 der Düsennadel 20 ist fluiddicht, aber im Gleitsitz, in einem als Ventilelement ausgebildeten Ventilstück 30 geführt, welches den Hochdruckspeicherraum 24 nach oben abschließt.
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Das Ventilstück 30 weist im Bereich der Aufnahme des ersten Abschnitts 26 der Düsennadel 20 einen hülsenförmigen Bereich 31 auf. Erfindungswesentlich ist, dass der hülsenförmige Bereich 31 in Richtung des zweiten Abschnitts 27 der Ausnehmung 15 derart verlängert ausgebildet ist, dass zumindest der Zwischenabschnitt 29 der Düsennadel 20 sich innerhalb des hülsenförmigen Bereichs 31 befindet. Bevorzugt ist jedoch eine Ausbildung des hülsenförmigen Bereichs 31, bei der dieser um eine Länge L2 (inklusive des Zwischenabschnitts 29) verlängert ist, wobei das Längenverhältnis L2/L1 beträgt: 1/3 < L2/L1 < 1/5 wobei L2/L1 besonders bevorzugt 1/4,15 beträgt, und wobei L1 als Länge ab Beginn des Zwischenabschnitts 29 bis zum Beginn des zweiten Abschnitts 17 der Ausnehmung 15 definiert ist.
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Weiterhin sollte der innere Durchmesser d2 des hülsenförmigen Bereichs 31 mehr als 50% des Durchmessers d1 des ersten Abschnitts 16 der Ausnehmung 15 betragen, um eine sichere Zuströmung von Kraftstoff in das Totvolumen zu gewährleisten.
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Die Verlängerung des hülsenförmigen Bereichs 31 über den Zwischenabschnitt 29 hinaus kenn entweder durch ein einteiliges Ventilstück 30, oder aber entsprechend der 2 durch eine Aufsteckhülse 33 ausgebildet sein, die zum Beispiel über einen umlaufenden Rand 38 mit dem Endbereich des Ventilstücks 30 durch Klemmschluss, oder in sonstiger Art und Weise kraft- oder stoffschlüssig mit dem Ventilstück 30 verbunden ist, so dass das Ventilstück 30 zweiteilig ausgebildet ist.
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Im Vergleich zu einem bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der im Durchmesser größere Abschnitt 16 der Ausnehmung 15 um die Länge, um die das Ventilstück 30 mit seinem hülsenförmigen Bereich 31 den Zwischenabschnitt 29 überragt, verlängert ausgebildet ist, so dass das Volumen des Hochdruckspeicherraums 24 im Vergleich zu einem konventionellen Kraftstoffeinspritzventil unverändert ist.
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Die in der 1 obere Stirnfläche der Düsennadel 20 bildet eine hydraulische Steuerfläche 32 aus, die im Ventilstück 30 einen hydraulischen Steuerraum 34 begrenzt. Zwischen einem Grund 35 des Injektorgehäuses 14 und einem umlaufenden Bund 36 der Düsennadel 20 ist eine Druckfeder 37 unter Vorspannung angeordnet, die die Düsennadel 20 in Schließrichtung gegen den Einspritzventilsitz 22 kraftbeaufschlagt.
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Der Druck in dem hydraulischen Steuerraum 34 wird durch die Stellung eines elektromagnetischen Steuerventils 40 beeinflusst. Letzteres verfügt über ein als Ventilkolben ausgebildetes Steuerventilelement 41, welches im Ventilstück 30 geführt ist. In seinem in der 1 oberen Ende ist am Steuerventilelement 41 ein Anker 42 angebracht, wobei in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel das Steuerventil 40 und der Anker 42 auch einstückig ausgeführt sein können. Der Anker 42 arbeitet mit einer elektromagnetischen Spule 43 zusammen. Das Steuerventilelement 41 wird von einer Ventilfeder 44 in seine geschlossene Stellung beaufschlagt. In dieser liegt es mit seinem in der 1 unteren Ende mit einer umlaufenden und im Wesentlichen radial außen liegenden Dichtkante 45 an einem im Ventilstück 30 als Flachsitz ausgebildeten Steuerventilsitz 46 an.
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Der Steuerventilsitz 46 ist in einer Steuerventilkammer 48 angeordnet, welcher über eine Zuströmdrossel 49 mit dem Hochdruckspeicherraum 24 in Verbindung steht. Auch der hydraulische Steuerraum 34 steht über eine solche Zuströmdrossel 51 mit dem Hochdruckspeicherraum 24 in ständiger Verbindung. Radial außerhalb vom Steuerventilsitz 46 mündet in die Steuerventilkammer 48 eine Verbindung (ohne Bezugszeichen) vom hydraulischen Steuerraum 34 her, in der eine Abströmdrossel 52 angeordnet ist. Das Steuerventilelement 41 wird in seiner Längsrichtung von einem Anschlusskanal 53 durchsetzt, der auf der Oberseite des Steuerventilelements 41 in einen Ankerraum 54 mündet, der wiederum mit einem Niederdruckanschluss 55 verbunden ist.
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Das soweit beschriebene Kraftstoffeinspritzventil 10 arbeitet wie folgt:
Im Ruhezustand wird das Steuerventilelement 41 von der Ventilfeder 44 mit der Dichtkante 45 gegen den Steuerventilsitz 46 gedrückt. Damit ist der hydraulische Steuerraum 34 vom Niederdruckanschluss 55 getrennt. Aufgrund der Verbindung über die Zuströmdrossel 51 zum Hochdruckspeicherraum 24 herrscht in ihm folglich der hohe Druck des Hochdruckspeicherraums 24. Durch die entsprechende, in Schließrichtung an der hydraulischen Steuerfläche 32 wirkende Kraft und die Kraft der Ventilfeder 37, die in Summe die an einer Druckfläche 56 in Öffnungsrichtung wirkende Kraft übersteigen, wird die Düsennadel 20 mit der Dichtkante 21 gegen den Einspritzventilsitz 22 gedrückt. Die Kraftstoffaustrittskanäle 23 sind daher vom Hochdruckspeicherraum 24 getrennt, es kann kein Kraftstoff austreten.
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Für eine Einspritzung wird die Spule 43 bestromt, sodass das Steuerventilelement 41 mit seiner Dichtkante 45 vom Steuerventilsitz 46 abhebt. Nun kann Kraftstoff vom hydraulischen Steuerraum 34 über die Abströmdrossel 52, die Steuerventilkammer 48 und den Anschlusskanal 53 zum Niederdruckanschluss 55 abströmen. Der Druck im Hochdruckspeicherraum 24 sinkt, und wenn die in Fließrichtung wirkenden Kräfte unterhalb der in Öffnungsrichtung an der Druckfläche 56 wirkenden Kraft liegen, hebt die Dichtkante 21 der Düsennadel 20 vom Einspritzventilsitz 22 ab. Nun kann Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicherraum 24 über die Kraftstoffaustrittskanäle 23 in den Brennraum abgegeben werden.
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Zum Beenden der Einspritzung wird die Bestromung der Spule 43 beendet, wodurch das Steuerventilelement 41 von der Ventilfeder 44 mit der Dichtkante 45 wieder gegen den Steuerventilsitz 46 gepresst wird. Die Verbindung der Steuerventilkammer 48 mit dem Niederdruckanschluss 55 ist somit unterbrochen. Über die Zuströmdrossel 49 steigt der Druck in der Steuerventilkammer 48 an und infolge und auch wegen der Zuströmdrossel 51 auch der Druck im hydraulischen Steuerraum 34. Sobald die in Fließrichtung wirkenden Kräfte die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft übersteigen, schließt die Düsennadel 20.
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Ergänzend wird erwähnt, dass das Kraftstoffeinspritzventil 10 in vielfältiger Art und Weise modifiziert beziehungsweise abgewandelt werden kann.