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Die
Erfindung betrifft ein Zumessventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und ein Kraftstoffeinspritzsystem nach den nebengeordneten Ansprüchen 5 und
6.
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Ein
derartiges Zumessventil ist aus der
US 3,802,626 bekannt.
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Zur
Einbringung von Kraftstoff in direkt einspritzende Dieselmotoren
werden heute oft Common-Rail-Einspritzsysteme verwendet. In Common-Rail-Einspritzsystemen
fördert
eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff in einen zentralen Hochdruckspeicher,
der als Common Rail bezeichnet wird. Von dem Rail führen Hochdruckleitungen
zu den einzelnen Einspritzdüsen,
die den Motorzylindern zugeordnet sind. Durch die Verwendung einer
gemeinsamen Pumpe für
alle Zylinder ist der Einspritzdruck über ein Kennfeld frei wählbar. Zur
Reduzierung der Emissionen und zur Erzielung hoher spezifischer
Leistungen ist ein hoher Einspritzdruck erforderlich. Zum Erreichen
von guten Abgaswerten wird von manchen Fahrzeugherstellern eine
druckgesteuerte Einspritzung bevorzugt. Bei herkömmlichen, druckgesteuerten
Common-Rail-Einspritzsystemen werden zur Zumessung des Kraftstoffs
zu den einzelnen Einspritzdüsen
3/2-Wege-Ventile
verwendet.
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Obwohl
das bekannte Zumessventil vollständig
druckausgeglichen ist, treten beim Schalten von hohen Drücken große Kraftsprünge auf,
die durch eine große
Aktorkraft und große
Federkräfte
ausgeglichen werden müssen.
Um eine Steuerung mit einem kleinen, schnellen Aktor zu ermöglichen,
ist ein aufwendiger hydraulischer Servomechanismus notwendig. Die
vollständig
druckausgeglichene Bauweise erfordert ein zweiteiliges Ventilgehäuse, bei
dem es jedoch schwierig ist, eine exakte axiale und parallele Übereinstimmung
der Ventilsitze zu erreichen, um ein hochdruckdichtes Schließen der
Ventilsitze zu gewährleisten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Funktion und die Qualität der Einspritzung
zu verbessern. Insbesondere soll auch bei hohen Einspritzdrücken ein dichtes
Schließen
der Ventilsitze des Zumessventils gewährleistet sein. Darüber hinaus
soll das erfindungsgemäße Zumessventil
einfach aufgebaut und kostengünstig
herstellbar sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1 sowie der nebengeordneten Ansprüche 5 und
6.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Kombination der beiden 2/2-Wege-Ventile liefert den Vorteil, dass
ein vollständig
druckausgeglichener Ventilkolbenverbund entsteht, der mit kleiner
Aktorkraft geschaltet werden kann. Dadurch kann der bei herkömmlichen
3/2-Wege-Ventilen erforderliche Servokreislauf mit Zu- und Ablaufdrossel
entfallen. Die beiden 2/2-Wege-Ventile können separat gefertigt werden,
wodurch auch bei hohen Drücken
eine ausreichende Dichtheit gewährleistet
werden kann. Es können
sogar zwei identische 2/2-Wege-Ventile verwendet werden, wodurch
der Fertigungsaufwand erheblich reduziert wird.
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Dadurch,
dass die beiden Steuerkolben auf einer gemeinsamen Achse geführt sind
und an ihren einander zugewandten Stirnseiten aneinander anliegen,
ist in einfacher Art und Weise gewährleistet, dass die im Betrieb
auftretenden Druckkräfte
von dem einen Steuerkolben auf den anderen Steuerkolben übertragen
werden und nur kleine Steuerkräfte benötigt werden.
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Eine
besondere Ausführungsart
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden 2/2-Wege-Ventile
in einem zweiteiligen Ventilgehäuse
jeweils als Sitzventil mit einem Steuerkolben ausgebildet sind,
der auf beiden Seiten des Ventilsitzes hin- und herbewegbar geführt ist.
Dabei befinden sich jeweils Ventilkolbenführung und Ventilsitz im selben Ventilgehäuse, wodurch
eine exakte Fertigbarkeit gewährleistet
ist. Die beidseitige Führung
stellt einen störungsfreien
Betrieb und eine hohe Lebensdauer des erfindungsgemäßen Zumessventils
sicher.
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Eine
weitere besondere Ausführungsart
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der einen der
voneinander abgewandten Stirnseiten der beiden Steuerkolben eine
Rückstellfeder
und auf der anderen der voneinander abgewandten Stirnseiten der
beiden Steuerkolben ein Aktor angeordnet ist. Dieser einfache Aufbau
führt zu
Erleichterungen bei der Montage des erfindungsgemäßen Zumessventils.
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Eine
weitere besondere Ausführungsart
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Steuerkolben über einen
hydraulischen Koppelraum miteinander in Verbindung stehen. Diese
Ausführungsart
liefert den Vorteil, dass die beiden Steuerkolben nicht auf einer
gemeinsamen Achse angeordnet sein müssen, sondern auch in einem
Winkel zueinander angeordnet sein können.
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Eine
weitere besondere Ausführungsart
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer
der Steuerkolben durch einen elektromagnetischen Aktor oder einen
Piezoaktor betätigbar
ist. Dadurch werden kurze Schaltzeiten ermöglicht.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Kraftstoff-Einspritzsystem
mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 6.
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In
weiterer vorteilhafter Anwendung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Zumessventil bei
einem Common-Rail-Einspritzsystem
mit einem zentralen Kraftstoffhochdruckspeicher, aus dem mit Hochdruck
beaufschlagter Kraftstoff zu mehreren Einspritzdüsen gelangt, durch die der
Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt
wird, eingesetzt.
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Bei
einer Variante eines erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzsystems
ist zwischen dem oder den Zumessventilen und den Einspritzdüsen jeweils ein
Druckübersetzer
vorhanden, so dass der Einspritzdruck erhöht und eine verbesserte Verbrennung erreicht
wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
verschiedene Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die
in den Ansprüchen
und in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Zeichnung:
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische Darstellung
eines Common-Rail-Einspritzsystems
mit einem Zumessventil gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Zumessventil gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 ein Zumessventil gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist der zentrale Kraftstoffhochdruckspeicher
eines Common-Rail-Einspritzsystems mit 1 bezeichnet. Von
dem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 führt eine Kraftstoffhochdruckleitung 2 zu
einem ersten 2/2-Wege-Ventil 3.
Das 2/2-Wege-Ventil 3 ist über eine Kraftstoffhochdruckleitung 4 und
eine Kraftstoffhochdruckleitung 5 mit einer Einspritzdüse 6 verbindbar.
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In
der Einspritzdüse 6 ist
eine Düsennadel 7 gegen
die Vorspannkraft einer Düsenfeder 8 axial verschiebbar
aufgenommen. An der Düsennadel 7 ist eine
umlaufende Druckschulter 10 ausgebildet, die in einen ringförmigen Druckraum 9 ragt.
Der Druckraum 9 wird je nach Ventilstellung über die
Kraftstoffhochdruckleitung 5 mit Kraftstoff versorgt. Wenn
der Druck in dem Druckraum 9 ausreicht, um die Vorspannkraft
der Düsenfeder 8 zu überwinden,
hebt die Düsennadel 7 von
ihrem Sitz ab und es wird Kraftstoff in einen mit 11 bezeichneten
Brennraum einer zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt.
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In
der in 1 dargestellten
Ventilstellung findet jedoch keine Einspritzung statt, weil der
Druckraum 9 der Einspritzdüse 6 über die
Kraftstoffhochdruckleitung 5, eine Kraftstoffhochdruckleitung 12 und
eine Leckageleitung 13 mit einem (nicht dargestellten)
Kraftstoffrücklauf
verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Kraftstoffhochdruckleitung 12 und der
Leckageleitung 13 wird über
ein zweites 2/2-Wege-Ventil 14 realisiert.
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In
dem ersten 2/2-Wege-Ventil 3 ist ein erster Steuerkolben 15 hin-
und herbewegbar aufgenommen. In dem zweiten 2/2-Wege-Ventil 14 ist ein zweiter
Steuerkolben 16 hin- und herbewegbar aufgenommen. Die beiden
Steuerkolben 15 und 16 sind in einem zweiteiligen
Ventilgehäuse
auf einer Achse so angeordnet, dass sie in einem von beiden Gehäusehälften gebildeten
Ringraum 17 mit ihren Stirnseiten aneinander anliegen.
Eventuell auftretende Leckage wird aus dem Ringraum 17 über eine
Leckageabführleitung 18 abgeführt.
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Der
erste Steuerkolben 15 weist einen ersten zylindrischen
Abschnitt mit einem Durchmesser d1 und einen zweiten zylindrischen
Abschnitt mit einem Durchmesser d2 auf. Die beiden zylindrischen
Abschnitte mit den Durchmessern d1 und d2 sind über ein Zwischenstück miteinander
verbunden. Der Durchmesser d1 ist am größten. Der Durchmesser d2 ist
etwas kleiner als der Durchmesser d1 und der Durchmesser des Zwischenstücks ist
am kleinsten ausgebildet. Der zweite Steuerkolben 16 umfasst ebenfalls
zwei zylindrische Abschnitte, die über ein Zwischenstück miteinander
verbunden sind. Der eine zylindrische Abschnitt hat einen Durchmesser
d3, der dem Durchmesser d1 entspricht. Der andere zylindrische Abschnitt
hat einen Durchmesser d4, der dem Durchmesser d2 entspricht.
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An
den ersten Steuerkolben 15 ist eine Ventilsitzkante 19 mit
dem Durchmesser d1 ausgebildet. Die Ventilsitzkante 19 wirkt
mit einer Ventilsitzfläche 20 zusammen,
die an dem Ventilgehäuse
ausgebildet ist. An dem zweiten Steuerkolben 16 ist eine
Ventilsitzkante 21 mit dem Durchmesser d3 ausgebildet. Die
Ventilsitzkante 21 wirkt mit einer Ventilsitzfläche 22 zusammen,
die an dem Ventilgehäuse
ausgebildet ist. Die beiden Ventilsitzflächen 20 und 22 sind
in zwei unterschiedlichen Gehäusehälften ausgebildet und
können
demzufolge separat bearbeitet werden.
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Die
Ventilsitzkante 19 und die Ventilsitzfläche 20 bilden zusammen
einen ersten Ventilsitz. Die Ventilsitzkante 21 und die
Ventilsitzfläche 22 bilden zusammen
einen zweiten Ventilsitz. Der zweite Steuerkolben 16 wird
mithilfe einer Rückstellfeder 23 so gegen
den ersten Steuerkolben 15 gedrückt, dass der erste Ventilsitz 19, 20 geschlossen
ist. Wenn der erste Ventilsitz 19, 20 geschlossen
ist, ist die Verbindung zwischen dem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 und
der Einspritzdüse 6 unterbrochen.
Gleichzeitig ist der zweite Ventilsitz 21, 22 geöffnet, so
dass der Druckraum 9 über
die Leitungen 14, 12 und 13 entlastet
wird.
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Wenn
ein Aktor 24 betätigt
wird, wird der erste Steuerkolben 15 und mit ihm der zweite
Steuerkolben 16 gegen die Vorspannkraft der Rückstellfeder 23 so
nach unten gedrückt,
dass die Ventilsitzkante 21 an der Ventilsitzkante 22 zur
Anlage kommt. Demzufolge wird der zweite Ventilsitz 21, 22 geschlossen und
die Verbindung zwischen dem Druckraum 9 der Einspritzdüse 6 und
der Leckageleitung 13 unterbrochen. Gleichzeitig wird der
erste Ventilsitz 19, 20 geöffnet. In dieser, in 1 nicht dargestellten Ventilstellung
gelangt der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher 1 über die
Kraftstoffhochdruckleitung 2 und die Kraftstoffhochdruckleitung 5 in
den Druckraum 9 der Einspritzdüse 6. Wenn der Druck
groß genug
ist, hebt die Düsennadel 7 von
ihrem Sitz ab und die Einspritzung erfolgt. Das erste 2/2-Wege-Ventil 3,
an dem das Rail angeschlossen ist, ist in 1 als nach innen öffnendes sogenanntes I-Ventil
ausgeführt.
Dabei bedeutet "nach
innen öffnend", dass sich der Steuerkolben 15 beim Öffnen des
ersten Ventilsitzes gegen die Kraftstoffströmungsrichtung verschiebt. Die
I-Ventile haben gegenüber
nach außen öffnenden
sog. A-Ventilen, bei denen die Öffnungsrichtung des
Ventilgliedes und die Strömungsrichtung
des beim Ventilöffnen
einsetzenden Kraftstoffschlusses gleichgerichtet sind, den Vorteil
der höheren
Betriebsstabilität,
da beim Öffnungsvorgang
auftretende, der Kraftstoffströmungsrichtung
entgegengesetzt gerichtete hydraulische Impulskräfte anders als beim A-Ventil öffnungsunterstützend wirken.
In der in 1 dargestellten
Schaltstellung ist der erste Ventilsitz 19, 20 geschlossen
und der Hochdruckraum R1 ist dabei vollständig druckausgeglichen. Im
Abflussraum R2 besitzt das erste 2/2-Wege-Ventil 3 notwendigerweise
eine Druckfläche
A2 = π/4 × (d12 – d22), da zur Fertigung des Ventilsitzes eine
Durchmesserverringerung von d1 auf d2 notwendig ist. Wenn der erste
Ventilsitz 19, 20 geöffnet wird, erfährt der
Steuerkolben 15 eine Druckkraft des Druckes in dem Raum
R2 auf die Fläche
A2.
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Das
zweite 2/2-Wege-Ventil 14 weist ebenfalls einen druckausgeglichenen
Raum R3 auf. In dem Raum R4 befindet sich nun wiederum eine Druckfläche A4 = π/4 × (d32 – d42), die sich aus der Durchmesserverringerung
von d3 auf d4 ergibt. Da der Raum R2 mit dem Raum R4 verbunden ist, herrscht
in beiden Räumen
das gleiche Druckniveau. Wenn die Druckflächen A2 und A4 gleich sind,
dann ist der komplette Ventilverbund vollständig druckausgeglichen. Dies
ermöglicht
eine Betätigung
mit geringer Aktorkraft durch einen Magnetaktor oder einen Piezoaktor.
Durch Verändern
einer Druckfläche
lässt sich
entweder eine öffnende
oder eine schließende hydraulische
Zusatzkraft erzeugen, die zur gezielten Optimierung des Schaltverhaltens
genutzt werden kann.
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Da
der Ventilraum R3 ebenfalls druckausgeglichen ist, beeinflusst ein
Gegendruck in der Leckageleitung 13 die Schaltfunktion
des Zumessventils nicht.
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Der
am Ende der Einspritzung über
die Leckageleitung 13 abgesteuerte Kraftstoff kann daher auch
für ein
hydraulisch unterstütztes
Schließen
der Düsennadel 7 verwendet
werden. Dazu kann ein sich aufstauender Gegendruck erzeugt werden,
der über eine
Druckfläche
an der Düsennadel 7 eine
Schließkraft
auf die Düsennadel 7 ausübt.
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Das
in 2 dargestellte Zumessventil ähnelt dem
in 1 dargestellten Zumessventil.
Der Einfachheit halber werden zur Bezeichnung gleicher Teile dieselben
Bezugszeichen verwendet. Außerdem
wird, um Wiederholungen zu vermeiden, auf die vorstehende Beschreibung
der 1 verwiesen und im
Folgenden nur auf die Unterschiede der beiden Ausführungsformen
eingegangen.
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Bei
der in 2 dargestellten
Ausführungsform
erfolgt die Betätigung
des Zumessventils nicht über
einen Magnetaktor, sondern über
einen Piezoaktor 24 und einen Koppelraum 25. Der
Dichtsitz 21/22 ist bei dieser Ausführungsform
mit dem Durchmesser d4 ausgebildet. Da die Leitung 12 bei
diesem Ausführungsbeispiel
in den Raum R4 mündet,
ist auch die Zumesseinheit vollständig druckausgeglichen.
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Die
in 3 dargestellte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Zumessventils
entspricht weitestgehend der in 1 dargestellten
Ausführungsform.
Um Wiederholungen zu vermeiden, wird im Folgenden nur auf die Unterschiede
zwischen den beiden Ausführungsformen
eingegangen.
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Bei
der in 3 dargestellten
Ausführungsform
ist das erste Ventil 3 als A-Ventil statt als I-Ventil wie
in 1 ausgeführt. An
dem Ventilgehäuse
ist eine Ventilsitzkante 30 mit dem Durchmesser d2 ausgebildet,
die mit einer Ventilsitzfläche 31 zusammenwirkt,
die an dem Steuerkolben 15 ausgebildet ist. Darüber hinaus
ist an dem Ventilgehäuse eine
Ventilsitzkante 32 mit dem Durchmesser d4 ausgebildet, die
mit einer Ventilsitzfläche 33 zusammenwirkt,
die an dem Steuerkolben 16 ausgebildet ist. Ansonsten funktionert
das in 3 dargestellte
Zumessventil wie das in 1 dargestellte
Zumessventil und wird auch über
einen Magnetaktor 24 betätigt. Der Aktor 24 und
die Feder 23 sind auf der selben Seite der Ventilkolben
angeordnet.
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Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.