Technisches Gebiet
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Bei Kraftstoffeinspritzsystemen für Verbrennungskraftmaschinen kommen vermehrt
Hochdruckeinspritzsysteme mit einem Hochdrucksammelraum (Common Rail) zum
Einsatz. Diese Hochdruckeinspritzsysteme bieten die Möglichkeit, die Kraftstoffinjektoren an
der Verbrennungskraftmaschine mit unter sehr hohem Druck stehendem Kraftstoff zu
versorgen, wobei das Hochdruckniveau nahezu konstant gehalten werden kann.
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Die Steuerung der Kraftstoffinjektoren erfolgt durch Magnetventile. Dabei wird in
geschlossenem Zustand des Kraftstoffinjektors die Ventilnadel eines
Kraftstoffeinspritzventils von in einem Steuerraum herrschenden Druck in Schließrichtung belastet. Das
Magnetventil arbeitet in bekannter Weise so, dass es zur Einleitung der Einspritzung eine
Entlastung des Steuerraumes einleitet, wenn der Magnet des Magnetventils erregt wird und
somit die Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils unter Einwirkung des andererseits an ihr
wirkenden Hochdrucks von ihrem Sitz abgehoben wird.
Stand der Technik
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Bekannte Magnetventile, wie sie beispielsweise gemäß der DE-A 196 50 865 in
geöffnetem Zustand in Fig. 1 dargestellt sind, weisen einen zweiteiligen Anker auf, welcher aus
einem Ankerbolzen und einer - gegen die Vorspannkraft einer Ankerfeder (sogenannte
Rückholfeder) - darauf vertikal verschiebbar gelagerten Ankerplatte besteht. Der
Ankerbolzen wird in einem Gleitstück geführt, das mit einem Flansch zwischen einem
Ventilstück und einer Ventilspannschraube im Ventilgehäuse fest eingespannt ist. Die Ankerfeder
stützt sich gehäusefest über den Flansch dieses Gleitstücks ab. Der Ankerbolzen ist mit
einem Ventilglied, welches häufig als Ventilkugel ausgebildet ist, gekoppelt.
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Beim Öffnen des Kraftstoffinjektors wird die Ankerplatte - durch den Elektromagneten
initiiert - entgegen der Schließrichtung des Kraftstoffeinspritzventils (Injektorventils) von
dem Gleitstück wegbewegt, wodurch der Ankerbolzen in vertikaler Richtung nach oben
bewegt wird, bis die Ankerplatte auf einem Anschlagring zu liegen kommt. Beim
Schließen des Kraftstoffinjektors wird die Ankerplatte durch die Rückstellkraft einer
Schließfeder (Ventilfeder) und durch die Rückstellkraft der Ankerfeder in Schließrichtung des
Injektorventils vertikal nach unten auf das Gleitstück zubewegt, bis das Ventilglied des
Magnetventils auf seinem Ventilsitz aufsitzt. Der dadurch in einem Steuerraum erzeugte
Druck sorgt dafür, dass wiederum die Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils fest in
ihrem entsprechenden Ventilsitz aufliegt und kein Kraftstoff in den Brennraum abgegeben
wird.
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Nachteilig ist das Nachschwingen der Ankerplatte nach einem Aufsetzen des Ventilglieds
auf seinem Ventilsitz. Durch ein solches Schwingen nimmt der Anker nach einer
Voreinspritzung eine undefinierte Lage ein, was zur Folge haben kann, dass es bei der
nachfolgenden Haupteinspritzung zu unterschiedlichen Öffnungszeiten des Magnetventils bei
gleicher Ansteuerung kommen kann, was eine Streuung der Einspritzmengen verursacht.
Gleichmäßigere Öffnungszeiten des Magnetventils lassen sich durch Einbau eines Müller-
Dämpfers, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, erzielen.
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Ein Müller-Dämpfer weist eine zusätzliche Dämpfer-Feder und eine Dämpfer-Platte auf,
wodurch ein Nachschwingen des Ankers weitgehend unterdrückt werden kann. Es lassen
sich so kurze Schaltzeiten realisieren, jedoch muss die Ventilspannschraube entsprechend
modifiziert werden. Die Öffnungszeiten sind zwar so kurz, dass sich zwei
Einspritzvorgänge hintereinander, meist eine Vor- und eine Haupteinspritzung, problemlos - zuverlässig
reproduzierbar - durchführen lassen, mehr als zwei Einspritzungen hintereinander lassen
sich jedoch nicht durchführen, da sich die Eigenfrequenzen der Dämpfer-Platte und der
Dämpfer-Feder und die Schalt- und Öffnungszeiten des Ventils gegenseitig beeinflussen.
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Da die komplette Flammenfront im Brennraum erst mit einer gewissen Zeitverzögerung ab
Einspritzung gebildet wird, ist es günstig, wenn zuerst nur eine geringe Menge an
Kraftstoff - als sogenannte Voreinspritzung - in den Brennraum gelangt. Ist dies nicht der Fall,
so kommt es zum ungünstigen Zündungsverzug. Mehr als zwei Einspritzungen sind
besonders vorteilhaft, da dadurch die Verbrennung des Kraftstoffs weiter optimiert und somit der
Kraftstoffverbrauch weiter gesenkt werden kann; denn dadurch läßt sich die
Kraftstoffmenge noch genauer an den Verbrennungsvorgang anpassen.
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Darstellung der Erfindung
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, eine Dämpfung der Ankerplatte mit
einem in Schließrichtung des Kraftstoffeinspritzventils vor der Ankerplatte befindlichen
Dämpfungssystem enthaltend einen Dämpfungsring und einen Sicherungsring zu
bewirken, können bei produktionstechnisch einfacher Fertigung der Bauteile sehr kurze
Schaltzeiten realisiert werden. Dadurch können in sehr kurzen Zeitabständen von wenigen µsec
hintereinander mehr als zwei Einspritzvorgänge realisiert werden. Die Ankerfeder sowie
eine gegebenenfalls vorhandene Müller-Dämpfer-Feder und Müller-Dämpfer-Platte
entfallen bei dem erfindungsgemäßen Magnetventil. Zudem ist die Ventilspannschraube, die
beim Vorhandensein eines Müller-Dämpfers zusätzlich modifiziert werden muss,
gegenüber bekannten Magnetventilen vereinfacht ausgebildet. Dies führt zu einer weiteren
Kostenersparnis beim Bau des erfindungsgemäßen Magnetventils. Von dem
Dämpfungssystem ausgehend wird - im Vergleich zu einer in herkömmlichen Systemen vorhandenen
Ankerfeder - keine Schließkraft auf das Injektorventil des Einspritzsystems ausgeübt. Beim
Öffnen eines herkömmlichen Magnetventils muss bei einer sich am Gehäuse abstützenden
Ankerfeder nicht nur Kraft zur Bewegung der Ventilfeder, sondern auch Kraft zur
Bewegung der Ankerfeder und bei gegebenenfalls vorhandenem Müller-Dämpfer auch Kraft zur
Bewegung der Dämpfer-Feder aufgebracht werden. Hingegen ist bei Verwendung eines
erfindungsgemäßen Dämpfungssystems nur Kraft zur Bewegung der Ventilfeder
notwendig. Die Einstellung der Vorspannkraft ist bei Vorhandensein eines erfindungsgemäßen
Dämpfungssystems in weiteren Bereichen möglich als bei Vorhandensein einer
Ankerfeder, da nur die Federkraft der Schließfeder (Ventilfeder) berücksichtigt werden muss.
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Der Dämpfungs- und der Sicherungsring umgeben den Ankerbolzen ringförmig. Ihre
Geometrien können leicht den Dimensionen der Ankerplatte angepaßt werden. Hierbei ist
eine große Variabilität möglich. Üblicherweise wird der Dämpfungsring ankerplattenseitig
den Dimensionen der Ankerplatte angepaßt, während er auf der gegenüberliegenden
Sicherungsringseite flach auf dem im allgemeinen flachen Sicherungsring aufliegt. Der
Sicherungsring ist als Stützplatte ausgebildet und ortsfest mit dem Ankerbolzen verbunden. Der
Dämpfungsring ist aus elastischem Material ("Elastomer-Ring") wie Viton aufgebaut. Der
Sicherungsring (die Stützplatte) besteht im allgemeinen aus demselben Material wie der
Ankerbolzen. Über die Elastomereigenschaften des Dämpfungsrings und die Stärke des
Dämpfungs- und Sicherungsrings kann der Dämpfungsgrad - individuell und einfach -
gezielt eingestellt werden. Eine exakte Einstellung auf den Überhub der Ankerplatte, wie sie
zum Beispiel bei Verwendung eines Müller-Dämpfers nötig ist, entfällt. Wird zusätzlich
ein in Schließrichtung des Kraftstoffeinspritzventils hinter der Ankerplatte und vor dem
Anschlagring (der auch ortsfest mit dem Ankerbolzen verbunden sein kann) liegender
zweiter Dämpfungsring eingebaut, so kann damit eine zusätzliche Dämpfung im
Öffnungsverhalten des Ankers erreicht werden.
Zeichnungen
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es zeigt:
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Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Kraftstoffinjektors mit einem
herkömmlichen Magnetventil, wobei die auf dem Ankerbolzen verschiebbar gelagerte
Ankerplatte mit dem Gleitstück, in dem der Ankerbolzen geführt wird, über
eine Ankerfeder gekoppelt ist;
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Fig. 2 ein - in Fig. 1 gezeigtes - herkömmliches Magnetventil als Ausschnitt eines
Kraftstoffinjektors, wobei der Anker durch Einbau eines Müller-Dämpfers
modifiziert wurde;
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Fig. 3 eine erste Ausführungsvariante eines Magnetventils;
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Fig. 4 eine zweite Ausführungsvariante eines Magnetventils mit einem zusätzlichen
zweiten Dämpfungsring.
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Fig. 1 und 4 zeigen die Ventile in geöffnetem Zustand, Fig. 2 und 3 zeigen die Ventile in
geschlossenem Zustand.
Ausführungsvarianten
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Fig. 1 zeigt einen Kraftstoffinjektor 1 mit einem Einspritzventil 2, welches über ein
Magnetventil 3, beispielsweise gemäß der EP-A 0 690 223, gesteuert wird. In geöffnetem
Zustand des Kraftstoffinjektors wirkt auf die auf dem Ankerbolzen 27 verschiebbar gelagerte
Ankerplatte 28 durch den Elektromagneten 29 eine Kraft derart, dass diese gegen die Kraft
der Schließfeder (Ventilfeder) 31 und die Kraft der Ankerfeder (Rückholfeder) 35
angehoben wird. Die Ankerfeder 35 koppelt die Ankerplatte 28 mit einem Gleitstück 34, in dem
der Ankerbolzen 27 geführt wird. Bei geöffnetem Ventil liegt die Ankerplatte 28 an der -
dem Ventilglied 25 abgewandten - Seite am Anschlagring 26 an. Dieser Öffnungshub kann
durch den Einstellring 38 variabel eingestellt werden, während der Einstellring 7 zur
Einstellung der Restluftspalte und die Einstellscheibe 42 zur Einstellung der Ventilfederkraft
dienen. Bei der Öffnung des Ventils wird gleichzeitig mit der Ankerplatte der Ankerbolzen
und damit auch das Ventilglied 25 von seinem Ventilsitz 24 abgehoben, wie in Fig. 1
dargestellt, da das Ventilglied 25 mit dem Ankerbolzen 27 gekoppelt ist. Durch den
Öffnungshub wird auch die Drosselbohrung 15 verschlossen, so dass kein Kraftstoff mehr aus
dem Hochdruckspeicher (Common Rail, nicht dargestellt) über den Anschlußstutzen 4 und
den Ringraum 16 in den Steuerraum 14 fließen kann. Der Steuerraum 14 ist somit von der
weiteren Kraftstoffzufuhr abgeschnitten. Da gleichzeitig mit Schließen der Drosselbohrung
15 die Ablaufdrossel 18 geöffnet wird, entlädt sich der im Steuerraum 14 herrschende
Druck in den Entlastungsraum 19. Durch den Druckverlust im Steuerraum 14 wird der auf
den im Ventilstück 12 des Injektorgehäuses 5 entlang der Zylinderbohrung 11 geführten
Ventilkolben 6 wirkende Druck und damit die Kraft verringert, was zu einem Hub der
Ventilnadel (nicht dargestellt) und damit zu einem Öffnen der Einspritzöffnungen führt, da
jetzt die Kräfte überwiegen, die eine Öffnung der Ventilnadel bewirken. Dadurch wird
Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt (nicht dargestellt).
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Beim Schließen des Magnetventils wird die Ankerplatte 28 und damit auch der
Ankerbolzen 27 durch die Rückstellkraft der Ventilfeder 31 und der Ankerfeder 35 in
Schließrichtung des Einspritzventils bewegt, bis - aufgrund der Kopplung des Ankerbolzens 27 mit
dem Ventilglied 25 - das Ventilglied auf seinem Ventilsitz 24 aufliegt. Dadurch wird die
Ablaufdrossel 18 geschlossen; es kann wieder Kraftstoff von dem Hochdrucksystem in den
Steuerraum 14 fließen, so dass der dann anliegende Druck die Ventilnadel des
Einspritzsystems in ihren Ventilsitz drückt und dadurch die Kraftstoffzufuhr zum Brennraum
verschließt.
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Das in Fig. 1 dargestellte System kann zur Optimierung durch den bautechnisch
aufwendigen Müller-Dämpfer erweitert werden. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Der Müller-
Dämpfer weist eine Dämpfer-Feder 50 und eine Dämpfer-Platte 51 auf. Beim Öffnen des
Ventils nimmt hier die Dämpfer-Platte 51 den vom Elektromagneten 29 ausgelösten
Impuls auf und bewegt sich - unter Mitnahme der Ankerplatte 28 - entgegen der
Schließrichtung des Magnetventils. Die Verwendung eines Müller-Dämpfers hat zur Folge, dass die
Ventilspannschraube 52 entsprechend modifiziert werden muss. Da hier drei Federn -
Ventilfeder, Ankerfeder und Dämpfer-Feder - zur Öffnung des Ventils bewegt werden
müssen, ist ein größerer Kraftaufwand zur Öffnung nötig als im System der Fig. 1.
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In dem erfindungsgemäßen System gemäß Fig. 3 entfallen sowohl Ankerfeder 35 als auch
gegebenenfalls Dämpfer-Feder 50 und Dämpfer-Platte 51 sowie die Einstellscheibe 38.
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Statt dessen wird in Schließrichtung vor der Ankerplatte 28 ein Dämpfungssystem
enthaltend einen ersten Dämpfungsring 47 und einen Sicherungsring 48 am Ankerbolzen 27
angebracht. Der Ankerbolzen 27 ist hier - ebenso wie in dem in Fig. 4 dargestellten
Magnetventil - derart modifiziert, daß der Anschlagring 26 und der Ankerbolzen 27 einteilig
ausgebildet sind, indem der Anschlagring 26 ortsfest am Ankerbolzen 27 befestigt ist.
Anschlagring und Ankerbolzen können jedoch sowohl hier als auch in dem Magnetventil
gemäß Fig. 4 - wie in Fig. 1 dargestellt - zweiteilig ausgebildet sein. Ist das Magnetventil
geschlossen, so liegt die Ankerplatte 28 auf dem durch den Sicherungsring 48 am
Ankerbolzen 27 abgestützten Dämpfungsring 47 auf. Um das Einspritzventil 2 zu öffnen, wird,
durch den Elektromagneten 29 initiiert, die Ankerplatte 28 - im Vergleich zum System der
Fig. 1 und 2 lediglich - entgegen der Kraft der Ventilfeder 31 nach oben gehoben und
dabei die Ventilfeder 31 gestaucht. Der Kraftaufwand zur Öffnung des Einspritzventils 2
ist geringer als in den bekannten Systemen. Die Einstellung der Vorspannkraft der
Ventilfeder 31 ist damit in größeren Toleranzen möglich. Gleichzeitig wird jedoch durch den
ersten Dämpfungsring 47 und den Sicherungsring 48 eine effektive Dämpfung beim
Schließen des Magnetventils erzielt und ein Nachschwingen des Ankers unterdrückt. Der
Dämpfungsgrad kann über die Elastomereigenschaften des Dämpfungsring und die Stärke
von Dämpfungs- und Stützring gezielt eingestellt werden. Wird das Magnetventil
geschlossen, so wird die Ankerplatte 28 durch die Rückstellkraft der Ventilfeder 31 in
Schließrichtung des Einspritzventils bewegt.
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In dem in Fig. 4 dargestellten erfindungsgemäßen Magnetventil ist in Schließrichtung des
Einspritzventils hinter der Ankerplatte 28 und vor dem am Ankerbolzen 27 ortsfest
befestigten Anschlagring 26 ein zusätzlicher zweiter Dämpfungsring 49 eingebaut. Dieser kann
aus demselben Material wie der erste Dämpfungsring 47 bestehen und hat demnach
elastische Eigenschaften. Der zweite Dämpfungsring 49 ist im allgemeinen so angebracht, dass
er eine zusätzliche Dämpfung beim Öffnen des Magnetventils bewirkt.
Bezugszeichenliste
1 Kraftstoffinjektor
2 Einspritzventil
3 Magnetventil
4 Anschlußstutzen
5 Injektorgehäuse
6 Ventilkolben
7 Einstellring
11 Zylinderbohrung
12 Ventilstück
14 Steuerraum
15 Drosselbohrung
16 Ringraum
18 Ablaufdrossel
19 Entlastungsraum
23 Ventilspannschraube/Schraubglied
24 Ventilsitz
25 Ventilglied
26 Anschlagring
27 Ankerbolzen
28 Ankerplatte
29 Elektromagnet
31 Ventilfeder (Schließfeder)
34 Gleitstück
35 Ankerfeder (Rückholfeder)
38 Einstellring
42 Einstellscheibe
47 erster Dämpfungsring
48 Sicherungsring/Stützplatte
49 zweiter Dämpfungsring
50 Dämpfer-Feder
51 Dämpfer-Platte
52 für Müller-Dämpfer modifizierte Ventilspannschraube