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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung,
die bei einem Common Rail-Einspritzsystem verwendet wird.
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Herkömmlich ist
als ein Kraftstoffeinspritzsystem ein Common Rail-Einspritzsystem
bekannt, bei dem mit einem hohen Druck beaufschlagter Kraftstoff,
der von einer Kraftstofflieferpumpe geliefert wird, in einer Common
Rail gespeichert wird. Gemäß diesem
System wird der Kraftstoffdruck in der Common Rail auf einen Zielwert
auf der Grundlage der Motorbetriebsbedingungen geregelt und der
mit einem hohen Druck beaufschlagte Kraftstoff in der Common Rail
wird von jeweiligen Einspritzeinrichtungen zu den jeweiligen Zylindern
bei jeweils vorbestimmten zeitlichen Abstimmungen eingespritzt.
Als Einspritzeinrichtung für
diesen Zweck gibt es beispielsweise eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung,
bei der ein Gegendruck einer Düsennadel durch
ein piezobetätigtes
Ventil gesteuert wird, wie dies in den Patenten
US 5 779 149 und
JP-A-9-184 463 gezeigt ist.
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Im
allgemeinen hat die piezoelektrische Einspritzeinrichtung eine Piezopumpenkammer
für ein Umwandeln
eines Expansions- und Kontraktionshubs von einem Piezostapel in
einen hydraulischen Druck und einen Arbeitskolben, der gleitfähig in einem
Zylinder durch den hydraulischen Druck in der Piezopumpenkammer
bewegt wird. Die Bewegung des Arbeitskolbens bewirkt, dass ein in
der Steuerhydraulikkammer vorgesehenes Ventilelement über eine
mit dem Arbeitskolben einstückige
Druckstange angetrieben wird. Die Steuerhydraulikkammer ist beispielsweise
mit einer Öffnung,
die mit einer Gegendruckkammer verbunden ist, einer mit einem Ablaufkanal
verbundenen Öffnung
und einer mit der Common Rail verbundenen Öffnung versehen. Wenn der Piezostapel
einen Kontraktionshub ausführt,
wird das Ventilelement betätigt,
um die mit dem Ablaufkanal verbundene Öffnung zu schließen. Zu
diesem Zeitpunkt nimmt, da die Gegendruckkammer mit der Common Rail über die
Steuerhydraulikkammer verbunden ist, der Gegendruck der Düsennadel
zu, so dass ein Einspritzloch geschlossen werden kann. Wenn der
Piezostapel einen Expansionshub ausführt und der Druck in der Piezopumpenkammer
zunimmt, bewirkt der Arbeitskolben, dass das Ventilelement angetrieben
wird, um die mit dem Ablaufkanal verbundene Öffnung zu öffnen und die mit der Common Rail
verbundene Öffnung
zu schließen.
Als ein Ergebnis fällt
der Druck in der Gegendruckkammer ab, so dass die Düsennadel
zum Einspritzen von Kraftstoff angehoben werden kann.
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Die
herkömmliche
piezoelektrische Einspritzeinrichtung hat jedoch einen Nachteil
dahingehend, dass ein Eindringen einer Luftblase in die Piezopumpenkammer
wahrscheinlich ein Betriebfehlverhalten bewirkt. Beispielsweise
ist der herkömmliche
Aufbau nicht mit einer Einrichtung zum Abführen der Luftblase versehen,
wenn die Luftblase in der Piezopumpenkammer aufgrund von Veränderungen
der Umgebungstemperatur, des Umgebungsdrucks und dgl. ausgebildet
wird. Demgemäß kann der
Expansions- und Kontraktionshub des Piezostapels nicht immer genau
zu dem Arbeitskolben übertragen
werden. Des weiteren besteht ein weiterer Nachteil dahingehend,
dass beim erstmaligen Starten des Motors vor dem Verkauf des Fahrzeugs
das Ventilelement nicht betätigt
wird, da kein Kraftstoff in der Piezopumpenkammer vorhanden ist.
Daher muss der Kraftstoff separat in die Piezopumpenkammer eingefüllt werden.
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Eine
piezoelektrische Einspritzeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1 ist aus der Druckschrift
DE 197 46 143 A1 bekannt.
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Die
Druckschrift
DE 2 219
452 A offenbart einen Kolben, bei dem eine Nut zur Aufnahme
eines Abdichtringes an der Kolbenwand ausgebildet ist.
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Um
das vorstehend erwähnte
Problem zu lösen,
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung
zu schaffen, die einen kompakten Aufbau mit einer besseren Betriebseigenschaft
dahingehend hat, dass eine in der Piezopumpenkammer gebildete Luftblase
beim Betätigen
der piezoelektrischen Einspritzeinrichtung mit Leichtigkeit abgeführt wird
und das beim erstmaligen Starten des Motors die Luft in der Piezopumpenkammer
mit Leichtigkeit entfernt werden kann, so dass Kraftstoff eingefüllt wird.
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Diese
Aufgabe ist durch eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung mit
den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Gemäß dem Aufbau
der herkömmlichen
piezoelektrischen Einspritzeinrichtung bewirkt die in der Piezopumpenkammer
während
der Betätigung
der Einspritzeinrichtung ausgebildete Luftblase wahrscheinlich ein
Betriebsfehlverhalten dahingehend, dass der Expansions- und Kontraktionshub
des Piezostapels nicht genau zu dem Arbeitskolben übertragen
werden kann. Wenn jedoch gemäß dem Aufbau der
vorliegenden Erfindung der Piezostapel sich ausdehnt, tritt ein
Abschnitt des Fluids in der Piezopumpenkammer über einen kleinen Zwischenraum
aus. Dann wird der Druck in der Piezopumpenkammer um den ausgetretenen
Betrag verringert, wenn der Piezostapel sich zusammenzieht. Demgemäß strömt das Fluid
in der Überlaufkammer
zur Piezopumpenkammer über
den vorstehend erwähnten
Kanal und das vorstehend erwähnte
Einwegeventil. Durch ein Wiederholen dieses Vorgangs kann die Luftblase
in der Piezopumpenkammer abgeführt
werden, bevor ein großes
Volumen an einer Luftblase sich ansammelt, so dass das Betriebsfehlverhalten
verhindert werden kann.
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Die
Entlastungsnut dient dem Erleichtern des Strömens des Fluids von der Piezopumpenkammer
zu dem Niederdruckkanal, so dass die Luftblase schnell abgeführt werden
kann.
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Vorzugsweise
sind gemäß Anspruch
2 der Kanal und das Einwegeventil in dem Arbeitskolben vorgesehen.
Eine einfache Änderung
der herkömmlichen
Konstruktion ermöglicht
ein Abführen
der Luftblase ohne ein Vergrößern der
Einspritzeinrichtung.
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Des
weiteren ist gemäß Anspruch
3 ein Dichtelement, das sich zwischen der Entlastungsnut und dem
Piezostapel befindet, um einen Außenumfang des Piezokolbens
herum vorgesehen.
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Vorzugsweise
nimmt gemäß Anspruch
4 das Ventilelement den Druck der Steuerkammer in einer Richtung
zum Unterbrechen der Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer auf
und andererseits wird das Ventilelement durch eine Drängeinrichtung
in eine Richtung zum Ermöglichen
der Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer
gedrängt.
Somit ist die Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer
möglich,
bis der Druck der Steuerkammer zu einem vorbestimmten Druckwert
angestiegen ist.
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Beim
Starten des Motors hält
die Vorspanneinrichtung das Ventilelement, um die Verbindung zwischen
der Steuerkammer und der Überlaufkammer
zu ermöglichen,
bis der Fluiddruck in dem Hochdruckkanal einen vorbestimmten Druckwert
erreicht hat, wobei das Fluid in die Steuerkammer strömt. Zu diesem
Zeitpunkt strömt
das Fluid von dem Hochdruckkanal zu der Überlaufkammer über die
Steuerkammer und des weiteren strömt ein Teil des Fluids in der Überlaufkammer
in die Piezopumpenkammer über
den vorstehend erwähnten
Kanal und über
das Einwegeventil. Da das Einwegeventil in dem vorstehend erwähnten Kanal
vorgesehen ist, strömt
das Fluid in der Piezopumpenkammer über den kleinen Zwischenraum
heraus, ohne zu der Überlaufkammer zurückzukehren.
Bei dem vorstehend erwähnten Prozess
wird die Piezopumpenkammer von Luft frei und wird mit Fluid gefüllt. Als
ein Ergebnis ist ein zusätzlicher
Arbeitsschritt zum vorherigen Einfüllen von Kraftstoff in die
Piezopumpenkammer nicht erforderlich, so dass die Arbeitseffektivität verbessert
werden kann.
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Wenn
gemäß Anspruch
5 der vorbestimmte Druckwert so eingestellt ist, dass er niedriger
als der Einspritzdruck ist, wird ein Einspritzloch nicht geöffnet und
Kraftstoff wird nicht während
der Zeitspanne eingespritzt, während
der Luftblase abgeführt
wird selbst wenn der Druck der Steuerkammer niedriger als der Umgebungsdruck
ist.
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Vorzugsweise
ist gemäß Anspruch
6 eine Drossel zwischen der Überlaufkammer
und dem Niederdruckkanal vorgesehen. Wenn der Druck in der Überlaufkammer
aufgrund der Drossel höher
wird, strömt
das Fluid mit Leichtigkeit zu der Piezopumpenkammer über den
vorstehend erwähnten
Kanal, so dass die Luftblase gleichmäßig abgeführt werden kann.
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Die
anderen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung und die
Verfahren zum Betreiben und die Funktion der zugehörigen Teile
werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den beigefügte Ansprüchen und
den Zeichnungen deutlich, die sämtlich
ein Teil dieser Anmeldung bilden.
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1 zeigt
eine Querschnittsgesamtansicht von einer piezoelektrischen Einspritzeinrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel
wird beispielsweise als eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für ein Common
Rail-Einspritzsystem
verwendet. Wie dies in 1 gezeigt ist, ist ein Piezostapel 2 in
einem zylindrischen Element 22 untergebracht, das eine
Abdeckung an seiner Oberseite hat. Das zylindrische Element 22 ist
an einem zylindrischen Gehäuse 11 der
piezoelektrischen Einspritzeinrichtung 1 befestigt, indem
ein unterer Teil des zylindrischen Elements 22 in einen
oberen Teil des Gehäuses 11 eingeschraubt
ist. Ein Ventilkörper 41,
in dem eine ein Ventilelement zum Einspritzen von Kraftstoff bildende
Düsennadel 4 enthalten
ist, ist in den unteren Teil des Gehäuses 11 eingeschraubt
und darin befestigt. Der Piezostapel 2 ist eine in einer
Form einer rechtwinkligen Säule
ausgebildete piezoelektrische Vorrichtung und hat die Eigenschaft,
dass seine Länge
sich bei einer Anregung ausdehnt und bei einer Entregung zusammenzieht.
Der Piezostapel 2 wird durch eine (nicht gezeigte) Außensteuereinrichtung über einen
Draht 21 gesteuert, der die Abdeckung des zylindrischen
Elementes 22 durchdringt und mit einem oberen Ende des
Piezostapels 2 verbunden ist.
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Das
Gehäuse 11 ist
in seinem Inneren mit einem Zylinder 12 versehen, in dem
ein Piezokolben 23 gleitfähig untergebracht ist, und
eine Piezopumpenkammer 3 ist unterhalb des Piezokolbens 23 ausgebildet.
Ein oberes Ende des Piezokolbens 23 gelangt mit einem unteren
Ende des Piezostapels 2 in Kontakt und ein Ausdehnungsmoment
und ein Zusammenziehmoment des Piezostapels 2 wird direkt zu
dem Piezokolben 23 übertragen,
so dass das Volumen der Piezokammer 3 kontrahiert und ausgedehnt
werden kann. Eine Blattfeder 31 ist in der Piezopumpenkammer 3 vorgesehen,
um den Piezostapel 2 über
den Piezokolben 23 nach oben, d. h. in einer Richtung,
bei der der Piezostapel 2 kontrahiert wird, zu drängen.
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Der
Piezokolben 23 ist an seinem Außenumfang mit einer Entlastungsnut 24 versehen,
die mit einem Niederdruckaufnahmekanal 14 über einen
Kanal 13 in Verbindung steht. Es ist ein 2 bis 10 μm großer Zwischenraum 26 zwischen
der Außenumfangsfläche des
Piezokolbens 23 und der Innenumfangsfläche des Zylinders 12 vorhanden.
Wenn das Volumen der Piezopumpenkammer 3 sich zusammenzieht
oder kontrahiert, strömt
der durch den Zwischenraum 26 ausgetretene Kraftstoff zu
dem Ablaufkanal 14 über
de Entlastungsnut 24 und den Kanal 13. Die Konstruktion,
bei der der Kraftstoff von der Piezopumpenkammer 3 nach
oben austritt ist dahingehend vorteilhaft, dass die Luftblase, die
wahrscheinlich an einem oberen Teil der Piezopumpenkammer 3 stagniert,
abgeführt
wird. Der Piezokolben 23 ist des weiteren an einer oberen
Seite der Entlastungsnut mit einer ringförmigen Nut versehen, in der ein
O-Ring 25, ein Dichtelement, zum Verhindern eines Kraftstoffaustretens
zu einer Seite des Piezostapels 2 enthalten ist. Der Ablaufkanal 14 ist
mit einem Außenseitenkraftstoffbehälter über einen
(nicht gezeigten) Kanal verbunden.
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Das
Gehäuse 11 ist
an einer unteren Seite des Zylinders 12 und an der gleichen
axialen Linie wie der Zylinder 12 mit einem Zylinder 15 mit
einem kleinen Durchmesser versehen, in dem ein Arbeitskolben 5 gleitfähig untergebracht
ist. Der Zylinder 15 mit dem kleinen Durchmesser ist an
seinem unteren Abschnitt mit einer Überlaufkammer versehen, die mit
dem Ablaufkanal 14 über
eine Drossel 61 in Verbindung steht.
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Eine
Steuerhydraulikdruckkammer 7, die eine als ein Dreiwegeventil
wirkende Steuerkammer bildet, ist an einem Abschnitt ausgebildet,
an dem das Gehäuse 11 und
der Ventilkörper 41 einander
gegenüberstehen.
Die Steuerhydraulikdruckkammer 7 ist mit drei Öffnungen
versehen, d. h. eine mit der Überlaufkammer 6 in
Verbindung stehende Öffnung 71,
eine Öffnung 72 direkt
unterhalb der Öffnung 71 und
eine zu einer Seite von ihr offene Öffnung 73. Die Öffnung 72 steht
mit einem Hochdruckkanal 16 in Verbindung und die Öffnung 73 steht
mit einer Gegendruckkammer 8 in Verbindung, die an einer
oberen Seite der Düsennadel 4 vorgesehen
ist. Der Arbeitskolben 5 hat eine Druckstange 51 mit
einem geringen Durchmesser, die nach unten außermittig von seinen unteren
Ende vorsteht. Die Druckstange 51 erstreckt sich derart,
dass sie durch die Öffnung 71 hindurchtritt
und mit einem Kugelventil 74 in Kontakt steht, dass die
Rolle eines Ventilelements in der Steuerhydraulikdruckkammer 7 übernimmt.
Das Kugelventil 74 dient dem wahlweisen Öffnen und
Schließen
der Öffnung 71 oder
der Öffnung 72.
Die Öffnung 73 ist
immer geöffnet.
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Der
Hochdruckkanal 16 erstreckt sich in der nach oben und nach
unten gerichteten Richtung in dem Gehäuse 11 und dem Ventilkörper 41 und
ein unteres Ende des Kanals 16 ist zu einem Kraftstoffsammelpunkt 81 offen,
der um einen mittleren Abschnitt der Düsennadel 4 herum vorgesehen
ist. Ein oberes Ende des Hochdruckkanals ist von einer Seite des
Gehäuses 11 zu
einer Außenhochdruckquelle (beispielsweise
ein Hochdruckspeicher in der Common Rail) über einen (nicht gezeigten)
Kanal verbunden. Kraftstoff mit einem Druck von 20 bis 200 Mpa wird
zu dem Kanal 16 während
des Betriebs des Motors geliefert. Der Kraftstoffdruck erteilt dem
Kugelventil 74 eine nach oben gerichtete Kraft (in der
Richtung zum Schließen
der Öffnung 71),
so dass das Kugelventil 74 den geschlossenen Kontakt mit
der Druckstange 51 halten kann. Wenn der Piezostapel 2 vollständig expandiert
ist, ist die Öffnung 72 durch
die Druckstange 51 geschlossen, die eine nach unten gerichtete
Kraft aufnimmt. Andererseits wird die Öffnung 71 durch den
Kraftstoffdruck geschlossen, wenn der Piezostapel 2 vollständig kontrahiert
ist.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der Arbeitskolben 5 in seinem Inneren
mit einem Kanal 52 versehen, der die Überlaufkammer 6 mit
der Piezopumpenkammer 3 verbindet, und mit einem Einwegeventil 9 versehen,
dass lediglich ein Strömen
des Kraftstoffes von der Überlaufkammer 6 zu
der Piezopumpenkammer 3 ermöglicht. Das Einwegeventil 9 besteht
aus einem Ventilsitz 92 und einem Kugelventil 91.
Der Ventilsitz 92 ist an einem Ende des Kanals 52 vorgesehen,
das zu der Piezopumpenkammer 3 offen ist. Das Kugelventil 91 ist
in einer Vertiefung gehalten, die an einem oberen Ende des Arbeitskolbens 5 vorgesehen
ist und schließt
den Ventilsitz 92, wenn es mit dem Ventilsitz 92 in
Kontakt gelangt. Das Kugelventil 91 wird in eine Richtung
zum Schließen
des Ventilsitzes 92 durch eine Feder 93 gedrängt, die
zwischen dem Kugelventil 91 und einem unteren Ende des
Piezokolbens 23 vorgesehen ist. Die Drängkraft der Feder 93 ist
so eingestellt, dass das Kugelventil 91 den Ventilsitz 92 verlässt, wenn
ein geringfügiger
Druckunterschied zwischen der Überlaufkammer 8 und
der Piezopumpenkammer 3 auftritt. Als ein Ergebnis fließt der Kraftstoff
von der Überlaufkammer 8 zu
der Piezopumpenkammer 3, so dass eine Wirkung eines Abführens einer
Luftblase verbessert werden kann.
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Der
Arbeitskolben 5 wird zu der Überlaufkammer 6 durch
eine Feder 53 gedrängt,
die zwischen seinem oberen Ende und einem unterem Ende des Piezokolbens 23 vorgesehen
ist. Die Drängkraft der
Feder 53 ist so eingestellt, dass die Öffnung 71 durch das
Kugelventil 74 geschlossen ist, wenn der Druck des von
dem Hochdruckkanal 16 zu der Steuerhydraulikdruckkammer 7 strömenden Kraftstoffes einen
vorbestimmten Wert überschreitet.
Bevor der Kraftstoffdruck den vorbestimmten Wert erreicht, wird die
Verbindung zwischen der Steuerhydraulikdruckkammer 7 und
der Überlaufkammer 8 gehalten.
Daher strömt
beim allerersten Starten des Motors der Kraftstoff zu der Überlaufkammer 16 über die Öffnung 71 und
danach wird die Piezopumpenkammer 3 mit dem durch den Kanal 52 strömenden Kraftstoff gefüllt.
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Der
Ventilkörper 41 ist
mit einem Zylinder 42 versehen, in dem ein Befehlskolben 43 gleitfähig eingebaut
ist. Eine Gegendruckkammer 8, die an einem oberen Teil
des Zylinders 42 vorgesehen ist, steht ständig mit
der Steuerhydraulikdruckkammer 7 über die Öffnung 73 in Verbindung,
so dass der Befehlskolben 43 in der nach oben und nach
unten weisenden Richtung in dem Zylinder 42 gemäß der Zunahme
und Abnahme des Kraftstoffdruckes in der Gegendruckkammer 8 sich
bewegen kann. Der Befehlskolben 43 wird durch eine Feder 45 nach
unten gedrängt,
die in einem Federraum 44 positioniert ist, der um einen
unteren Teil von ihm vorgesehen ist. Ein unteres Ende des Befehlskolbens 43 gelangt
mit der Düsennadel 4 in
Kontakt, so dass der Druck in der Gegendruckkammer 8 zu
der Düsennadel 4 übertragen
werden kann. Die Feder 45 wird zwischen einem an dem Ende
des Befehlskolbens 43 vorgesehenen Flansch und einer oberen
Fläche
des Federraums 44 gehalten. Der Federraum steht mit dem
Ablaufkanal 14 in Verbindung.
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Der
Durchmesser der Düsennadel 4 an
ihrer oberen Hälfte
ist größer als
der Durchmesser an ihrer unteren Hälfte. Ein Absatzabschnitt 46 der
Düsennadel 4 ist
an der Kraftstoffsammelfläche 81 so
positioniert, dass die Düsennadel 4 den
Kraftstoffdruck aufnehmen kann. Die Düsennadel 4 ist an
ihrem unteren Abschnitt mit einem Ventilelement versehen, das ein Einspritzloch 82 an
seinem Führungsende
schließt. Wenn
der Druck in der Gegendruckkammer 8 abnimmt, wird das Ventilelement
durch den Druck an dem Kraftstoffsammelpunkt 81 angehoben,
der an dem Absatzabschnitt 46 wirkt, so dass das Einspritzloch 82 mit
dem Kraftstoffsammelpunkt 81 über einen Kanal 83 in
Verbindung stehen kann, der um die untere Hälfte der Düsennadel 4 herum vorgesehen
ist.
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Nachstehend
wird der Betrieb der vorstehend erwähnten piezoelektrischen Einspritzeinrichtung 1 beschrieben.
Zunächst
bewegt sich als Basisvorgang, wenn der Piezostapel 2 der
piezoelektrischen Einspritzeinrichtung 1 über den
Draht angeregt wird und expandiert, der Piezokolben 23 nach unten,
um das Volumen der Piezopumpenkammer 2 zu verringern. Demgemäß bewirkt
der hydraulische Druck in der Piezopumpenkammer 3 eine
Bewegung des Arbeitskolbens 5 nach unten, so dass die mit dem
Kolben 5 einstückige
Druckstange 51 das Kugelventil 74 anheben kann,
das zu diesem Zeitpunkt die Öffnung 71 schließt. Wenn
das Kugelventil 74 die Öffnung 71 verlässt und
die Druckstange 5 sich weiter nach unten bewegt, schließt das Kugelventil 74 die Öffnung 72.
Daher wird die Verbindung der Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit
dem Hochdruckkanal 16 unterbrochen und statt dessen gelangt
die Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit der Überlaufkammer 6 in
Verbindung, die unter einem geringen Druck steht, so dass der Druck
in der Steuerhydraulikdruckkammer 7 sinken kann. Gleichzeitig
wird der Druck der Gegendruckkammer 8 gesenkt, die mit
der Steuerhydraulikdruckkammer 7 über die Öffnung 73 in Verbindung
steht.
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Der
Absatzabschnitt 46 an dem Kraftstoffsammelpunkt 81 nimmt
eine Ventilöffnungskraft
auf, die in einer Richtung wirkt, in der die Düsennadel 4 das Einspritzloch 82 verlässt. Wenn
der hydraulische Druck in der Gegendruckkammer 8, der den Befehlskoben 42 nach
unten drängt,
verringert ist, überschreitet
die Ventilöffnungskraft
die Summe von einer nach unten gerichteten Drängkraft der Feder 45 und einer
nach unten gerichteten hydraulischen Druckkraft der Gegendruckkammer 8,
so dass die Düsennadel
angehoben werden kann. Als ein Ergebnis wird unter hohem Druck stehender
Kraftstoff von dem Einspritzloch 82 eingespritzt, da der
Kraftstoffsammelpunkt 81 mit dem Einspritzloch 82 in
Verbindung steht.
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Dann
wird, wenn der Piezostapel 2 entregt wird und kontrahiert,
der Piezokolben 23 durch die Drängkraft der Blattfeder 31 bewegt,
um das Volumen der Piezopumpenkammer 3 zu erhöhen. Wenn der
Druck in der Piezopumpenkammer 3 abgenommen hat, überschreitet
der an dem Kugelventil 74 nach oben wirkende hydraulische
Druck die Summe von nach unten wirkenden Drängkräften der Federn 53 und 93 und
der hydraulischen Druckkraft in der Piezopumpenkammer 3,
die an dem Arbeitskolben 5 nach unten wirkt, so dass sich
das Kugelventil 74 zusammen mit der Druckstange 51 nach
oben bewegen kann.
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Daher
strömt,
wenn das Kugelventil 74 die Öffnung 72 verlässt und
die Öffnung 71 schließt, unter
hohem Druck stehender Kraftstoff in die Steuerhydraulikdruckkammer 7,
so dass der Druck in der Gegendruckkammer 8 erhöht werden
kann, die mit der Steuerhydraulikdruckkammer 7 über die Öffnung 73 in
Verbindung steht. Die Druckzunahme in der Gegendruckkammer 8 bewirkt
eine nach unten gerichtete Bewegung des Befehlskolbens 42 und
der Düsennadel 4,
so dass die Verbindung zwischen dem Kraftstoffsammelpunkt 81 und
dem Einspritzloch 82 unterbrochen wird, so dass das Kraftstoffeinspritzen
anhalten kann.
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Nachstehend
wird eine Wirkungsweise dahingehend beschrieben, dass in der Piezopumpenkammer 3 beim
erstmaligen Starten des Motors Luft ausgebracht und Kraftstoff eingefüllt wird.
Beim Starten des Motors dauert es 1 bis 2 s, um den Kraftstoffdruck
in dem Hochdruckkanal 16 von 0 bis zu einem vorbestimmten
Druck von bspw. 20 Mpa zu erhöhen. Während einer
derartigen Zeitspanne wird Kraftstoff nicht eingespritzt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel
ist die Drängkraft
der Feder 53 für
das Vorspannen des Arbeitskolbens 5 so eingestellt, dass
bis zum Erreichen des Kraftstoffdruckes von bspw. 5 Mpa während der
Druckzunahme das Kugelventil 74 nicht die Öffnung 71 schließt, die
mit der Überlaufkammer 6 in
Verbindung steht. Die Drängkraft
der Feder 53 ist außerdem
so eingestellt, dass, wenn der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16 bspw.
1 Mpa überschreitet,
das Kugelventil 74 nicht die Öffnung 72 schließt, die
mit dem Hochdruckkanal 16 in Verbindung steht. Anders ausgedrückt stehen
die beiden Öffnungen 72 und 71 mit
der Steuerhydraulikdruckkammer 7 in Verbindung, solange
der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16 zwischen 1
und 5 Mpa liegt (bei dem in 1 gezeigten
Zustand).
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Bei
dem vorstehend erwähnten
Zustand strömt
der Kraftstoff in dem Hochdruckkanal 16 zu der Überlaufkammer 6 über die
Steuerhydraulikdruckkammer 7 und strömt danach zu dem Ablaufkanal 14 über die
Drossel 61. Zu diesem Zeitpunkt wird der Kraftstoffdruck
in der Überlaufkammer 6 höher als
der Kraftstoffdruck in dem Ablaufkanal 14 aufgrund der
Düse 61.
Dem gemäß strömt ein Teil
des Kraftstoffes in der Überlaufkammer 6 in
die Piezopumpenkammer 3 über den Kanal 52 und über das Einwegeventil 9 und
strömt
des weiteren zu dem Ablaufkanal 14 über den Zwischenraum 26 und
die Entlastungsnut 24. Obwohl die Drossel 61 dem
Unterstützen
des Strömens
des Kraftstoffes zu der Piezopumpenkammer 3 dient, bewirkt
selbst bei nicht an der Einspritzeinrichtung vorgesehener Drossel 61 ein Druckunterschied
aufgrund der Druckpulsation einer Strömung des Kraftstoffs zu der
Piezopumpenkammer 3 mit der gleichen Wirkung, wie sie vorstehend erwähnt ist.
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Wie
dies vorstehend erwähnt
ist, wird die Luft in der Piezopumpenkammer 3 vollständig herausgebracht
und die Piezopumpenkammer 3 kann mit Kraftstoff gefüllt werden.
Die Drängkraft
der Feder 45, die die Düsennadel 4 in
der Ventilschließrichtung vorspannt,
ist so eingestellt, dass die Düsennadel 4 in
einem Ventilschließzustand
sein kann, wenn der Kraftstoffdruck an dem Kraftstoffsammelpunkt 81 einen
Wert von 15 Mpa beträgt
und der Kraftstoffdruck in der Gegendruckkammer 8 einen
Wert von 0 Mpa beträgt.
Daher findet, wenn die Luft herausgebracht worden ist, wie dies
vorstehend erwähnt
ist (bspw. wenn der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16 geringer
als 5 Mpa ist und die Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit
der Überlaufkammer 8 in
Verbindung steht), ein unbeabsichtigtes Kraftstoffeinspritzen niemals
statt.
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Da,
wie dies vorstehend erwähnt
ist, die Luft in der Piezopumpenkammer 3 herausgebracht
werden kann, und die Piezopumpenkammer 3 schnell mit Kraftstoff
beim erstmaligen Starten des Motors gefüllt werden kann, ist es nicht
erforderlich, separat dazu einen Prozess zum Einfüllen von
Kraftstoff in die Piezopumpenkammer 3 vorzusehen, so dass
die Produktivität
bei der Herstellung verbessert werden kann. Das vorstehend erwähnte Luftausbringen
bei der Piezopumpenkammer 3 kann beim Starten des Motors,
unmittelbar bevor der Motor auf den Markt gebracht wird, beim erneuten
Starten des Motors, nachdem der Kraftstoff ausgegangen ist, und
beim erneuten Starten des Motors, nachdem dieser eine längere Zeit
nicht in Funktion war, wirkungsvoll ausgeführt werden.
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Des
weiteren wird eine Funktion dahingehend beschrieben, dass eine Luftblase
während
des Basisvorgangs abgeführt
wird. Im allgemeinen besteht in Übereinstimmung
mit der Veränderung
der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks während des
Basisvorgangs eine Möglichkeit
dahingehend, dass eine kleine Luftblase in der Piezopumpenkammer 3 gebildet
wird. Wenn die kleine Luftblase sich zu einem gewissen großen Volumen
ansammelt, wird es unwahrscheinlich, dass die Bewegung des Piezokolbens 23 zu
dem Arbeitskolben 5 übertragen
wird. Gemäß dem vorstehend
erwähnten
Ausführungsbeispiel
dient der Kanal 53 und das Einwegeventil 9 dem
Abführen
der Luftblase. D. h., wenn der Piezostapel 2 expandiert
ist und die Piezopumpenkammer 3 unter hohem Druck steht,
tritt eine sehr geringe Menge an Kraftstoff in der Piezopumpenkammer 3 zu
dem Ablaufkanal 14 über
den Zwischenraum 26 und die Entlastungsnut 24 aus.
Dann wird beim Kontrahieren des Piezostapels 2 der Druck in
der Piezopumpenkammer 3 um den zu dem Kanal 14 ausgetretenen
Betrag verringert und, wenn die Druckverringerung einen vorbestimmten
Wert erreicht hat, strömt
der Kraftstoff in der Überlaufkammer 6 zu
der Piezopumpenkammer 3 über den Kanal 53 und
das Einwegeventil 9. Durch ein Wiederholen dieses Vorgangs
kann die Luftblase in der Piezopumpenkammer 3 abgeführt werden,
bevor die Luftblase sich zu einem großen Volumen angesammelt hat,
so dass ein Betriebsfehlverhalten verhindert werden kann.
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Da,
wie dies vorstehend erwähnt
ist, die Luft wirkungsvoll beim Starten des Motors herausgebracht
wird und die Luftblase ebenfalls während des Betriebs abgeführt werden
kann, ist es nicht erforderlich, den Kraftstoff separat in die Piezopumpenkammer 3 einzufüllen. Daher
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung 1 mit
einem sehr einfachen Aufbau und einer besseren Betriebseigenschaft
erzielt werden. Des weiteren ist die Einspritzeinrichtung 1 sehr
kompakt, da der Kanal 53 und das Einwegeventil 9 in
dem Arbeitskolben 5 zum Abführen der Luft einstückig sind. Da
darüber
hinaus die Drossel 61 zwischen der Überlaufkammer 6 und
dem Ablaufkanal 14 vorgesehen ist und eine Entlastungsnut 24 um
den Piezokolben 23 herum vorgesehen ist, kann der Kraftstoff
gleichmäßig von
der Überlaufkammer 6 zu
der Piezopumpenkammer 3 strömen. Da darüber hinaus der Kraftstoff von
der Überlaufkammer 6 über den
Kanal 53 und die Piezopumpenkammer 3 zu der Entlastungsnut 24 nach
oben strömt,
kann eine Luftblase, die wahrscheinlich an dem oberen Teil der Piezopumpenkammer 3 stagniert,
wirkungsvoll abgeführt
werden.
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Bei
dem vorstehend erwähnten
Ausführungsbeispiel
kann anstelle des Kugelventils 74 ein Schlotterventil als
ein Ventilelement zum Öffnen
und Schließen
der jeweiligen Öffnungen
der Steuerhydraulikdruckkammer 7 angewendet werden. Des
weiteren kann die Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit einem
Zweiwegeventil anstelle des vorstehend erwähnten Dreiwegeventils versehen
sein. In diesem Fall kann die Gegendruckkammer 8 mit dem
Hochdruckkanal 16 über
eine Blende ohne ein Vorsehen der Öffnung 72 in Verbindung
stehen.
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Des
weiteren kann anstelle des Anordnens des Einwegeventils 9 in
dem Arbeitskolbens 5 das Einwegeventil 9 unabhängig von
dem Arbeitskolben 5 vorgesehen sein.
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Die
piezoelektrische Einspritzeinrichtung hat die Piezopumpenkammer 3,
deren Druck gemäß einer
Expandierbewegung und einer Kontraktionsbewegung des Piezostapels 2 zunimmt
und abnimmt, den Arbeitskolben 5, der sich in dem Zylinder 15 im Ansprechen
auf den Druck der Piezopumpenkammer gleitfähig bewegt, und das Ventilelement 74,
das durch den Arbeitskolben zum Steuern einer Verbindung zwischen
der Überlaufkammer 6,
die mit dem Niederdruckkanal 14 in Verbindung steht, und
der Steuerkammer 7, die mit dem Hochdruckkanal 16 in Verbindung
steht, angetrieben wird.
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Der
Arbeitskolben 5 ist mit dem Kanal 53 versehen,
von dem ein Ende zu der Überlaufkammer 6 offen
ist und von dem das andere Ende zu der Piezopumpenkammer 3 offen
ist, und des weiteren ist das Einwegeventil 9 in dem Kanal 53 vorgesehen,
um ein Strömen
des Fluids nur von der Überlaufkammer 6 zu der
Piezopumpenkammer 3 zu ermöglichen. Während eines Prozesses, bei
dem Kraftstoff in die Piezopumpenkammer 3 mit einem Betrag
strömt,
der dem Kraftstoff entspricht, der von der Piezopumpenkammer 3 zu
einer Entlastungsnut 24 nach oben ausgetreten ist, kann
die Luftblase in dem Kraftstoff abgeführt werden.