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Die
Erfindung betrifft ein Servoventil und ein Einspritzventil, das
geeignet ist zum Zumessen von Fluid, insbesondere von Kraftstoff.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei
ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen
zu senken. Ein anderer Ansatzpunkt ist, die von der Brennkraftmaschine
erzeugten Emissionen mittels von Abgasnachbehandlungssystemen in
unschädliche
Stoffe umzuwandeln. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig von
der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine entsprechend verbesserte
Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter
sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen
betragen die Kraftstoffdrücke
bis zu 2000 bar.
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Ferner
sind sogenannte Registerdüsen-Einspritzventile
bekannt geworden mit zwei Einspritzdüsen-Kreisen und diesen zugeordneten
ersten und zweiten Düsennadeln,
mittels derer ein stufenweises Öffnen
bzw. Schließen
der einzelnen Einspritzdüsen-Kreise möglich ist.
So ist aus der
EP 0
978 649 A2 ein derartiges Ventil bekannt. Das Ventil hat
ein Gehäuse,
in dem ein als Piezo-Aktuator ausgebildeter Ventilantrieb und ein
Düsenkörper angeordnet sind.
Der Düsenkörper hat
eine erste Reihe von Einspritzlöchern
und axial beabstandet dazu eine zweite Reihe von Einspritzlöchern. In
einer Ausnehmung des Düsenkörpers ist
eine Düsennadel
geführt,
die in ihrer Schließposition
den Kraftstofffluss sowohl durch die erste als auch die zweite Reihe
von Einspritzlöchern
unterbindet und in ihrer Offenposition zumindest den Kraftstofffluss
durch die erste Reihe von Einspritzlöchern freigibt.
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Die
Düsennadel
wirkt über
einen Mitnehmermechanismus auf einen Einsatzkörper ein, der eine innere Düsennadel
bildet. Die innere Düsennadel verhindert
in ihrer Schließposition
einen Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Einspritzlöchern und gibt
in den sonstigen Positionen den Kraftstofffluss durch die zweite
Reihe von Einspritzlöchern
frei. Der Piezo-Aktuator
wirkt über
ein Servoventil auf die Düsennadel
ein. Das Servoventil umfasst eine Ablaufbohrung, eine Ventilstange,
ein Schließglied,
eine Steuerkammer und einen Leckageraum. Durch ein entsprechend
gesteuertes Ausdehnen des Piezo-Aktuators
wird über
die Schließstange
das Schließglied von
seinem Dichtsitz weggedrückt.
Dies hat zur Folge, dass Kraftstoff aus der Steuerkammer abfließt. Durch
das damit verbundene Sinken des Drucks in der Steuerkammer öffnet oder
bewegt sich die Düsennadel
von ihrer Schließposition
hin zu ihrer Offenposition. Dies hat zur Folge, dass sie zunächst die erste
Reihe von Einspritzlöchern
freigibt und mit sinkendem Druck in der Steuerkammer dann über den Mitnehmermechanismus
die innere Düsennadel
von ihrer Schließposition
hin in ihre Offenposition bewegt wird und somit auch die zweite
Reihe der Einspritzlöcher
freigegeben wird. Die erste Reihe der Einspritzlöcher ist so ausgebildet, dass
ihr Querschnitt deutlich geringer ist als der Querschnitt der Einspritzlöcher der
zweiten Reihe. Dies hat zur Folge, dass der Kraftstoff, der durch
die erste Reihe von Einspritzlöchern
in den Brennraum der Brennkraftmaschine zugemessen wird, deutlich
feiner zer stäubt
wird. Dies ist insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine
von Vorteil, in dem eine geringere Kraftstoffmenge eingespritzt
wird und durch den geringeren Durchmesser der Einspritzlöcher dann
kleinere Kraftstofftropfen entstehen und somit die Rußbildung
verringert wird. Durch den deutlich größeren Durchmesser der zweiten
Reihe von Einspritzlöchern
kann dann im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet
werden, dass eine ausreichende Menge an Kraftstoff in den jeweiligen
Brennraum des Zylinders zugemessen wird.
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Aus
der
DE 103 09 387
A1 ist ein Ventilelement bekannt, welches ein Durchgangsloch
aufweist. Wenn das Ventilelement gegen einen Ventilsitz aufgesetzt
ist, wird eine Kraftstoffströmung
von einer stromaufwärtigen
Seite von Kraftstoffeinspritzlöchern in
die Kraftstoffeinspritzlöcher
blockiert. Ein Stab ist in das Durchgangsloch eingesetzt und ein
Ventilelement ist relativ zu dem Stab hin- und herbewegbar. Wenn
das Ventilelement gegen den Ventilsitz aufgesetzt ist, ist ein Blockierabschnitt
des Stabes mit einem Lochsitz im Eingriff. Somit wird eine Strömung des
Kraftstoffs von dem Durchgangsloch in die Einspritzlöcher blockiert.
Eine Druckaufnahmefläche des
Ventilelements, die den Kraftstoffdruck von dem Hochdruckkraftstoff
in eine Steuerkammer aufnimmt, ist um einen Betrag einer Querschnittsfläche des Durchgangslochs
verringert, so dass eine Kraft, die auf das Ventilelement von dem
Kraftstoff in der Steuerkammer in eine Aufsetzrichtung aufgebracht
wird, verringert ist.
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Aus
der
EP 1 063 421 A2 ist
ein Kraftstoffinjektor bekannt, der nach außen öffnet. Er umfasst einen Düsenkörper, in
dem eine erste Bohrung vorgesehen ist, eine innerhalb der Bohrung
verschiebbare und mit einem Sitz in Eingriff bringbare Ventilnadel, um
die Kraftstoffzufuhr aus der Bohrung zu steuern, erste und zweite
Steuerkammern zur Aufnahme von unter Druck stehendem Kraftstoff
und Steuerventilmittel zum Steuern des Kraftstoffdrucks innerhalb
der ersten und zweiten Steuerkammern. Die Ventilnadel ist in Antwort
auf eine Kraftstoffdruckveränderung
in wenigstens einem der beiden ersten und zweiten Steuerkammern
bewegbar.
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In
beiden Fällen
handelt es sich um Servoventile, bei denen ein erster Ventilkörper einen
ersten Steuerkanal mit einem Leckageraum verbindet und nach Überwinden
eines Spiels einen zweiten Ventilkörper mitnimmt, der einen zweiten
Steuerkanal mit dem Leckageraum verbindet. Dabei müssen im
Fall der
DE 103 09
387 A1 beide Ventilkörper
gegen den jeweiligen Innendruck geöffnet werden, was den Nachteil
einer hohen Betätigungskraft
mit sich bringt. Im Falle der
EP 1 063 421 A2 sind beide Ventilkörper druckausgeglichen,
was jedoch keine Schließkraftverstärkung durch
den Innendruck und eine Dauerleckage durch den Spalt zwischen dem
Einlassdurchlass und einem ringförmigen
Einfassungselement nach der Kammer mit sich bringt.
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Bei
der vorliegenden Anmeldung dagegen wird mit Öffnen des ersten Ventilkörpers der
auf den zweiten Ventilkörper
wirkende Schließdruck
entlastet. Dies bringt den Vorteil einer Schließkraftverstärkung durch den Innendruck
für beide
Ventilkörper
mit sich, wobei nur für
den ersten Ventilkörper
eine hohe Betätigungskraft
notwendig ist und keine Dauerleckage vorliegt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil mit einem Servoventil
zu schaffen, das einfach ist und einfach ansteuerbar sein kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten
Aspekts aus durch ein Servoventil mit einem Ventilgehäuse, in
dem eine Ausnehmung ausgebildet ist und ein erster, zweiter und
dritter Steuerkanal ausgebildet sind, die jeweils in die Ausnehmung
münden.
Das Ventilgehäuse
kann einstückig
oder auch mehrstückig
ausgebildet sein. Es kann insbesondere durch eine oder mehrere Ventilplatten
und gegebenenfalls eine Zwischenplatte gebildet sein.
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Ferner
hat das Servoventil einen ersten Ventilkörper, der in der Ausnehmung
des Ventilgehäuses angeordnet
ist, der in einer Schließstellung
des ersten Ventilkörpers
mit seinem Schließkörper dichtend an
einem ersten Sitzbereich anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung
des Ventilgehäuses
ausgebildet ist. Außerhalb
der Schließstellung
gibt der Schließ körper einen
Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich und dem Schließkörper des
ersten Ventilkörpers
frei. Ein zweiter Ventilkörper
ist vorgesehen, der in der Ausnehmung des Ventilgehäuses angeordnet
ist, der in einer Schließstellung
des zweiten Ventilkörpers
mit seinem Schließkörper dichtend
an einem zweiten Sitzbereich anliegt. Der zweite Sitzbereich ist
in der Wandung der Ausnehmung des Ventilgehäuses ausgebildet. Außerhalb
der Schließstellung
gibt der zweite Ventilkörper
einen Bereich zwischen dem zweiten Sitzbereich und seinem Schließkörper frei.
Der erste Steuerkanal mündet
hydraulisch zwischen dem ersten und dem zweiten Sitzbereich in die
Ausnehmung. Der zweite Steuerkanal mündet so in die Ausnehmung,
dass er in der Schließstellung
des zweiten Ventilkörpers
hydraulisch entkoppelt ist von dem freien Volumen der Ausnehmung,
das sich hydraulisch zwischen dem ersten und dem zweiten Sitzbereich
befindet. Der erste und zweite Ventilkörper und die Ausnehmung des
Ventilgehäuses
sind so ausgebildet, dass eine Bewegung des ersten Ventilkörpers weg
von seiner Schließstellung
nach Überwinden
eines vorgegebenen Spiels zu einer Bewegung des zweiten Ventilkörpers aus
seiner Schließstellung
heraus führt.
Dies ermöglicht
das Ansteuern des Servoventils durch nur einen Stellantrieb. Eine
Stirnfläche
ist an dem zweiten Ventilkörper ausgebildet, über die
eine Kraft eingeleitet wird, die den zweiten Ventilkörper in
seine Schließstellung drückt durch
den auf die Stirnfläche
wirkenden Druck des Fluids. Ferner umfasst das Servoventil eine Dichthülse, die
zusammen mit dem dritten Steuerkanal so ausgebildet und angeordnet
ist, dass die Stirnfläche
des zweiten Ventilkörpers
in seiner Schließstellung
hydraulisch gekoppelt ist mit dem ersten Steuerkanal und sie hydraulisch
entkoppelt ist von dem zweiten Steuerkanal. Das erfindungsgemäße Servoventil
hat den Vorteil, dass nach dem Herausbewegen des ersten Ventilkörpers aus
seiner Schließstellung
der Druck des Fluids, der auf die Stirnfläche des zweiten Ventilkörpers einwirkt,
abfällt durch
die hydraulische Kopplung des sie umgebenden freien Raums mit dem
ersten Steuerkanal. Dies hat dann zur Folge, dass die Kraft, die
zum Herausbewegen des zweiten Ventilkörpers aus seiner Schließstellung
benötigt
wird, deutlich geringer ist als bei einem Nichtvorhandensein des
dritten Steuerkanals und der Dichthülse. Dadurch ergibt sich ein
energetisch sehr günstiges
Schaltverhalten des Servoventils. Darüber hinaus kann bei dem erfindungsgemäßen Servoventil
die Sitzdurchmesser der Schließkörper im
wesentlichen unabhängig
voneinander gewählt
werden. Unter dem jeweiligen Sitzdurchmesser ist derjenige Durchmesser
des jeweiligen Schließkörpers an
der Stelle zu verstehen, an der der jeweilige Schließkörper in
der Schließstellung
des jeweiligen Ventilkörpers
den jeweiligen Sitzbereich des Ventilkörpers kontaktiert. Die Kraft,
die notwendig ist, um den jeweiligen Ventilkörper von seiner Schließstellung
herauszubewegen, hängt
ab von dem Sitzdurchmesser des Schließkörpers des jeweiligen Ventilkörpers. So
kann durch geeignetes Dimensionieren der Sitzdurchmesser der Schließkörper gewährleistet werden,
dass lediglich geringe Kräfte
zum Betätigen der
Ventilkörper
aus ihren jeweiligen Schließstellungen
heraus erforderlich sind.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils ist die Dichthülse in der
Ausnehmung des Ventilgehäuses
geführt
und der zweite Ventilkörper ist
in der Dichthülse
geführt.
Auf diese Weise kann der zweite Ventilkörper kompakt ausgebildet sein.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn eine Feder vorgesehen ist, die sich einerseits
auf einem Kragen des zweiten Ventilkörpers und andererseits auf
einer Auflagefläche
der Dichthülse abstützt und
so einerseits auf dem zweiten Ventilkörper eine Kraft in Richtung
seiner Schließstellung
ausübt
und andererseits auf die Dichthülse
eine Kraft ausübt,
die in Richtung einer Dichtkante der Dichthülse gerichtet ist. Auf diese
Weise hat die Servofeder somit eine Doppelfunktion.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Dichtkante radial
innen bezüglich
der Dichthülse
ausgebildet ist. In diesem Fall hängt dann eine Anpresskraft,
mit der die Dichthülse
gegen die Wandung der Ausnehmung gedrückt wird, im wesentlichen nur
ab von der durch die Servofeder ausgeübten Kraft auf die Dichthülse. Alternativ
kann die Dichtkante jedoch auch beispielsweise radial außen bezogen
auf die Dichthülse
angeordnet sein.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil
mit einem Körper,
der eine Ausnehmung hat, eine äußere Düsennadel,
die in der Ausnehmung angeordnet ist, die eine Ausnehmung hat und
die in einer Schließposition
einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch unterbindet und
diesen ansonsten freigibt. Das Einspritzventil hat ferner eine innere
Düsennadel,
die in der Ausnehmung der äußeren Düsennadel
angeordnet ist und die in einer Schließposition einen Fluidfluss
durch ein zweites Einspritzloch unterbindet und diesen ansonsten
freigibt. Ferner umfasst das Einspritzventil das Servoventil. Das
Servoventil, der Körper
und die innere und die äußere Düsennadel
sind so ausgebildet, dass abhängig
von der Stellung des ersten Ventilkörpers die Position der inneren
Düsennadel
einstellbar ist und dass abhängig
von der Stellung des zweiten Ventilkörpers die Position der äußeren Düsennadel
einstellbar ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Einspritzventil mit einem Servoventil,
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2 eine
Vergrößerung eines
Teilbereichs des Einspritzventils gemäß 1 in dem
Bereich, in dem das Servoventil angeordnet ist, und
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3 einen
Schnitt entlang der Linie III III' durch den Teilbereich des Einspritzventils
gemäß 2.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein
Einspritzventil hat ein Injektorgehäuse 1. In einer Ausnehmung
des Injektorgehäuses 1 ist
ein Stellantrieb angeordnet, der bevorzugt ein Piezo-Aktuator 4 ist.
Der Antrieb kann jedoch auch ein beliebiger anderer geeigneter Stellantrieb
sein, wie beispielsweise ein elektromagnetischer Stellantrieb. Ferner
ist in dem Injektorgehäuse 1 ein
Leckageraum 14 ausgebildet.
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Eine
Düsenbaugruppe
des Einspritzventils umfasst eine erste Ventilplatte 16,
eine zweite Ventilplatte 17, eine Zwischenplatte 18,
einen Nadelführungskörper 20 und
einen Düsenkörper 22.
Die Düsenbaugruppe
ist mittels einer Düsenspannmutter 23 mit
dem Injektorgehäuse 1 mechanisch
gekoppelt. Ein Körper
kann die Düsenbaugruppe,
Teile der Düsenbaugruppe
und/oder das Injektorgehäuse 1 und/oder
die Düsenspannmutter 23 umfassen.
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Der
Nadelführungskörper 20 hat
eine Ausnehmung 24, die sich axial in einer Ausnehmung 26 des
Düsenkörpers 22 fortsetzt.
Eine äußere Düsennadel 27 ist
in der Ausnehmung 24 des Nadelführungskörpers 20 und der Ausnehmung 26 des
Düsenkörpers 22 angeordnet.
Die äußere Düsennadel 27 hat
eine sie in axialer Richtung durchdringende Ausnehmung 28,
in der eine innere Düsennadel 29 angeordnet
ist. Die innere und äußere Düsennadel 27, 29 sind
bevorzugt koaxial zueinander angeordnet. Ferner ist eine erste Düsenfeder 30 vorgesehen, welche
eine Kraft auf die äußere Düsennadel 27 ausübt in einer
Schließrichtung
der äußeren Düsennadel 27 und
die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die äußere Düsennadel 27 in eine
Schließposition
drückt,
in der sie einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch 34 unterbindet.
Befindet sich die äußere Düsennadel
außerhalb
ihrer Schließposition,
so gibt sie den Fluidfluss durch das erste Einspritzloch 34 frei.
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Ferner
ist eine zweite Düsenfeder 32 vorgesehen,
welche eine Kraft auf die innere Düsennadel 29 ausübt in einer
Schließrichtung
der inneren Düsennadel 29 und
die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die innere Düsennadel 29 in
eine Schließposition
drückt,
in der sie einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch 36 unterbindet.
Befindet sich die innere Düsennadel
außerhalb
ihrer Schließposition,
so gibt sie den Fluidfluss durch das zweite Einspritzloch 36 frei.
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Die
zweite Düsenfeder
ist in einer Federtasche 37 angeordnet, die in der Zwischenplatte 18 ausgebildet
ist. Ein freier Raum der Federtasche 37 wird begrenzt durch
die Kontaktfläche 46 und
bildet so einen ersten Steuerraum 48. Ein zweiter Steuerraum 50 ist
radial außerhalb
des ersten Steuerraums 48 ausgebildet, umfasst die Ausnehmung 42 in
der Zwischenplatte und grenzt an eine Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27.
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Die
Position der inneren Düsennadel 29 wird bestimmt
durch eine Kräftebilanz
aus der durch die zweite Düsenfeder 32 auf
die innere Düsennadel 29 einwirkende
Kraft, die durch den Druck in dem ersten Steuerraum 48 auf
die innere Düsennadel 29 über die
Kontaktfläche 46 einwirkende
Kraft und einer Kraft, die hervorgerufen durch den Druck des Fluids über einen
Hochdruckabsatz 52 der inneren Düsennadel 29 auf diese
entgegen der Schließrichtung
einwirkt.
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Die
Position der äußeren Düsennadel 27 hängt ab von
der Kräftebilanz
der Kraft, die durch die erste Düsenfeder 30 hervorgerufen
wird, dem in dem zweiten Steuerraum 50 herrschenden Druck,
der über
die Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 eine
Kraft einkoppelt, die schließend
auf die äußere Düsennadel 27 wirkt,
und einer Kraft, die durch den Fluiddruck in einem Bereich eines
Hochdruckabsatzes 56 der äußeren Düsennadel entgegengesetzt der
Schließrichtung
der äußeren Düsennadel 27 wirkt.
Das jeweilige freie Volumen im Bereich der Hochdruckabsätze 56, 52 ist
jeweils hydraulisch gekoppelt mit einer Hochdruckbohrung 58 des
Einspritzventils.
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Ein
Servoventil umfasst ein Ventilgehäuse, das je nach Ausführungsform
die erste und zweite Ventilplatte 16, 17 und gegebenenfalls
die Zwischenplatte 18 umfasst. Das Ventilgehäuse kann
alternativ auch einstückig
oder mehr als zweistückig
ausgebildet sein. In den ersten und zweiten Ventilplatten 16, 17 ist
eine Ausnehmung 62 ausgebildet.
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Ein
erster Ventilkörper 64 (2)
ist in der Ausnehmung 62 der beiden Ventilplatten 16, 17 angeordnet.
Er hat einen Schließkörper 68,
der in einer Schließstellung
des ersten Ventilkörpers 64 dichtend an
einem ersten Sitzbereich 66 an liegt, der in der Wandung
der Ausnehmung 62 der Ventilplatten 16, 17 ausgebildet
ist. Außerhalb
der Schließstellung
gibt er einen Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich 66 und
dem Schließkörper 68 des
ersten Ventilkörpers frei.
Der erste Ventilkörper 64 umfasst
ferner einen Bund 70, auf dem sich eine erste Servofeder 72 mit ihrem
einen freien axialen Ende abstützt.
Die erste Servofeder 72 stützt sich mit ihrem anderen
freien axialen Ende auf einem Absatz 74 ab, der in der Wandung
der Ausnehmung 62 ausgebildet ist. Die erste Servofeder 72 ist
mit einer geeigneten Vorspannung versehen und übt so eine Kraft auf den ersten Ventilkörper 68 aus,
durch die er ohne das Einwirken weiterer Kräfte in seine Schließstellung
gepresst wird. Bevorzugt ist der erste Ventilkörper 64 im Bereich
seines Bundes 70 geführt.
Um den Umfang des Bundes herum ist mindestens eine Eintiefung vorgesehen,
durch die Fluid fließen
kann. Der erste Ventilkörper
hat ferner einen Antriebskontaktbereich 77, der hingewandt
ist zu dem als Stellantrieb ausgebildeten Piezo-Aktuator 4.
Der erste Ventilkörper 64 hat ferner
einen Kontaktbereich 78, der in dem Bereich seines axialen
Endes ausgebildet ist, das dem Antriebs-Kontaktbereich 77 abgewandt
ist.
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Ferner
ist in der Ausnehmung 62 ein zweiter Ventilkörper 80 angeordnet,
der einen Schließkörper hat.
In einem Schließkörper des
zweiten Ventilkörpers 80 liegt
der Schließkörper 84 dichtend
an einem zweiten Sitzbereich 82 der Ausnehmung 62 der
Ventilplatten 16, 17 an. Außerhalb der Schließstellung des
zweiten Ventilkörpers 80 gibt
der Schließkörper 84 des
zweiten Ventilkörpers 80 einen
Bereich zwischen dem zweiten Sitzbereich 82 und dem Schließkörper 84 des
zweiten Ventilkörpers 80 frei.
Sowohl der Schließkörper 78 des
ersten Ventilkörpers 64 als auch
der Schließkörper 84 des
zweiten Ventilkörpers 80 können kegelförmig oder
auch sphärisch
ausge bildet sein. Eine sphärische
Form hat den Vorteil, dass eine axiale Führung des jeweiligen Ventilkörpers in
axialer Richtung kürzer
ausgebildet sein kann als im Falle der kegelförmigen Ausbildung des jeweiligen
Schließkörpers 68, 84.
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Ferner
hat der zweite Ventilkörper 80 einen Kragen 86,
auf dem sich eine zweite Servofeder 88 mit ihrem ersten
freien axialen Ende abstützt.
Die zweite Servofeder 88 stützt sich mit ihrem anderen freien
axialen Ende auf einer Dichthülse 92 ab.
Die zweite Servofeder 88 übt so ohne das Einwirken weiterer
Kräfte
eine Kraft auf den zweiten Ventilkörper 80 aus, die ihn
in seine Schließstellung
drückt.
Die Dichthülse 92 wird
durch die geeignet vorgespannte Servofeder 88, die mit
ihrem anderen freien axialen Ende auf einer Auflagefläche 90 der
Dichthülse 92 aufliegt,
im Bereich einer Dichtkante 96 auf die Zwischenplatte 18 gepresst,
die in diesem Bereich einen Teil der Wandung der Ausnehmung 62 der
Ventilplatten 16, 17 bildet.
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Der
zweite Ventilkörper 80 hat
einen Zapfen 94, der sich in die Hülse hineinerstreckt und zwar bündig zu
der inneren Wandung der Dichthülse 92. Der
Zapfen 94 ist bevorzugt in der Dichthülse geführt. Die Dichthülse ist
in diesem Fall dann wiederum in der Ausnehmung 62 der ersten
und der zweiten Ventilplatten 16, 17 geführt. Sie
weist in diesem Fall mindestens eine um ihren Umfang verteilte Eintiefung auf,
durch die gewährleistet
wird, dass Fluid zwischen der Dichthülse und der Wandung der Ausnehmung 62 der
Ventilplatten 16, 17 durchströmen kann. Der Kragen 86 kann
in axialer Richtung schmal ausgebildet sein, da er nicht der Führung des
zweiten Ventilkörpers
dienen muss. Falls die Führung
des zweiten Ventilkörpers
nicht in der Dichthülse 92 erfolgt,
kann der zweite Ven tilkörper
in dem Bereich des Kragens 86 in der Ausnehmung 62 der
ersten und zweiten Ventilplatten 16, 17 geführt sein.
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Der
erste Steuerraum 48 ist über eine erste Zulaufdrossel 98 mit
der Hochdruckbohrung 58 hydraulisch gekoppelt. Ein erster
Steuerkanal 100 erstreckt sich von dem ersten Steuerraum 46 hin
zu der Ausnehmung 62 in der ersten und zweiten Ventilplatte 16, 17.
Er mündet
in diese hydraulisch zwischen den ersten und zweiten Sitzbereich 66, 82.
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Der
zweite Steuerraum 50 ist über eine zweite Zulaufdrossel 106 mit
der Hochdruckbohrung 58 hydraulisch gekoppelt. Der zweite
Steuerraum 50 ist ferner über einen zweiten Steuerkanal 102 mit
der Ausnehmung 62 der Ventilplatten 16, 17 hydraulisch gekoppelt.
Der zweite Steuerkanal 102 mündet so in die Ausnehmung 62,
dass er in der Schließstellung des
zweiten Ventilkörpers 80 hydraulisch
entkoppelt ist von einem freien Volumen der Ausnehmung 62 der
ersten und zweiten Ventilplatten 16, 17, das sich hydraulisch
zwischen dem ersten und zweiten Sitzbereich befindet (66, 72).
Ferner ist ein dritter Steuerkanal 104 vorgesehen, welcher
sich von dem ersten Steuerraum 48 ebenfalls hin zu der
Ausnehmung 62 der ersten und zweiten Ventilplatte 16, 17 erstreckt. Er
mündet
in die Ausnehmung 62 in den Bereich der Ausnehmung, in
dem die Wandung durch die Zwischenplatte 18 gebildet wird
und der radial innerhalb der Dichtkante 96 der Dichthülse 92 liegt.
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Die
Funktionsweise des Servoventils ist im folgenden ausgehend von einem
Zustand beschrieben, in dem sich sowohl der erste als auch der zweite Ventilkörper 64, 80 in
ihrer Schließstellung
befinden. Wird nun über
den Stellantrieb, also dem Piezo-Aktuator 4 eine zunehmende
Kraft in Richtung nach unten in der Bildebene der 1 übertragen,
so bewegt sich der erste Ventilkörper 64 heraus
aus seiner Schließstellung,
wenn die durch die von der ersten Servofeder 72 aufgebrachte
Kraft und die durch den Hydraulikdruck hervorgerufenen Kräfte aus
dem ersten Ventilkörper 64 geringer
sind, als die durch den Piezo-Aktuator 4 aufgebrachte Kraft.
Bewegt sich nun der erste Ventilkörper 64 heraus aus
seiner Schließstellung,
so wird ein Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich 66 und
dem Schließkörper 68 des ersten
Ventilkörpers 64 freigegeben.
Dies hat zur Folge, dass Fluid aus dem ersten Steuerraum 46 über den
ersten Steuerkanal 100 in die Ausnehmung 62 in den
ersten und zweiten Ventilplatten 16, 17 und von dort
weiterhin zu dem Leckageraum 14 strömen kann. Der Leckageraum 14 ist
nicht mit Hochdruck beaufschlagt. Bei geeigneter Dimensionierung
der ersten Zulaufdrossel 98 sinkt dann der Druck in dem ersten
Steuerraum 48.
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Mit
sinkendem Druck in dem Steuerraum 48 sinkt auch die Kraft,
die über
die Kontaktfläche 46 der inneren
Düsennadel 29 in
Schließrichtung
der inneren Düsennadel 29 ausgeübt wird
und somit erfolgt schließlich
das Bewegen der inneren Düsennadel 29 heraus
aus ihrer Schließposition.
Verringert sich die über
den Piezo-Aktuator 4 übertragene
Kraft und somit sein Hub zu einem späteren Zeitpunkt wieder, so bewegt
sich der erste Ventilkörper 64 wieder
zurück in
seinem dichtende Anlage mit dem ersten Sitzbereich 66.
Durch das über
die erste Zulaufdrossel 98 zufließende Fluid steigt dann der
Druck in dem ersten Steuerraum 48 wieder an, was letztlich
wieder zu einem Bewegen der inneren Düsennadel 29 zurück in ihre
Schließposition
führt.
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Eine
auf eine Stirnfläche 108 des
Zapfens 94 einwirkende Kraft hängt ab von dem Druck des Fluids,
das sich in einem freien Raum innerhalb der Dichthülse 92 radial
innerhalb der Dichtkanten 96 befindet. Durch die hydraulische
Kopplung dieses freien Volumens mit dem ersten Steuerraum 48 durch
den dritten Steuerkanal 104 führt somit das Herausbewegen
des ersten Ventilkörpers 64 aus
seiner Schließstellung
auch zu einem Abfall des Drucks des Fluids in dem freien Raum radial
innerhalb der Dichtkante 96 der Dichthülse 92. Dies hat dann
wiederum zur Folge, dass die über
die Stirnfläche 108 auf
den zweiten Ventilkörper 80 einwirkende
Kraft verringert wird.
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Mit
zunehmendem Hub des Piezo-Aktuators 4 wird das Spiel aufgebraucht,
das zwischen den Kontaktbereichen 76, 78 des ersten
beziehungsweise zweiten Ventilkörper 64, 80 in
deren jeweiligen Schließstellungen
besteht. Wenn das Spiel aufgebraucht ist, führt ein weiteres Zunehmen des
Hubs des Piezo-Aktuators 4 im
Sinne eines weiteren Herausbewegens des Schließkörpers 68 des ersten Ventilkörpers 64 auch
zu einem Herausbewegen des Schließkörpers 84 des zweiten
Ventilkörpers 80 aus einer
Schließstellung.
Die Kraft, die erforderlich ist, den Schließkörper 68 des zweiten
Ventilkörper 80 aus
seiner Schließstellung
herauszubewegen ist dadurch deutlich reduziert, dass die über die
Stirnfläche 108 durch
den Hydraulikdruck entgegenwirkende Kraft mit abnehmendem Druck
in dem ersten Steuerraum 48 sinkt. Dadurch ist ein energetisch
günstigeres,
das heißt
weniger Energie benötigendes,
Herausbewegen des Schließkörpers 84 des
zweiten Ventilkörpers 80 aus
seiner Schließposition
heraus gewährleistet.
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Wenn
sich der zweite Schließkörper 84 aus seiner
Schließstellung
herausbewegt, dann sinkt der Druck in dem zweiten Steuerraum 50 bei
geeigneter Dimensionierung der zweiten Zulaufdrossel 106.
Mit sinkendem Druck in dem zweiten Steuerraum 50 verringert
sich auch die Kraft, die durch den Druck des Fluids in dem zweiten
Steuerraum 50 über
die Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 auf
diese in ihrer Schließrichtung
eingekoppelt ist. Dies führt letztendlich
zu einem Bewegen der äußeren Düsennadel 27 heraus
aus ihrer Schließposition.
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Wird
der Hub des Piezo-Rktuators 4 anschließend wieder verringert, so
bewegt sich der zweite Ventilkörper 80 wieder
zurück
in seine Schließstellung.
Es kann dann kein Fluid mehr aus dem zweiten Steuerraum 50 in
den Leckageraum 14 abfließen und durch das über die
zweite Zulaufdrossel 106 zufließende Fluid steigt der Druck
in dem zweiten Steuerraum 50 wieder an, was schließlich zu einem
Zurückbewegen
der äußeren Düsennadel 27 in
ihre Schließposition
führt.
Bevorzugt sind die Sitzdurchmesser der Schließkörper 68, 84 möglichst klein
gewählt
unter Berücksichtigung
der geforderten Eigenschaften des Servoventils, also beispielsweise seiner
mechanischen Festigkeit und seiner Standhaftigkeit gegenüber hohen
Druckbeanspruchungen.
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Das
Servoventil kann auch in einer anderen Vorrichtung als dem Einspritzventil
angeordnet sein oder für
das dortige Anordnen vorgesehen sein.