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Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 aus. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil
ist bspw. aus der Europäischen
Patentanmeldung
EP
1 174 615 A2 bekannt und umfasst eine Ventilnadel, die
mit einem Ventilsitz zur Steuerung wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt.
Die Ventilnadel ist hierbei längsverschiebbar
angeordnet, sodass je nach Längsposition
der Ventilnadel die Einspritzöffnungen
freigegeben oder durch Anlage der Ventilnadel am Ventilsitz verschlossen
werden. Im Kraftstoffeinspritzventil ist ein Aktor vorhanden, der
bspw. als Piezoaktor ausgebildet ist. Der Piezoaktor wirkt zumindest
mittelbar auf einen Kopplerkolben, durch den eine Wirkverbindung
zwischen dem Aktor und der Ventilnadel hergestellt wird.
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Beim Öffnen der
Ventilnadel ist es wichtig, dass der erste Bereich des Hubs möglichst
schnell überwunden
wird. Andernfalls kommt es zwischen der Ventilnadel und dem Ventilsitz
zu einem stark drosselnden Spalt, durch den der Kraftstoff nur unter starkem
Druckabfall hindurchfließen
kann und entsprechend mit nur geringem Druck in die Brennkammer
der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Um dieses Problem zu überwinden
wird in der
EP 1 174 615
A2 vorgeschlagen, einen mechanischen Koppler zwischen der
Ventilnadel und dem Kopplerkolben vorzu sehen, sodass durch die Bewegung
des Kopplerkolbens, der angetrieben durch den Aktor einen Hub vollführt, die
Ventilnadel mechanisch auf dem ersten Stück ihrer Längsbewegung mitgenommen wird.
Danach vollführt
die Ventilnadel durch die auf sie wirkenden hydraulischen Kräfte den
restlichen Öffnungshub
unabhängig
vom Hubkolben. Die dort gezeigte Konstruktion ist jedoch sehr aufwendig
und damit teuer in der Fertigung.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass ein einfacher mechanischer Koppler zwischen dem
Kopplerkolben und der Ventilnadel zur Verfügung gestellt wird, der ein
Abheben der Ventilnadel zu Beginn des Öffnungshubs mit gewünschten
Präzision
ermöglicht.
Dazu weist der Kopplerkolben einen Bolzen auf, der in eine Ausnehmung
der Ventilnadel hineinragt. Die Ausnehmung in der Ventilnadel ist hierbei
so orientiert, dass der Bolzen am ventilsitzabgewandten oberen Ende
der Ausnehmung anliegt, wenn die Ventilnadel in Anlage am Ventilsitz
ist und der Kopplerkolben seine entsprechende Position zu Beginn
der Öffnungshubbewegung
eingenommen hat. Durch die Bewegung des Kopplerkolbens vom Ventilsitz
weg wird die Ventilnadel bewegt, bis die hydraulischen Kräfte, die
durch das Abheben vom Ventilsitz zusätzlich auf die Ventilnadel
wirken, die weitere Öffnungsdynamik
der Ventilnadel bestimmen. Da die Ausnehmung eine Bewegung des Bolzens
innerhalb der Ausnehmung erlaubt, wird der weitere Öffnungshub
der Ventilnadel nicht durch den Kopplerkolben behindert, auch wenn
dieser mittlerweile seine Endposition erreicht hat. Damit kann durch
einen relativ geringen Hub des Aktors und damit des Kopplerkolbens
eine große
Längsbewegung
der Ventilnadel gesteuert werden. Der Bolzen weist darüber hinaus
den Vorteil auf, dass die Ventilnadel drehfixiert ist, d.h. dass
ihre Ventildichtfläche
stets die gleiche Position zum Ventilsitz aufweist. Dies kann den
Verschleiß zwischen
Ventildichtfläche 8 und
Ventilsitz 11 begünstigen,
sodass sich die Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils entscheidend
erhöht.
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Durch
die abhängigen
Ansprüche
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kopplerkolben eine
zentrale Ausnehmung auf, in der die Ventilnadel mit ihrem ventilsitzabgewandten
Ende geführt
ist. Dadurch wird ein Steuerraum zwischen dem Kopplerkolben und
der ventilsitzabgewandten Stirnseite der Ventilnadel gebildet, durch
den eine hydraulische Kopplung zwischen Kopplerkolben und Ventilnadel
in einfacher Weise möglich
ist. In vorteilhafter Weise ist hierbei im Kopplerkolben eine Aufnahmebohrung
ausgebildet, in der der Bolzen angeordnet ist und durch die als
Langloch ausgebildete Ausnehmung der Ventilnadel hindurchragt. Diese
Konstruktion ermöglicht
eine einfache Montage, bei der der Kopplerkolben mit seiner zentralen
Aufnehmung über
das ventilsitzabgewandte Ende der Ventilnadel geschoben wird. Anschließend kann
der Bolzen durch die Aufnahmebohrung und das Langloch hindurch geschoben
werden, wodurch die mechanische Kopplung zwischen dem Kopplerkolben
und der Ventilnadel hergestellt wird.
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Besonders
vorteilhaft arbeitet die erfindungsgemäße Konstruktion, wenn der Aktor,
der den Kopplerkolben bewegt, als Piezoaktor ausgebildet ist, sodass
eine schnelle Bewegung des Kopplerkolbens möglich ist.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt.
Es zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
von 1 im Bereich des Kopplerkolbens,
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3 eine
gegenüber 2 um
90° gedrehte
Darstellung der Ventilnadel im Bereich der Ausnehmung und
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4 in
derselben Darstellung wie 3 eine weitere
Ausführungsform
der Ventilnadel mit einer abgewandelten Ausnehmung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper 1, eine
Zwischenscheibe 3 und einen Haltekörper 5 auf, die durch
eine in der Zeichnung nicht dargestellte mechanische Spannvorrichtung
gegeneinander gepresst sind. Im Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 9 ausgebildet,
die am brennraumseitigen Ende von einem im wesentlichen konischen
Ventilsitz 11 begrenzt wird. Vom Ventilsitz 11 gehen
mehrere Einspritzöffnungen 14 aus,
die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in die Brennkammer
der Brennkraftmaschine münden.
In der Bohrung 9 ist eine eine Längsachse 13 aufweisende
Ventilnadel 7 angeordnet, die kolbenförmig ausgebildet ist und die
an ihrem ventilsitzseitigen Ende eine Ventildichtfläche 8 aufweist, mit
der sie mit dem Ventilsitz 11 zusammenwirkt. Die Ventilnadel 7 ist
zum einen in einem unteren Führungsabschnitt 10 in
der Bohrung 9 geführt
und zum anderen in einer Führungsbohrung 25,
die in der Zwischenscheibe 3 ausgebildet ist. Zwischen
der Ventilnadel 7 und der Wand der Bohrung 9 ist
ein Druckraum 16 ausgebildet, der sich ventilsitzabgewandt
in einen Federraum 116 erweitert, der von der Zwischenscheibe 3 begrenzt
wird. Der Zufluss von Kraftstoff aus dem Druckraum 16 zu
den Einspritzöffnungen 14 wird
hierbei durch Anschliffe 12 am unteren Führungsabschnitt 10 sichergestellt.
Im Haltekörper 5 und
der Zwischenscheibe 3 verläuft ein Zulaufkanal 30, über den
Kraftstoff aus einem im Haltekörper 5 ausgebildeten
Hockdruckraum 27 in den Druckraum 16 einbringbar
ist. Der Hochdruckraum 27 ist hierbei mit einem in der
Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicher verbunden, in dem
unter hohem Druck verdichteter Kraftstoff zur Verfügung gestellt
wird.
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Im
Federraum 116 ist eine Schließfeder 20 angeordnet,
die die Ventilnadel 7 umgibt und die sich mit einem Ende
an der Zwischenscheibe 3 abstützt. Am anderen Ende liegt
die Schließfeder 20 an
einem Stützring 22 an,
der wiederum an der Ventilnadel 7 anliegt, sodass durch
die Schließfeder 20 eine
in Richtung des Ventilsitzes 11 wirkende Längskraft ausgeübt wird,
die die Ventilnadel 7 gegen den Ventilsitz 11 drückt. An
dem Absatz, an dem sich der Stützring 22 an
der Ventilnadel 7 abstützt,
ist eine Druckschulter 18 ausgebildet, die vom Kraftstoffdruck
im Druckraum 16 beaufschlagt ist. Durch die Druckbeaufschlagung
dieser Druckschulter 18 ergibt sich eine hydraulische,
vom Ventilsitz 11 weggerichtete Öffnungskraft, die der Kraft
der Schließfeder 20 entgegengerichtet
ist.
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Im
Hochdruckraum 27 ist ein Aktor in Form eines Piezoaktors 32 angeordnet
und ein mit dem Piezoaktor 32 fest verbundener Kopplerkolben 34.
Der Kopplerkolben 34 weist eine zentrale Ausnehmung 36 auf,
in der die Ventilnadel 7 mit ihrem ventilsitzabgewandten
Ende hineinragt. Durch die zentrale Ausnehmung 36 des Kopplerkolbens 34 und
die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel 7 wird
ein Steuerraum 14 begrenzt, der über eine Zulaufdrossel 44 mit
dem Hochdruckraum 27 verbunden ist. Darüber hinaus ist zwischen dem
Kopplerkolben 34 und der Zwischenscheibe 3 ein
Kopplervolumen 38 ausgebildet, das die Ventilnadel 7 umgibt.
Das Kopplervolumen 38 ist über den Ringspalt, der zwischen
dem Kopplerkolben 34 und der Wand das Hochdruckraums 27 verbleibt,
mit dem Hochdruckraum 27 verbunden, welcher mit Kraftstoff
unter hohem Druck befüllt
ist.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
im Bereich des Kopplerkolbens 34. Im Kopplerkolben 34 ist
eine Aufnahmebohrung 46 ausgebildet, die den Kopplerkolben 34 im
Bereich der zentralen Ausnehmung 36 von einer Seite zur
anderen durchdringt. In der Aufnahmebohrung 46 ist ein
Bolzen 42 angeordnet, der eine Längsachse 142 aufweist
und der außer der
Aufnahmebohrung 46 auch durch eine Ausnehmung 48 hindurchragt,
die in der Ventilnadel 7 ausgebildet ist und die hier die
Form eines Langlochs 148 aufweist. Wie in 2 dargestellt,
liegt der Bolzen 42 am ventilsitzabgewandten oberen Ende
des Langlochs 148 an, wenn die Ventilnadel 7 in
ihrer Schließstellung
ist und der Kopplerkolben 34 durch den Piezoaktor 32 in
eine ventilsitznahe Position gefahren ist.
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Die
Position des Bolzens 42 im Langloch 148 ist nochmals
in 3 näher
dargestellt, wobei die Ventilnadel 7 bzgl. 2 um
90° gedreht
dargestellt ist. Das Langloch 148 hat seine größte Breite
b in Richtung einer ersten Querachse 50, während es senkrecht
dazu, also in Richtung einer zweiten Querachse 52, eine
kleinere Breite a aufweist. Die kleinere Breite a ist hierbei geringfügig größer als
der Außendurchmesser
des Bolzens 42, so dass dieser innerhalb des Langlochs 148 in
Richtung der Querachse 50 verschiebbar ist. Das Langloch 148 zeigt
im Querschnitt eine Form, die sich aus zwei sich gegenüberliegenden
Halbkreisen 100, 101 zusammensetzt, die durch
gerade, zueinander parallele Strecken 102 miteinander verbunden
sind. Der Durchmesser der Halbkreise 100 bzw. 101,
der der kleineren Breite a entspricht, ist dabei nur geringfügig größer als
der Durchmesser des Bolzens 42, damit eine möglichst flächige Auflage
des Bolzens 42 am Ende des Langlochs 42 gegeben
ist.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil funktioniert wie folgt: Zu Beginn des
Einspritzzyklus befindet sich die Ventilnadel 7 in ihrer
Schließposition,
d.h. in Anlage am Ventilsitz 11. Dadurch verschließt die Ventilnadel 7 die
Einspritzöffnungen 14 gegen
den Druckraum 16, in dem Kraftstoff unter Einspritzdruck
ansteht. Der Piezoaktor 32 hat eine Ausdehnung erreicht,
bei der er den Kopplerkolben 34 soweit in Richtung des Ventilsitzes
drückt,
dass der Bolzen 42 am oberen Ende des Langlochs 148,
d.h. an dem Ende anliegt, das dem Ventilsitz 11 abgewandt
ist. Im Steuerraum 40 und im Kopplervolumen 38 herrscht
derselbe Druck wie im Zulaufkanal 30 und im Druckraum 16, bedingt
durch die Zulaufdrossel 44 bzw. den Spalt zwischen dem
Kopplerkolben 34 und der Wand des Hochdruckraums 27.
Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Piezoaktor 32 verkürzt. Da
der Piezoaktor 32 fest mit dem Kopplerkolben 34 verbunden
ist, bewegt sich auch der Kopplerkolben 34 vom Ventilsitz 11 weg
und nimmt dabei durch den Bolzen 42 die Ventilnadel 7,
die so vom Ventilsitz 11 abhebt und die Einspritzöffnungen 14 freigibt.
Aus dem Druckraum 16 strömt nun Kraftstoff zwischen
der Ventildicht fläche 8 und
dem Ventilsitz 11 hindurch zu den Einspritzöffnungen 14 wird
durch diese in die Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Sobald
die Ventilnadel 7 vom Ventilsitz 11 abgehoben
hat, werden zusätzliche
Teile der Ventildichtfläche 8 vom
Kraftstoffdruck im Druckraum 16 beaufschlagt. Dadurch nimmt
die hydraulische Öffnungskraft
auf die Ventilnadel 7 zu, die zusammen mit der hydraulischen
Kraft auf die Druckschulter 18 die weitere Öffnung der
Ventilnadel 7 bestimmt. Zusätzlich sinkt durch die Bewegung
des Kopplerkolbens 34 der Druck im Steuerraum 40 und
ebenso im Kopplervolumen 38 ab. Dies verringert die Schließkraft durch
den Druck im Steuerraum 40 und beschleunigt so die Bewegung
der Ventilnadel 7 zusätzlich,
so dass die Ventilnadel 7 ihren weiteren Öffnungshub
fortsetzt, auch wenn der Kopplerkolben 34 bedingt durch
den relativ kleinen Hub des Piezoaktors 32 bereits nach
kurzer Strecke auf sein Minimum kontrahiert ist. Dabei wird sie
wegen der Ausformung des Langlochs 148 nicht behindert,
bis sie durch die Druckverhältnisse
im Steuerraum 40 ihren oberen Umkehrpunkt erreicht hat.
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Zum
Schließen
des Kraftstoffeinspritzventils wird der Piezoaktor 32 erneut
verlängert,
sodass der Kopplerkolben 34 in Richtung der Ventilnadel 7 bewegt
wird. Durch den sich dadurch aufbauenden Druck im Steuerraum 40 wird
die Ventilnadel 7 zurück in
Richtung des Ventilsitzes 11 gedrückt und erreicht so wieder
ihre Schließstellung,
in der die Einspritzöffnungen 14 verschlossen
werden. Über
die Zulaufdrossel 44 und den zwischen dem Kopplerkolben 34 und
der Wand des Hochdruckraums 27 ausgebildeten Ringspalt
ergibt sich sehr rasch wieder ein Druckausgleich zwischen dem Kopplerraum 38 und
dem Steuerraum 40 einerseits, und dem Hochdruckraum 27.
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Der
Piezoaktor 32 weist im Betrieb eine thermische Drift auf,
so dass sich seine Länge
im Laufe der Zeit und durch Temperaturschwankungen ändert. Um
dies auszugleichen sind verschiedene Maßnahmen möglich. Eine Möglichkeit
ist, die Piezoaktor 32 so auszulegen, dass bei seiner maximalen
Ausdehnung der Bolzen 42 einen Abstand h zum ventilsitzabgewandten
Ende des Langlochs 148 aufweist, wie dies in 3 dargestellt
ist. Dies bewirkt, dass der der Bolzen 42 erst dann, wenn
der Kopplerkolben 34 den Weg h durchfahren hat. am ventilsitzabgewandten,
oberen Ende des Langlochs 148 zur Anlage kommt. Da der
Piezoaktor 32 sehr schnell schaltet, ist es für den Öffnungszeitpunkt
der Ventilnadel 7 unerheblich, ob der Bolzen 42 direkt
an der Ventilnadel 7 anliegt oder ob zuerst ein kleiner
Weg h durchfahren werden muss. Ist ein Abstand h zwischen dem Bolzen 42 und
dem oberen Ende des Langlochs 148 vorhanden, so hat dies
neben dem Ausgleich der thermischen Drift auch den Vorteil, dass
eine Druckerniedrigung im Steuerraum 40 durch den Öffnungshub
des Kopplerkolbens 34 stattfindet, ehe der Kolben 34 über den
Bolzen 42 an der Ventilnadel 7 anliegt.
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Eine
andere Möglichkeit,
die thermische Drift des Piezoaktors 32 auszugleichen,
besteht darin, dass der Piezoaktor nicht direkt auf den Kopplerkolben 34 wirkt,
sondern auf einen weiteren Kolben, der hydraulisch mit dem Kopplerkolben 34 verbunden
ist. Durch die hydraulische Kopplung lassen sich dann Längenänderungen
des Piezoaktors 32 kompensieren.
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Die
Ausnehmung 48 muss nicht die Form eines Langlochs 148 aufweisen.
Es ist beispielsweise auch eine dreieckförmige Ausnehmung 248 mit
abgerundeten Ecken möglich,
wobei die Spitze, an welcher der Bolzen 42 bei der Öffnungsbewegung
anliegt, vom Ventilsitz 11 weggerichtet ist. 4 zeigt eine
solche dreieckförmige
Ausnehmung 248, wobei auch andere Formen denkbar sind,
die eine entsprechende Bewegung des Bolzens 42 in der Ausnehmung 48 ermöglichen.