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Stand der Technik
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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 geringern 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 vorzusehen, 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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Aus der
EP 1 174 615 A2 ,
WO 93/00 540 A1 und
US 4 546 924 A sind darüber hinaus Kraftstoffeinspritzventile bekannt, die jeweils ein durch einen elektrischen Aktor bewegliches Ventilelement aufweisen.
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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 Kopplerkolben 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 mm Kraftstoff zwischen der Ventildichtfläche 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 Kopplerkolben 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.
