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Die
Erfindung betrifft ein Schaltventil, ein Einspritzventil mit einem
Schaltventil und ein Verfahren zum Steuern des Einspritzventils.
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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 während
des Verbrennungsprozesses 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 2.000 bar.
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Aus
der
DE 10 2004
032 700 B3 ist ein zweistufiges Servoventil für einen
Kraftstoffinjektor bekannt, mit dem sowohl sehr kleine als auch
sehr große
einzuspritzende Kraftstoffmengen sehr genau gesteuert werden können. Das
Servoventil weist einen unter hohem Kraftstoffdruck stehenden Steuerraum auf,
der an einem Ventilsitz durch einen von einem Aktor betätigbaren
Ventilkörper
zu öffnen
bzw. schließbar
ist. Durch den entste henden Druckabfall sind zwei Düsennadeln
von Ihrem Ventilsitzen abhebbar und entsprechend angeordnete Reihen
mit Spritzlöchern
werden freigegeben, die im unteren Teil des Kraftstoffinjektors
angeordnet sind. Das Servoventil weist eine Ventilplatte mit einer
vertikal angeordneten Bohrung auf, die als Steuerraum für das Servoventil
ausgebildet ist. Der Ventilkörper
ist zweiteilig als äußerer Ventilkörper und
innerer Ventilkörper
ausgeführt.
In die vertikal angeordnete Bohrung ist der mit einer zentralen
Bohrung ausgebildete äußere Ventilkörper angebracht.
In der zentralen Bohrung ist koaxial der innere Ventilkörper angeordnet. Der
Steuerraum ist zweigeteilt als äußerer Steuerraum
und innerer Steuerraum ausgeführt,
wobei der äußere Steuerraum
durch die vertikal angeordnete Bohrung und der innere Steuerraum
durch die zentrale Bohrung gebildet ist. In der zentralen Bohrung des äußeren Ventilkörpers ist
eine Dichthülse
angeordnet, durch die der äußere Steuerraum
und der innere Steuerraum nach unten hin getrennt sind. Der äußere und
der innere Ventilkörper
weisen im oberen Bereich jeweils einen Ventilsitz auf, mit dem der äußere und
der innere Steuerraum kraftstoffdicht verschließbar sind. Zum Schließen des
inneren Steuerraums ist der innere Ventilsitz des inneren Ventilkörpers ringförmig verdickt
und mit einem Radius ausgebildet.
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Ferner
sind so genannte 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
den sonstigen Positionen den Kraftstofffluss durch die zweite Reihe
von Einspritzlöchern
frei. Der Piezo-Aktuator wirkt über
ein Schaltventil auf die Düsennadel
ein. Das Schaltventil 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 zerstäubt
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 Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet
werden, dass eine ausreichende Menge an Kraftstoff in den jeweiligen
Brennraum des Zylinders zugemessen wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltventil zu schaffen, das
geeignet ist zum Steuern einer ersten und zweiten Düsennadel
eines Einspritzventils und das einfach und kompakt ist. Es ist ferner
die Aufgabe der Erfindung, ein Einspritzventil zu schaffen mit einer
ersten und zweiten Düsennadel,
das einfach und kompakt ist. Darüber
hinaus ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern eines
Einspritzventils zu schaffen mit einer ersten und zweiten Düsennadel,
das einfach ein unabhängiges
Steuern der ersten und zweiten Düsennadel
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß eines
ersten Aspekts der Erfindung zeichnet sie sich aus durch ein Schaltventil,
insbesondere für
ein Einspritzventil, mit einem Ventilkörper, der eine Ausnehmung hat
und einen Sitz, der an einem Bereich der Ausnehmung ausgebildet
ist. Es hat ferner einen äußeren Kolben,
der in die Ausnehmung des Ventilkörpers eingebracht ist und der
mit dem Sitz des Ventilkörpers
so zu sammenwirkt, dass er in einer Schließposition des äußeren Kolbens
an dem Sitz des Ventilkörpers
dichtend anliegt, und der eine Ausnehmung hat, in deren Bereich
ein erster Sitz des äußeren Kolbens
ausgebildet ist. Ferner ist ein innerer Kolben vorgesehen, der in die
Ausnehmung des äußeren Kolbens
eingebracht ist und der mit dem ersten Sitz des äußeren Kolbens so zusammenwirkt,
dass er in einer Schließposition des
inneren Kolbens in dem ersten Sitz des äußeren Kolbens dichtend anliegt.
Eine Dichthülse
ist vorgesehen, die in der Ausnehmung des äußeren Kolbens angeordnet ist
und eine umlaufende Dichtkante hat, die auf dem freien Ende der
Dichthülse
ausgebildet ist, das dem ersten Sitz des äußeren Kolbens abgewandt ist,
wobei die Dichthülse
mittels einer ersten Feder in Richtung der Dichtkante vorgespannt
ist. Ein Absteuerkanal koppelt die Ausnehmung des äußeren Kolbens
in dem Bereich innerhalb der Dichtkante der Dichthülse hydraulisch.
Ein zweiter Absteuerkanal koppelt die Ausnehmung des Ventilkörpers in
dem Bereich außerhalb
der Dichtkante der Dichthülse
hydraulisch. Ein Leckageraum ist abhängig von den Positionen des
inneren Kolbens und des äußeren Kolbens
mit dem ersten Absteuerkanal hydraulisch gekoppelt oder entkoppelt
und abhängig
von der Position des äußeren Kolbens
mit dem zweiten Absteuerkanal hydraulisch gekoppelt oder entkoppelt
von diesem. Der äußere Kolben
und der innere Kolben haben je eine Kontaktfläche, die dazu vorgesehen sind, dass
ein Ventilantrieb auf sie einwirken kann. Die Kontaktfläche des äußeren Kolbens
ist als zweiter Sitz des äußeren Kolbens
so ausgebildet, dass bei Anlage des Ventilantriebs an dem äußeren Kolben der
Leckageraum hydraulisch entkoppelt ist von dem ersten Absteuerkanal.
Auf diese Weise ist es einfach möglich,
mittels nur eines Ventilantriebs zum einen den ersten Absteuerkanal
mit dem Leckageraum hydraulisch zu koppeln und den zweiten Absteuerkanal hydraulisch
zu entkoppeln von dem Leckageraum und zum anderen den zweiten Absteuerkanal
hydraulisch zu koppeln mit dem Leckageraum und den ersten Absteuerkanal
hydraulisch zu entkoppeln von dem Leckageraum.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil
mit einem Ventilantrieb und dem Schaltventil und ferner einer ersten
Düsennadel
und einer zweiten Düsennadel. Die
erste Düsennadel
unterbindet einen Fluidfluss durch mindestens eine erste Einspritzdüse in ihrer Schließposition
und gibt ihn ansonsten frei. Die zweite Düsennadel unterbindet den Fluidfluss
durch mindestens eine zweite Einspritzdüse in ihrer Schließposition.
Die Position der ersten und zweiten Düsennadel ist mittels des Schaltventils
steuerbar.
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Die
Positionen der ersten und zweiten Düsennadel sind somit quasi unabhängig voneinander steuerbar,
und zwar in dem Sinne, dass zum einen der Fluidfluss durch die erste
Einspritzdüse
freigegeben werden kann, während
der Fluidfluss durch die zweite Einspritzdüse unterbunden ist und zum
anderen der Fluidfluss durch die erste Einspritzdüse unterbunden
werden kann, während
der Fluidfluss durch die mindestens zweite Einspritzdüse freigegeben
ist. Auf diese Weise kann einfach mittels nur eines Ventilantriebs
zum einen das Zumessen von Fluid durch die mindestens erste Einspritzdüse und zum
anderen das Zumessen von Fluid durch die zumindest zweite Einspritzdüse quasi
unabhängig
voneinander gewährleistet
werden. Dies ermöglicht
auf einfache Weise die mindestens erste Einspritzdüse unabhängig von
der mindestens zweiten Einspritzdüse auszubilden. Dies ermöglicht somit,
das Einspritzventil für unterschiedliche
Ventilbetriebsweisen zu optimieren.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an dem zweiten Sitz
des äußeren Kolbens
eine Dichtkante ausgebildet. Auf diese Weise kann besonders einfach
und zuverlässig
bei Anlage des Ventilantriebs an dem äußeren Kolben der Leckageraum
hydraulisch entkoppelt werden von dem ersten Absteuerkanal. Die
Dichtkante kann besonders einfach an dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens
hergestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Dichtkante
an dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens
radial außen
an dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens
ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr steile Durchflusskennlinie,
abhängig
von dem axialen Abstand des Ventilantriebs zu dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens
aufgrund der von dem Radius der Dichtkante abhängigen freien Durchflussfläche zwischen
dem Ventilantrieb und dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens. So kann ein
nahezu digitales Schaltverhalten einfach erreicht werden. Dies hat
zur Folge, dass der Einfluss von Fertigungsstreuungen des äußeren Kolbens,
des zweiten Sitzes oder des Ventilantriebs gering ist auf das Schaltverhalten
des Schaltventils.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Ventilantrieb
eine Dichtkante ausgebildet, die so ausgebildet ist, dass sie bei
dem Einwirken des Ventilantriebs auf den äußeren Kolben dichtend mit dem
zweiten Sitz des äußeren Kolbens
gekoppelt ist. Auf diese Weise kann auch bei Anlage des Ventilantriebs
einfach und zuverlässig
eine dichtende Kopplung mit dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens
gewährleistet
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Dichtkante
an dem Ventilantrieb so ausgebildet, dass sie bei dem Einwirken des
Ventilantriebs auf den äußeren Kolben
radial außen
bezüglich
des zweiten Sitzes des äußeren Kolbens
mit diesem gekoppelt ist. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr
steile Durchflusskennlinie, abhängig von
dem axialen Abstand des Ventilantriebs zu dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens
aufgrund der von dem Radius der Dichtkante abhängigen freien Durchflussfläche zwischen
dem Ventilantrieb und dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens. So kann ein
nahezu digitales Schaltverhalten einfach erreicht werden.
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Gemäß eines
dritten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren
zum Steuern des Einspritzventils, bei dem zum ausschließlichen Steuern
der zweiten Düsennadel
heraus aus ihrer Schließposition
und wieder zurück
in ihre Schließposition
der Ventilantrieb derart angesteuert wird, dass er sich so schnell
hin in Anlage mit dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens bewegt, dass
bis zum dichtenden Koppeln ein Druck in dem Steuerraum noch über einem
zu einem Herausbewegen der Düsennadel
erforderlichen Druck liegt bzw. dass er sich so schnell weg von
der Anlage mit dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens bewegt, dass
er bis zum Entkoppeln von dem inneren Kolben der Druck in dem Steuerraum noch über einem
zum Herausbewegen der ersten Düsennadel
erforderlichen Druck liegt. Die Position der zweiten Düsennadel
wird durch eine Stellung des äußeren Kolbens
beeinflusst. Auf diese Weise kann für einen Einspritzvorgang entweder
Fluid durch die mindestens erste Einspritzdüse oder Fluid durch die mindestens
zweite Einspritzdüse
zugemessen werden.
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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,
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2 eine
Vergrößerung eines
Teilbereichs des Einspritzventils gemäß 1,
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3 eine
weitere Vergrößerung eines
Teilbereichs eines Schaltventils des Einspritzventils gemäß 2,
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4 eine
weitere Vergrößerung von
Teilen des Schaltventils in einer ersten Ausführungsform und
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5 eine
weitere Vergrößerung von
Teilen des Schaltventils in einer zweiten Ausführungsform.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Ein
Einspritzventil (1) hat ein Injektorgehäuse 1.
In einer Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 ist ein Stellantrieb
angeordnet, der bevorzugt einen Piezoaktuator umfasst. Der Piezoaktuator 4 ist als
ein Stapel von Piezoelementen ausgebildet und ändert seine axiale Ausdehnung
abhängig
von der ihm zugeführten
oder abgeführten
elektrischen Energie. Der Piezoaktuator 4 ist mit einem Übertrager 6 gekoppelt,
der ebenfalls in der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 angeordnet
ist. Der Piezoaktuator 4 und der Übertrager 6 bilden
den Stellantrieb. Ferner ist in der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 ein Leckageraum 14 ausgebildet,
der über
eine Leckagebohrung mit einem Niederdruckkraftstoffkreis verbindbar
ist.
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Das
Einspritzventil umfasst ferner eine Ventilplatte 16, eine
Zwischenplatte 18, einen Nadelführungskörper 20 und einen
Düsenkörper 21.
Die Ventilplatte 16, die Zwischenplatte 18, der Nadelführungskörper 20 und
der Düsenkörper 21 bilden
eine Düsenbaugruppe,
die mittels einer Düsenspannmutter 22 an
dem Injektorgehäuse 1 befestigt
ist.
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Der
Nadelführungskörper 20 hat
eine erste Ausnehmung 24, die als Ausnehmung 26 des
Düsenkörpers 21 fortgesetzt
ist und in der eine äußere Düsennadel 27 angeordnet
ist. Die äußere Düsennadel 27 ist
in dem Nadelführungsköper 20 geführt. Eine
innere Düsennadel 29 ist
in einer Ausnehmung 28 der äußeren Düsennadel 27 bevorzugt
koaxial zu dieser angeordnet und in der Ausnehmung 28 der äußeren Düsennadel 27 geführt. Die
Ausnehmung 28 der äußeren Düsennadel 27 durchdringt
die äußere Düsennadel 27 in
axialer Richtung vollständig.
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Eine
erste Düsenfeder 30 spannt
die äußere Düsennadel 27 in
eine Schließposition
vor, in der sie den Fluidfluss durch mindestens ein erstes Einspritzloch 34 unterbindet.
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Eine
zweite Düsenfeder 32 ist
so angeordnet, dass sie die innere Düsennadel 29 in eine
dieser zugeordnete Schließposition
vorspannt, in der sie den Fluidfluss durch mindestens ein zweites
Einspritzloch 36 unterbindet.
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Eine
Steuerraumausnehmung 38 (2) der Ventilplatte 18 ist
im Bereich ihres hin zu der Nadelführungskörper 20 gewandten
Endes ausgebildet. Die erste Ausnehmung 24 des Nadelführungskörpers 20 mündet in
die Steuerraumausnehmung 38.
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Ferner
ist in der Zwischenplatte 18 ein Hohlraum 50 ausgebildet,
der die zweite Düsenfeder 32 aufnimmt,
die sich an einem Absatz des Hohlraums 50 einerseits abstützt und
andererseits eine Dichthülse 40 auf
eine Kontaktfläche 64 der
inneren Düsennadel 29 presst.
Die Dichthülse 40 ist
in dem Hohlraum 50 geführt.
Die Wandung des Hohlraums 50, zumindest im Bereich, in
dem die Dichthülse 40 geführt ist,
und die äußere Wandung
der Dichthülse 40 sind
bezüglich
ihrer Ausmaße
sehr präzise
gefertigt, um so sicherzustellen, dass eine möglichst geringe Leckage zwischen
der Wandung des Hohlraums 50 und dem äußeren Umfang der Dichthülse 40 möglich ist.
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Die
Dichthülse 40 hat
bevorzugt an dem axialen Ende, das der Kontaktfläche 64 der inneren
Düsennadel 29 zugewandt
ist, eine Beißkante.
Die Beißkante
ist radial außen
ausgebildet.
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Die
Dichthülse 40 trennt
so einen ersten Steuerraum 46 von einem zweiten Steuerraum 48. Der
erste Steuerraum wird begrenzt durch die radial innerhalb der Beißkante 46 befindlichen
Kontaktfläche 64 der
inneren Düsennadel 29,
durch die Dichthülse 40 und
die Wandungen des Hohlraums 50 in der Zwischenplatte 18.
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Der
erste Steuerraum 46 ist über eine erste Zulaufdrossel 52 mit
einer Hochdruckbohrung 54 hydraulisch gekoppelt, die mit
einem Hochdruckkreis der Kraftstoffversorgung koppelbar ist. Der
erste Steuerraum 46 ist ferner über eine Ablaufdrossel 56 hydraulisch
gekoppelt mit einer ersten Ablaufbohrung 58, die wiederum
hydraulisch gekoppelt ist mit dem Schaltventil 60, das
insbesondere als Servoventil ausgebildet ist und von dem Stellantrieb
angetrieben wird.
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Die
innere Düsennadel 29 hat
einen Hochdruckabsatz, der mit Fluid in Kontakt steht, das in etwa
den Druck hat, den das Fluid in der Hochdruckbohrung 54 hat.
Der Hochdruckabsatz ist so ausgebildet, dass die durch den Druck
des Fluids hervorgerufene Kraft öffnend
auf die innere Düsennadel 29 wirkt.
Die Position der inneren Düsennadel 29 hängt letztlich
ab von der Kräftebilanz
der Kräfte,
die hervorgerufen durch den Druck des Fluids auf den Hochdruckabsatz
und auch auf die Spitze der inneren Düsennadel 29 wirken,
und andererseits der Federkraft und der Kraft, die durch den Druck
des Fluids, das sich in dem ersten Steuerraum 46 befindet,
und die dadurch hervorgerufene Kraft über die Kontaktfläche 64 der
inneren Düsennadel 29 und
den Absatz 42 der inneren Düsennadel 29 in Schließrichtung
der Düsennadel 29 eingeleitet
wird.
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Die
erste Zulaufdrossel 52 kann an das gewünschte Ansprechverhalten des
ersten Steuerraums 46 angepasst sein und kann unabhängig davon
dimensioniert sein, wie das Ansprechverhalten des zweiten Steuerraums 48 sein
soll. Die Ablaufdrossel 56 kann ferner ebenfalls an das
gewünschte Ansprechverhalten
des ersten Steuerraums 46 angepasst sein. Dies hat insbesondere
im Zusammenhang mit dem Schaltventil 60 den Vorteil, dass
zum Ändern
des Ansprechverhaltens lediglich der Querschnitt der Ablaufdrossel 56 anzupassen
ist und das Schaltventil 60 unverändert eingesetzt werden kann.
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Der
zweite Steuerraum 48 umfasst den Bereich der ersten Ausnehmung 24 des
Nadelführungskörpers 20,
der sich radial außerhalb
der Beißkante 44 der
Dichthülse 40 befindet,
und die Steuerraumausnehmung 38. Er umfasst ferner gegebenenfalls eine
zweite Ablaufbohrung 68 und zwar hin bis zu einer gegebenenfalls
vorhandenen weiteren Ablaufdrossel.
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Der
zweite Steuerraum 48 ist mittels einer zweiten Zulaufdrossel 66 mit
der Hochdruckbohrung 54 hydraulisch gekoppelt. Der zweite
Steuerraum ist mittels der zweiten Ablaufbohrung 68 mit
dem Steuerventil 60 hydraulisch gekoppelt. Durch die Dimensionierung
der zweiten Zulaufdrossel 66 lässt sich das Ansprechverhalten
des zweiten Steuerraums 48 einstellen. Die äußere Düsennadel 27 verfügt ebenso wie
die innere Düsennadel 29 über einen
Hochdruckabsatz, der mit unter Hochdruck stehendem Fluid aus der
Hochdruckbohrung 54 beaufschlagt ist und der so ausgebildet
ist, dass die durch den Druck des Fluids hervorgerufene Kraft öffnend auf
die äußere Düsennadel 27 wirkt.
Dieser Kraft wirken entgegen die von der ersten Düsenfeder 30 in
Schließrichtung
ausgeübte
Kraft und die durch den Druck des Fluids in dem zweiten Steuerraum 48 hervorgerufene Kraft
auf die äußere Düsennadel 27,
die über
eine Kontaktfläche 70 der äußeren Düsennadel 27 eingeleitet
wird. Abhängig
von der Kräftebilanz
dieser Kräfte
und einer ggf. auf eine Spitze der äußeren Düsennadel 27 hydraulischen
Kraft ist die Position der äußeren Düsennadel 27 einstellbar.
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Ein
Schaltventil umfasst den Ventilkörper 16, in
dem eine Ausnehmung 72 des Ventilkörpers 16 ausgebildet
ist. Ein äußerer Kolben 74 ist
in die Ausnehmung 72 des Ventilkörpers 16 eingebracht.
In der Ausnehmung 72 des Ventilkörpers 16 ist ein Sitz 76 ausgebildet.
Der äußere Kolben
hat bevorzugt einen kegelförmigen
Absatz 78, der in einer Schließposition des äußeren Kolbens 74 dichtend
an dem Sitz 76 des Ventilkörpers 16 anliegt.
Der kegelförmige
Absatz 78 kann alternativ beispielsweise auch sphärisch ausgebildet
sein. Der äußere Kolben 74 hat
eine Ausnehmung 80, in die ein innerer Kolben 84 eingebracht
ist. Der äußere Kolben 74 hat
im Bereich seiner Ausnehmung 80 einen ersten Sitz 82.
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Der
innere Kolben 84 hat bevorzugt einen kegelförmigen Absatz 86,
der in einer Schließstellung (konsistent
ersetzen bzgl. des Schaltventils) des inneren Kolbens 84 an
dem ersten Sitz 82 des äußeren Kolbens 74 dichtend
anliegt.
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Ferner
ist in die Ausnehmung 80 des äußeren Kolbens 74 eine
Dichthülse 88 eingebracht,
die eine umlaufende Dichtkante 90 hat, die auf ihrer dem ersten
Sitz 82 des äußeren Kolbens 74 abgewandten Seite
ausgebildet ist. Die Dichthülse 88 wird
mittels einer ersten Feder 92 in Richtung der Dichtkante 90 vorgespannt
und liegt somit mit der Dichtkante 90 dichtend auf der
Zwischenplatte 18 auf. Die erste Feder stützt sich
einerseits auf einem Absatz 94 des inneren Kolbens 84 ab
und stützt
sich andererseits auf einem Absatz 96 der Dichthülse 88 ab.
Durch diese Anordnung wird einerseits die Dichthülse 88 mit ihrer Dichtkante 90 dichtend
auf die Zwischenplatte 18 gedrückt und andererseits der innere
Kolben 84 mit seinem kegelförmigen Absatz 86 mit
einer Kraft in Richtung auf den ersten Sitz 82 des äußeren Kolbens 74 beaufschlagt
und liegt somit dichtend an diesem an, wenn keine weiteren Kräfte auf
den inneren Kolben 84 durch den Piezo-Aktuator 4 ausgeübt werden.
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Darüber hinaus übt die erste
Feder 92 auf den äußeren Kolben 74 eine
Kraft aus. Solange die durch das den äußeren Kolben 74 umgebende
Hydraulikfluid hervorgerufenen Kräfte größer sind als die durch die
Vorspannung der ersten Feder 92 aufgebrachten Kräfte und
unter der Voraussetzung, dass in dem Piezo-Aktuator 4 keine
in einer Öffnungsrichtung
wirkende Kraft aufgebracht wird, liegt der äußere Kolben 64 dichtend
an dem Sitz 76 des Ventilkörpers 16 mit seinem
kegelförmigen
Absatz 78 an.
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In
der Zwischenplatte 18 ist eine erste Ablaufbohrung 58 eingebracht
mit einer ersten Ablaufdrossel 56, die in das Schaltventil
radial innerhalb der Dichtkante 90 der federbelasteten
Dichthülse 88 mündet.
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Die
zweite Ablaufbohrung 68 erstreckt sich von dem zweiten
Steuerraum hin zu dem Schaltventil und mündet in dieses radial außerhalb
der Dichtkante 90 der Dichthülse 88. Die zweite
Ablaufbohrung 68 koppelt den zweiten Steuerraum 48 hydraulisch
mit der Ausnehmung 38 des Ventilkörpers 16. An den zu dem
Ventilantrieb zugewandten freien Enden des äußeren und inneren Kolbens 74, 84 sind
Kontaktflächen 104, 102 ausgebildet.
Die Kontaktfläche 104 des äußeren Kolbens 74 ist
als zweiter Sitz des äußeren Kolbens 74 ausgebildet,
auf den je nach Stellung des inneren Kolbens 84 und des äußeren Kolbens 74 der Übertrager 6 zur
Anlage kommen kann. Der zweite Sitz des äußeren Kolbens 74 ist
so ausgebildet, dass bei Anlage des Übertragers an dem zweiten Sitz
des äußeren Kolbens
eine dichtende Kopplung zwischen dem Übertrager 6 und dem äußeren Kolben
gewährleistet
ist und somit die Ausnehmung 80 des äußeren Kolbens hydraulisch entkoppelt
ist von dem Leckageraum.
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Bevorzugt
ist zum Sicherstellen einer dichtenden Kopplung zwischen dem Übertrager 6 und dem äußeren Kolben 74 auf
dem zweiten Sitz des äußeren Kolbens 74 eine
Dichtkante 106 umlaufend ausgebildet. Die Dichtkante 106 ist
bevorzugt radial außen
an dem zweiten Sitz ausgebildet. Dies ist anhand der 4 dargestellt.
Alternativ kann eine Dichtkante 116 auch an dem Übertrager 6 ausgebildet
sein. Sie ist dann ebenfalls bevorzugt umlaufend so ausgebildet,
dass sie bei Anlage an den zweiten Sitz des äußeren Kolbens 74 radial
außen
an dem zweiten Sitz anliegt.
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Wenn
der Piezo-Aktuator 4 ausgehend von einer Ruhestellung in
der Weise angesteuert wird, dass der Übertrager 6 in axialer
Richtung hin zu den inneren und äußeren Kolben 84, 74 verlagert
wird, so kontaktiert der Übertrager 6 nach Überwinden
eines Leerhubs 108 zunächst
den inneren Kolben 84 an seiner Kontaktfläche 102.
Mit zunehmender axialer Vorverlagerung des Übertragers 6 löst sich
dann der innere Kolben 84 von dem Sitz 76 des
Ventilkörpers 16.
Dies hat zur Folge, dass Fluid von dem ersten Steuerraum 46 durch
die Ablaufbohrung 18 und die Ausnehmung 80 des äußeren Kolbens 74 in
den Leckageraum 14 strömen
kann. Dies führt
zu einem Druckabfall in dem ersten Steuerraum. Innerhalb des mit 110 bezeichneten
Ventilhubs des inneren Kolbens 84 ist somit die Ausnehmung 80 des äußeren Kolbens 74 hydraulisch
gekoppelt mit dem Leckageraum 14.
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Wenn
der Übertrager 6 in
eine mit 110 bezeichnete Stellung vorverlagert worden ist,
koppelt der zweite Sitz des äußeren Kolbens 74 dichtend
mit dem Übertrager 6,
was dann zur Folge hat, dass die Ausnehmung 80 des äußeren Kolbens 74 wieder
entkoppelt ist von dem Leckageraum 14. In diesem Zustand
bewirkt das über
die erste Zulaufdrossel 52 von der Hochdruckbohrung 54 nachströmende Fluid
somit wieder einen Druckaufbau in dem ersten Steuerraum 46.
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Bei
einer weiteren Vorverlagerung des Übertragers 6 innerhalb
des mit 112 bezeichneten Bereichs des Ventilhubs für die Ansteuerung
des äußeren Kolbens 74 wird
der äußere Kolben 74 von
seiner Anlage an dem Sitz 76 des Ventilkörpers 16 gelöst und gibt
diesen somit frei, was zur Folge hat, dass Fluid von dem zweiten
Steuerraum 48 über
die zweite Bohrung 68, vorbei an dem Sitz 76 des
Ventilkörpers 16 in
den Leckageraum 14 strömen
kann. Dies führt
zu einem Druckabfall in dem zweiten Steuerraum 48.
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Während des
Ventilhubs 112 für
die Ansteuerung der äußeren Düsennadel 27 ist
somit der erste Steuerraum 46 hydraulisch entkoppelt von
dem Leckageraum, während
der zweite Steuerraum 48 hydraulisch gekoppelt ist mit
dem Leckageraum. Umgekehrt ist während
des Ventilhubs 110 für
die Ansteuerung der inneren Düsennadel 74 der
erste Steuerraum 46 hydraulisch gekoppelt mit dem Leckageraum 14,
während
der zweite Steuerraum 48 hydraulisch entkoppelt ist von
dem Leckageraum 14.
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Ein
entsprechendes Verhalten des Schaltventils ergibt sich selbstverständlich bei
einer darauf folgenden Rückverlagerung
des Übertragers 6 zurück in seiner
Ruhestellung.
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Bei
einer geeignet schnellen Vorverlagerung des Übertragers 6 von seiner
Ruhestellung bis hin zu dem Ventilhub 114 für eine Schließstellung
beider Kolben 74, 84 kann gewährleistet werden, dass die innere
Düsennadel 26 in
ihrer Schließposition
verbleibt. Das Gleiche gilt bei einer entsprechend schnellen Rückverlagerung
des Übertragers 6 von dem
Ventilhub 114 für
die Schließstellung
beider Kolben 74, 84 zurück in seine Ruhestellung. Eine
derartige geeignete Steuerung kann beispielsweise abhängig von
dem Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung 54 empirisch
durch Versuche oder Simulationen ermittelt sein. Durch eine derartige
Ansteuerung kann für
einen Einspritzvorgang auch lediglich Kraftstoff über das
mindestens erste Einspritzloch 34 zugemessen werden.
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Bevorzugt
entspricht die innere Düsennadel 26 einer
ersten Düsennadel
und die äußere Düsennadel 28 einer
zweiten Düsennadel.
Alternativ kann jedoch die innere Düsennadel 26 auch der
zweiten Düsennadel
und die äußere Düsennadel 28 der
ersten Düsennadel
entsprechen. Der Stellantrieb kann alternativ zu dem Piezo-Aktuator 4 auch
einen anderen beliebigen, dem Fachmann bekannten Hubaktuator, wie
beispielsweise einen elektromagnetischen, Antrieb umfassen.