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Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffinjektor zur Steuerung einer
Düsennadel
nach der Gattung der Anspruchs 1 aus. Der Kraftstoffinjektor wird in
Verbindung mit einem Hochdruckeinspritzsystem, beispielsweise einem
Common Rail Einspritzsystem für
Dieselmotoren verwendet, um den Kraftstoff durch Direkteinspritzung
in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Innerhalb
des Kraftstoffinjektors ist eine Düseneinheit mit einer Düsennadel
angeordnet, die von einer Servoventil-Einheit durch hydraulische
Kraftübertragung
betätigt werden
kann und dabei die in der Düsenspitze
der Düseneinheit
befindlichen Spritzlöcher
für den
Kraftstoffaustritt freigibt. Die Servoventil-Einheit weist eine Arbeitskammer
auf, die mit dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff gefüllt und
von einem Servoventil mit einem Schließglied verschließbar ist.
Zum Öffnen
der Arbeitskammer wird das Servoventil von einem beispielsweise
piezoelektrischen Aktor betätigt. Die
Arbeitskammer ist einerseits über
Fluidkanäle und
eine Zulaufdrossel mit dem Hochdruckbereich des Common Rail Einspritzsystem
und andererseits über
eine Ablaufdrossel mit einem drucklosen Ablaufraum des Kraftstoffsystems
verbunden. Des weiteren besteht eine Hochdruckverbindung zu Spritzlöchern, die
durch die Düsennadel
gesteuert werden können.
Durch das Öffnen
des Servoventils ändert sich
der Druck in der Arbeitskammer schlagartig. Dadurch ändern sich
die auf die Düsenadel
wirkenden hydraulischen Kräfte,
so dass die Düsennadel
von ihrem Ventilsitz abgehoben und die Spritzlöcher freigegeben werden. Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird das Servoventil geschlossen.
Dadurch füllt
sich über
die Zulaufdrossel wieder die Arbeitskammer. Als Folge dessen ändern sich
die auf die Düsennadel wirkenden
hydraulischen Kräfte
derart, dass die Düsennadel
von einer Düsenfeder
wieder auf des spezifischen Kraftstoffverbrauchs insbesondere bei
der Nachteilig ist, dass selbst bei einer kleinen Bauformen auf
die druckbelastete Querschnittsfläche des Schließgliedes
des Servoventils bei einem Hochdruck bis ca. 2000 bar eine hydraulische
Schließkraft von
z. B. 500 N drücken
kann. Zum Öffnen
des Servoventils muss zunächst
diese Schließkraft
von dem Aktor überwunden
werden. Des weiteren drückt
eine Rückstellfeder
mit einer Schließkraft
von ca. 20 N auf das Servoventil, um es im drucklosen Zustand geschlossen
zu halten. Diese Kräfte
drücken
auf den gesamten Antriebsstrang (Piezo-Aktor, Servoventil-Stößel, Temperaturausgleichselement,
Injektorgehäuse
usw.) und bewirken wegen der begrenzten mechanischen Steifigkeit
der Materialien, über
die der Kraftfluss läuft,
eine deutliche Stauchung, die in der Größenordnung von ca. 18 μm liegen
kann. Bei einem Hub eines piezoelektrischen Aktors von typisch nur
40 μm reduziert
sich folglich der nutzbare Hub auf etwa die Hälfte.
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Beim Öffnen des
Servoventils fällt
der Druck in der Arbeitskammer schlagartig ab, so dass auch die
hydraulische Stauchungskraft auf den Antriebstrang abfällt. Dadurch
verlängert
sich wieder der Antriebsstrang um die Stauchungslänge und
unterstützt
das Öffnen
des Servoventils durch noch weiteres Öffnen, das wie bei einer Mitkopplung
wirkt, insbesondere beim Fehlen einer Ablaufdrossel. Dadurch sinkt
der Druck in der Arbeitskammer noch schneller ab, bis der Druck
in der Arbeitskammer auf ca. 100 bis 200 bar abgefallen ist und
praktisch die gesamte Stauchungslänge freigeworden ist. Durch diesen
Mitkopplungseffekt ist eine exakte Steuerung des Ablaufquerschnitts
für das
Servoventils sehr erschwert und folglich eine reproduzierbare exakte Darstellung
von Klein- und Teilmengen
kaum möglich.
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Die
dargestellten Effekte behindern eine gezielte Absenkung von Rohemissionen
im Abgas, des Verbrennungsgeräusches
und des spezifischen Kraftstoffverbrauchs insbesondere bei der Direkteinspritzung
mit einem Common Rail Einspritzsystem, da beliebige Teilmengen,
insbesondere auch Kleinmengen unter 1 Direkteinspritzung mit einem
Common Rail Einspritzsystem, da beliebige Teilmengen, insbesondere
auch Kleinmengen unter 1 mm3 bei typisch
2000 bar nicht exakt und reproduzierbar genug erzeugt werden können.
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Es
ist des weiteren bekannt, in Reihe zur Arbeitskammer eine fixe Ablaufdrossel
zu schalten. Durch den an der Ablaufdrossel definiert reduzierten Leitungsquerschnitt
wird das Abfließen
des in der Arbeitskammer unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs
etwas verlangsamt, so dass der Verlauf der Bewegung der Düsennadel,
die die Spritzlöcher
in der Düseneinheit öffnet, verlangsamt
wird. Durch entsprechend frühzeitiges
Schließen
des Servoventils können
sehr kleine Einspritzmengen oder Teilmengen erzeugt werden. Allerdings
besteht bei dieser Ausbildung der Ablaufdrossel der Nachteil, dass
der Bewegungsverlauf der Düsennadel
selbst nicht beeinflusst werden kann, da der Bewegungsverlauf von den
Strömungsbeiwerten
der Ablaufdrossel und auch einer Zulaufdrossel abhängt, die
ebenfalls als fixe Drossel ausgebildet ist. Des weiteren ist nachteilig, dass
durch das verlangsamte Abheben der Düsennadel eine starke Drosselwirkung
am Ventilsitz der Düseneinheit
entsteht, so dass der an den Spritzlöchern anstehende volle Einspritzdruck
nicht optimal genutzt werden kann. Aus verbrennungstechnischer Sicht
ist dieses Verhalten natürlich
unerwünscht.
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Die
DE 37 43 644 A1 und
die
JP 200207685 AA offenbaren
jeweils einen Kraftstoffinjektor, bei dem durch konstruktive Maßnahmen
eine während des Öffnens des
Servoventils auf das Schließglied des
Servoventils wirkende hydraulische Schließkraft realisiert ist, die
von dem in der Arbeitskammer aktuell wirkenden Kraftstoffdruck weitgehend
entkoppelt ist. Beide Lösungen
weisen jedoch eine relativ hohe Leckagerate auf.
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Ferner
offenbart die
EP 0
999 360 A1 einen Kraftstoffinjektor, bei dem das Schließglied mit
einen verlängerten
Schaft verbunden ist, der durch eine Arbeitskammer hindurch in einen Raum
geführt
ist, der an eine drucklose Rückleitung
angeschlossen ist. Dieser Aufbau dient dazu, die zum Öffnen des
Servoventils, d. h. zum Abheben des Schleißgliedes vom zugehörigen Dichtsitz,
vom Aktor aufzubringende Kraft zu reduzieren.
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Die
DE 22 17 602 A offenbart
eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, bei der das Anheben einer Düsennadel
durch die Wirkung des Kraftstoffdruckes verfolgt. Es existieren
eine erste Kammer, die dauernd unter Kraftstoffdruck steht und eine
zweite Kammer, die derart geschaltet ist, dass sie abwechselnd entweder
mit dem Kraftstoffdruck oder mit einem Raum verbunden ist, in dem
ein wesentlich geringerer Druck herrscht, etwa der Druck in der
Nähe des Atmosphärendrucks.
Dieser Stand der Technik offenbart lediglich, dass der Arbeitsraum
mit der Hochdruckzuführung
verbunden ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor vorzuschlagen,
bei dem das Öffnen
des Servoventils kontrollierter erfolgt und die Darstellung von
insbesondere sehr kleinen einzuspritzenden Kraftstoffmengen innerhalb
eines Einspritz-Zyklusses daher verbessert wird. Dieser Kraftstoffinjektor
soll ferner eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduzierte
Leckage aufweisen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ergibt sich der
Vorteil, dass das Servoventil mit seinem Ablaufquerschnitt als steuerbare
Ablaufdrossel ausgebildet ist. Als besonders vorteilhaft wird dabei
angesehen, dass die auf das Servoventil drückende hydraulische Schließkraft auf
den eigentlichen Öffnungsweg
des Schließgliedes
insbesondere während
des kritischen Öffnungsvorgangs
der Arbeitskammer keinen Einfluss aus übt. Die Entkopplung wird durch
eine Vorrichtung erreicht, die die hydraulisch wirkenden Kräfte, die
zu einer Stauchung des Antriebsstrangs (bestehend aus dem Aktormodul,
Servoventil (Schließglied
mit Schaft), Temperaturausgleichelement, Injektorgehäuse usw.)
führen, während der Öffnungsphase
der Arbeitskammer entweder konstant hält oder nach vorgegebenen Kriterien
kompensiert. Dadurch wird in vorteilhafter Weise auch der unerwünschte Mitkopplungseffekt
vermieden. Der Abflussquerschnitt des Servoventils ist somit beispielsweise
von einem piezoelektrischen Aktor einfacher und sehr reproduzierbar
steuerbar und stellt somit eine sehr einfache steuerbare Ablaufdrossel
dar. Eine zusätzliche,
in Reihe geschaltete separate Ablaufdrossel, wie sie bei bekannten
Kraftstoffinjektoren üblich
ist, ist nicht erforderlich. Dadurch vereinfacht sich auch der Herstellungsaufwand
für den Kraftstoffinjektor
erheblich.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Kraftstoffinjektors gegeben. Eine besonders einfache
Lösung
für die
Entkopplung der hydraulischen Schließkraft wird darin gesehen,
das Schließglied
mit einem kolbenförmig
verlängerten Schaft
auszubilden, der durch die Arbeitskammer hindurch bis in einen Hochdruckraum
geführt
ist. Der Hochdruckraum ist mit einer Kraftstoffzuführung verbunden,
in der ein etwa konstant hoher Kraftstoffdruck herrscht. Dadurch
ist während
der Öffnungsphase
die auf die Querschnittfläche
des unteren Schaftendes wirkende hydraulische Schließkraft in etwa
konstant und somit unabhängig
vom herrschenden Druck in der Arbeitskammer. Eine Entlastung im Antriebsstrang
findet nicht statt, so dass der Mitkopplungseffekt unterdrückt wird.
Der Ablaufquerschnitt am Schließglied
des Servoventils ist dadurch mittels des Aktors für Klein-
und Teilmengen in zuverlässigerer,
reproduzierbarer Weise steuerbar.
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Um
die Öffnungsbewegung
des Servoventils zu ermöglichen,
wird der Schaft des Servoventils in einer Spielpassung geführt, die
zwischen der Arbeitskammer und dem Hochdruckraum angeordnet ist. Die
Spielpassung ist bezüglich
ihrer konstruktiven Ausführung
so ausgebildet, dass sie wenigstens während der Einspritzdauer eine
Fluiddichtung bildet. Dadurch wird ein unerwünschter Abfluss des Kraftstoff über die
Spielpassung vermieden und die Darstellung der Kraftstoffmenge verbessert.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Beeinflussung der hydraulischen Schließkraft besteht darin, dass die
Querschnittsfläche
des Schaftes im Hochdruckraum im Vergleich zur Dichtfläche des
Schließgliedes,
die innerhalb der Arbeitskammer liegt, vorgebbar ist. Je nach Anwendungsfall
kann das Verhältnis eins,
kleiner oder größer gewählt werden
und damit die Größe der hydraulischen
Schließkraft
auf einfache Weise vorgegeben werden.
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Um
sicherzustellen, dass die Arbeitskammer im drucklosen Zustand oder
bei geringem Kraftstoffdruck geschlossen ist und somit auch die
Spritzlöcher
am unteren Ende der Düseneinheit
abgedichtet sind, ist eine Rückstellfeder
für das
Schließglied
vorgesehen. Je nach Anwendungsfall ist vorgesehen, die Rückstellfeder
in der Arbeitskammer, im Ablaufraum, im drucklosen Raum oder im
Hochdruckraum anzuordnen. Die Rückstellfeder übt dabei
auf das Schließglied
eine konstante mechanische Schließkraft aus. Dadurch wird ein
unerwünschter
Kraftstoffaustritt aus den Spritzlöchern sicher vermieden.
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Eine
einfache Anordnung für
die Rückstellfeder
ergibt sich, wenn ein unterer Teil des Schaftes mit einem reduzierten
Durchmesser ausgebildet ist, auf den eine als Druckfeder ausgebildet
Schraubenfeder geschoben wird. Um eine entsprechende Schließkraft aufzubringen,
stützt
sich die Druckfeder einerseits gegen eine Gehäusewand und andererseits gegen
einen Absatz ab, der durch den reduzierten Durchmesser am Schaft
entsteht.
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Als
alternative Lösung
wird vorgeschlagen, die Rückstellfeder
im Ablaufraum anzuordnen und als Blattfeder auszubilden. Die Blattfeder
kann an einem Zapfen des Schließgliedes
eingehängt
und als Zugfeder ausgebildet sein. Alternativ kann die Blattfeder
am unteren Ende des Schaftes als Druckfeder angeordnet sein. Diese
Lösungen
sind besonders Raum sparend, da die Blattfeder sehr flach ausgebildet
sein kann.
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Zur
verzögerten
Befüllung
der Arbeitskammer ist eine Zulaufdrossel vorgesehen, die zwischen dem
Hochdruckraum und der Arbeitskammer angeordnet ist. Dadurch wird
die Steuerung der Düsennadel
vereinfacht.
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Alternativ
kann die Zulaufdrossel im verlängerten
Schaft des Servoventils angeordnet sein.
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Um
die Herstellung des Servoventils zu vereinfachen, ist vorgesehen,
das Servoventil am oberen Ende des Schaftes mit einem kugelförmigen Dichtelement
auszubilden. Dadurch werden Probleme vermieden, die bei der Herstellung
einer Doppelpassung entstehen können.
Des weiteren ergibt sich der Vorteil, dass das kugelförmige Dichtelement
auf sehr einfache Weise separat gefertigt und dann eingesetzt werden
kann.
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Eine
günstige
alternative Lösung
der Erfindung besteht auch darin, dass die während des Öffnens der Arbeitskammer auf
das Servoventil wirkende hydraulische Schließkraft verringert beziehungsweise
kompensiert wird. Das wird am einfachsten dadurch erreicht, dass
der verlängerte
Schaft des Servoventils in einen Raum geführt ist, der einen drucklosen
Ablaut zum Niederdruckbereich aufweist. Dadurch kann am unteren
Ende des Schaftes keine hydraulische Schließkraft auftreten, so dass durch
die Lösung
eine vollständige
Kompensation erreicht wird.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Beeinflussung der hydraulischen Schließkraft besteht darin, die Querschnittsfläche des
Schaftes kleiner auszubilden als die des Schließgliedes. Dadurch kann entsprechend
dem Verhältnis
der Querschnittsflächen
die hydraulische Schließkraft,
die innerhalb der Arbeitskammer auf das Schließglied wirkt, zur Unterstützung der
Schließkraft
der Rückstellfeder
genutzt werden.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist vorgesehen, zwischen dem Aktor und dem Servoventil
einen Hebel anzuordnen, der einerseits auf einem Gehäuseabsatz
und andererseits auf dem Schließglied
des Servoventils aufliegt. Insbesondere bei einer achsverschobenen
Anordnung zwischen der Längsachse
des Aktors und der Längsachse
des Servoventils kann die Öffnungskraft
des Aktors entsprechend dem Hebelverhältnis auf das Schließglied übertragen
werden. Diese Lösung
kann insbesondere verwendet werden, wenn beispielsweise aus räumlichen
Gründen
eine Achsverschiebung erforderlich wird.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der Zeichnung
näher erläutert.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
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1a zeigt
ausschnittweise einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich
der Servoventil-Einheit,
bei dem das Servoventil geschlossen ist,
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1b zeigt
ausschnittweise einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich
der Servoventil-Einheit,
bei dem das Servoventil geöffnet
ist,
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2 entspricht
dem Ausführungsbeispiel der 1a,
jedoch mit einer im Hochdruckraum angeordneten Rückstellfeder,
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem im Schaft des Servoventils eine Zulaufdrossel
angeordnet ist,
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die Rückstellfeder
im Hochdruckraum und die Zulaufdrossel im Servoventil-Schaft angeordnet
sind,
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem der Durchmesser des Schaftes gegenüber dem
Sitzdurchmesser des Servoventils reduziert ist,
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die Rückstellfeder
in der Arbeitskammer angeordnet ist,
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem der Dichtsitz des Servoventils kugelförmig ausgebildet
ist,
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8a zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit nahezu vollständiger
oder teilkompensierter hydraulischer Kräftefreiheit,
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8b zeigt
analog zum Ausführungsbeispiel
der 8a eine versetzt angeordnete Zulaufdrossel,
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9a, 9b zeigen
analog zu den 8a, 8b ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die hydraulische Schließkraft teilkompensiert ist
und
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10 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem das Servoventil vom Aktor mittels eines Hebels
betätigt
wird.
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In
Bezug auf die 8a, 8b, 9a, und 9b ist
anzumerken, dass der Kraftstoffinjektor gemäß diesen Figuren nicht dem
Gegenstand des Anspruchs 1 entspricht, da der Schaft 19 nicht
in einen Hochdruckraum gemäß kennzeichnendem
Teil des Anspruchs 1 hineinragt, sondern in einen Niederdruckraum.
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In 1 ist
in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor 20 dargestellt, der
im wesentlichen aus folgenden Baugruppen zusammengesetzt ist: einem
Injektorgehäuse 15,
einer Servoventil-Einheit 17, einer Drosselplatte 4 und
einer Düseneinheit 27. Über die
Düseneinheit 27 ist eine
Düsenspannmutter 14 geschoben,
die mit dem Injektorgehäuse 15 verschraubt
ist und somit die genannten Baugruppen 15, 17, 4, 27 druckdicht
miteinander verbindet. Innerhalb des Injektorgehäuses 15 sind eine
Hochdruckzuführung 6,
die den Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff bis zur Düsenspitze führt, sowie
ein Aktor 8, beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor
angeordnet. Der Aktor 8 stützt sich mit seinem oberen
Ende gegen ein Kopfteil des Injektorgehäuses 15 ab. Ein unteres
Ende des Aktors 8 ist beweglich angeordnet und drückt mit
einer entsprechend ausgebildeten Bodenplatte gegen ein nach Innen öffnendes
Servoventil 1, dessen Schließglied 23 eine Arbeitskammer 2 verschließt. Die
Arbeitskammer 2 mit dem Servoventil 1 ist in der
Servoventil-Einheit 17 angeordnet. In der Drosselplatte 4 sind
eine Zulaufdrossel 10 sowie Fluidkanäle für den Kraftstoff angeordnet.
Die sich anschließende
Düseneinheit 27 weist
an ihrem unteren Ende Spritzlöcher 13 auf,
die von einer Düsennadel 26 an
einem Ventilsitz 18 geschlossen oder geöffnet werden können. Nachfolgend
wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors näher erläutert.
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Über die
Hochdruckzuführung 15,
die mit dem unter Hochdruck stehenden Rail eines in 1 nicht
dargestellten Common Rail Einspritzsystems in Verbindung steht,
wird der Kraftstoff mit einem Druck von beispielsweise bis 2000
bar bis zu einem Ventilsitz 18 geführt, der im unteren Teil innerhalb
der Düseneinheit 27 angeordnet
ist. Die Düsennadel 26 ist derart
ausgebildet, dass sie im nicht angesteuerten Zustand gegen den Ventilsitz 18 gedrückt wird
und dadurch die Spritzlöcher 13 verschließt. Des
weiteren hat sich über
eine Zulaufdrossel 10 in der Arbeitskammer 2 etwa
der gleiche hohe Kraftstoffdruck aufgebaut, da die Arbeitskammer 2 von
dem Schließglied 23 des
Servoventils 1 geschlossen ist. Die Arbeitskammer 2 ist
des weiteren hydraulisch mit einem Düsenraum verbunden, in dem ein
Kopfteil der Düsennadel 26 hineinragt.
Dadurch wirkt zusätzlich
zu einer federgesteuerten Schließkraft auf das Kopfteil der
Düsenadel 26 der
gleiche hohe Kraftstoffdruck wie in der Arbeitskammer 2 und
somit eine entsprechend hohe hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 26.
Am Schaft des Düsenadel 26 ist
jedoch eine Druck fläche
angeordnet, auf die der hohe Kraftstoffdruck ebenfalls einwirkt
und die der hydraulischen Schließkraft entgegenwirkt. Die Düsenadel 26 verharrt
auf ihrem Ventilsitz 18, da die Schließkräfte größer sind als die als Öffnungskraft
wirkende Gegenkraft, wenn der Aktor 8 nicht angesteuert
wird.
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Bei
elektrischer Ansteuerung des Aktor 8 drückt der beweglich angeordnete
untere Teil des Aktors 8 auf das Schließglied 23 des Servoventils 1 und öffnet somit
die Arbeitskammer 2 einen Spalt weit, so dass sich für den unter
hohem Druck stehenden Kraftstoff eine Abflussquerschnittsfläche ergibt.
Der Kraftstoff kann nun aus der Arbeitskammer 2 in einen drucklosen
Ablaufraum 16 abfließen.
Durch den Druckabfall in der Arbeitskammer 2 wird auch
die hydraulische Schließkraft,
die auf den Schaft der Düsennadel 26 wirkt,
schlagartig reduziert, so dass die wirkende Öffnungskraft nun die Düsenadel 26 von
ihrem Ventilsitz 18 abhebt und der Kraftstoff aus den Spritzlöcher 13 austreten
kann.
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Wird
der Aktor 8 wieder abgeschaltet, dann schließt das Schließglied 23 die
Arbeitskammer 2, so dass die Arbeitskammer 2 über die
Zulaufdrossel 10 wieder mit Kraftstoff gefüllt wird
und sich dadurch die hydraulische Schließkraft wieder so weit aufbaut,
bis die Düsennadel 26 wieder
auf ihren Ventilsitz 18 gepresst wird. Dieser Zyklus wiederholt
sich bei jedem Ansteuerimpuls und kann insbesondere bei einem piezoelektrischen
Aktor beispielsweise innerhalb einer Millisekunde, vorzugsweise
innerhalb von 200 μs
bis 500 μs
durchgeführt
werden.
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1a zeigt
einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 20 im
Bereich der Servoventil-Einheit 17. Die Arbeitskammer 2 ist
von dem Servoventil 1 im oberen Bereich mittels eines Dichtsitzes 21 verschließbar. Das
Servoventil 1 ist mit einem kolbenförmig verlängerten Schaft 19 ausgebildet,
der durch die Arbeitskammer 2 hindurch in einen sich darunter
befindlichen Hochdruckraum 5 geführt ist. Zur Führung und
Abdichtung des beweglichen Schaftes 19 des Servoven tils 1 ist
an der Servoventil-Einheit 17 zwischen der Arbeitskammer 2 und
dem Hochdruckraum 5 eine Spielpassung 3 mit einem Spaltmaß von ca.
1 bis 3 μm
vorgesehen, damit das Servoventil 1 in der Spielpassung 3 axial
gleiten kann. Die Länge
und das Spaltmaß der
Spielpassung 3 sind so gewählt, dass diese während dieseltypischer
Einspritzzeiten von typisch 1 ms als fluiddicht betrachtet werden
kann. Durch den mit der Hochdruckzuführung 6 kommunizierenden
Hochdruckraum 5 steht der volle Raildruck an dem unteren Ende 7 des
Schaftes 19 an. Der Durchmesser mit der Querschnittsfläche AD des
Schaftes 19 ist beispielsweise so gewählt, dass er dem Durchmesser
des Dichtsitzes 21 des Servoventils 1 beziehungsweise seiner
Querschnittsfläche
entspricht. Somit wirkt bei geschlossenem Servoventil 1 eine
hydraulische Schließkraft
Fs = AD·p auf
das untere Ende 7 des Schaftes 19. Bei AD = 2,5
mm2 und einem Raildruck p = 2000 bar beträgt die hydraulische
Schließkraft
Fs = 500 N. Beginnt das durch den Aktor 8 betätigte Servoventil 1 die
Arbeitskammer 2 mit einem zunächst kleinen Öffnungsquerschnitt
zu öffnen,
sinkt der Druck in der Arbeitskammer 2 schlagartig ab.
Die auf das untere Ende 7 des Schaftes 19 wirkende
hydraulische Schließkraft
Fs bleibt jedoch konstant, da im Hochdruckraum 5 weiterhin
der hohe Raildruck p vorherrscht. Dadurch bleibt der aktorische
Antriebsstrang weiterhin gestaucht, so dass der unerwünschte Mitkopplungseffekt
vermieden wird. Von Vorteil ist des weiteren, dass in diesem Fall
an der Spielpassung 3 keine Leckage auftritt.
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Eine
Rückstellfeder 9 stellt
die für
das Servoventil 1 notwendige Schließkraft im drucklosen Zustand
oder bei geringem Raildruck bereit. Die Rückstellfeder 9 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
als Blattfeder ausgebildet und wirkt auf das Schließglied als
Zugfeder, da sie außerhalb
der Arbeitskammer 2 im Ablauf zum drucklosen Ablaufraum 16 angeordnet ist.
Die Blattfeder 9 ist entsprechend vorgespannt und stützt sich
gegen einen Gehäuseboden
ab. Die Blattfeder 9 wird in eine Nut eines Zapfens eingeführt, der
an dem Schließglied 23 angeordnet
und in den drucklosen Ablaufraum 16 geführt ist.
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Wie 1a weiter
entnehmbar ist, ist innerhalb der Drosselplatte 4 zwischen
der Arbeitskammer 2 und dem Hochdruckraum 5 die
Zulaufdrossel 10 angeordnet, durch die die Arbeitskammer 2 wieder
mit Kraftstoff gefüllt
werden kann, wenn das Servoventil 1 mit dem Schließglied 23 an
seinem Dichtsitz 21 anliegt. Weiterhin wird durch den Druckabfall in
der Arbeitskammer 2 die Düsennadel 26 hydraulisch
von ihrem Ventilsitz 18 (1) abgehoben.
Bei geschlossener Arbeitskammer 2 wird die Düsenadel 26 mittels
einer Düsenfeder 28 und
dem in der Arbeitskammer 2 herrschenden Kraftstoffdruck
gegen ihren Ventilsitz 18 gedrückt, der im unteren Teil der Düseneinheit 27 angeordnet
ist (1).
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1b entspricht
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
der 1a. Hier ist jedoch der Fall dargestellt, wenn
das Schließglied 23 die
Arbeitskammer 2 geöffnet
hat. Der geringe Restdruck in der Arbeitskammer 2 bewirkt,
dass die Düsenadel 26 von
ihrem Ventilsitz 18 abgehoben hat und die Spritzlöcher geöffnet sind.
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Die
in 2 dargestellte Ausführung der Erfindung ist mit
dem Ausführungsbeispiel
der 1a, b funktionell identisch. Hier ist jedoch die
Rückstellfeder 9 für das Servoventil 1 als
Schraubenfeder (Druckfeder) ausgebildet und auf das untere Ende 7 des
Schaftes 19 aufgeschoben. Zu diesem Zweck ist das untere
Ende 7 des Schaftes 19 mit einem kleineren Durchmesser
versehen, so das die Schraubenfeder 9 sich gegen den dadurch
gebildeten Absatz abstützen
kann. Andererseits stützt
sich die Schraubenfeder 9 gegen einen Boden des Hochdruckraumes 5 ab,
so dass auf das Schließglied 23 eine
entsprechende Schließkraft
wirken kann. Diese Anordnung bietet bauliche Vorteile, da der Schaft 19 mit
der Druckfeder 9 sehr leicht herstellbar ist.
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In 3 ist
eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der die Zulaufdrossel 10 im
Schaft 19 des Servoventils 1 integriert ist. Die
Rückstellfeder 9 ist als
Blattfeder ausgeführt,
wie sie zu den 1a und 1b beschrieben
wurde.
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Die
Zulaufdrossel 10 ist als axiale Bohrung mit einer entsprechenden
Engstelle innerhalb des Schaftes 19 ausgebildet und mündet am
unteren Ende 7 des Schaftes 19 innerhalb des Hochdruckraumes 5.
Das obere Ende der Zulaufdrossel 10 mündet in einer radial angeordneten
Bohrung des Schaftes 19, die mit der Arbeitskammer 2 als
Fluidkanal in Verbindung steht. Auf diese Weise kann die Arbeitskammer 2 wieder über die
Zulaufdrossel 10 aufgefüllt werden,
wenn die Arbeitskammer 2 durch das Schließglied 23 abgedichtet
ist.
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4 zeigt
eine weitere Variante der Erfindung. Hier wurden entsprechend der 3 die
Zulaufdrossel 10 innerhalb des Schaftes 19 des
Servoventils 1 ausgebildet. Die Rückstellfeder 9 ist
jedoch als Schraubenfeder (Druckfeder) ausgeführt und auf das untere Ende 7 des
reduzierten Teils des Schaftes 19 aufgeschoben, wie zu 2 näher erläutert wurde.
Diese Ausführungsform
ergibt sich somit aus der Kombination der beiden 2 und 3.
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Die
in 5 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet
sich von den zuvor erläuterten
Ausführungsformen
im wesentlichen dadurch, dass der Durchmesser beziehungsweise die
Querschnittsfläche
AD des Schaftes 19 gegenüber der Querschnittsfläche AD2 des Schließgliedes 23 reduziert
ist. In diesem Fall ist der reduzierte Durchmesser des Schaftes 19 bis
in den Hochdruckraum 5 geführt, während der dickere Teil mit
dem Absatz in der Arbeitskammer 2 angeordnet ist. Somit
wirkt in der Arbeitskammer 2 am Übergang zum dickeren Teil mit der
Querschnittsfläche
AD2 auf das Schließglied 23 eine hydraulische
Schließkraft,
die vom aktuellen Druck in der Arbeitskammer 2 abhängt. Am
unteren Ende 7 des Schaftes 19 wirkt dagegen wegen
des konstanten Raildrucks und der reduzierten Querschnittsfläche AD eine
geringere Schließkraft
Fs auf das Schließglied 23 als
beim Ausführungsbeispiel der 1a.
Durch Anpassung der dem Hochdruck ausgesetzten Querschnittsflächen am
unteren Ende 7 des Schaftes 23 und dem Schließglied 23 kann eine
hydraulische Schließkraft
Fs gezielt vorgegeben werden. Das Verhältnis kann
beliebig gewählt werden,
beispielsweise 1:1, 1:2 o. ä.
Der in der Arbeitskammer 2 befindliche abgestufte dickere
Teil AD2 des Schließgliedes 23 erfährt hierbei
eine druckabhängige
Kraftkomponente. Als Rückstellfeder 9 wurde
eine Blattfeder gewählt,
die im Ablaufraum 16 angeordnet ist, wie sie bereits zu 1a beschrieben
wurde. Die Zulaufdrossel 10 ist – wie in 1a beschrieben – zwischen
dem Hochdruckraum 5 und der Arbeitskammer 24 angeordnet.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 6 zeigt eine zu 5 analoge
Bauform. Hier wurde jedoch die Rückstellfeder 9 in
die Arbeitskammer 2 integriert. Der Schaft 19 wurde
in seinem Durchmesser reduziert und eine entsprechend vorgespannte
Rückstellfeder 9 aufgeschoben,
die als Schraubenfeder (Druckfeder) ausgeführt ist. Sie stützt sich
an ihrem oberen Ende gegen den am Durchmessersprung gebildeten Absatz
des Servoventils 1 ab und an ihrem unteren Ende gegen einen
Boden der Arbeitskammer 2. Die Schließkräfte sind ähnlich wie sie zuvor zu 5 beschrieben
wurden. Die Zulaufdrossel 10 ist zwischen dem Hochdruckraum
und der Arbeitskammer 2 angeordnet.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 7 entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
der 2 mit der Rückstellfeder
am unteren Ende 7 des Schaftes 19 und der in der
Drosselplatte 4 angeordneten Zulaufdrossel 10.
Bei den bisher dargestellten Ausführungsformen der Erfindung
ist für
das Servoventil 1 eine Doppelpassung, nämlich am Dichtsitz 21 und
bei der Spielpassung 3 notwendig. Eine Doppelpassung ist
verhältnismäßig schwer
und aufwändig herzustellen,
da sie sehr genau fluchten muss, um voll funktionsfähig zu sein.
Daher wird entsprechend 7 eine zweiteilig ausgebildete
Passung vorgeschlagen. Das Servoventil 1 ist an seinem
Dichtsitz 21 mit einem kugelförmigen Dichtelement (Schließglied 23)
ausgebildet. Am oberen Ende des Schaftes 19 ist eine entsprechende
Vertiefung, zum Beispiel kegelförmig
zur Aufnahme des kugelförmigen
Dichtelementes 23 (Kugel) angeordnet. Die Kugel 23 kann getrennt
vom Schaft gefertigt werden und wird bei der Montage des Servoventils 1 einfach
in die Vertiefung einge legt. Dadurch kann die einwandfreie Funktion des
Servoventils 1 sichergestellt und Herstellkosten für den Kraftstoffinjektor
gesenkt werden.
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Bei
den zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen
war die hydraulische Schließkraft
Fs entweder konstant oder reduziert worden.
In 8a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, bei dem eine nahezu vollständige Kräftefreiheit auf das Servoventil 1 vorliegt.
Dadurch kann die Steuerung des Ablaufquerschnitts noch weiter verbessert
werden. Die Anordnung der Rückstellfeder 9 und
der Zulaufdrossel 10 entspricht dem Ausführungsbeispiel
der 1a, b.
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Beim
Ausführungsbeispiel
der 8a wird das untere Ende 7 des Schaftes 19 nicht
in den Hochdruckraum 5, sondern in einen Raum mit einem drucklosen
Ablauf 12 geführt.
Der drucklose Ablauf 12 ist über eine Fluidleitung mit dem
Ablaufraum 16 verbunden. Abgesehen von geringen hydrodynamischen
Kräften
am Dichtsitz 21 des Servoventils 1 kann das Servoventil 1 völlig druckunabhängig bewegt
werden. Die Rückstellung
erfolgt lediglich durch mechanische Kräfte, beispielsweise durch eine
entsprechend stark ausgebildete Rückstellfeder 9, wie sie
entsprechend 1a als Blattfeder ausgeführt ist.
Der Schaft 19 ist zylindrisch ausgebildet und weist keinen
Durchmessersprung auf. Das Schließglied 23 ist kegelförmig geformt
und an den Dichtsitz 21 der Arbeitskammer 2 angepasst.
Im übrigen
entspricht der Aufbau dem Ausführungsbeispiel
der 1a.
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In 8b ist
die Anordnung der Zulaufdrossel 10 erkennbar. Die Zulaufdrossel 10 ist
räumlich versetzt
zum drucklosen Ablauf 12 angeordnet, um genügend Raum
für die
Anordnung des drucklosen Ablaufs 12 zu erhalten. Das Schnittbild
der 8b zeigt daher eine um 90° gedrehte Darstellung.
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Bei
den 9a, b wurde das in den 8a, b
dargestellte Servoventil 1 modifiziert. Das untere Ende 7 des
Schaftes 19 ist ebenfalls in den Raum mit dem drucklosen
Ab lauf 12 geführt,
so dass hier keine hydraulische Rückstellkraft wirken kann. Um
die mechanische Rückstellkraft
der Rückstellfeder 9 zu
verringern, wurde entsprechend 9a die
Querschnittsfläche
AD des Schaftes 19 gegenüber dem Servoventil 1 mit
der Querschnittsfläche
AD2 innerhalb der Arbeitskammer 2 reduziert.
Dadurch entsteht an der Absatzfläche
eine Druckkraft, die der mechanischen Rückstellkraft der Rückstellfeder 9 entgegenwirkt
und diese verringert. Die Rückstellkraft
wurden somit teilkompensiert. Hierdurch kann eine Ventilfunktion
eingestellt werden, die einem außen öffnenden Servoventil entspricht.
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9b zeigt
analog zu 8b ein um 90° gedrehtes Schnittbild mit der
Anordnung der Zulaufdrossel 10.
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10 zeigt
eine versetzt angeordnete Darstellung für den Aktorantrieb. Das Servoventil 1 wird nicht
direkt vom Aktor 8 betätigt,
sondern indirekt über
einen Hebel 29. Dadurch kann auf einfache Weise eine Achsabweichung
zwischen der Längsachse
des Aktors 8 und der Bewegungsachse des Schließgliedes 23 in
vorteilhafter Weise überbrückt werden.
Diese Lösung
ist mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar.