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Die
Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere einen Kraftstoffinjektor,
sowie ein Einspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem,
mit einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
und einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, mit
einem erfindungsgemäßen Einspritzsystem.
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Für eine gute
Aufbereitung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs muss ein Kraftstoff,
je nach Verbrennungsverfahren, mit Drücken bis über 2.000 bar in einen Brennraum
eines Verbrennungsmotors eingespritzt werden und dabei mit der größtmöglichen Genauigkeit
je Einspritzung dosiert werden. Um einen Kompromiss zwischen einem
geringen Kraftstoffverbrauch und der Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte
für Emissionen
(Abgase und Geräuschentwicklung
des Motors) zu realisieren, ist es notwendig, den Einspritzvorgang
des Kraftstoffinjektors präzise
zu steuern. Dabei sind wesentliche Parameter ein jeweiliger Einspritzbeginn
(Voreinspritzung, Haupteinspritzung(en) und Nacheinspritzung), eine Einspritzdauer,
ein jeweiliges Einspritzende und ein dynamisches Verhalten einer
Düsennadel
während der
Einspritzung.
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Es
bestehen hohe Anforderungen an das dynamisches Verhalten der Düsennadel über einen
gesamten Drehzahlbereich eines Verbrennungsmotors hinweg. Aufgrund
der hohen Einspritzdrücke
wirken große
hydraulische Kräfte,
die insbesondere auch auf ein Dichtelement eines Servoventils wirken.
Hierdurch ergibt sich in Verbindung mit den mechanischen Elastizitäten (Steifigkeiten)
im Antriebsstrang des Servoventils (u. a. Servoventilglied, Piezoaktor, Injektorgehäuse) ein
bistabiles Verhalten (geöffnet/geschlossen)
der Düsennadel,
wobei sich die Düsennadel
aufgrund des vom Servoventil freigegebenen Ablaufquerschnitts mit
sehr hoher Geschwindigkeit von einer Schließstellung in eine Offenstellung des
Injektors bewegt.
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Beim
Schließen
des Servoventils herrschen ähnliche
Verhältnisse.
Durch dieses quasi digitale Öffnen
bzw. Schließen
der Düsennadel
wird eine reproduzierbar gesteuerte Einspritzung kleinster Kraftstoffmengen,
insbesondere für
eine Vor-/Nacheinspritzung
und Einspritzungen bei Drehzahlen unterhalb der Volllast-Drehzahl,
wesentlich erschwert.
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Die
Steuerung einer Einspritzmenge eines Kraftstoffinjektors ist gut
beherrschbar, solange die Einspritzmenge durch diejenige Dauer bestimmt wird,
während
die Düsennadel
des Kraftstoffinjektors voll geöffnet
in ihrer Position an einem Düsennadelanschlag
verweilt und eine Bewegungsphase der Düsennadel nur einen vernachlässigbaren
Beitrag zur gesamten Einspritzmenge liefert. Problematisch ist jedoch,
dass bei Kraftfahrzeugen über
90% des Motorbetriebs derart ablaufen, dass die benötige Einspritzmenge
derart gering ist, dass der Einspritzvorgang beendet werden muss,
bevor die Düsennadel ihren
Anschlag erreicht; die Bewegungsphase der Düsennadel bestimmt die eingespritzte
Kraftstoffmenge nahezu vollständig.
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Die
Bewegungsphase der Düsennadel
ist schwer steuerbar, da die Düsennadel
beim Öffnungsvorgang
des Servoventils stark beschleunigt wird. Ferner ist der Öffnungsvorgang
des Servoventils von komplexer Natur und von vielen Parametern – wie z. B.
parasitärer
Elastizitäten;
einer Temperaturverteilung im Kraftstoffinjektor; einem elektromechanischen
Zustand des Aktors, der hysterese- und alterungsbedingt schwanken
kann und daher zumindest nicht einfach vorhersagbar ist; und von
mechanischer Reibung – abhängig.
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Beim Öffnen des
Servoventils bewirkt ein elektrisches Aufladen des Piezoaktors einen
Ventilgliedhub h (siehe 1)
relativ zur Ventilplatte, der ca. 15 bis 20μm beträgt. Dies entspricht dem effektiven
Hub des Servoventilglieds, der sich aus der piezoelektrischen Dehnung
des Aktors (ca. +40μm),
der dadurch bedingten Längung
der Antriebssektion des Injektors und des Entspannens von komprimierten Abschnitten
des Injek tors (letztere beide zusammen ca. –20 bis ca. –25μm) berechnet.
Entsprechend der Geometrie einer Ventilbohrung (Stufenbohrung) in der
Ventilplatte und der Geometrie des Ventilglieds wird ein dem Ventilgliedhub
proportionaler Abströmquerschnitt
frei, durch welchen der Kraftstoff unter Hochdruck aus dem Steuerraum
abfließen
kann. Aufgrund des geringen Hubs ist das Servoventil nicht vollständig entdrosselt.
Es stellt sich daher im Steuerraum ein endlicher Restdruck ein,
der sich aus dem Verhältnis
des Strömungswiderstands
einer Zulaufdrossel für
den Steuerraum und des Strömungswiderstands
des Servoventils (proportional zu 1/h) berechnet. Die Düsennadel
wird mit einer Kraft proportional zur Druckdifferenz von Raildruck
und Steuerraumdruck beschleunigt. Der zeitliche Verlauf der Düsennadelbewegung
bzw. die Geschwindigkeit der Düsennadel
hängt daher
höchst
sensibel von der Lage des Ventilglieds ab.
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Typische
Toleranzfeldbandbreiten der Einspritzmengen von Kraftstoffinjektoren
betragen ca. ±1%
um den Nominalwert. Mit in etwa der gleichen Präzision muss demgemäß der Hub
des Servoventilglieds unter allen Betriebsbedingungen eingehalten werden.
Diese Bedingung entspricht einer reproduzierbaren Stellweggenauigkeit
von Δh < ± 0,20μm. Eine derartige
Stellweggenauigkeit kann in einem gesteuerten Kraftstoffinjektor
ohne Regelmechanismus unmöglich
reproduzierbar eingehalten werden.
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Zur
Steuerung von Einspritzmengen bzw. -zeiten werden die Piezoaktoren
von Kraftstoffinjektoren auch als Sensoren eingesetzt, wobei durch
Einwirkung einer mechanischen Ventilgliedkraft auf den Piezoaktor
eine Ladung im Piezoaktor generiert wird, die sich dem Ansteuersignal
des Piezoaktors überlagert.
Bestimmte diskrete Injektorzustände
können
so prinzipiell detektiert werden. So ist z. B. das spontane Öffnen des
Servoventils, das einen starken Kraftsprung im Piezoaktor aufgrund
der Entlastung des Servoventilglieds bewirkt, detektierbar. Dieser
Vorgang tritt in der zeitlich gesehen steilen Lagenflanke (< 200μs Ladezeit)
des Piezoaktors auf und ist daher nur schwer von der Ladefunktion
des Piezoaktors zu trennen. Darüber
hinaus ist eine eindeutige Signatur in der Injektorspannung beim
Aufschlagen der Düsennadel
an ihrem Anschlag detektierbar. Da hierbei die Bewegung der Düsennadel
abrupt stoppt, ändern sich
die Druckverhältnisse
im Steuerraum nochmals spontan, was über das Servoventilglied dem
Piezoaktor wiederum eine mechanische Kraft aufprägt. Der Piezoaktor ist zu diesem
Zeitpunkt schon voll geladen und daher liegt eine näherungsweise
zeitlich konstante elektrische Basisspannung am Piezoaktor an. Eine
Spannungsüberlagerung
im Ansteuersignal des Piezoaktors ist daher gut detektierbar.
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Die
jedoch für
mehr als 90% aller Einspritzungen wichtige Phase der Düsennadelbewegung kann
derzeit noch nicht detektiert werden. Es gibt keine zuverlässige Möglichkeit,
einen Injektorzustand in der hochdynamischen Öffnungsphase (Düsennadel bewegt
sich zu ihrem Anschlag) zu detektierten.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Injektor, insbesondere
einen verbesserten Kraftstoffinjektor, zur Verfügung zu stellen, dessen Aktor
als Sensor für
eine Öffnungsphase
des Injektors fungieren kann. Ferner sollte ein bereits vorhandener
Injektor mittels der Erfindung nachgerüstet werden können, ohne
dass zu stark in das bisherige Injektorkonzept eingegriffen wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mittels eines Injektors gelöst, bei
welchem stromabwärts
hinter dem Servoventil ein Kraftstoffdruck nach dem Öffnen des
Servoventils aufgebaut wird, der auf den Aktor des Injektors einwirkt.
Bevorzugt wird dies mittels einer gedrosselten Fluidverbindung zwischen
einem ansonsten hermetisch abgedichteten Ablaufbereich des Servoventils
und einem Rücklauf
des Injektors realisiert.
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Erfindungsgemäß kann die
aufgrund des Drucks im Ablaufbereich auf den Aktor einwirkende Kraft
ein zuverlässiger
Indikator für
das Druckniveau im Steuerraum und somit auch für eine Stellung des Ventilglieds
und damit für
die Bewegung (Geschwindigkeit) der Düsennadel sein.
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Schon
mittels eines geringen Druckanstiegs im Ablaufbereich von ca. 20
bis 100bar ist es möglich,
innerhalb des Piezoaktors eine Ladung zu generieren, die im Ansteuersignal
des Aktors detektierbar ist. So kann der Injektorzustand während der
Bewegung der Düsennadel
zu ihrem Anschlag analysiert werden, wodurch sich Aussagen über die
eingespritzte Kraftstoffmenge treffen lassen.
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Daher
wird die Ablaufdrossel derart dimensioniert, dass, während der
Phase, in der das Servoventil geöffnet
ist, der Druckanstieg im Ablaufbereich bei jedem Injektorzustand
bei 20 bis 100bar liegt. Dies gilt vor allem für die Fälle, in welchen ein Verbrennungsmotor
nicht im Volllastbereich betrieben wird. Für einen solchen Druckanstieg
im Ablaufbereich ist ein relativ geringer Strömungswiderstand der Ablaufdrossel
notwendig, wodurch die Injektordynamik vernachlässigbar beeinträchtigt wird.
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In
einer bevorzugten ersten Ausführungsform
der Erfindung begrenzt ein Metallbalg den Ablaufbereich stromabwärts des
Servoventils, wobei eine Verbindung des Ablaufbereichs (Balgraum)
mit einer Rücklaufbohrung über eine
Fluiddrossel erfolgt. Erfindungsgemäß werden über den Metallbalg mit einem
typischen hydraulischen Durchmesser von ca. 5mm und einem daraus
resultierenden effektiven Querschnitt von ca. 20mm2 instantan
Kräfte
von ca. 40 bis ca. 200N in den Piezoaktor eingeleitet.
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In
einer bevorzugten zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Adapterplatte zwischen Aktor und Servoventil
als verschieblicher Kolben ausgebildet. Der Kolben ist derart in
das Gehäuse
des Kraftstoffinjektors eingepasst, dass zwischen Kolben und Gehäuse ein
Ringspalt entsteht, der bei entsprechender Dimensionierung die Ablaufdrossel
bildet, die der gesamte ablaufende Kraftstoff passieren muss. Beim
Passieren der Ablaufdrossel entspannt sich der Kraftstoff auf den
Druck im Rücklauf
und wird über
die Rücklaufbohrung,
z. B. zu einem Tank, zurückgefördert.
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In
einer bevorzugten dritten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Membran zwischen Piezoaktor und Servoventil
angeordnet, wobei die Membran den Ablaufbereich in einen Bereich
mit höherem Druck
und in einen Bereich mit niedrigem Druck unterteilt, und mittels
einer in die Membran eingebrachten Drosselstelle diese beiden Bereiche
miteinander gedrosselt in Fluidkommunikation treten können.
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Durch
das erfindungsgemäße Vorsehen
einer stromabwärts
des Servoventils vorgesehenen Ablaufdrossel zwischen dem Ablaufbereich
mit höherem
Druck (der auf den Aktor einwirken kann) und dem Rücklaufbereich
mit niedrigerem Druck wird eine gut detektierbare Kraftrückwirkung
auf den Piezoaktor hervorgerufen, die in eindeutiger Weise mit dem
Bewegungszustand der Düsennadel
zusammenhängt.
Die Kraftrückwirkung
auf den Piezoaktor wird mittels des oben beschriebenen Sensoreffekts
in ein gut detektierbares elektrisches Spannungssignal umgesetzt,
das als Regelsignal für
den Injektor dient.
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Dadurch,
dass über
dem Ventilglied erfindungsgemäß nicht
mehr der gesamte Raildruck abfällt,
ist ein spontanes Aufschnappen des Servoventilglieds gemindert,
was sich positiv auf die Steuerbarkeit des Injektors auswirkt. Ferner
ist die Rückwirkungskraft
auf den Piezoaktor in Schließrichtung
des Servoventils gerichtet, was zusätzlich das eben angesprochene
anfängliche
Aufschnappen des Servoventils mindert.
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Insbesondere
ist konstruktiv darauf zu achten, dass der Ablaufbereich mit dem
höheren
Druck (z. B. der Balgraum) ein kleines Volumen aufweist, da Kompressibilitäts-Effekte
Druckamplituden innerhalb des Ablaufbereichs verringern und folglich
die Kraftrückwirkung
auf den Piezoaktor absenken; was dem Ansteuersignal des Aktors ein
schwächeres
Signal überlagert,
welches dann schlechter zu detektieren ist.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den übrigen abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbespie- len unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
geschnittene Teilseitenansicht eines Injektors gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
geschnittene Teilseitenansicht einer erfindungsgemäßen ersten
Ausführungsform
eines Injektors;
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3 eine
geschnittene Teilseitenansicht einer erfindungsgemäßen zweiten
Ausführungsform des
Injektors; und
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4 eine
geschnittene Teilseitenansicht einer erfindungsgemäßen dritten
Ausführungsform
des Injektors.
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Die
folgenden Ausführungen
betreffen einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor,
wobei die Erfindung jedoch nicht auf solche Kraftstoffinjektoren
beschränkt
sein soll, sondern allgemein Injektoren und Kraftstoffinjektoren
umfassen soll.
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1 zeigt
ausschnittweise den Aufbau eines servohydraulisch betätigten Kraftstoffinjektors
eines Common-Rail-Einspritzsystems
für Dieselfahrzeuge
gemäß dem Stand
der Technik mit einem digital schaltenden, piezoelektrisch betätigten 2/2-Servoventil 30 (2/2:
zwei Anschlüsse/zwei
Schaltstellungen). Digital schaltend bedeutet in diesem Zusammenhang,
dass das Servoventil 30 nur zwei fixe Ventilgliedpositionen
aufweist: Vollständig
geöffnet
und vollständig
geschlossen; zwischen diesen beiden Positionen schaltet das Servoventil 30 schlagartig
hin und her.
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Im
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kraftstoffinjektor
einen Aktorkörper 140 und
einen Injektorkörper 130 auf,
zwischen welchen eine Ventilplatte 34 und eine sich an
diese unten (in Bezug auf 1) anschließende Zwischenplatte 120 eingespannt
sind. Der Aktorkörper 140 weist
eine Hochdruckbohrung 50 auf, die den Kraftstoffinjektor
mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff aus einem Rail (nicht
dargestellt) versorgt, der einen Zustrom von Kraftstoff mit konstantem
Hochdruck gewährleistet.
Ferner ist innerhalb des Aktorkörpers 140 ein
als Multilayer-Piezostack aufgebauter Piezoaktor 40 vorgesehen,
der das Servoventil 30 auf- und zusteuert. Der Piezoaktor 40 ist
mittels einer Metallbalgabdichtung 160 gegen Kraftstoff
abgedichtet. Die Metallbalgabdichtung 160 begrenzt neben
einer Injektorinnenwand 166 und der Ventilplatte 34 einen
Ablaufbereich 90 (Balgraum 90) des Servoventils 30.
Der Balgraum 90 ist durch eine Leckage- bzw. Rücklaufbohrung 150 entleerbar,
die Leckagekraftstoff über
Rücklaufleitungen
zu einer Kraftstoffpumpe oder einem Tank leitet. Der den Balgraum 90 abdichtende
Metallbalg 160 dient als axial weiche aber hermetische
Abdichtung des Piezoaktors 40 gegenüber dem Leckagekraftstoff.
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Der
Aufbau des hauptsächlich
aus der Ventilplatte 34 und einem Ventilglied 32 bzw.
Dichtelement 32 bestehenden Servoventils 30 wird
unten näher
erläutert.
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Zwischen
der Ventilplatte 34 und der Zwischenplatte 120 ist
ein Steuerraum 10 ausgebildet, in welchem sich Kraftstoff
befindet, wobei je nach Druckverhältnissen des Kraftstoffs im
Steuerraum 10 eine Düsennadel 20 auf-
oder abbewegbar ist. Die Zwischenplatte 120 dient einerseits
zur Führung
der Düsennadel 20 bzw.
eines die Düsennadel 20 betätigenden
Stößels, sowie
andererseits eines Kraftstoffzulaufs des Steuerraums 10 von
einem Ringraum 52 aus, der zwischen der Zwischenplatte 120 und
dem Injektorkörper 130 ausgebildet
ist. Eine notwendige Drosselung (siehe unten) des Kraftstoffzulaufs
für den
Steuerraum 10 findet über
die als Fixdrossel ausgebildete Zulaufdrossel 60 in der
Zwischenplatte 120 statt. Ferner versorgt der Ringraum 52 die
Düsennadel 20 in
einem unteren Bereich mit Kraftstoff, sodass die Düsennadel 20 über eine
an ihr unten vorgesehene Druckschulter (nicht dargestellt) nach
oben bewegt werden kann und dabei über einen unteren Düsennadelsitz
und dort vorgesehene Injektorboh rungen (beide nicht dargestellt)
Kraftstoff in einen Brennraum (nicht dargestellt) einspritzbar ist.
Die Kraftstoffversorgung des unteren Abschnitts der Düsennadel 20 findet über Längsausnehmungen
statt, die zwischen einem nach unten gezogenem Fortsatz der Zwischenplatte 120 und
dem Injektorkörper 130 ausgebildet
sind. Hierfür
ist der Fortsatz der Zwischenplatte 120 in einem unteren
Bereich außen
facettiert (nicht dargestellt), was eine ungedrosselte Fluidverbindung
zwischen dem Ringraum 52 und dem Sitz der Düsennadel 20 herstellt.
Zur Versorgung des Ringraums 52 über die Hochdruckbohrung 50 sind
sowohl die Ventilplatte 34 als auch die Zwischenplatte 120 mit
entsprechenden Bohrungen versehen.
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Im
Folgenden wird die Funktion des Kraftstoffinjektors gemäß dem Stand
der Technik kurz skizziert:
In der in 1 dargestellten
Stellung der Düsennadel 20 ist
der Kraftstoffinjektor geschlossen, d. h. es findet keine Einspritzung
von Kraftstoff in den Brennraum statt. Über die Hochdruckbohrung 50,
den Ringkanal 52 und die Zulaufdrossel 60 steht
im Steuerraum 10 der Einspritzdruck von typischerweise 2.000bar
an. Ebenso liegt der volle Einspritzdruck am düsenseitigen Ende der Düsennadel 20 an.
D. h. an einem freien Ende 22 der Düsennadel 20 bzw. am freien
Ende 22 eines die Düsennadel 20 betätigenden
Stößels 42 und
am düsenseitigen
Ende der Düsennadel 20 liegt
im dargestellten Ausführungsbeispiel
gleicher Druck an. Aufgrund einer größeren druckwirksamen Fläche des
steuerraumseitigen Endes 22 der Düsennadel 20 wird diese
in ihrem Ventilsitz gehalten. Unterstützend wirkt hierbei eine Rückstellfeder 70,
welche sich am Fortsatz der Zwischenplatte 120 und der
Düsennadel 20 abstützt. Die
Rückstellfeder 70 hält die Düsennadel 20 auch
im drucklosen Zustand in ihrem Ventilsitz. Der unter dem vollen Einspritzdruck
stehende Steuerraum 10 ist über das Servoventil 30 mit
dem unter nur geringem Druck stehenden Ablauf- bzw. Niederdruckbereich 90 und
von dort aus mit einer Rücklaufbohrung 150 verbunden.
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Das
Servoventil 30 wird vom Dichtelement 32 und einem
in der Ventilplatte 34 ausgebildeten Servoventil-Dichtsitz 36 gebildet,
wobei sich das Dichtelement 32 einerseits bevorzugt mit
Führungsflächen in
eine Ventilbohrung 38 der Ventilplatte 34 zur
Führung
des Dichtelements 32 hineinerstreckt, andererseits aber
mittels Längsausnehmungen
bzw. einer Facettierung, z. B. einem Flächenanschliff, einen ungedrosselten
Durchtritt von Kraftstoff aus dem Steuerraum 10 in den
Ablaufbereich 90 gestattet. Die Ausnehmungen bzw. Flächenanschliffe
sind in 1 mit gestrichelten Linien am
Ventilglied 32 angedeutet.
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Im
dargestellten Ausgangszustand des geschlossenen Kraftstoffinjektors
wird das Servoventil-Dichtelement 32 durch ein mechanisches
Rückstellelement 31,
z. B. in Form einer Biege- oder
Blattfeder, dicht im Ventilsitz 36 gehalten. Das Servoventil 30 ist
somit geschlossen. Bei anliegendem Hochdruck im Steuerraum 10 wirkt
entsprechend dem Sitzdurchmesser des Servoventils 30 eine
zusätzliche
hydraulische Kraft, die bis zu 600N betragen kann, auf das Dichtelement 32,
womit das Servoventil 30 auch bei Stauerraumdrücken von
2.000bar sicher geschlossen ist. Die Betätigung des Servoventils 30 erfolgt über den
mechanisch oder hydraulisch druckvorgespannten Piezoaktor 40,
der sich an einem Injektorgehäuse 110 abstützt (nicht
dargestellt) und dessen freies Ende auf das Dichtelement 32 des Servoventils 30 wirkt.
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Beim Öffnen des
Servoventils 30 aus dessen Schließstellung wird zunächst der
Dichtsitz 36 des Servoventils 30 entlastet. Hierbei
werden die parasitären
Dehnungsverluste überwunden,
da die entsprechenden Elemente nur eine endliche mechanische Steifigkeit
aufweisen. Anschließend
hebt das Ventilglied 32 vom Dichtsitz 36 ab (Beginn
der Einspritzung), bewegt sich weiter nach unten (in Bezug auf die
Zeichnung) und öffnet
das Servoventil 30. Schlagartig sinkt jetzt der Druck im
Steuerraum 10 von 2.000bar auf wenige 10 bis zu ca. 200bar.
Entsprechend schlagartig sinkt die druckbedingte Kraft auf das freie
Ende 22 der Düsennadel 20 auf
weniger als 10% seines ursprünglichen
Werts. Sämtliche
parasitären
Dehnungsverluste entspannen sich spontan und das Ventilglied 32 wird
weiter aufgestoßen (Aufschnappen),
wodurch der Druck im Steuerraum 10 noch weiter sinkt. Da
die Düsennadel 20 an
ihrem unterem, dem Düsennadelsitz
zugewandten Ende nach wie vor mit dem Raildruck p50 beaufschlagt
ist, am oberen, dem Steuerraum 10 zugewandten Ende 22 der
Druck p10 auf weniger als 10% des Raildrucks p50 abgefallen ist, wird die Düsennadel 20 druckbedingt
mit hoher Kraft stark nach oben beschleunigt, bis ein Zapfen 24 der
Düsennadel 20 an
der Begrenzung des Steuerraums 10 an der Ventilplatte 34 aufschlägt, wodurch
der Stellweg der Düsennadel 20 begrenzt
ist. Während
der gesamten Phase, in der das Servoventil 30 geöffnet ist
und sich der Zapfen 24 der Düsennadel 20 am Anschlag
befindet, kann sich im Steuerraum 10 kein nennenswerter
Druck p10 mehr aufbauen. Es entsteht eine
zusätzliche
Leckage durch den Volumenstrom, der durch die Zulaufdrossel 60 und
das Servoventil 30 strömt.
Beim Schließen des
Servoventils 30 wird das Ventilglied 32 nach oben
(in Bezug auf die Zeichnung) bewegt, bis es mit seinem Dichtabschnitt 33 wieder
am Dichtsitz 36 der Ventilplatte 34 anliegt, sodass
das Servoventil 30 geschlossen ist. Durch den über die
Zulaufdrossel 60 und über
den Steuerraum 10 einströmenden Kraftstoff baut sich
wieder der volle Raildruck p50 im Steuerraum 10 auf
(p10 = p50), wodurch
die Düsennadel 20 aufgrund
der größeren druckwirksamen
Fläche
des Endes 22 und aus der Kraft durch die Rückstellfeder 70 wieder
in ihren Dichtsitz zurückbewegt
wird; die Einspritzung ist beendet.
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Für über die überwiegende
Mehrzahl aller Einspritzungen ist es wichtig, das dynamische Verhalten
bzw. die Geschwindigkeit der Düsennadel 20 zu
kennen, um so die Einspritzung kleinster Kraftstoffmengen realisieren
zu können,
da in solchen Fällen
die Düsennadel 20 mit
ihrem Zapfen 24 nicht mehr bis zu ihrem Anschlag gelangt.
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Erfindungsgemäß wird ein
Detektieren der Position der Düsennadel 20 bzw.
ihrer Geschwindigkeit bzw. des Drucks p10 im
Steuerraum 10 über
das Einbringen einer Fluid-Gegenkraft in den Piezoaktor 40 gelöst, wodurch
sich im Piezoaktor 40 aufgrund der eingeleiteten Kraft
einem Ansteuersignal des Piezoaktors 40 ein Signal überlagert,
welches ein Maß für das dynamische
Verhalten der Düsennadel 20 bzw.
ein Maß für den Druck
p10 im Steuerraum 10 ist.
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Erfindungsgemäß wird in
dem sich direkt an das Steuerventil 30 stromabwärts anschließenden Ablaufbereich 90 ein
Druck p90 aufgebaut, der dem Piezoaktor 40 als
mechanische Kraft aufgeprägt wird.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass der Ablaufbereich 90 fluidmechanisch gedrosselt
gegenüber
einem Niederdruckbereich (Rücklaufbohrung 150)
ist. Die Fluidkraft kann direkt auf den Piezoaktor 40 einwirken
oder, wie in der Zeichnung dargestellt, über einen Aktorstößel 42.
Der Aktorstößel 42 überträgt bei den
dargestellten Fig. auch eine Öffnungskraft
des Piezoaktors 40 auf das Ventilglied 32 des
Servoventils 30. Bevorzugt herrscht in der Rücklaufbohrung 150 der
Umgebungsdruck p∞.
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In
der ersten Ausführungsform
der Erfindung ist innerhalb der Rücklaufbohrung 150 die
erfindungsgemäße, als
Fixdrossel ausgestaltete, Ablaufdrossel 80 vorgesehen.
Bevorzugt ist diese Fluiddrossel 80 zwischen Ablaufbereich 90 und
Rücklaufbohrung 150 vorgesehen.
Ferner kann die Fluiddrossel 80 auch innerhalb der Rücklaufbohrung 150 vorgesehen
sein, wobei in einem solchen Fall bevorzugt ist, dass die Fluiddrossel 80 so
nah wie möglich
am Ablaufbereich 90 vorgesehen ist. Ansonsten ist eine
solche Ausführungsform
des Injektors auf einer Niederdruckseite N und auch auf einer Hochdruckseite
H bevorzugt wie der oben erläuterte Stand
der Technik aufgebaut.
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3 zeigt
die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform,
wobei der Aktorstößel 42 des
Piezoaktors 40 innerhalb eines Gehäuseabschnitts des Injektors
derart ausgebildet ist, dass er gegenüber der Injektorinnenwand 166 mittels
eines Dichtspalts 80 geführt ist. Der Aktorstößel 42 wird
vom Piezoaktor 40 betätigt
und öffnet
das Servoventil 30. Der Dichtspalt 80 stellt hierbei
die gedrosselte Verbindung des Ablaufbereichs 90 gegenüber dem
Rücklauf 150 zur
Verfügung.
Vorteilhaft an einer solchen Variante ist, dass der Piezoaktor 40 nicht
mehr direkt mit dem Ablaufvolumenstrom des Servoventils 30 beaufschlagt
ist und entsprechend nicht mehr mit der Metallbalgabdichtung 160 gedichtet
werden. muss, sondern, da in diesem Bereich der Rücklaufdruck
p∞ herrscht,
mittels einer O-Ringdichtung 160 gegenüber dem
Kraftstoff abgedichtet werden kann.
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Je
weiter der Kolben 162 in Richtung des Servoventilglieds 32 reicht,
desto kleiner wird auch der Ablaufbereich 90, wodurch Kompressibilitäts-Effekte
des Kraftstoffs vermieden werden und eine verbesserte Kraftrückwirkung
auf den Piezoaktor 40 gegeben ist. Ferner ist es durch
eine entsprechend „dicke" Ausgestaltung des
Kolbens 162 möglich,
den Dichtspalt 80 breiter als bei einem „dünnen" Kolben 162 auszubilden,
wodurch auf enge Fertigungstoleranzen verzichtet werden kann. Sollte
es jedoch z. B. bauartbedingt oder aus anderen Gründen nicht
möglich
sein, den Kolben 162 entsprechend „dick" auszubilden, so ist es möglich, durch
eine entsprechende Bemessung des Dichtspalts 80 die Drosselfunktion sicherzustellen.
Darüber
hinaus kann die Drossel 80 (bei entsprechend dünner Ausgestaltung
des Dichtspalts) durch den Kolben 162 hindurchgehend vorgesehen
sein. Erfindungsgemäß können auch mehrere,
bevorzugt symmetrisch im Kolben 162 angeordnete Fluiddrosseln 80 vorgesehen
sein, die zusammenwirkend die erwünschte Drosselfunktion sicherstellen.
Stromabwärts
des Kolbens 162 herrscht der Niederdruck p∞ und
das auf die stromabwärtige Seite
des Kolbens 162 strömende
Fluid wird über
die Rücklaufbohrung 150 abgeführt.
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In
der dritten Ausführungsform
der Erfindung ist zwischen dem Aktorstößel 42 und der Injektorinnenwand 166 eine
Membran, bevorzugt eine Metallmembran 164 vorgesehen, die
sowohl gegenüber der
Injektorinnenwand 166 als auch gegenüber dem Aktorstößel 42 festgelegt
ist. Die Membran 164 dichtet den Ablaufbereich 90 – bis auf
eine in ihr vorgesehene Fluiddrossel 80 – hermetisch
ab, wodurch der Ablaufbereich 90 des Servo ventils 30 fluidmechanisch
gedrosselt mit der Rücklaufbohrung 150 verbunden
ist. Die Position der Membran 164 am Aktorstößel 42 kann
nahezu beliebig gewählt
werden, wodurch das Volumen des Ablaufbereichs 90 gut einstellbar
ist. Ferner ist es möglich,
innerhalb der Membran 164 nicht nur eine Drosselstelle 80 vorzusehen, sondern
eine Mehrzahl davon, die bevorzugt symmetrisch innerhalb der Membran 164 vorgesehen
sind.
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Die
Membran 164 leitet die Druckkräfte des Ablaufbereichs 90 in
den Aktorstößel 42,
der diese an den Piezoaktor 40 überträgt. Da die Membran 164 den
unter Druck stehenden Kraftstoff gegenüber dem Rücklauf 150 abdichtet
kann auf eine aufwändige
Abdichtung des Rücklaufs 150 gegenüber dem
Piezoaktor 40 verzichtet werden. In dieser Ausführungsform
ist der Piezoaktor 40 nur noch mittels eines O-Rings 160 gegenüber dem
Rücklauf 150 abgedichtet.
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Generell
gilt für
alle Ausführungsformen, dass
das Volumen des Ablaufbereichs 90 so klein wie möglich sein
soll. Eine Grenze findet das Minimalvolumen des Ablaufbereichs 90 jedoch
bei derjenigen Größe, bei
der durch die Bewegung des Ventilstößels 42 (Piezoaktor 40 bestromt)
in Bezug auf das ursprüngliche
Volumen des Ablaufbereichs 90 (Piezoaktor 40 nicht
bestromt), dieses zuviel von seinem ursprünglichen Volumen einbüßt. Hierbei
prägt die
Bewegung des Aktorstößels 42 zusammen
z. B. mit dem Kolben 162 oder der Membran 164 dem
Ablaufbereich 90 einen Druck auf, der sich dem erwünschten
Aufbau des Drucks p90 im Ablaufbereich 90 (aufgrund
des abströmenden
Fluidvolumenstroms vom sich öffnenden
Servoventil 30) überlagert
und den Sensoreffekt des Piezoaktors 40 verfälschen kann.
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Unter
der Ablaufdrossel 80 wird erfindungsgemäß eine einzelne Engstelle für den Kraftstoff stromaufwärts vor
dem Niederdruckabschnitt (mit p∞) des
Rücklaufs 150 verstanden,
welche es ermöglicht im
Ablaufbereich 90 einen Druck p90 aufzubauen
der über
dem Druck p∞ im
Rücklauf 150 liegt.
Dies geschieht insbesondere dadurch, dass ein effektiver Fluiddurchtritts- Querschnitt durch
das Servoventil 30 hindurch größer als ein effektiver Fluiddurchtritts-Querschnitt
durch die Ablaufdrossel 80 ist.
-
Ferner
wird erfindungsgemäß unter
dem Aktor 40, 42 der als Multilayer-Piezostack
aufgebaute Aktor 40 zusammen mit seinem Stößel 42 verstanden.