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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung, insbesondere
ein Einspritzventil für Brennkraftmaschinen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorliegend anhand eines Einspritzventils
für einen
Dieselmotor erörtert
wird, ist sie allgemein auf Ventilvorrichtungen, beispielsweise
Einspritzventile für
irgendwelche Brennkraftmaschinen oder Dosierventile, anwendbar.
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Im
Zusammenhang mit den wachsenden Anforderungen an ein geregeltes
Motor-Einspritzsystem wird es zunehmend wichtiger, ein stabiles
Regelsystem zur präzisen
Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge aufbauen zu können. Der
Regelungsbedarf ergibt sich insbesondere auch aus der Notwendigkeit
der Kompensation von Einspritzmengenstreuungen, die bei serienmäßig gefertigten
Einspritzventilen – verursacht
durch relativ große
Toleranzfenster – unvermeidlich
auftreten. Eine Kompensation dieser Streuungen durch Ausmessen der
Betriebspunkte der einzelnen Einspritzdüsen am Ende der Fertigung und
anschließende
Set-Bildung passender, d. h. in den Betriebspunkten sich ähnelnder Injektoren
ist zwar möglich,
jedoch äußerst aufwendig.
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Anderseits
setzt eine Kompensation der Streuungen im Serienbetrieb eine ausreichend
genaue Erfassung bzw. Ermittlung des Zeitpunktes und der tatsächlichen
Menge der einzelnen Einspritzungen voraus. Eine derartige Kontrolle
kann beispielsweise in einem Diesel-Piezo-Injektor mit Diesel-Motorsteuersystem
nicht direkt, sondern lediglich mittelbar durch Erfassen der tatsächlichen
Bewegung der Ventilnadel im Einspritzventil und einer darauf aufbauenden
Berechnung der Einspritzmenge erfolgen.
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Somit
hat aufgrund der wachsenden Anforderungen an moderne Brennkraftmaschinen
hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Abgasemission, Geräuschentwicklung,
Leistung, etc. die Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge
in der Praxis enorm an Bedeutung gewonnen, da eine Steuerung zu
einer akzeptabel hohen Einspritzmengenstreuung, verursacht durch
relative große
Toleranzen bei serienmäßig gefertigten
Injektoren, führen
würde.
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Gemäß dem Stand
der Technik besitzen beispielsweise Common-Rail-Dieseleinspritzsysteme für Dieselserienfahrzeuge
in der Regel lediglich eine Steuerung, bei welcher die Daten und
die Festlegung der Einspritzrate und der Einspritzmenge aus Kennfeldern
bezogen werden, die in einer zentralen Steuereinheit gespeichert
sind und auf Erfahrungswerten betreffend die Betriebscharakteristik
der eingesetzten Kraftstoffventile beruhen.
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An
diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass auf Grundlage dieser Kennfelder eine ungenaue Einstellung der Einspritzrate
und der Einspritzmenge erfolgt.
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Somit
liegt der Erfindung allgemein das Problem zugrunde, den zeitlichen
Verlauf der Einspritzung genau zu erfassen bzw. zu ermitteln und
gegebenenfalls mittels einer Auswertung der erfassten Daten eine
geeignete Regelung des Einspritzvorgangs zu gewährleisten.
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Gemäß einem
Ansatz nach dem Stand der Technik werden zum Zweck der Erfassung
der tatsächlichen
Bewegungen der Ventilnadel Nadelhubsensoren verwendet, welche berührungslos,
beispielsweise auf der Basis von optischen Elementen, von Hall-Elementen, von Induktionselementen
oder dergleichen arbeiten.
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Es
ist jedoch – auch
unter Kostengesichtspunkten – nicht
unproblematisch, derartige Sensoren mit relativ hohem Raumbedarf
in einen ohnehin engdimensionierten Sektor, gegebenen falls in eine
Umgebung in der Kraftstoffdrücke
bis zu 2000 bar herrschen, einzubauen.
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Zum
anderen bedingt der Einbau eines Nadelhubsensors gemäß dem Stand
der Technik ein erhöhtes
Risiko von Undichtigkeiten.
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Darüber hinaus
kann für
die Ansteuerung und die Signalauswertung ein erhöhter Schaltungsaufwand erforderlich
werden, welcher entweder ebenfalls in dem Injektor untergebracht
werden muss oder zusätzlichen
Platz der zentralen Steuereinheit benötigt.
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Aus
der Druckschrift
DE
3 445 721 A1 ist es bekannt, zur genauen Erfassung bzw.
Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Einspritzung einen Nadelhubsensor
mit eingeschränkten Überwachungsmöglichkeiten
in Form eines Ventilnadel/Ventilsitz-Kontaktschalters zu verwenden. Wenn
Kontakte eines derartigen Kontaktschalters, beispielsweise durch
den Ventilkörper
und den Ventilsitz des jeweiligen Kraftstoffventils, gebildet sind,
so lassen sich bereits die Zeitpunkte des Einspritzbeginns (Schalter öffnet) und des
Einspritzendes (Schalter schließt)
bestimmen und folglich der Einspritzverlauf und die Einspritzmenge
mehr oder weniger genau rekonstruieren. Die Genauigkeit der Information
lässt sich
hierbei durch vorsehen einer Mehrzahl von Kontaktschaltern an ein und
demselben Kraftstoffventil erhöhen,
beispielsweise eines den Vollöffnungsgrad
des Ventils detektierenden zusätzlichen
Kontaktschalters.
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Die
in der
DE 3 445 721
A1 bekannte Schalterfunktion setzt, außer am Kontaktpunkt der Spitze der
Ventilnadel mit dem in dem Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz,
eine Isolierung zwischen der Ventilnadel und dem Düsenkörper voraus.
Diese Isolierung wird bei bekannten Einspritzventileinheiten einerseits durch
eine Isolierschicht zwischen der Ventilnadel bzw. der Ventilnadel-Führungseinrichtung
und dem Düsenkörper realisiert.
Anderseits wird eine weitere Isolierung oberhalb der oberen (ventilseitigen)
Endfläche
der Ventilnadel vorgesehen, um zu verhindern, dass diese Endfläche am Ende
eines Ventilhubs auf eine nicht definierte, die Messung der Einspritzdauer störende Weise
mit dem Düsenkörper in
elektrischen Kontakt gelangt.
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Durch
Messung des Spannungsabfalls in einem den Kontaktschalter enthaltenden
Stromkreis des bekannten Einspritzventils ist es demnach möglich, anhand
von Anfang und Ende eines Zyklus der Ventilnadelbewegung eine Aussage über die
Dauer des Einspritzvorgangs zu gewinnen. Um diesen Spannungsabfall
bzw. das dadurch erzeugte elektrische Signal aufnehmen und der zentralen
Steuereinheit zuführen
zu können,
ist es erforderlich, eine Außen-Kontaktierung
eines in dem Stromkreis integrierten, d. h. gegenüber seiner
Umgebung elektrisch isolierten Bauteils in dem Injektor herzustellen.
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Die
DE 103 38 489 B3 offenbart
ein Einspritzventil mit kapazitivem Ventilhubsensor. Die bewegbaren
Ventilteile und der Ventilsitz dieses Einspritzventils bilden jeweils
Elektroden eines in einem Stromkreis angeschlossenen Kondensators,
dessen Kapazität
sich mit dem Ventilhub des Ventilschlussglieds ändert. Der Ventilsitz ist in
einem elektrisch leitenden, an den Stromkreis angeschlossenen Düsenkörper ausgebildet.
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Die
WO 2005/080786 A1 offenbart eine Kontaktierung der Ventilnadel eines
Injektors für
Verbrennungsmotoren. Die Kontaktverbindung zur Kontaktierung der
Ventilnadel ist kontaktseitig als Kontaktstift ausgebildet, der
einen mit einer Federkraft beaufschlagten elektrischen Kontakt an
einer nicht isolierten Kontaktfläche
der Nadelführung
bildet. Die Nadelführung
ist als gegenüber
ihrer Umgebung im Injektor elektrisch isoliertes, jedoch mit der
Ventilnadel in elektrischem Kontakt stehendes Bauteil ausgeführt.
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Die
DE 103 13 623 A1 offenbart
eine Kontaktiervorrichtung für
einen Injektor eines Einspritzsystems für die Kraftstoffeinspritzung.
Die Kontaktiervorrichtung kann den Sitz der Ven tilnadel auf ihrem
Ventilsitz beziehungsweise ihr zweiter Anschlag an einem ersten
Gehäuseteil überwachen.
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Es
ist der Anmelderin bekannt, die Kontaktstelle als Pins aufweisenden
Mikrostecker auszubilden, welcher in eine entsprechende Gegenkontaktstelle
eingesteckt wird.
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An
diesem Ansatz hat sich die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass bei einer nicht exakten Ausrichtung der Pins mit den zugeordneten
Aufnahmeöffnungen
des Gegensteckers bei einem Zusammenbau der Ventilvorrichtung diese
durch die hohen wirkenden Kräfte
eventuell verbogen und somit beschädigt werden. Daher sind aufwendige
Ausrichthilfen und -Maßnahmen
erforderlich.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ventilvorrichtung
anzugeben, bei welcher ein in dem Stromkreis vorgesehenes, gegenüber seiner
Umgebung elektrisch isoliertes Bauteil der Ventilvorrichtung mit
einem Kontaktelement auf einfache, sichere und flächenpressungsresistente
Weise elektrisch verbunden wird, um ein generiertes elektrisches
Signal von dem elektrisch isolierten Bauteil nach außen zu einer
zentralen Steuereinheit für
eine Auswertung des elektrischen Signals zu führen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
dass die Ventilvorrichtung einen elektrisch leitenden Ventilkörper; eine
in dem Ventilkörper
elektrisch isoliert integrierte elektrisch leitende Ventilnadel-Führungseinrichtung
zur Führung
einer elektrisch leitenden Ventilnadel, welche mit dem Ventilkörper mindestens
eine elektrische Kontaktschaltereinrichtung bildet, wobei die mindestens
eine elektrische Kontaktschaltereinrichtung einen über die
Ventilnadel-Führungseinrichtung
bzw. die Ventilnadel und den Ventilkörper geführten Stromkreis zum Generieren
eines in der Ventilnadel-Führungseinrichtung
geführten
elektrischen Signals in Abhängigkeit
einer zugeordneten Bewegung der Ventilnadel relativ zu dem Ventilkörper schließt oder
unterbricht; und eine elektrische Kontakteinrichtung zum Abnehmen
des generierten elektrischen Signals von der elektrisch isolierten
Ventilnadel-Führungseinrichtung
und zum isoliert nach außen Übertragen
des generierten elektrischen Signals durch eine zu überbrückende Zwischenplatte
hindurch aufweist; wobei die elektrische Kontakteinrichtung mindestens
eine elastisch und/oder plastisch verformbare elektrische Kontaktstelle
für eine
bei einem Zusammenbau der Ventilvorrichtung selbstausrichtende und
kraftschlüssige
Wirkverbindung mit mindestens einer zugeordneten elektrischen Gegenkontaktstelle
aufweist.
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Somit
weist die vorliegende Erfindung gegenüber den zitierten Ansätzen gemäß dem Stand der
Technik den Vorteil auf, dass die elastisch und/oder plastisch verformbare
Kontaktstelle auf einfache, kostengünstige und zuverlässige Weise
eine elektrische Verbindung mit einer zugeordneten elektrischen
Gegenkontaktstelle gewährleistet,
da aufgrund der elastischen und/oder plastischen Verformung der
elektrischen Kontaktstelle bei einem Zusammenbau der Ventilrichtung
eine sich selbsttätig ausrichtende
und kraftschlüssige
elektrische Verbindung mit der zugeordneten Gegenkontaktstelle erfolgt.
Dadurch ent fällt
das Problem, dass die Pins von beispielsweise Mikrosteckern bei
einer nicht exakten Ausrichtung mit den zugeordneten Aufnahmeöffnungen
des Gegensteckers bei einem Zusammenbau der Ventilvorrichtung eventuell
verbogen und somit beschädigt
werden. Zusätzliche
Ausrichthilfen oder -maßnahmen
sind vorteilhaft nicht erforderlich.
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Ferner
weist die vorliegende Erfindung den Vorteil auf, dass das von mindestens
einer elektrischen Kontaktschaltereinrichtung generierte elektrische
Signal von der elektrisch isolierten Ventilnadel-Führungseinrichtung
der Ventilvorrichtung sicher, stabil und flächenpressungsresistent über die
elektrische Kontakteinrichtung zu einer zentralen Steuereinheit übertragen
werden kann, sodass zu jeder Zeit eine genaue und zuverlässige Bestimmung
der eigentlichen Einspritzrate und Einspritzmenge gewährleistet
wird. Dadurch kann eine extrem genaue Regelung der Einspritzrate
und der Spritzmenge für
einen verbesserten Betrieb der Ventilvorrichtung geschaffen werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der weiteren Unteransprüche
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist die mindestens eine elektrische Kontaktstelle
als Kontaktierhülse
aus einem elektrisch leitenden, elastischen Material ausgebildet.
Die Kontaktierhülse
ist an ihrem Umfang zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolation
versehen, mittels welcher die Kontaktierhülse in die zu überbrückende Zwischenplatte eingebracht
werden kann, beispielsweise mittels Verpressen, Verkleben oder dergleichen.
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Vorzugsweise
weist die Kontaktierhülse
konisch erweiterte Enden auf, wobei die erweiterten Enden in Axialrichtung
verlaufende Schlitze umfassen. Dies unterstützt weiterhin die selbsttätige Ausrichtung
der Gegenkontaktstelle bei einem Einführen in die Kontaktierhülse.
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Vorteilhaft
stehen die konisch erweiterten Enden der Kontaktierhülse über die
zu überbrückende Zwischenplatte
hinaus vor. Dadurch wird eine dichte Verbindungsstelle und ein elektrisch
isolierter Übergangsbereich
zum Verhindern eines Kurzschlusses gewährleistet.
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Die
mindestens eine elektrische Gegenkontaktstelle ist vorteilhaft als
elektrischer Kontaktstift ausgebildet, welcher für eine Wirkverbindung mit der Kontaktierhülse an die
Form der Kontaktierhülse
angepasst ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die mindestens eine elektrische
Gegenkontaktstelle als elektrischer Kontaktstift ausgebildet, welcher
in die zu überbrückende Zwischenplatte
einsetzbar ist und welcher zwei zugespitzte Enden aufweist, die über die
zu überbrückende Zwischenplatte vorstehen.
Der elektrische Kontaktstift ist vorzugsweise im Bereich der zu überbrückenden
Zwischenplatte in eine elektrische Isolationshülseform und/oder kraftschlüssig einsteckbar,
wobei die Isolationshülse
fest in der zu überbrückenden
Zwischenplatte einbringbar ist, beispielsweise mittels Einpressen,
Verkleben oder dergleichen.
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Die
mindestens eine elektrische Kontaktstelle ist beispielsweise als
mit einem feinen Stahlgewebe gefüllte
Isolierhülse
ausgebildet, wobei das Stahlgewebe eine für die Aufnahme des mindestens
einen elektrischen Kontaktstiftes geeignete Faserdichte aufweist.
Dies unterstützt
zudem die Selbstausrichtung bzw. Selbstjustierung des Kontaktes
und gewährleistet
eine stabile und zuverlässige
elektrische Verbindung.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die mindestens eine elektrische Kontaktstelle einen verdickten
elektrischen Kontakt, welcher elastisch und plastisch verformbar
und mit einem Signalkabel koppelbar ist, und eine in einer Bohrung
der zu überbrückenden
Zwischenplatte einsetzbare, elastische Isolierhülse mit einem konischen Ab schnitt
auf. Die Verformbarkeit der Kontaktstelle gewährleistet beim Zusammenbau
der Ventilvorrichtung eine Selbstausrichtung der miteinander zu
verbindenden Kontaktstellen. Vorzugsweise ist die elastische Isolierhülse in der
zu überbrückenden
Zwischenplatte rückversetzt
und der verdickte Kontaktpunkt um einen vorbestimmten Betrag von
der zu überbrückenden
Zwischenplatte vorstehend derart angeordnet, dass der verdickte
Kontaktpunkt bei einem Zusammenbau der Ventilvorrichtung in den
konischen Abschnitt der Isolierhülse
gepresst wird und diese in der Bohrung der zu überbrückenden Zwischenplatte verklemmt.
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Vorzugsweise
ist die mindestens eine elektrische Gegenkontaktstelle als ebene
Gegenkontaktfläche
der Ventilnadel-Führungseinrichtung
für eine
Abstützung
des verdickten Kontaktpunktes für
eine elastische und plastische Verformung derselben ausgebildet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Von den
Figuren zeigen:
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1:
einen schematischen Längsschnitt durch
den düsenseitigen
Teil eines Einspritzventils, wobei sich die Ventilnadel in einem
geschlossenen Zustand befindet;
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2:
einen schematischen Längsschnitt durch
den düsenseitigen
Teil des Einspritzventils aus 1, wobei
sich die Ventilnadel in einem ballistischen Bereich befindet;
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3:
einen schematischen Längsschnitt durch
den düsenseitigen
Teil des Einspritzventils aus den 1 und 2,
wobei sich die Ventilnadel am Hubanschlag befindet;
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4:
eine schematische Teilansicht eines Einspritzventils im Schnitt
mit integrierter Kontakteinrichtung gemäß einem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5:
eine vergrößerte Teilansicht
der Kontakteinrichtung gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6:
eine vergrößerte Teilansicht
eines Abschnitts der Kontakteinrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7:
eine Draufsicht auf eine elastische Isolierhülse der Kontakteinrichtung
gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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8:
eine schematische Querschnittsansicht einer Gegenkontaktstelle einer
Kontakteinrichtung gemäß einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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9:
eine schematische Querschnittsansicht einer Kontakteinrichtung gemäß dem zweiten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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10:
eine schematische Teilansicht eines Einspritzventils im Schnitt
mit integrierter Kontakteinrichtung gemäß einem dritten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
den Figuren der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche
oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben
ist.
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Die 1 bis 3 illustrieren
Schnittansichten durch den düsenseitigen
Teil eines Einspritzventils 1, welches beispielsweise elektrisch
angetrieben wird und zusammen mit vor zugsweise anderen Piezo-Injektoren
in an sich bekannter Weise mit einem nicht dargestellten zentralen
Druckspeicher (Common Rail) für
Diesel-Kraftstoff verbindbar ist, wobei eine elektrische Ansteuerung
mittels einer externen zentralen Steuereinheit (nicht dargestellt)
erfolgt.
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Der
Piezo-Aktuator befindet sich im Allgemeinen im hier nicht dargestellten
oberen Teil des Injektors. Der untere Teil des Einspritzventils 1 ist hauptsächlich aus
elektrisch leitenden Materialien und bezüglich der Ventilachse rotationssymmetrisch ausgebildet.
Das Einspritzventil 1 umfasst ferner einen Düsen- bzw.
Ventilkörper 2,
vor dessen Düsenöffnungen
ein Ventilsitz 3 ausgebildet ist.
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Zudem
weist das Einspritzventil 1 eine Ventilnadel 4 auf,
welche zusammen mit dem Ventilsitz 3 bei geschlossenem
Ventil einen geschlossenen und bei geöffnetem Ventil einen offenen
Sitzkontaktschalter S1 bildet.
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Wie
in den Figuren außerdem
ersichtlich ist, ist eine Nadelführung 5 bzw.
Ventilnadel-Führungseinrichtung 5 zur
Führung
der Ventilnadel 4 vorgesehen, wobei die Nadelführung in
an sich bekannter Weise zum Teil eine Isolierschicht umfasst, um
elektrisch gegenüber
dem Düsenkörper 2 in
demselben integriert werden zu können,
wie oben bereits erläutert
worden ist.
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Die
obere Endfläche
der Ventilnadel 4 bzw. die obere Endfläche der Nadelführung 5 grenzt
an eine Zwischenplatte 6 bzw. Ventilplatte 6,
wie in den Figuren dargestellt ist, welche beispielsweise einen düsenseitigen
Hochdruckbereich des Kraftstoff-Einspritzventils von einem ventilseitigen
Niederdruckbereich trennt.
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Wie
in 3 ersichtlich ist, ist eine weitere Schaltereinrichtung
S2 bei einem Kontakt der Ventilnadel 4 mit der zugeordneten
Gegenfläche
der Zwischenplatte 6 vorgesehen.
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Anhand
der 1 bis 3 soll im Folgenden rein exemplarisch
das Prinzip einer Generierung eines Sitzkontaktschalter-Signal zum
Erfassen der Einspritzzeitpunkte und der Einspritzmengen kurz erläutert werden.
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Die
Ventilnadel 4 bildet einen Doppelschalter S1/S2, wobei
sich der Schalter S1 aus der Spitze der Ventilnadel 4 und
dem Ventilsitz 3 und der Schalter S2 aus dem ventilseitigen
Ende der Ventilnadel 4 und der zugeordneten Anschlagfläche bzw.
dem Hubanschlag an der Unterseite der Zwischenplatte 6 zusammensetzt.
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Der
Schalter S1 ist geschlossen bei nicht angesteuertem Injektor und
offen bei angesteuertem Injektor. Schalter S2 ist in seiner Funktion
invers zu Schalter S1, wobei nach dem Umschalten von S1 bis zum
Schließen
von S2 sowie nach dem Öffnen
von S2 bis zum Schließen
von S1 eine zeitliche Verzögerung
auftritt, die jeweils exakt der Nadelbewegungsdauer entspricht,
d.h. die Ventilnadel 4 befindet sich in der "Freiflug-Phase", im sogenannten
ballistischen Zustand.
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Vorzugsweise
sind sowohl der Ventilkörper 2 als
auch die Zwischenplatte 6 mit Masse verbunden, wobei es
ausreicht, lediglich den Injektorkörper 8 mit Masse zu
verbinden, da über
den metallischen Kontakt einer Düsenspannmutter
zu den anderen Bauteilen, wie beispielsweise dem Gewinde, der Auflage der
Düsenschulter
und weiteren nicht isolierten Druckdichtflächen, der elektrische Kontakt
mit den anderen Bauteilen und somit auch mit dem Ventilkörper 2 und
der Zwischenplatte 6 gewährleitstet ist.
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Die
Nadelführung 5 und
somit die Ventilnadel 4 sind im Unterschied dazu gegenüber der
Zwischenplatte 6 und dem Ventilkörper 2 elektrisch
isoliert in dem Ventilkörper 2 integriert.
D. h., um ein elektrisches Signal zu erhalten, welches die Zeiten
anzeigt, während
denen die Schalter S1 und S2 geöffnet
und geschlossen sind, werden der Düsenkörper 2 und die Zwischenplatte 6 auf
Masse-Potential gelegt und die Nadelführung 5 wird über einen
Messwiderstand mit einer Spannungsquelle verbunden. Bei einer derartigen
Schaltungsanordnung ist dann ein hoher Spannungsabfall messbar,
wenn der Schalter S1 oder der Schalter S2 geschlossen ist, d. h.
wenn die Ventilnadel 4 entweder auf dem Ventilsitz 3 aufsitzt
oder an der Zwischenplatte 6 anschlägt und somit jeweils einen
Stromfluss ermöglicht.
In den 1 bis 3 ist der jeweilige Strompfad
durch die Pfeile schematisch dargestellt und der jeweils geschlossene
Schaltkontakt durch die brennende Lampe symbolisiert.
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Dabei
ist insbesondere zu beachten, dass die stromführende Ventilnadel 5 gegenüber dem
Düsenkörper 2 und
der Zwischenplatte 6 elektrisch isoliert sein muss, um
einen Kurzschluss zu verhindern. Dies wird im Allgemeinen durch
eine Isolationsschicht auf der Nadelführung 5 bewerkstelligt,
welche neben einer hohen Stand- und Betriebsfestigkeit auch einen
hohen elektrischen Widerstand (R → ∞) besitzt.
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1 illustriert
den Zustand, in welchem die Ventilnadel 4 auf dem Ventilsitz 3 aufsitzt,
d. h. in welchem der Schalter S1 geschlossen ist. Dadurch kann ein
Strom von dem mit "+" gekennzeichneten
Pol der Spannungsquelle durch die Nadelführung 5 bzw. die Ventilnadel 4 über den
Ventilsitz 3 in den Düsenkörper 2,
welcher mit Masse verbunden ist, fließen, so dass der Stromkreis
geschlossen und der Level des Spannungssignals "high" ist.
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2 illustriert
einen Zustand, in welchem sich die Ventilnadel 4 in dem
ballistischen Zustand befindet, d. h. sowohl der Schalter S1 als
auch der Schalter S2 sind geöffnet.
Daher kann ein eingespeister Strom bzw. das eingespeiste Messsignal nicht über den
Düsenkörper 2 oder
die Ventilplatte 6 fließen, so dass der Stromkreis
offen und der Level des Spannungssignals "low" ist.
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3 illustriert
hingegen einen Zustand, in welchem die Ventilnadel 4 an
dem oberen Gegenkontakt der Zwischenplatte 6 anliegt, so
dass der eingespeiste Strom über
die mit Masse verbundene Zwischenplatte 6 fließen kann.
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Wie
aus den obigen Erläuterungen
ersichtlich ist, kann durch Abgreifen bzw. Abnehmen des in der Nadelführung 5 durch
den Stromfluss erzeugten elektrischen Signals sehr genau die Laufzeit
der Ventilnadel 4 zwischen dem Öffnen des Sitzkontaktschalters
S1 (gleichsetzbar mit dem Einspritzbeginn) und dem Auftreffen auf
der Anschlagfläche
der Zwischenplatte 6 des Schalter S2 (gleichsetzbar mit
einem Erreichen der maximalen Einspritzrate) ermittelt werden. Ferner
kann auch der umgekehrte Vorgang (S2 öffnen, S1 schließen) genauestens
betrachtet werden. Das heißt,
aus der Information "S1
= auf" bis "S2 = geschlossen" kann über die
dazwischen gemessene Zeit und den bekannten maximalen Nadelhub auf die
mittlere Nadelöffnungsgeschwindigkeit
geschlossen werden, aus der gemessenen Zeit zwischen "S2 = geschlossen" und S2 = offen" kann auf die Dauer der
voll geöffneten
Düse und
aus der Zeit zwischen. "S2
= offen" bis "S1 = geschlossen" kann wiederum auf
die mittlere Nadelgeschwindigkeit geschlossen werden. Mit diesen
Informationen und dem jeweiligen Druck und der entsprechenden Düsenkonfiguration kann
dann sehr genau die aktuelle Einspritzmenge bestimmt und über ein
entsprechendes Regelkonzept (Abgleich Soll/Ist) gegebenenfalls angepasst werden.
Als Stellgrößen bieten
sich z.B. Einspritzbeginn, -dauer und -ende an.
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Für ein Abgreifen
des elektrischen Signals ist es allerdings, wie oben bereits erläutert erforderlich, eine
Kontaktierung der in dem Düsenkörper 2 elektrisch
isoliert integrierten Nadelführung 5 derart
herzustellen, dass das elektrische Signal über geeignete Kontaktelemente
bzw. Kabel sicher und zuverlässig von
der Nadelführung 5 isoliert
an die zentrale Steuereinheit übertragen
werden kann.
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4 illustriert
eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Einspritzventils 1 mit
einer integrierten elektrischen Kontakteinrichtung 9 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbei spiel
der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt
lediglich einen Ausschnitt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit beispielsweise
der Düsenkörper im
unteren Bereich nicht mitdargestellt ist.
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Wie
in 4 ersichtlich ist, ist zum Abgreifen des in der
Nadelführung 5 geführten Signals
gemäß dem vorliegenden
ersten Ausführungsbeispiel
ein unterer Kontaktstift 20 vorgesehen, welcher beispielsweise
in eine zugeordnete Bohrung 22 in der Oberfläche der
Nadelführung 5 beispielsweise
durch Einpressen oder dergleichen eingesetzt ist. Die Bohrung 22 der
Nadelführung 5 weist
selbstverständlich keine
Isolationsschicht auf, sodass das in der Nadelführung 5 geführte Signal über den
unteren Kontaktstift 20 weitergeleitet werden kann. Der
untere Kontaktstift 20 ist vorzugsweise mit seinem aus
der Nadelführung 5 vorstehenden
Ende 21 zugespitzt ausgebildet, was weiter unten unter
Bezugnahme auf den oberen Kontaktstift näher erläutert wird.
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Die
Kontakteinrichtung 9 gemäß dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel
umfasst ferner eine Kontaktierhülse 10 und
einen oberen Kotaktstift 16, der analog zum unteren Kontaktstift 20 ebenfalls ein
zugespitztes Ende 17 aufweist. Die Kontaktierhülse 10 ist
in der Ventilplatte bzw. Zwischenplatte 6 integriert, wie
in 5 illustriert ist.
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Die
elektrische Kontakteinrichtung 9 umfasst die Kontaktierhülse 10 aus
einem elektrisch leitenden, federnden bzw. elastischen Material.
Die Kontaktierhülse 10 besteht
beispielsweise aus einem länglichen
Abschnitt 15, welcher mit einer geeigneten Isolierung 11 ummantelt
ist und welcher in einer zugeordneten Bohrung 12 der Ventilplatte 6 fest über die
Isolierung eingesetzt ist. Beispielsweise wird die Isolierung 11 in
die zugeordnete Bohrung 12 eingepresst, verklebt oder dergleichen,
wobei der längliche Abschnitt 15 der
Kontaktierhülse 10 fest,
beispielsweise formschlüssig,
in der Isolierung 11 eingebracht ist.
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Die
Kontaktierhülse 10 weist
ferner an den beiden Enden des länglichen
Abschnitts 15 konisch erweiterte Abschnitte 13 auf,
welche zu den freien Enden hin jeweils konisch verbreitert sind.
Des Weiteren weisen die konischen Abschnitte 13 ein oder mehrere
in Längsrichtung
verlaufende Schlitze 14 auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind
die Schlitze 14 jeweils um einen Winkel von 90° versetzt
zueinander in dem konischen Abschnitt 13 in Längsrichtung
verlaufend vorgesehen, wie in 7 in einer
Draufsicht ersichtlich ist. Die konischen Abschnitte 13 ragen
vorzugsweise über
die zu überbrückende Ventilplatte
und somit über
die jeweiligen Dichtflächen
hervor und werden von einem zugeordneten Aufnahmeabschnitt des angrenzenden
Bauteils derart aufgenommen, dass auch im Dichtbereich eine mechanische
und elektrische Abdichtung gewährleistet
ist, wie in 4 illustriert ist.
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6 zeigt
den konisch erweiterten Abschnitt 13 der Kontaktierhülse 10 mit
eingesetztem Gegenkontaktstift 16 in einer vergrößerten Ansicht
in Querschnittsdarstellung. In 6 ist der
obere Kontaktpunkt aus 4 im Bereich des Übergangs
zwischen der Ventilplatte 6 und dem Injektorkörper 8 mit dem
oberen Kontaktstift 16 dargestellt. Es ist für einen
Fachmann selbstverständlich,
dass der untere Kontaktpunkt zwischen der Ventilplatte 6 und
der Nadelführung 5 mit
dem unteren Kontaktstift 20 auf gleiche oder ähnliche
Weise ausgebildet sein kann.
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Das
zugespitzte Ende 17 des oberen Kontaktstiftes 16 wird
bei einer Montage der Ventilvorrichtung sicher und selbsttätig in den
zugeordneten konischen Abschnitt 13 der Kontaktierhülse 10 eingeführt. Aufgrund
der trichterförmigen
Erweiterung 13 der Kontaktierhülse 10 erfolgt eine
vorteilhafte Selbstausrichtung des elektrischen Kontaktverbindung
zwischen den Kontaktstiften 16 bzw. 20 und den
zugeordneten konischen Abschnitten 13 der Kontaktierhülse 10.
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Aufgrund
der Ausbildung der Kontaktierhülse 10 aus
einem federnden Material sowie mit Längsschlitzen 14 wird
ein radial federnder Kontakt mit einer – je nach Ausführung und
Anzahl der Schlitze 14 bzw. der dadurch gebildeten federnden
Zungen zwischen den Schlitzen 14 – entsprechend großen Kontaktfläche für eine sichere
elektrische Kontaktierung mit einem geringen Übergangswiderstand gewährleistet.
Ferner können
Ausrichtungsmittel bzw. -hilfen für eine exakte Ausrichtung der
Kontaktstifte und der Kontaktierhülse entfallen, da aufgrund
der trichterförmigen
Erweiterung eine Selbstausrichtung und aufgrund der federnden Bereiche
zwischen den Schlitzen 14 eine zuverlässige, formschlüssige elektrische Kontaktierung
für eine
sichere und flächenpressungsresistente Übertragung
des generierten elektrischen Signals von der Nadelführung 5 über die
elektrische Kontakteinrichtung 9 auch bei Vibrationen und hohen
Anpressdrücken
der einzelnen Bauteile gewährleistet
ist. Die einzelnen Elemente der elektrischen Kontakteinrichtung 9 sind
bevorzugt dichtend in die zugeordneten Bauteile der Ventilvorrichtung eingebaut,
beispielsweise mittels eines O-Rings, durch Einpressen, durch Verkleben
etc..
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An
dem oberen Kontaktstift 16 ist ein elektrisches Signalkabel 18,
wie in 4 dargestellt ist, zur Übertragung des elektrischen
Signals zu einer externen, nicht dargestellten zentralen Steuereinheit
gekoppelt. Der obere Kontaktstift 16 sowie das Signalkabel 18 werden
vorteilhaft in einer zugeordneten Isolationshülse in dem Injektorkörper 8 geführt.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 8 und 9 eine
Kontakteinrichtung 9 gemäß einem zweiten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert. 8 illustriert
dabei eine Gegenkontaktstelle, welche aus einer Isolierhülse 29 besteht,
die im unteren Bereich des Injektorkörpers 8 bevorzugt
dichtend eingebaut ist, beispielsweise mittels eines O-Rings, durch
Einpressen, durch Verkleben etc. In der Isolierhülse 29 ist ein feines
Stahlgewebe 30 eingebracht, welches gegenüber dem
Injektorkörper 8 durch
die Isolierhülse 29 elektrisch
isoliert ist. Die Isolierhülse 29 mit
eingebrachtem Stahlgewebe 30 ist einer zugeordneten Bohrung 31 des
Injektorkörpers 8 derart eingesetzt, dass
sich die Isolierhülse 29 vorzugsweise
bis zur Dichtungsfläche
erstreckt. Das Stahlgewebe 30 ist vorzugsweise mit einem
Signalkabel 18 zum nach außen Führen des abgenommenen generierten Signals
verbunden. Diesbezüglich
wird wiederum auf die Ausführungen
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
verwiesen.
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9 illustriert
eine detaillierte Ansicht einer Kontaktstelle der elektrischen Kontakteinrichtung 9 gemäß dem zweiten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Kontaktstelle besteht beispielsweise
aus einem elektrischen Kontaktstift 24, welcher einen länglichen
Abschnitt 26 aufweist, der an seinem Umfang eine Isolierung
bzw. eine Isolierhülse 27 aufweist.
Die Isolierhülse 27 ist analog
zum ersten Ausführungsbeispiel
in einer zugeordneten Bohrung 28 in der Ventilplatte 6 beispielsweise
mittels Verpressen oder Verkleben eingebracht und nimmt den länglichen
Abschnitt 26 des elektrischen Kontaktstiftes 24 vorzugsweise
form- und/oder kraftschlüssig
auf.
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Der
elektrische Kontaktstift 24 weist an beiden Enden des länglichen
Abschnitts 26 jeweils einen zugespitzten Abschnitt 25 auf,
welcher einer Wirkverbindung mit zugeordneten Gegenkontaktstellen
dient.
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Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
ist die Gegenkontaktstelle, wie oben bereits erläutert, als in der Isolierhülse 29 aufgenommenes Stahlgewebe 30 ausgebildet.
Die zugespitzten Enden 25 des elektrischen Kontaktstiftes 24 ragen
derart über
die Abschlussflächen
der Ventilplatte 6 vor, dass beispielsweise das obere zugespitzte
Ende 25 in die Isolierhülse 29 für eine Kontaktierung
des Stahlgewebes 30 bei einem Zusammenbau der Ventilvorrichtung
einsetzbar ist. Somit wird das zugespitzte Ende 25 des
Kontaktstiftes 24 in das zugeordnete Stahlgewebe 30 eingesteckt.
Durch eine entsprechend geeignet gewählte hohe Faserdichte des Stahlgewebes 30 kommt
es durch die elastische und plastische Verformung des Stahlgewebes 30 zu
einer Vielzahl an Kontaktstellen zwischen dem e lektrisch leitenden
Stahlgewebe 30 und dem zugespitzten Ende 25 des
Kontaktstiftes 24. Folglich wird ein vibrationssicherer
elektrischer Kontakt mit einem niedrigen Übergangswiderstand gewährleistet.
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Es
ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass auch für eine elektrische Kontaktierung
des unteren zugespitzten Endes 25 des elektrischen Kontaktstiftes
in der Nadelführung 5 eine
entsprechende Anordnung gemäß 8 als
Gegenkontaktstelle vorgesehen sein kann, wobei in diesem Fall die
Isolierhülse 29 entfällt.
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Ferner
ist es für
einen Fachmann offensichtlich, dass die oben beschriebenen Kontaktstellen
und Gegenkontaktstellen auch lokal derart vertauscht in der Ventilvorrichtung
vorgesehen werden können, dass
beispielsweise die Kontaktierhülse 10 bzw.
der Kontaktstift 24 in der Nadelführung 5 bzw. dem Injektorkörper 8 und
die Kontaktstifte 16 und 20 bzw. das Stahlgewebe 30 mit
zugeordneter Isolierhülse 29 in der
Ventilplatte 6 entsprechend angeordnet sind. Entscheidend
ist lediglich die durch Kontaktstelle und Gegenkontaktstelle selbstausrichtend
und vibrationssicher ausgebildete elektrische Gesamtkontaktierung für eine zuverlässige Übertragung
des generierten elektrischen Signals von der Nadelführung 5 zu
einer Außenseite
hin.
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10 illustriert
eine Teilansicht eines Einspritzventils im Querschnitt mit integrierter
elektrischer Kontakteinrichtung 9 gemäß einem dritten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel weist
die Kontakteinrichtung 9 analog zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen
ein Signalkabel 35 auf, welches in einer zugeordneten Bohrung 36 des Injektorkörpers und
zumindest teilweise in einer zugeordneten Bohrung 40 der
Ventilplatte 6 jeweils elektrisch isoliert eingesetzt ist.
Das freie Ende des Signalkabels 35 weist einen Verbindungsstift 34,
beispielsweise in Form einer Kabellitze auf. An dem freien Ende
des Verbindungsstiftes 34 ist ein verdickter elektrischer
Kontaktpunkt 33 vorgesehen, welcher beispielsweise als
verdickter Schweißpunkt,
als verdickter Lötpunkt
aus einem Lötmittel,
als verdickter Stahlwollenpunkt oder dergleichen ausgebildet ist und
bei Bedarf in eine entsprechende geometrische Ausgangsform, beispielsweise
als runder verdickter Kontaktpunkt, ausgebildet wird, wie in 10 dargestellt
ist.
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Ferner
weist die Kontakteinrichtung 9 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
eine Isolierhülse 37 aus
einem elektrisch isolierenden Werkstoff auf. Die Isolierhülse 37 ist
in einer zugeordneten Bohrung 39 in der Ventilplatte 6 eingesetzt
und umfasst einen konisch erweiterten Abschnitt 38, welcher
einer Aufnahme des verdickten elektrischen Kontaktpunktes 33 dient,
wie in 10 illustriert ist. Der verdickte
elektrische Kontaktpunkt 33 stützt sich in dem konischen Abschnitt 38 der
Isolierhülse 37 vorzugsweise
ab.
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Die
Gegenkontaktstelle der Nadelführung 5 besteht
beispielsweise aus einer ebenen Kontaktfläche 42 der Nadelführung 5,
auf welcher eine Isolierung 41 entfernt ist.
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Die
Isolierhülse 37 ist
vorzugsweise derart dimensioniert, dass sie mit ihrer Stirnseite
etwas in der Ventilplatte 6 zurücksteht, wobei der verdickte elektrische
Kontaktpunkt 33 um einen vorbestimmten Betrag über die Hochdruckdichtfläche der
Ventilplatte 6 hervorragt.
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Bei
einem Zusammenbau der Ventilvorrichtung gelangt der verdickte elektrische
Kontaktpunkt 33 in Anlage mit der Kontaktfläche 42 der
Nadelführung 5 und
wird in den konischen Abschnitt 38 der Isolierhülse 37 formschlüssig eingedrückt. Daher wird
die Isolierhülse 37 vorzugsweise
derart gespreizt, dass sie in der zugeordneten Bohrung 39 verklemmt
wird. Aufgrund der gegenseitigen Krafteinwirkungen auf den verdickten
Kontaktpunkt 33 erfährt dieser
eine teils plastische, teils elastische Verformung, wobei der plastische
Verformungsanteil eine ausreichend große Kontaktfläche schafft
und wobei durch den elastischen Verformungsanteil eine vibrationssichere
elektrische Kontaktierung gewährleistet wird.
Die Abmessungen der Isolierhülse 37 sowie
des verdickten Kontaktpunktes 33 bestimmen die jeweiligen
Anpressdrücke
und die jeweiligen Verformungsanteile.
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Muss
konzeptbedingt die Hochdruckdichtfläche der Ventilplatte 6 im
letzten Fertigungsschritt überschliffen
werden, so werden die Isolierhülse 37 und
die Bohrung 39 derart ausgeführt, dass der verdickte Kontaktpunkt 33 mindestens
um den Betrag des Schleifabtragens hinter der Oberfläche der Hochdruckdichtfläche zurücksteht.
Anschließend
ist der Verbindungsstift 34 entsprechend zu verlängern, um
wiederum einen von der Hochdruckdichtfläche der Ventilplatte 6 vorstehenden
verdickten Kontaktpunkt 33 zu gewährleisten.
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Durch
die erfindungsgemäße Kontakteinrichtung
wird das in der elektrisch isolierten Nadelführung in Abhängigkeit
der Bewegung der Ventilnadel generierte elektrische Signal isoliert über die
Kontakteinrichtung, d. h. über
die Kontaktstelle mit zugeordneten Gegenkontaktstellen, sowie das
zugeordnete Signalkabel zu der zentralen Steuereinheit für eine Auswertung
des Signals sowie eine Regelung der Ventilnadelbewegung in Abhängigkeit
des Signals übertragen.
Die erfindungsgemäße Kontakteinrichtung
stellt den Kontakt an der Nadelführung
vorteilhaft auch bei auftretenden Vibrationen und den existierenden
hohen Druckkräften
auf die einzelnen Bauteile des Einspritzventils jederzeit sicher.
Es ist eine Flächenpressung
der Bauteile mit teilweise bis zu 2.000 Bar für eine dichte Kraftstoffleitung
notwendig, wobei die erfindungsgemäße Kontakteinrichtung eine
elektrische Kontaktierung auch bei diesen hohen Anpressdrücken gewährleistet,
ohne dass bei der Anpressung der Bauteile die elektrische Kontaktierung
in Mitleidenschaft gezogen wird. Bekannte Ausrichtungshilfen für eine Ausrichtung
der Kontaktstellen und der zugeordneten Gegenkontaktstellen können bei
der erfindungsgemäßen Kontakteinrichtung
vorteilhaft entfallen, sodass ein einfacherer und kostengünstigerer
Zusammenbau der Ventilvorrichtung möglich ist.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige
Weise modifizierbar.