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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, in dessen Injektorgehäuse eine
piezoelektrische Aktoreinheit nach der Gattung des Hauptanspruchs
angeordnet ist. Der Kraftstoffinjektor weist des weiteren eine Düsennadel
auf, mit der die am unteren Ende des Injektorgehäuses befindlichen Spritzlöcher geöffnet oder
geschlossen werden können.
Die Betätigung
der Düsennadel
erfolgt mit Hilfe eines Servoventils, dessen Schließglied von
der piezoelektrischen Aktoreinheit betätigbar ist. Bei Aktivierung
der Aktoreinheit öffnet
das Schließglied
das Servoventil, so dass der in einem Steuerraum befindliche Kraftstoff über eine
Ablaufdrossel abfließen
kann und sich durch den Druckabfall im Steuerraum die Düsennadel
von ihrem Düsensitz
abhebt.
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Es
ist ebenfalls bekannt, dass insbesondere für sehr kurze Einspritzimpulse
mit geringen Kraftstoffmengen eine sehr hohe Öffnungs- und/oder Schließgeschwindigkeit
der Düsennadel
benötigt wird.
Insbesondere bei der Mehrfacheinspritzung, wie sie beispielsweise
bei einem Common-Rail-Einspritzsystem für Dieselmotoren Anwendung findet, müssen bei
einem sehr hohen Kraftstoffdruck die einzuspritzenden Kraftstoffmengen
sehr genau und reproduzierbar dosiert eingespritzt werden, um beispielsweise
sehr strenge Anforderungen an die Abgasemissionen erfüllen zu
können.
Aber auch für
zukünftige
Verbrennungsverfahren mit homogener oder teilhomogener Gemischbildung
wird eine Erhöhung der
Düsennadelgeschwindigkeit
insbesondere beim Schließvorgang
der Düsennadel
gefordert, wobei auch die Totzeiten, die zwischen dem Ansteuerzeitpunkt
und dem Beginn der Reaktion der Düsennadel entstehen, zu berücksichtigen
sind.
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Bekannte
Konstruktionen für
Kraftstoffinjektoren können
die zuvor genannten Anforderungen, die insbesondere für zukünftige Verbrennungsverfahren
einzuhalten sind, nicht in ausreichendem Maße erfüllen. Beispielsweise wird in
der
EP 0976 924 B1 ein
Einspritzventil vorgeschlagen, bei dem die Düsennadel über ein Servoventil und einen
Steuerraum gesteuert wird. Das Servoventil weist eine Ventilkammer
mit einem Schließglied
auf, das von einer Aktoreinheit betätigbar ist. Zwischen der Ventilkammer und
dem Steuerraum ist ein weiterer Raum angeordnet, der mit dem unter
Hochdruck stehendem Kraftstoff gefüllt ist. Des weiteren ist zwischen
dem weiteren Raum und dem Steuerraum eine Zulaufdrossel angeordnet,
durch die der Steuerraum mit Kraftstoff gefüllt werden kann. Die Entleerung
des Steuerraumes erfolgt über
eine Ablaufdrossel, die mit der Ventilkammer verbunden ist. Um die
Düsennadel
von ihrem Ventilsitz abheben zu können, wird zunächst von der
Aktoreinheit das Schließglied
in der Ventilkammer aufgedrückt.
Dadurch fällt
der Kraftstoffdruck in der Ventilkammer sehr rasch ab, so dass sich
anschließend
der Steuerraum über
eine Ablaufdrossel entleeren kann. Um die Düsennadel abheben zu können, muss
daher sowohl das Kraftstoffvolumen in der Ventilkammer als auch
im Steuerraum entleert werden. Dieses relativ große schaltbare
Volumen bewirkt eine entsprechende Verzögerung bzw. Totzeit für die Düsennadel.
Hinzu kommt, dass die Ablaufdrossel zwischen dem Steuerraum und
der Ventilkammer angeordnet ist, so dass das Kraftstoffvolumen im
Steuerraum zusätzlich über die
Ventilkammer abgeführt werden
muss, so dass sich eine entsprechende Verzögerung ergibt.
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Der
Schließvorgang
für die
Düsennadel
ist ebenfalls entsprechend verzögert,
da sowohl der Steuerraum als auch die Ventilkammer mit Kraftstoff aufgefüllt werden
müssen,
um den erforderlichen Druck im Steuerraum aufzubringen, der den
Schließvorgang
für die
Düsennadel
einleitet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kraftstoffinjektor
die Qualität
der einzuspritzenden Kraftstoffmenge zu verbessern. Diese Aufgabe
wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
dessen Düsennadel
von einem Servoventil gesteuert wird, mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs, ergibt sich der Vorteil, dass zum Öffnen und
Schließen
der Spritzlöcher
die Düsennadel
mit einer höheren
Geschwindigkeit betrieben werden kann, als dieses beim bekannten
Stand der Technik möglich
ist. Insbesondere ist vorteilhaft, dass die Dynamik der Düsennadel
besser beherrscht und dabei deren Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit
mit verbesserter Reproduzierbarkeit zuverlässig gesteuert werden kann.
Dadurch ergeben sich reproduzierbare Einspritzmengen und als Folge
dessen ein verbessertes Verbrennungsbild. Das wird im wesentlichen
mit einem Dämpfungsraum
erreicht, der mit einem Überströmkanal ausgebildet
verbunden ist und mit einem im unteren Teil der Düseneinheit
befindlichen Düsenraum
in Verbindung steht. Dieser Dämpfungsraum
kann durch eine Steuerkante abgedichtet werden, so dass die Dynamik
der Düsennadel während ihrer
Aufwärtsbewegung
auf hydraulischem Wege nach dem 'Stoßdämpfer-Prinzip' abgebremst werden
kann.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Kraftstoffinjektors gegeben. Als besonders vorteilhaft
wird angesehen, die Düsennadel
unterhalb der Stufe als Dämpfungskolben
auszubilden. Der Dämpfungskolben
bewegt sich innerhalb der Gehäusebohrung
mit geringem Gleitspiel, so dass der Dämpfungsraum durch den Dämpfungskolben
nach außen
hin abgedichtet ist.
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Es
ist vorgesehen, wenigstens einen Überströmkanal an einer Mantelfläche des
Dämpfungskolbens
anzuordnen. Er kann beispielsweise durch Schleifen oder Fräsen an der
Düsennadel
ausgebildet sein.
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Am
unteren Ende des Überströmkanals
ist eine Steuerkante ausgebildet. Die Länge des Überströmkanals und die Anordnung der
Steuerkante begrenzen den Kraftstoffzufluss zum Dämpfungsraum beziehungsweise
den Beginn des Ablaufs und beeinflussen damit die Dämpfungseigenschaften
der Düsennadel,
wenn sich diese nach oben oder nach unten bewegt.
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Im
Bereich der Steuerkante ist am Gehäuse eine Einstellscheibe angeordnet,
mit der das Öffnen und
Schließen
des Überströmkanals
beziehungsweise des Dämpfungsraumes
vorgegeben werden kann. Zur besseren Abdichtung ist die Einstellscheibe
konvex ausgebildet.
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Eine
besonders vorteilhaft Lösung
zur Bestimmung des Zeitpunktes für
das Öffnen
oder Schließen
des Überströmkanals
erfolgt durch eine geeignete Wahl der Dicke der Einstellscheibe,
da mit der Dicke der Einstellscheibe die relative Lage der Steuerkante
in Bezug auf die Einstellscheibe bestimmt wird.
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Zur
weiteren Verbesserung der Dynamik der Düsenadel ist vorgesehen, auf
eine separate Ventilkammer zu verzichten und dadurch das wirksame Kraftstoffvolumen
erheblich zu verkleinern. Das wird im wesentlichen dadurch erreicht,
dass das Schließglied
des Servoventils innerhalb des Steuerraumes angeordnet ist. Dadurch
kann die Düsennadel schneller
geschaltet werden, da insbesondere die Totschließzeit reduziert wird und damit
auch die Ansteuerempfindlichkeit. Als besonders vorteilhaft wird weiterhin
angesehen, dass die Ablaufdrossel für den Steuerraum dem Schließglied nachgeschaltet
ist. Die Ablaufdrossel kann dabei auf sehr einfache Weise innerhalb
der Bohrung angeordnet sein, durch die ein Zapfen des Ventilkolbens
geführt
ist. Auf diese Weise kann die Wirkung der Ablaufdrossel durch Anpassung
des Leckspaltes zwischen dem Zapfen des Ventilkolbens und der Bohrung
ohne großen
Mehraufwand festgelegt werden.
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Weiterhin
erscheint von Vorteil, dass der Steuerraum unterhalb des Schließgliedes
mit einer Bypassbohrung verbunden ist. Die Bypassbohrung wird von
dem Schließglied
in seiner zweiten Endlage verschlossen. Über die Bypassbohrung kann
der Steuerraum bei geschlossener Ablaufdrossel schneller mit Kraftstoff
gefüllt
werden, als dieses nur über eine
Zulaufdrossel möglich
wäre. Insgesamt
ergibt sich durch diese konstruktiven Maßnahmen für die Düsennadel eine reduzierte Totzeit
und auch eine entsprechend reduzierte Ansteuerempfindlichkeit, so dass
eine höhere
Düsennadelgeschwindigkeit
insbesondere beim Schließvorgang
ermöglicht
wird, ohne die hydraulische Eigenstabilität zu gefährden.
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Um
die Dynamik der Düsennadel,
insbesondere beim Öffnen
und zum Schließen
der Spritzlöcher
weiter zu verbessern, ist vorgesehen, dass die Aktoreinheit als
Drucksensor wirkt, die den aktuellen Kraftstoffdruck im Steuerraum
erfasst. Dabei wird der sekundäre
Piezoeffekt genutzt, so dass an der Aktoreinheit ein elektrisches
Signal abgreifbar ist, mit dem die Steuerung der Düsennadel
beeinflussbar ist. Dabei kann der Druckverlauf im Steuerraum sowohl während des Öffnens der
Ablaufdrossel als auch nach dem Schließen der Bypassdrossel ausgewertet werden.
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Das
auf diese Weise gewonnene elektrische Signal kann in vorteilhafter
Weise zur Steuerung sowohl der Bewegung der Düsennadel als auch des Drucks
im Steuerraum insbesondere durch entsprechende Ansteuerimpulse für die Aktoreinheit
verwendet werden.
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Für die Vorgabe
der Öffnungsgeschwindigkeit
der Düsennadel
kann beispielsweise der Gradient des Druckabfalls im Steuerraum,
der durch den Volumenstrom oder den Systemdruck entsteht, durch die
Dimensionierung der Ablaufdrossel, der Zulaufdrossel und/oder der
Bypassbohrung vorgegeben werden. Durch eine Abstimmung der vorgegebenen Parameter
lässt sich
auf sehr einfache Weise die dynamische Bewegung der Düsennadel
steuern.
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Zur
Steuerung der Schließgeschwindigkeit der
Düsennadel
kann beispielsweise der Druckaufbau im Steuerraum verwendet werden,
der durch den Volumenstrom des Kraftstoffs über die Zulaufdrossel und/oder
die Bypassbohrung bestimmt ist.
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Das
Schließglied
steuert mit seinen beiden Endlagen einerseits die Ablaufdrossel
und andererseits die Bypassbohrung. Diese beiden Endlagen sind an
den entgegengesetzten Enden des Schließgliedes ausgebildet. Um diese
Funktionen erreichen zu können,
wurde daher auf sehr einfache Weise das Schließglied in bezug auf die Mittelachse
des Kraftstoffinjektors parallel versetzt angeordnet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 einen
erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
in schematischer Darstellung,
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2 ausschnittsweise
die Anordnung des Schließgliedes
in dem Steuerraum des Kraftstoffinjektors,
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3 ausschnittsweise
die Anordnung des Dämpfungsraumes
im Bereich der Düsennadel
und
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4 ein
Weg-/Zeitdiagramm, in dem der Öffnungs-
und Schließweg
der Düsennadel über die Zeit
aufgetragen sind.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 1.
Der Kraftstoffinjektor 1 ist aus mehreren Baugruppen zusammengesetzt
und weist im wesentlichen ein Injektorgehäuse 38, eine Ventileinheit 3,
eine Drosselplatte 4 und eine Düseneinheit 32 mit
einem Düsengehäuse 36 auf.
Die genannten Baugruppen 38, 3, 4, 32, 36 sind übereinander
liegend angeordnet und werden von einer Düsenspannmutter 37 hochdruckdicht
zusammengepresst. Die Düsenspannmutter 37 wird
dabei von unten über das
Düsengehäuse 36 geschoben
und mit dem Injektorgehäuse 38 verschraubt.
Eine Kopfplatte 39 schließt das Injektorgehäuse 38 nach
oben hin ab.
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Im
folgenden werden die einzelnen Baugruppen näher erläutert. In dem Injektorgehäuse 38 ist
im wesentlichen eine piezoelektrischen Aktoreinheit 8 angeordnet,
die sich mit ihrem Kopfteil gegen die Kopfplatte 39 abstützt. Durch
die Kopfplatte 39 sind wenigstens zwei elektrische Leitungen
zu der Aktoreinheit 8 geführt, durch die die Aktoreinheit 8 elektrisch
angesteuert werden kann, um sich nach unten hin auszudehnen. Des
weiteren kann über
die Leitungen ein elektrisches Drucksignal abgegriffen werden, wenn
die Aktoreinheit 8 nach dem sekundären Piezoeffekt zusammengedrückt wird.
Weiterhin ist in dem Injektorgehäuse 38 eine
Hochdruckleitung 12 angeordnet, die durch alle Baugruppen
hindurch bis zur Düsenspitze
der Düseneinheit 32 geführt ist.
Die Hochdruckleitung 12 wird von einem Kraftstoffeinspritzsystem,
beispielsweise einem Common-Rail-Einspritzsystem
mit Kraftstoff, beispielsweise Dieselöl oder Benzin gespeist.
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Unterhalb
des Injektorgehäuses 38 schließt sich
die Ventileinheit 3 und die Drosselplatte 4 an. Der
Aufbau und die Funktion dieser beiden Baugruppen 3, 4 werden
später
zu den 2 und 3 näher erläutert. HD an den Hochdruckleitungen 12a, 12b bedeutet,
dass diese Leitungen mit der Hochdruckleitung 12 in Verbindung
stehen und einen hohen Kraftstoffdruck aufweisen.
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Unterhalb
der Drosselplatte 4 ist die Düseneinheit 32 mit
dem Düsengehäuse 36 angeordnet.
In dem Düsengehäuse 36 ist
in einer zentralen Bohrung eine Düsennadel 20 angeordnet.
Die Düsennadel 20 weist
an ihrer unteren Nadelspitze einen Dichtsitz 42 auf, durch
den die sich darunter befindlichen Spritzlöcher 33 abdichtet
werden, wenn die Aktoreinheit 8 nicht angesteuert wird.
Die Düsennadel 20 wird
dabei mittels einer Druckfeder 41 und einer Hülse 40 gegen ihren
Dichtsitz 42 gedrückt.
Oberhalb des Dichtsitzes 42 ist ein Düsenraum 31 ausgebildet,
der mit der Hochdruckleitung 12 in Verbindung steht. Über eine Druckfläche wird
an der Düsennadel 20 eine
in Öffnungsrichtung
wirkende hydraulische Druckkraft ausgeübt.
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Bei
Aktivierung der piezoelektrischen Aktoreinheit 8 wird die
Düsennadel 20 gegen
den Federdruck der Druckfeder 41 von ihrem Dichtsitz 42 abgehoben,
so dass der unter sehr hohem Druck stehende Kraftstoff aus den Spritzlöchern 33 austreten kann.
Wird die piezoelektrischen Aktoreinheit 8 deaktiviert,
dann setzt sich die Düsennadel 20 auf
ihren Dichtsitz 42 und verschließt wieder die Spritzlöcher 33.
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2 zeigt
auszugsweise einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, der
im wesentlichen den Bereich mit einem Steuerraum 16 und
der Anordnung eines Schließgliedes 14 innerhalb
des Steuerraumes 16 wiedergibt. Im oberen Bereich der 2 sind
eine Ventileinheit 3 und darunter eine Drosselplatte 4 angeordnet.
In der Ventileinheit 3 ist parallel zur Mittelachse versetzt
eine erste Bohrung 2 ausgebildet, die als Stufenbohrung ausgeformt
ist. Die Stufenbohrung 2 ist nach unten hin enger ausgeführt. In
dieser ersten Bohrung 2 ist ein Ventilkolben 15 so
angeordnet, dass er in vertikaler Richtung bewegbar ist. Das untere
Ende des Ventilkolbens 15 weist einen Zapfen 7 auf,
der dem verengten Durchmesser der ersten Bohrung 2 angepasst
ist. In diesem Bereich ist die Bohrung und der Durchmesser des Zapfens 7 so
aufeinander abgestimmt, dass durch den Zwischenraum eine Ablaufdrossel 6 gebildet
wird. Der obere Teil des Ventilkolbens 15 wird von der
ersten Bohrung 2 geführt.
Im Bereich der Ablaufdrossel 6 ist seitlich eine Leckageleitung 10 herausgeführt, die
mit einem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems in Verbindung
steht. Unterhalb der Ablaufdrossel 6 ist eine zweite Bohrung 18 fluchtend
angeordnet. In dieser zweiten Bohrung 18 ist ein Schließglied 14 eingesetzt,
das vorzugsweise als Ventilpilz ausgebildet ist und mit seinem Kopfteil
in einer ersten Endlage die darüber
liegende Ablaufdrossel 6 abdichten kann.
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Ein
engerer unterer Teil des Schließgliedes ist
derart ausgebildet, dass er von einer Druckfeder 5 umschlossen
ist, die einen Schließdruck
für die
Ablaufdrossel 6 unterstützt.
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Oberhalb
des Ventilkolbens 15 ist eine piezoelektrische Aktoreinheit 8 so
angeordnet, dass sie bei einer elektrischen Ansteuerung mit ihrer
Bodenplatte auf den Ventilkolben 15 drückt, diesen um eine vorbestimmte
Länge nach
unten bewegt und dabei das Schließglied 15 mit dem
Zapfen 7 aus der ersten Endlage gegen den Federdruck der
Druckfeder 5 bewegt.
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Die
zweite Bohrung 18 ist als Steuerraum 16 ausgebildet,
wobei der Steuerraum 16 bis über die Mittelachse des Injektorgehäuses geführt ist.
Der Steuerraum 16 weist in seinem linken Teil unterhalb des
Schließgliedes 14 eine
Bypassbohrung 13 auf, die mit einer Hochdruckleitung 12a in
Verbindung steht. Das Schließglied 14 ist
jedoch so ausgebildet, dass es bei Aktivierung der piezoelektrischen
Aktoreinheit 8 in einer zweiten Endlage gegen die Bypassbohrung 13 gedrückt wird
und diese dabei verschließt.
In einer ersten Endlage verschließt das Schließglied 14 die
Ablaufdrossel 6.
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Im
rechten Bereich von 2 ist der Steuerraum 16 erkennbar,
der mit einer Zulaufdrossel 9 verbunden ist, die ihrerseits
von einer Hochdruckleitung 12b mit Kraftstoff versorgt
wird. Die Bypassbohrung 13, die Zulaufdrossel 9 und
die beiden Hochdruckleitungen 12a, 12b sind aus
fertigungstechnischen Gründen
in der Drosselplatte 4 angeordnet. In der zentralen Achse
des Kraftstoffinjektors 1 ist in einer weiteren Bohrung 11 der
Schaft einer Düsennadel 20 angeordnet.
Die weitere Bohrung 11 ist bis in den Steuerraum 16 geführt, der
in der Ventileinheit 3 angeordnet ist. Im nicht angesteuerten
Zustand der piezoelektrischen Aktoreinheit 8 liegt das
Schließglied 14 in
seiner ersten Endlage an und verschließt damit die Ablaufdrossel 6. Über die
beiden Hochdruckleitungen 12a, 12b, die Bypassdrossel 13 und
die Zulaufdrossel 9 wird der Steuerraum 16 mit
Kraftstoff versorgt. Durch den im Steuerraum 16 herrschenden Druck
wird die Düsennadel 20 nach
unten gegen ihren Ventilsitz gedrückt (in 2 nicht
dargestellt) und verschließt
damit die Spritzlöcher.
Wird die piezoelektrische Aktoreinheit 8 angesteuert, dann
wird über den
Ventilkolben 15 das Schließglied 14 aus einer ersten
Endlage gedrückt
und wandert nach unten in die zweite Endlage. Dabei wird die Bypassbohrung 13 verschlossen.
Gleichzeitig wird die Ablaufdrossel 6 geöffnet, so
dass der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem Steuerraum 16 über die
Ablaufdrossel 6 und die Leckageleitung 10 abfließen kann. Durch
den Druckabfall im Steuerraum 16 entsteht wegen des nun
größeren Drucks
am Ventilsitz der Düsennadel 20 eine
Aufwärtsbewegung
der Düsennadel 20.
Diese Aufwärtsbewegung
ist sehr schnell, da das Volumen im Steuerraum 16 relativ
klein ist und der Druckabbau mit einem großen Gradienten erfolgt. Gleichzeitig
wirkt der Druckabfall über
den Ventilkolben 15 auch auf die piezoelektrische Aktoreinheit 8,
die gemäß dem sekundären Piezoeffekt
ein entsprechendes elektrisches Drucksignal liefert. Dieses elektrische
Drucksignal ist proportional zum Druckgradienten und kann für die Steuerung
der Bewegung der Düsennadel 20,
zur Steuerung der Einspritzzeiten durch die Aktoreinheit 8 und/oder
des Drucks im Kraftstoffsystem verwendet werden. Der Druckabbau
erfolgt im Steuerraum 16 während der Eröffnungsbewegung
der Düsennadel 2.
Das System kann aber auch so abgestimmt werden, dass ein Druckabbau
erst nach dem Verschließen
der Bypassbohrung 13 erfolgt. Der Gradient des Druckabbaues
im Steuerraum 16 wird durch die Ablaufdrossel 14 und
durch die Zulaufdrossel 9 bzw. durch die Bypassbohrung 13 bestimmt.
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Der
Schließvorgang
erfolgt in umgekehrter Weise. Zunächst wird die Aktoreinheit 8 deaktiviert, so
dass das Schließglied 14 in
seine erste Endlage wandert und dadurch die Ablaufdrossel 6 abdichtet. Dadurch
erfolgt im Steuerraum 16 über die Bypassbohrung 13 und
die Zulaufdrossel 9 ein sehr schneller Druckaufbau, durch
den die Düsennadel 20 gegen ihren
Ventilsitz gedrückt
wird. Da der Druckaufbau sehr schnell erfolgt, ist die Schließgeschwindigkeit der
Düsennadel 20 besonders
groß und
die Schließtotzeit
besonders kurz.
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Bei
dieser Anordnung erscheint auch von Vorteil, dass trotz der höheren Öffnungsgeschwindigkeit
und der reduzierten Schließtotzeit
der Düsennadel 20 die
Ansteuerempfindlichkeit kompensiert wird. Des weiteren wird durch
die hohe Schließgeschwindigkeit
der Düsennadel 20 die
Stabilität
der einzuspritzenden Kraftstoffmenge verbessert, so dass insbesondere
kleinere Einspritzmengen mit sehr hoher Präzision reproduzierbar erreicht
werden können. Dadurch
ergibt sich eine reduzierte Streuung der Einspritzmengen sowie eine
bessere Langzeitstabilität des
Systems.
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3 zeigt
prinzipiell den gleichen Ausschnitt des Kraftstoffinjektors, wie
er zuvor zu 2 näher erläutert wurde. Die Bezugszeichen
haben somit die gleiche Bedeutung wie in 2, so dass
der prinzipielle Aufbau nicht erneut beschrieben werden muss. Zusätzlich wurde
in 3 jedoch um den Schaft der Düsennadel 20 herum
ein Dämpfungsraum 23 angeordnet.
Zur Bildung des Dämpfungsraumes
wurde die weitere Bohrung 11 im unteren Teil von 3 erweitert
und der Durchmesser der Düsennadel 20 entsprechend
dem Durchmesser der weiteren Bohrung 11 auf den Durchmesser
d2 vergrößert. Dieser
dickere Teil ist als Dämpfungskolben 24 ausgebildet.
Das obere Schaftende der Düsennadel 20 hat
den kleineren Durchmesser d1, so dass sich im Dämpfungsraum 23 an
der Düsennadel 20 eine
Stufe bildet, die als Druckfläche
wirkt. Die Druckfläche
wirkt bei einer Aufwärtsbewegung
der Düsennadel 20 als Dämpfungsfläche, welche
die Geschwindigkeit der Düsennadel 20 abbremst.
Bei einer Schließbewegung
der Düsennadel 20 unterstützt der
auf die Druckfläche
wirkende Kraftstoffdruck im Dämpfungsraum 23 die
Schließbewegung
der Düsennadel 20.
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An
dem Dämpfungskolben 24 ist
wenigstens ein Überströmkanal 22 ausgebildet.
Der Dämpfungskolben 24 weist
am unteren Ende des Überströmkanals 22 eine
Steuerkante 26 auf. Der Überströmkanal 22 wird vorzugsweise
in den Dämpfungskolben 24 eingeschliffen.
Des weiteren ist am unteren Ende der Drosselplatte 4 eine
Einstellscheibe 21 angeordnet, deren Kontaktfläche 25 zur
Verbesserung der Abdichtung konvex ausgebildet ist. Die Dicke der
Einstellscheibe 21 wird dabei so gewählt, dass zwischen der Steuerkante 26 und
der Unterseite der Einstellscheibe 21 ein geringer Abstand
a entsteht, wenn die Düsennadel 20 auf
ihrem Dichtsitz aufliegt. Der Abstand a kann über die Stärke der Einstellscheibe 21 somit
eingestellt werden.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise dieser Anordnung näher erläutert. Wie
bereits zuvor beschrieben wurde, wird bei Aktivierung der piezoelektrischen
Aktoreinheit 8 das Schließglied 14 in seine zweite
Endlage gedrückt
und dabei die Ablaufdrossel 6 geöffnet. Dadurch fließt der Kraftstoff
aus dem Steuerraum 16 ab, so dass durch einen Überdruck
im Düsenraum
die Düsennadel 20 nach
oben bewegt wird. Dabei wird zunächst
ein Teil des Kraftstoffvolumens aus dem Dämpfungsraum 23 über den Überströmkanal 22 in
den Düsenraum
abgeleitet. Das verdrängte
Volumen berechnet sich aus der im Dämpfungsraum 23 bestehenden
Druckfläche
multipliziert mit dem Hub der Düsennadel 20.
Die wirksame Druckfläche
errechnet sich dabei aus der Differenz der beiden Durchmesser d1,
d2 des Düsennadelschaftes.
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Wird
nun bei der Aufwärtsbewegung
der Düsennadel 20 der
Abstand a überwunden,
dann schließt
die Steuerkante 26 den Überströmkanal 22, so
dass die Düsennadel 20 abgebremst
wird. Hydraulische und mechanische Schwingungen können dadurch
gedämpft
werden. Dieser Dämpfungseffekt kann
noch verstärkt
werden durch eine elektronische Regelung, wie sie zuvor beschrieben
wurde. Man erreicht somit mehr Freiheitsgrade bei der Auslegung der
Hydraulik. Des weiteren ist eine höhere Geschwindigkeit der Düsennadel
bei gleichzeitiger Einhaltung der einzuspritzenden Kraftstoffmengentoleranzen
möglich.
Dadurch wird die Gemischbildung für die Verbrennung verbessert
und insgesamt ein verbessertes Emissionsverhalten erzeugt.
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Als
besonders vorteilhaft wird auch angesehen, dass beim Schließvorgang
der Düsennadel 20 der
Dämpfungsraum 23 die
Bewegung der Düsennadel 20 in
positiver Weise beeinflussen kann. Nach dem Abschalten der piezoelektrischen
Aktoreinheit 8 wandert das Schließglied 14 in seine
erste Endlage. Dadurch wird die Bypassbohrung 13 geöffnet, so dass
der Steuerraum 16 sowohl über die Zulaufdrossel 9 als
auch über
die Bypassbohrung 13 schnell gefüllt werden kann. Dadurch baut
sich im Steuerraum 16 der Kraftstoffdruck sehr rasch auf,
so dass die Düsennadel 20 gegen
ihren unteren Ventilsitz gedrückt wird.
Des weiteren drückt
das im Dämpfungsraum 23 eingeschlossene
Kraftstoffvolumen gegen die Druckfläche am Dämpfungskolben 24 und
beschleunigt die Düsennadel 20 in
Schließrichtung.
Die Beschleunigung der Düsennadel 20 in
Schließrichtung
wird jedoch unterbrochen, sobald die Steuerkante 26 den Überströmkanal 22 freigibt.
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4 zeigt
ein Weg-Zeitdiagramm für
die Düsennadel 20.
In dem Diagramm wurde der Nadelhub über die Zeit t aufgetragen.
Die gestrichelt dargestellte Kurve A zeigt den Verlauf bei einem
bekannten Kraftstoffinjektor, während
die durchgezogene Kurve B den Verlauf des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
wiedergibt.
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Zunächst wird
die Kurve A des bekannten Kraftstoffinjektors näher erläutert. Zum Zeitpunkt t0 bewegt
sich die Düsennadel 20 mit
konstanter Geschwindigkeit bis zu ihrer Endstellung a2 zum Zeitpunkt
te. Nach dem Abschalten der Aktoreinheit 8 zum Zeitpunkt
t3 bewegt sich die Düsennadel 20 wieder
mit konstanter Geschwindigkeit auf ihren Ventilsitz zu, der zum
Zeitpunkt t6 erreicht ist. Die Darstellung von dynamischen Schwingungen
des Systems wurden aus Übersichtlichkeitsgründen in 4 weggelassen.
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Bei
der durchgezogenen Kurve B des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ergibt
sich ein ganz anderes Verhalten. Zunächst wird zum Zeitpunkt t0
die Düsennadel 20 in
die Öffnungsrichtung mit
einer sehr viel größeren Geschwindigkeit
bewegt, bis zum Zeitpunkt t1 der Nadelhub a1 zurückgelegt wurde. Der Nadelhub
a1 entspricht dabei dem Abstand a, wie er zu 3 erläutert wurde.
In dieser Position schließt
die Steuerkante 26 den Überströmkanal 22,
so dass jetzt der Dämpfungseffekt
einsetzt und die Düsennadelgeschwindigkeit
verringert wird, bis sie zum Zeitpunkt t2 den Nadelhub a2 zurückgelegt
hat. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist beim erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 1 die
gesamte Öffnungszeit
t2-t0 der Düsennadel 20 entsprechend der
Kurve B kürzer
als beim bekannten Kraftstoffinjektor entsprechend der Kurve A mit
der Öffnungszeit te-t0.
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Beim
Schließvorgang
ergibt sich entsprechend der Kurve B für die Düsennadel 20 ein entsprechend
modifiziertes Bild. Die Düsennadel 20 beginnt
zum Zeitpunkt t3 den Schließvorgang
mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, bis sie zum Zeitpunkt t4 den
Nadelhub a1 erreicht hat. Ab diesem Zeitpunkt t4 öffnet die
Steuerkante 26 den Überströmkanal 22,
so dass dadurch die Düsennadel 20 mit
erhöhter
Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t5 die Schließposition etwas früher erricht,
als beim bekannten Kraftstoffinjektor.
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Durch
eine entsprechende Dimensionierung des Überströmkanals 22 und der
Druckflächen
kann die Öffnungsgeschwindigkeit
und die Schließgeschwindigkeit
der Düsennadel 20 symmetrisch
ausgebildet und an das Einspritzsystem entsprechend angepasst werden.