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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, Piezo-Elemente zum Antrieb mechanischer oder hydraulischer
Steuerglieder oder Ventile einzusetzen. Insbesondere zum Antrieb
und Betätigen
von Einspritzventilen zur Kraftstoffeinspritzung bei direkt einspritzenden
Verbrennungskraftmaschinen finden Piezo-Aktoren zunehmend Verwendung.
Besonders vorteilhaft erscheinen direkt gesteuerte Systeme, da diese
sehr schnell reagieren und das mehrfache Einspritzen von Kraftstoff
in kurzen zeitlichen Abständen
während
eines Verbrennungstaktes erlauben. Mehrfacheinspritzungen erweisen
sich in Bezug auf Geräuschkomfort
und Abgasqualität
als vorteilhaft. Bei direkt gesteuerten Kraftstoffeinspritzventilen
umgibt das einzuspritzende Medium, d.h. im Regelfall der Kraftstoff,
den das Einspritzventil betätigenden
Aktor. In diesem Zusammenhang wird auch von einem „nassen
Aktor" gesprochen.
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Da
einzuspritzende Medien, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff teilweise
elektrisch leitend sind und korrosive Eigenschaften haben können, ist
das eingesetzte Piezoaktormodul gegenüber dem einzuspritzenden Medium
zu isolieren. Im Stand der Technik erfolgt die Isolierung des Aktormoduls
gegen das einzuspritzende Medium durch einen auf den Aktor aufgebrachten Überzug in
Gestalt eines Schrumpfschlauches oder durch aufwändig aufgebrachte Beschichtungen.
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Eine
dergestalt auf einen Piezoaktor aufgebrachte Isolierung erweist
sich insbesondere bei hohen Systemdrücken, die mehr als 1600 bar
betragen können,
als problematisch einerseits bezüglich
der Kosten und andererseits bezüglich
der erzielbaren Dauerhaltbarkeit. Die Notwendigkeit zur Verbesserung
der Abgasqualität
direkt einspritzender Verbrennungskraftmaschinen durch eine weitere
Anhebung der Einspritzdrücke
verschärft
diese Problematik zusätzlich.
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Ein
weiteres Problemfeld in Bezug auf die in Rede stehenden Kraftstoffinjektoren
stellen hydraulische Druckschwingungen dar, die im einzuspritzenden
Medium. in der Regel Kraftstoff, durch schnelles Öffnen und
schnelles Schließen
des Einspritzventilgliedes hervorgerufen werden. Damit diese auftretenden
Druckschwingungen die einzuspritzende Kraftstoffmenge nicht unkontrolliert
beeinflussen, was zu unerwünschten
Abweichungen im Verbrennungsablauf und hinsichtlich der erzielbaren
Abgasqualität
führen
kann, sind diese Druckschwingungen durch ausreichend große Flüssigkeitsvolumina
innerhalb des Kraftstoffinjektors, die als Pufferräume, d.h. als
Dämpferräume dienen,
zu bedämpfen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
den innerhalb des Kraftstoffinjektors von dem einzuspritzenden Medium
umgebenden Aktor gegen dieses abzudichten und den Aktor, insbesondere
einen Piezoaktor, dauerhaltbar innerhalb des Kraftstoffinjektors
unterzubringen. Dies wird durch eine elastische Membran erreicht,
welche im Kraftstoffinjektor zwischen einem Haltekörper und
einem Aktormodul angeordnet wird. Zwischen dem Haltekörper und
dem Kopplermodul befindet sich zumindest eine elastisch ausgebildete
Membran, welche aus einem elastischen Eigenschaften aufweisenden
Material wie zum Beispiel Gummi und einem kraftstoffresistenten Werkstoff
gefertigt ist und eine bestimmte Dehnung zulässt. Daneben umfasst die elastische
Membran mindestens eine metallische Dichtscheibe.
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Die
Funktion der erfindungsgemäß eingesetzten
Membran liegt darin, ein elektrisch isolierendes Fluid, welches
sich innerhalb eines Aktorraumes befindet, von einem elektrisch
leitfähigen
Medium, insbesondere in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
einzuspritzenden Kraftstoff zu trennen. Durch den Einsatz mindestens
einer Dichtscheibe und die Erzeugung einer entsprechenden in axiale Richtung
wirkenden Axialkraft FAX wird gewährleistet, dass
weder das in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzende
Medium noch das isolierende Fluid durch Trennfugen austreten können. Eine
weitere Dichtscheibe, welche zum Beispiel mittels eines Schraubengewindes
zwischen dem Kopfbereich des Aktors und einem Koppler, der aus Übersetzungsgründen des
Aktorhubes eingesetzt wird, verspannt ist, wird verhindert, dass über eine
Bohrung ein Fluidaustausch stattfindet.
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Das
elastische Material, welches mit der mindestens einen Dichtscheibe über einen
Formschluss verbunden ist oder mittels anderer Fertigungsverfahren
mit den Dichtscheiben verbunden ist, verhindert ebenfalls einen
Fluidaustausch.
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Das
elastische Material ist in der Lage, den herrschenden Raildruck
im PSYS im Hochdruckraum ungedämpft in
den Aktorraum zu übertragen,
so dass gilt pRAIL = pHochdruckraum =
pAktorraum.
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Die
Identität
der aufgezählten
Druckniveaus ist notwendig, um die Funktion des Piezoaktors unter Hochdruckbedingungen
zu gewährleisten
und Druckschwingungen über
die Anbindung des im Aktorraum vorliegenden Zusatzvolumens vAktorraum von Kraftstoff deutlich zu reduzieren.
Für die
Konstruktion ist die Integration einer Zulaufbohrung im Haltekörper erforderlich,
so dass der Aktorraum, der das Zusatzvolumen aufnimmt, zentrisch
zur Achse des Kraftstoffinjektors untergebracht wird.
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Über einen
Einfüllstutzen
wird nach der Montage des Kraftstoffinjektors und vor dessen erstmaliger
Druckbeaufschlagung im Hochdruckraum das elektrisch isolierende
Medium eingefüllt
und nach vollständigem
Befüllen
des Aktorraumes wird der Einfüllstutzen
verschlossen.
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Das
erfindungsgemäß vorgeschlagene Membranelement
umfasst mindestens einen vorzugsweise aus metallischem Material
gefertigten Dichtring, wobei der Kraftstoffinjektor derart ausgebildet
sein kann, dass von einem Hochdruckspeicherkörper (Common-Rail) die Systemdruckversorgung mit
Systemdruck pSYS = pRAIL über eine
Hochdruckleitung erfolgen kann, die sowohl durch den Haltekörper des
Kraftstoffinjektors verlaufend ausgeführt sein kann als auch derart
ausgeführt
sein kann, dass die Hochdruckversorgungsleitung unmittelbar in einem Hochdruckraum
innerhalb eines Düsenmoduls
des Kraftstoffinjektors mündet,
in dem ein bevorzugt nadelförmig
ausgebildetes Einspritzventilglied in variabler Richtung bewegbar
aufgenommen ist.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 die
Hauptkomponenten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors,
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2 eine
schematische Darstellung wesentlicher Elemente des erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffinjektors mit durch ein Membranelement vom einzuspritzenden
Medium getrennten Aktorraum,
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2.1 eine Draufsicht auf das Membranelement,
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3 eine
weitere Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors mit einer alternativen Ausführungsvariante des Membranelementes
und einer Exzentrizität
zwischen dem bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilglied und einem den Kraftstoffinjektor
betätigenden
Piezoaktor,
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3.1 einen Schnitt durch das in der Ausführungsvariante
gemäß 3 eingesetzte
Membranelement,
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4 eine
Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors mit zentrisch zueinander angeordnetem Piezoaktor
und Einspritzventilglied und
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5 eine
weitere Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors mit zentrischer Lage von Piezoaktor und Einspritzventilglied
mit einer im Düsenmodul
mündenden
Hochdruckversorgung.
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Ausführungsvarianten
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Der
Darstellung gemäß 1 sind
die Hauptkomponenten eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors
in schematischer Weise zu entnehmen.
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1 zeigt
einen Kraftstoffinjektor 10, der ein Düsenmodul 12, ein Kopplermodul 14 sowie
einen Haltekörper 16 umfasst.
Im Düsenmodul 12 ist ein
bevorzugt nadelförmig
ausgebildetes Einspritzventilglied 18 untergebracht, welches
symmetrisch zur seiner Achse 80 ausgeführt ist. Das bevorzugt nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied 18 verschließt mindestens eine am brennraumseitigen Ende
des Düsenmoduls 12 des
Kraftstoffinjektors 10 ausgebildete Einspritzöffnung.
Im Haltekörper 16 des Kraftstoffinjektors 10 befindet
sich ein Piezoaktor 46, der einen Aktorfuß 44 und
einen Aktorkopf 48 aufweist. Der den Piezoaktor 46 innerhalb
des Haltekörpers 16 umschließende Hohlraum
ist über
einen Einfüllstutzen 50 mit
einem in 1 nicht dargestellten elektrisch
isolierenden Fluid 62 befüllbar. Der Piezoaktor 46 ist
symmetrisch zu seiner Achse 82 aufgebaut. Aus der Darstellung
gemäß 1 geht
hervor, dass der Piezoaktor 46 in Bezug auf das bevorzugt nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied 18 zentrisch angeordnet ist, wie in
Zusammenhang mit der Beschreibung der 2 und 3 noch
eingehender erläutert
werden wird. 1 ist entnehmbar, der den Piezoaktor 46 innerhalb
des Haltekörpers 16 umschließende Hohlraum
vom Hochdruckbereich im Düsenmodul 12 und
im Kopplermodul 14 über
ein Membranelement druck- und fluiddicht getrennt ist.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors mit einem Membranelement, welches einen Aktorraum
gegen einen Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors trennt.
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2 ist
entnehmbar, dass der Kraftstoffinjektor 10 die in Zusammenhang
mit 1 bereits erwähnten
Komponenten Düsenmodul 12,
Kopplermodul 14 und Aktormodul 16 umfasst. Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
hervor, dass im Düsenmodul 12 das
bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 18 aufgenommen ist, das
von einer Düsenfeder 20 umschlossen
ist. Die Düsenfeder 20 stützt sich
am Umfang des nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 18 ab und beaufschlagt eine
Steuerhülse 22,
die einen Steuerraum 30 begrenzt. Über die Düsenfeder 20 ist die
Steuerhülse 22 an
eine untere Planseite einer Drosselplatte 24 angestellt.
Die Drosselplatte 24 ist zwischen dem Düsenmodul 12 und dem
Kopplermodul 14 aufgenommen. Die Drosselplatte 24 umfasst
eine Versorgungsbohrung 26, welche einen Hochdruckraum 64 des
Düsenmoduls 12 mit
einem Hochdruckraum 64 des Kopplermoduls 14 hydraulisch
miteinander verbindet. Darüber
hinaus befindet sich innerhalb der Drosselplatte 24 eine
Ablaufdrossel 28, über
welche eine Steuermenge vom Steuerraum 30 in einen Kopplerraum 32 des
Kopplermoduls 14 abströmen kann.
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Das
Kopplermodul 14 seinerseits umfasst neben dem Kopplerraum 32 der
von einer Kopplerhülse 36 begrenzt
ist, einen Kopplerraum 40, der kolbenförmig ausgebildet ist. Der kolbenförmig ausgebildete
Koppler 40 ist von einer Kopplerfeder 38 beaufschlagt,
die sich ihrerseits auf einer oberen, ringförmig ausgebildeten Stirnseite
der Kopplerhülse 36 abstützt. Darüber hinaus
umfasst der kolbenförmig ausgebildete
Koppler 40 eine Bohrung 72. Wie bereits erwähnt, umschließt ein Kopplergehäuse 34 des Kopplermoduls 14 den
kolbenförmig
ausgebildeten Koppler 40. Im Hochdruckraum 64 des
Kopplermoduls 14 herrscht ein Druck pHDR ebenso
wie im Kopplerraum 64 des Düsenmoduls 12, da beide
Hochdruckräume 64 über die
in der Drosselplatte 24 ausgebildete Versorgungsbohrung 26 hydraulisch
miteinander verbunden sind.
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In
den im Kopplergehäuse 34 ausgebildeten Hochdruckraum 64 mündet ein
Hochdruckzulauf 84, über
den der in einem Hochdruckspeicherkörper 78 (Common-Rail)
herrschende Druck pRAIL in den Hochdruckraum 64 des
Kopplermoduls 14 geleitet wird.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 lässt sich des
Weiteren entnehmen, dass der Hochdruckraum 64 des Kopplermoduls 14 von
einem Aktorraum 52 eines Aktormoduls 42 mittels
eines Membranelementes 54 getrennt ist. Das Membranelement 54,
welches in der Darstellung gemäß 2.1 in der Draufsicht dargestellt ist, wird zwischen
einer oberen Stirnseite des Kopplergehäuses 34 und einer
unteren, ringförmig
ausgebildeten Stirnseite des Haltekörpers 16 eingespannt.
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Im
Aktormodul 42 des Kraftstoffinjektors 10 befindet
sich der Piezoaktor 46, der einen Aktorfuß 44 und
einen Aktorkopf 48 aufweist. Im Aktorraum 52 herrscht
ein Druck pAR, ferner ist der Aktorraum 52 mit einem
elektrisch isolierenden Fluid 62 befüllt, welches über den
in 1 dargestellten Einfüllstutzen in den Aktorraum 52 bis
zu dessen vollständiger
Befüllung
gelangt.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
zudem hervor, dass die Achse 80 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 18 in Bezug auf die Achse 82 des
im Aktormodul 42 untergebrachten Piezoaktors 46 um
eine Exzentrizität 76 zueinander
versetzt angeordnet sind. An der Einspannstelle des Membranelementes 54 ergeben
sich in Bezug auf das Aktormodul 42 eine erste Trennfuge 66 und
in Bezug auf das Kopplergehäuse 34 des Kopplermoduls 14 eine
weitere, zweite Trennfuge 68. Mittels eines Gewindes 70 sind
der Aktorkopf 48 und der kolbenförmig ausgebildete Koppler 40 miteinander
verbunden, wobei durch diese Verbindung eine Einspannstelle für das Membranelement 54 gebildet wird.
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Das
Membranelement 54 umfasst eine erste metallische Dichtscheibe 56 und
eine zweite metallische Dichtscheibe 58, die besonders
gut in der Darstellung gemäß 2.1 erkennbar sind.
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Das
Membranelement 54 trennt das elektrisch isolierende Fluid 62 innerhalb
des Aktorraumes 52 vom Hochdruckraum 64, in dem
sich elektrisch leitfähiger
Kraftstoff befindet. Eine Axialkraft FAX presst
den Haltekörper 16 über die
erste aus metallischem Material gefertigte Dichtscheibe 56 gegen
das Kopplergehäuse 34 und
gewährleistet
damit, dass weder das elektrisch isolierende Fluid 62 aus
dem Aktorraum 52 über
die erste Trennfuge 66, noch der Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 64 über die
zweite Trennfuge 68 austreten kann. Die innenliegend angeordnete
zweite Dichtscheibe 58, die über das Gewinde 70 zwischen
dem Aktorkopf 48 und dem kolbenförmig ausgebildeten Koppler 40 eingespannt
ist, verhindert einen Flüssigkeitsaustausch über die
Bohrung 72.
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Die
Membraneinheit 54 umfasst in der in 2 dargestellten
Ausführungsvariante
zwischen der außenliegend
angeordneten ersten Dichtscheibe 56 und der innnenliegenden
zweiten Dichtscheibe 58 ein Abschnitt aus elastischem Material 60.
Die Einheit aus Membranelement 54, erster Dichtscheibe 56 aus
metallischem Material sowie zweiter Dichtscheibe 58 aus
metallischem Material verhindert einerseits den Flüssigkeitsaustausch
zwischen dem Aktorraum 52 und dem Hochdruckraum 64,
gibt andererseits jedoch den aktuellen hydraulischen Druck des Kraftstoffes
im Hochdruckraum 64 ungedämpft an das isolierende Fluid 62,
welches sich innerhalb des Aktorraums 52 diesen befüllend befindet,
weiter. Diese Druckbalance stellt die Funktion des Piezoaktors 46 unter
Hochdruckbedingungen sicher und stellt über die hydraulische Ankopplung
des Aktorraumes 52 an den Hochdruckraum 64 zusätzliches
Dämpfungsvolumen
zur Dämpfung
von Druckpulsationen im Hochdruckraum 64 zur Verfügung.
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Aus
der Darstellung gemäß 2.1 geht eine Draufsicht auf die Membran, die
den Aktorraum und den Hochdruckraum voneinander trennt, hervor.
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2.1 verdeutlicht, dass das Membranelement 54 einen
die Bohrung 72 im kolbenförmigen Koppler 40 umschließenden zweiten
Dichtring 58 aufweist, dessen Durchmesser mit d1 bezeichnet ist. Diesem schließt sich
der ringförmige
Abschnitt aus elastischem Material 60 an, der an einer
Innenseite der ersten metallischen Dichtscheibe 56 des
Membranelementes 54 befestigt ist. Der Außendurchmesser
des Bereiches aus elastischem Material 60 ist mit d2 bezeichnet. Durch das Material der ersten
Dichtscheibe 56 verläuft
der Hochdruckzulauf 84, wie in 2 in Schnittdarstellung
dargestellt.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors, dessen Aktorraum gegen einen Hochdruckraum über ein
Membranelement getrennt ist.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht
hervor, dass analog zur Ausführungsvariante
gemäß 2 vom
Hochdruckspeicherkörper 78 (Common-Rail)
der Hochdruckzulauf 84 durch den Kraftstoffinjektor 10 verläuft, in
die Drosselplatte 24 mündet und über diese
den Hochdruckraum 64 des Düsenmoduls 12 mit Systemdruck
pRAIL beaufschlagt, so dass im Hochdruckraum 64 des
Düsenmoduls 12 der Druck
pHDR, der dem Druck pRAIL entspricht,
herrscht.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht
zudem hervor, dass auch in dieser Ausführungsvariante der Aktorraum 52 des
Aktormoduls 42 vom Hochdruckraum 64, der sich
innerhalb des Kopplergehäuses 34 des
Kopplermoduls 14 befindet, mittels des Membranelementes 54 getrennt
ist. In der Ausführungsvariante
gemäß 3 ist
das scheibenförmig ausgebildete
Membranelement 54 einerseits zwischen dem Aktormodul 42 und
dem Kopplergehäuse 34 eingespannt
und andererseits zwischen dem Aktorkopf 48 und einer oberen
Ringfläche
des kolbenförmig
ausgebildeten Kopplers 40. In der in 3 dargestellten
Ausführungsvariante
umfasst das Membranelement 54 die erste metallische Dichtscheibe 56 und
die zweite metallische Dichtscheibe 48. In der in 3 dargestellten
Ausführungsvariante umschließt die zweite
metallische Dichtscheibe 58 das elastische Material 60,
vgl. auch Darstellung gemäß 3.1. Die Trennung des Hochdruckraumes 64,
in dem elektrisch leitfähiger
Kraftstoff, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff aufgenommen ist, vom
Aktorraum 52, der mit dem elektrisch isolierenden Fluid 62 befüllt ist,
erfolgt über
einen Ring aus elastischem Material 60, der sich zwischen
dem Innenumfang der ersten metallischen Dichtscheibe 56 und
dem Außenumfang
der zweiten metallischen Dichtscheibe 58 befindet.
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Das
im Aktorraum 52 aufgenommene elektrisch isolierende Fluid 62 strömt über einen
Kanal, der innerhalb des Aktorkopfes 48 verläuft in einem Raum
oberhalb des elastischen Materials 60. Dieser Raum ist
einerseits durch die Planfläche
des Aktorkopfes 48 und andererseits durch das elastische
Material 60 begrenzt. Unterhalb des elastischen Materials 60 des
Membranelementes 54 verläuft innerhalb des kolbenförmig ausgebildeten
Kopplers 40 ein Ausgleichsraum 74. Analog zur
in 2 dargestellten ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors ist der kolbenförmig ausgebildete Koppler 40 durch
die Kopplerfeder 38 beaufschlagt, die sich ihrerseits auf
der Kopplerhülse 36 abstützt. Die
Kopplerhülse 36 ist
auf eine obere Planseite der Drosselplatte 24 aufgesetzt und
begrenzt den Kopplerraum 32. Der Kopplerraum 32 steht
mit dem Steuerraum 30, der im Düsenmodul 12 ausgebildet
ist, über
die Drosselbohrung 28 in der Drosselplatte 24 hydraulisch
in Verbindung.
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Das
Düsenmodul 12 umfasst
analog zur in 2 dargestellten ersten Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors 10 den Hochdruckraum 64 in
dem der Druck pHDR herrscht, der dem Systemdruck
pRAIL, der im Hochdruckspeicherkörper 78 (Common-Rail)
herrscht, entspricht. Im Düsenmodul 12 ist
darüber
hinaus das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 18 aufgenommen, dessen
Achse mit Bezugszeichen 80 bezeichnet ist. Auch in der
Ausführungsvariante
gemäß 3 ist
das nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 18 in Bezug auf den Piezoaktor 46,
dessen Achse mit Bezugszeichen 82 bezeichnet ist, mit Exzentrizität 76 angeordnet.
Durch eine Wand des Kraftstoffinjektors verläuft der Hochdruckzulauf 84 vom
Hochdruckspeicherkörper 78 (Common-Rail)
durch das Aktormodul 42, das Kopplergehäuse 34 und mündet in
die Drosselplatte 24. Im Hochdruckraum 64 ist
darüber
hinaus die Steuerhülse 22 aufgenommen,
die den Steuerraum 30 begrenzt.
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Das
bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 18 gibt am brennraumseitigen Ende
des Düsenmoduls 12 angeordnete
Einspritzöffnungen 86 frei,
sobald eine Druckentlastung des Steuerraumes 30 über die
Drosselbohrung 28 in den Koppelraum 32 erfolgt
und verschließt
diese, sobald das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 18 bei
Druckbeaufschlagung des Steuerraumes 30 wieder in seinen
Sitz gestellt wird.
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Aus
der Darstellung gemäß 3.1 geht eine Draufsicht auf die Membran hervor,
die im Bereich der ersten Trennfuge zwischen dem Aktormodul 42 und
dem Kopplergehäuse 34 aufgenommen ist.
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Aus
der Darstellung gemäß 3.1 geht hervor, dass das Membranelement 54 einen
im Durchmesser d1 ausgebildeten Abschnitt
aus elastischem Material 60 umfasst, der vom zweiten metallischen
Dichtring 58 umschlossen ist. Dieser ist wiederum über einen
weiteren Abschnitt elastischen Materials mit dem ersten metallischen
Dichtring 56 verbunden. Durch den ersten metallischen Dichtring 56 erstreckt
sich der Hochdruckzulauf 84.
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Während bei
der in 2 dargestellten Ausführungsvariante die Druckübertragung,
d.h. der Volumenausgleich über
die Fläche
A = π/4(d2 2 – d1 2) erfolgt, wird
in der Ausführungsvariante
gemäß 3 der
Volumenausgleich über
die Wirkfläche
A = π/4·d3 2 erreicht. Bei
der in den 3 und 3.1 gezeigten
Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors ist sicherzustellen, dass im Ausgleichsraum 74 Systemdruck
pRAIL, herrscht, welcher den kolbenförmig ausgebildeten Koppler 40 und
den Aktorkopf 48 im Betrieb voneinander trennen kann. Um
diese Trennung zu verhindern, muss die Verbindung zum Membranelement 54 über Fertigungsverfahren
wie zum Beispiel schweißen
oder Löten
bevorzugt stoffschlüssig
hergestellt werden.
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In
den 4 und 5 sind Ausführungsvarianten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors
dargestellt, in welchen der Piezoaktor und das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzglied
zentrisch angeordnet sind und die Hochdruckversorgung am Düsenmodul
des Kraftstoffinjektors angeschlossen ist.
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4 zeigt
eine Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors 10, bei welchem der Piezoaktor 46 mit
seiner Achse 82 zentrisch zur Achse 80 des bevorzugt
nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 18 angeordnet ist.
Bei diesen Ausführungsvarianten
sind das Aktormodul 42 und das Düsenmodul 12 über eine Über wurfmutter
miteinander verbunden. Das Düsenmodul 12 ist
analog zum Düsenmodul 12 der Ausführungsvarianten
gemäß der 2 und 3 aufgebaut.
Zwischen dem Düsenmodul 12 und
dem Aktormodul 42 befindet sich die Drosselplatte 24,
deren Drosselbohrung 28 den Kopplerraum 32 und
den Steuerraum 30 hydraulisch miteinander verbindet. Oberhalb
der Drosselplatte 24 ist die Membran 54 mit ihrer
ersten metallischen Dichtscheibe 56 und zwischen dem Aktormodul 42 und
der Drosselplatte 24 eingespannt. Die zweite metallische
Dichtscheibe 58 der Membran 54, die mit der ersten
metallischen Dichtscheibe 56 über das elastische Material 60 verbunden
ist, wird über
die Kopplerfeder 38 an die Unterseite des kolbenförmigen Kopplers 40 angestellt. Das
elastische Material 60 trennt den mit dem elektrisch isolierenden
Fluid 62 befüllten
Aktorraum 52 von dem Hochdruckraum 64 innerhalb
des elastischen Materials 60 der Membran 54.
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Der
kolbenförmig
ausgebildete Koppler 40 ist so ausgebildet, dass dieser
einen in verschiedenen Geometrien ausgewölbten Ausgleichsraum 74,
wie in der Ausführungsvariante
gemäß 4 angedeutet, umfasst.
Dieser Ausgleichsraum 74 steht mit dem vom elastischen
Material 60 begrenzten Bereich innerhalb des Membranelementes 54 über mindestens eine
Ausgleichsbohrung 88, die sich durch das Material des kolbenförmig ausgebildeten
Kopplers 40 erstreckt, hydraulisch in Verbindung, so dass
im Vergleich zu den in 2 und 3 dargestellten
Ausführungsvarianten
ein größeres Volumen
zum Ausgleich von Druckpulsationen als Dämpfungsvolumen zur Verfügung steht.
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Der
Vollständigkeit
halber sei erwähnt,
dass gemäß der in 4 dargestellten
Ausführungsvariante
der mit elektrisch isolierendem Fluid 62 befüllte Aktorraum 52 über mindestens
eine Öffnung 92 in
einem Deckel 90 im Bereich des Aktorfußes 48 in Verbindung
steht. Elektrisch isolierendes Fluid 62 befindet sich im
hydraulischen Raum 100, der von dem Ausgleichsraum 74,
der mit Kraftstoff befüllbar
ist, mittels eines weiteren elastischen Membranelementes 101 getrennt
ist.
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Im
Unterschied zu den in 2 und 3 dargestellten
Ausführungsvarianten
verläuft
die vom Hochdruckspeicherkörper 78 (Common-Rail)
verlaufende Hochdruckleitung 84 zum Düsenmodul 12 und mündet in
dessen Hochdruckraum 64, in dem der Druck pHDR herrscht,
der dem Systemdruck pRAIL entspricht.
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Der
Darstellung gemäß 5 ist
eine weitere Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors zu entnehmen, bei dem Piezoaktor und bevorzugt
nadelförmig
ausgebildetes Einspritzventilglied zentrisch in Bezug zueinander
angeordnet sind.
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Aus
der in 5 dargestellten Ausführungsvariante geht hervor,
dass der Kraftstoffinjektor 10 das Düsenmodul 12 umfasst,
in dem analog zur Ausführungsvariante
gemäß 4 der
Hochdruckzulauf 84 vom Hochdruckspeicherkörper 78 (Common-Rail) mündet. Aufgrund
dieses Umstandes herrscht der Systemdruck pRAIL der
im Hochdruckspeicherkörper 78 herrscht,
auch im Hochdruckraum 64 innerhalb des Düsenmoduls 12,
so dass pHDR = pRAIL erfüllt ist. Darüber hinaus
befindet sich im Düsenmodul 12 das bevorzugt
nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 18, dessen Achse mit
Bezugszeichen 80 bezeichnet ist. Ist dieses in seinen Sitz
gestellt, so sind am brennraumseitigen Ende des Düsenmoduls 12 ausgebildete
Einspritzöffnungen 86 verschlossen. Am
bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilglied 18 befindet sich die
Düsenfeder 20,
die eine Steuerhülse 22,
die den Steuerraum 30 begrenzt, an die Unterseite der Drosselplatte 24 anstellt.
Durch die Drosselplatte 24 verläuft eine Versorgungsbohrung 26, über welche
der Druck pHDR, welcher im Hochdruckraum 64 des
Düsenmoduls 12 herrscht
in den hydraulischen Raum, der von dem Membranelement 54 gegen
den Aktorraum 52 getrennt ist, übertragen wird.
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Mittels
des Membranelementes 54, welches einen Bereich mit elastischem
Material 60, die erste metallische Dichtscheibe 56 sowie
die zweite metallische Dichtscheibe 58 umfasst, wird der
Aktorraum 52 des Aktormoduls 42, in dem das elektrisch
isolierende Fluid 62 aufgenommen ist, von dem Hochdruckraum 64 des
Kraftstoffinjektors 10 getrennt. Gemäß der in 5 dargestellten
Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors 10 stehen der Steuerraum 30 und
der Kopplerraum 32 über
die in der Drosselplatte 24 ausgebildete Drosselbohrung 28 hydraulisch
miteinander in Verbindung.
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Des
Weiteren umfasst die in 5 dargestellte Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors 10 den kolbenförmig ausgebildeten Kuppler 40.
Dieser wird durch eine Kopplerfeder 38 beaufschlagt, die
sich auf der Kopplerhülse 36 abstützt. Der
Druck innerhalb des Aktorraumes 52, bezeichnet durch pAR, entspricht im Wesentlichen dem im Hochdruckraum 64 herrschenden
Druck pHDR, welcher wiederum dem Systemdruck pRAIL entspricht.
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In
der in 5 dargestellten Ausführungsvariante fehlt es an
einem Ausgleichsraum 74.
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Der
Vollständigkeit
halber sei erwähnt,
dass der erste metallische Dichtring 56 des Membranelementes 54 zwischen
dem Piezoaktor 46 und der oberen Stirnseite der Drosselplatte 24,
die erste und die zweite Dichtfuge 66 bzw. 68 bildend,
eingespannt ist. Bei der in 5 dargestellten
Ausführungsvariante der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
sind der Aktorraum 52, in dem elektrisch isolierendes Fluid 62 bevorratet
ist und von dem mit Systemdruck beaufschlagbaren Räumen 64, 30 und 32 durch
das elastische 60 des elasti schen Membranelementes 54 getrennt.
In der Ausführungsvariante,
die in 5 wiedergegeben ist, fällt die Längsachse 82 des Piezoaktors 46 mit
der Längsachse
des Kraftstoffinjektors 10 zusammen. Im Unterschied zur
in 4 dargestellten Ausführungsvariante ist in der Ausführungsvariante
gemäß 5 das
weitere elastische Membranelement 101 entfallen. Dies begünstigt eine kostengünstigere
Fertigung der in 5 dargestellten Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors 10.
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Aus 5 geht
des weiteren hervor, dass am nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglied 18 Düsenfeder 20 die
Steuerhülse 22,
die den Steuerraum 30 begrenzt, an die Unterseite der Drosselplatte 24 anstellt.
Der Druckraum 64 ist über
die den Hochdruckzulauf 84, der sich von dem Hochdruckspeicherkörper 78 (Common
Rail) aus erstreckt, ist mit Systemdruck pHDR beaufschlagt,
der dem im Hochdruckspeicherkörper 78 (Common
Rail) herrschenden Druck pRAIL entspricht.
An die obere Stirnseite der Drosselplatte 24 ist die Kopplerhülse 36 angestellt,
die über
die Kopplerfeder 38 beaufschlagt wird. Die Kopplerfeder 38 stellt
einerseits die Kopplerhülse 36 an
die Oberseite der Drosselplatte 24 dichtend an, so dass
der Kopplerraum 32 abgedichtet ist und übt andererseits eine Vorspannung
auf die zweite metallische Dichtscheibe 58 aus, mit der
das elastische Membranelement 54 an die untere Stirnseite
des Bundes am Kopplerkolben 40 angestellt ist. Die erste
metallische Dichtscheibe 56 am Außenumfang des elastischen Membranelements 54 ist
zwischen Aktormodul 42 und der Drosselplatte 24 eingespannt,
so dass sich eine erste Trennfuge 66 und eine zweite Trennfuge 68 bilden,
welche die Einspannstelle des elastischen Membranelements 54 darstellen.