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Stand der Technik
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Bei
derzeit eingesetzten Kraftstoffinjektoren bei Hochdruckspeichereinspritzsystemen
(Common-Rail), die ein direktgesteuertes, nadelförmig ausgebildetes
Einspritzventilglied aufweisen, ist das Einspritzventilglied über
ein hydraulisches oder mechanisches Koppelelement zum Temperaturausgleich
mit einem Piezoaktor verbunden. Im Ruhezustand liegt am Aktor eine
Basisspannung Ub an und das düsenförmig
ausgebildete Einspritzventilglied ist geschlossen. Zum Öffnen
wird zu einem Zeitpunkt t_beg das Spannungsniveau
durch eine üblicherweise getaktete Entladung mit einem
negativen Strom I_dis abgesenkt, wodurch
sich der Aktor verkürzt. Dadurch ergibt sich unter Zwischenschaltung
des Kopplers eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft auf
das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied. Zu einem Zeitpunkt
t_oeff ist die Öffnungskraft so
weit angestiegen, dass das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied öffnet
und die Einspritzung beginnt. Die zu diesem Zeitpunkt erreichte
Spannung am Aktor wird mit U_oeff bezeichnet.
Die Spannung wird weiter abgesenkt, bis das nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied vollständig geöffnet
ist und zu einem Zeitpunkt t_anschlag einen
Hubanschlag für das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied
erreicht. Während der Einspritzung bleibt die Spannung
auf diesem Niveau. Zum Beenden der Einspritzung wird zum Zeitpunkt
t_AD der Piezoaktor mit einem positiven
Strom I_charge geladen, wodurch die Spannung
ansteigt und das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied den
Hubanschlag verlässt. Zu einem Zeitpunkt t_schließen erreicht
das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied bei einer
Spannung U_schließ einen Sitz.
Der Piezoaktor wird noch so lange weiter bestromt, bis dieser zum
Zeitpunkt t_charge wieder die Basisspannung
Ub erreicht hat.
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DE 102 20 498 A1 bezieht
sich auf einen Injektor mit proportionaler Nadelsteuerung. Gemäß dieser
Lösung umfasst der Kraftstoffinjektor ein Festkörper-Stellglied,
welches über einen Stellgliedbewegungsverstärkerhebel
eine Nadelventilbewegung steuert. Hydraulische Kräfte,
die entlang der Achsen des Nadelventils und des Bewegungsverstärkerhebels
wirken, werden unter Verwendung eines Steuerkolbens oder anderer
Vorspannmittel ausgegli chen, um die benötigte Amplitude
des Steuerstroms bzw. der Steuerspannung zu reduzieren und um den
benötigten Widerstand einer Feder, die das Nadelventil in
Schließstellung vorspannt, zu reduzieren.
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Derzeit
eingesetzte, direkt angesteuerte Kraftstoffinjektoren benötigen üblicherweise
deutlich größere Aktoren im Vergleich zu servounterstützt ausgebildeten
Kraftstoffinjektoren, da ein in der Regel nadelförmig ausgebildetes
Einspritzventilglied zur vollständigen Entdrosselung einen
deutlich größeren Hubweg bei vergleichbaren Kräften
benötigt, im Vergleich zu einem Servoventil. Da der den
Kraftstoffinjektor betätigende Aktor in der Regel das teuerste Bauteil
im Injektor darstellt, liegen direktgesteuerte Kraftstoffinjektoren
hinsichtlich der Herstellkosten deutlich über den Herstellkosten
von Servoinjektoren.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
folgend, wird ein direktgesteuerter Kraftstoffinjektor vorgeschlagen,
welcher durch eine Servounterstützung mit einem vergleichbar
kleinbauenden Aktor, wie zum Beispiel in einem Servoinjektor eingesetzt,
auskommt und aus diesem Grunde hinsichtlich der Herstellkosten konkurrenzfähig
ist. Der direktgesteuerte erfindungsgemäß vorgeschlagene
Kraftstoffinjektor zeichnet sich durch mechanische und hydraulische
Robustheit, ein sehr gutes Mengen/Wellen-Verhalten bei Mehrfacheinspritzungen
und in der Regel steil verlaufenden Einspritzraten aufgrund schnell
entdrosselter Einspritzöffnungen bei sehr guter Kleinstmengenfähigkeit
aus. Des Weiteren wird das in der Regel nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied aufgrund einer steif ausgelegten Direktsteuerung
sehr schnell bewegt. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung folgend, kann das nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied im Kleinstmengenbereich direkt angesteuert
werden, zum Einbringen größerer Kraftstoffmengen
wird das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied
unter Nutzung eines druckausgeglichen ausgebildeten Servoventils
weiter bis auf Vollhub geöffnet.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
gestattet die Ausbildung eines direktgesteuerten Kraftstoffinjektors
mit einem relativ kleinbauenden Aktor, der jedoch alleine nicht
genügend Energie aufbringt, das in der Regel nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied von sich aus vollständig
zu öffnen. Die zum vollständigen Öffnen
erforderliche zusätzliche Energie wird mittels eines Servoventils
zur Verfügung gestellt. Hierzu wird durch das Servoventil eine
Druckänderung an einer Druckfläche des nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes erzeugt, was zu dessen vollständigem Öffnen
führt. Die Verwendung eines Ventils erfordert das Vorhandensein eines
Niederdruckbereiches im Kraftstoffinjektor.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
liegen darin, dass bewährte und preiswert am Markt erhältliche
Aktoren eingesetzt werden können, wodurch ermöglicht
wird, die Vorteile direktschaltender Kraftstoffinjektoren mit den
Vorteilen von Servoinjektoren zu verbinden. Ein weiterer Vorteil
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
ist darin zu erblicken, dass bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung sich der Aktor im Niederdruckbereich befindet, wodurch
dessen teure, andernfalls hochdruckfest auszulegende Beschichtung
vollständig entfallen kann. Zudem liegt am Aktor im geschlossenen
Zustand des Einspritzventils keine elektrische Spannung an, wodurch
eine fortschreitende Alterung, wie sie beim so genannten inversen Betrieb üblicherweise
auftritt, in vorteilhafter Weise vermieden werden kann. Erst zum Öffnen
des in der Regel nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes
wird der Aktor geladen, was prinzipiell dem Ansteuerungsprofil eines
Servoinjektors entspricht, wodurch auch konventionelle Steuergeräte
eingesetzt werden können. Dies wiederum spart Kosten im
Vergleich zu üblichen direktgesteuerten Kraftstoffinjektoren
mit inverser Ansteuerung ein.
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In
vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung ein Kraftstoffinjektor bereitgestellt, bei dem sich
der Aktor, hier ein Piezoaktor, im Niederdruckbereich befindet.
Der Aktor ist mit einem Kopplerelement zum Toleranz- und Temperaturausgleich
verbunden. Das Kopplerelement wiederum ist mechanisch mit einem
Servoventil verbunden. Dieses Servoventil ist druckausgeglichen
ausgelegt und nimmt zwei Funktionalitäten wahr: Zum einen
wird über die Bewegung des Servoventils die Aktorbewegung
vom Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors in dessen Hochdruckbereich übertragen.
Hierzu ist eine dem Hochdruck ausgesetzte Fläche des Servoventils
mechanisch, zum Beispiel über einen Hebel, ein weiteres
Kopplerelement sowie ein Hebelelement, mit dem nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilglied verbunden. Zweitens wird durch die Bewegung
des Servoventils der Steuerraum des nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes über eine Ablaufdrossel entlastet, was
mit einer über das Steuerraumvolumen und den Drosseldurchfluss
einstellbaren Verzögerung nach der direkten Öffnung
des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes zu
dessen vollständigem Öffnen führt. Zum
Schließen desselben wird das Servoventil wieder geschlossen.
Dadurch wird die Ablaufdrossel wieder vom Niederdruckbereich getrennt
und der Steuerraum über mindestens eine Zulaufdrossel wieder
mit Kraftstoff, der unter Systemdruck steht, befüllt, wodurch
das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied in seine
Schließstellung überführt wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung ist ein aktorseitiger Koppler realisiert, bei dem
ein mechanischer Hebel und/oder ein düsenseitig vorgesehener
Koppler eine Übersetzung realisiert, um die Aktorbewegung
in optimaler Weise auf das in der Regel nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied zu übertragen. Des Weiteren kann in
einer vorteilhaften Ausführungsvariante des der Erfindung
zugrunde liegenden Gedankens mindestens ein mechanischer Hebel oder
eine Umlenkung durch aufeinander abrollende Kurvenlinien zu einer
variablen Übersetzung ausgenutzt werden, die während
der direktschaltenden Phase erreicht werden kann.
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In
vorteilhafter Weise ist der erwähnte mindestens eine mechanische
Hebel so beschaffen, dass diese eine mindestens eine Kurvenlinie
aufweisen, die auf einer Auflagefläche abrollt. Wird der
mindestens eine mechanische Hebel durch eine Kraft F1 beaufschlagt,
so führt dies zu Beginn einer Bewegung aufgrund eines relativ
weit entfernten ersten Auflagepunktes in Bezug auf den Kraftvektor
einer ersten Kraft zu einer großen Kraftübersetzung.
Zu Beginn ist eine resultierende, d. h. erzeugte zweite Kraft sehr
groß. Aufgrund des Abrollens des mindestens einen mechanischen
Hebels auf seiner Auflagefläche, verschiebt sich der Auflagepunkt
von einem ersten Auflagepunkt in Richtung eines zweiten Auflagepunktes,
der näher am Kraftvektor der ersten Kraft liegt. Durch
dieses Abrollen wird zwar die zweite Kraft kleiner, jedoch erhöht
sich der erreichbare Hubweg. Dies bedeutet, dass in dieser vorteilhaften
Ausführungsvariante zu Beginn eine große Kraft
F2 bereitgestellt werden kann, wobei sich jedoch gegen Ende der
Abrollbewegung des mindestens einen mechanischen Hebels auf seiner
korrespondierenden Auflagefläche ein größerer
Hubweg einstellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert.
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Es
zeigt:
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1 einen
Schnitt durch einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor mit mechanischer Übersetzung und Servounterstützung und
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2 in
schematischer Weise eine Ausführungsmöglichkeit
des mechanischen Hebels.
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Ausführungsformen
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Der
Figur ist ein Schnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor mit mechanischer Übersetzung und Servounterstützung zu
entnehmen.
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Wie
aus der Darstellung gemäß der Figur hervorgeht,
umfasst ein Kraftstoffinjektor 10 einen Injektorkörper 12.
Innerhalb des Injektorkörpers 12 verläuft
eine Hochdruckzuleitung 14. Die Hochdruckzuleitung 14 ist
mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff beauf schlagt. Der Kraftstoff
wird in einem Hochdrucksammelraum (Common-Rail) komprimiert, der
seinerseits durch eine Hochdruckpumpe beaufschlagt ist. Das Druckniveau,
welches durch Systemdruck bezeichnet ist, liegt in der Größenordnung
zwischen 1350 und 1600 bar und darüber. Kraftstoff, der unter
dem Systemdruck psys in der Hochdruckzuleitung 14 ansteht,
strömt über diese einem Düsenraum 16 zu.
Der Düsenraum 16 befindet sich im Injektorkörper 12 des
Kraftstoffinjektors 10 gemäß der Darstellung
am brennraumseitigen Ende des Injektorkörpers 12.
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Durch
den Injektorkörper 12 verläuft die Hochdruckleitung 14,
in der unter Systemdruck psys stehender
Kraftstoff ansteht. Die sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung
durch den Injektorkörper 12 erstreckende Hochdruckleitung 14 mündet
in den Düsenraum 16, der das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 18 umschließt.
Von der sich in vertikale Richtung durch den Injektorkörper 12 erstreckenden
Hochdruckleitung 14 zweigt ein erster Abzweig 72 ab, über
den ein servoventilseitiger Hochdruckraum 44 mit Systemdruck
psys beaufschlagt ist. Des Weiteren erstreckt
sich von der Hochdruckzuleitung 14 aus ein weiterer, zweiter
Abzweig 74, der in einen Hochdruckraum 44 mündet, über welchen
das Einspritzventilglied 18 beaufschlagt ist.
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Der
Kraftstoffinjektor 10 umfasst einen im Niederdruckraum 24 aufgenommenen
Aktor 26, bei dem es sich in der dargestellten Ausführungsform
um einen Piezoaktor handelt. Der Piezoaktor 26 wirkt auf einen
Teller 30, der einen Kolbenteil aufweist, welcher einen
ersten Kopplerteil 32 darstellt. Über ein Kopplervolumen
ist der genannte erste Kopplerteil 32 an einem zweiten
Kopplerteil 34 gekoppelt, der sich bis zu einem Kolben
eines druckausgeglichen ausgebildeten Servoventils 38 erstreckt.
Zwischen einer Kopplerhülse und dem zweiten Kopplerteil 34 ist
eine aktorseitige Kopplerfeder 36 aufgenommen. Die Kopplerteile 32, 34 befinden
sich im Niederdruckraum 24 des Injektorkörpers 12 des
Kraftstoffinjektors 10 gemäß der dargestellten
Ausführungsvariante.
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Der
Kolben des Servoventils 38 ist druckausgeglichen ausgebildet.
Ein erster Zapfen 84 und dessen Stirnseite sind dem im
Hochdruckraum 44 anstehenden Systemdruck ausgesetzt, während
ein zweiter Zapfen 86 des Kolbens des Servoventils 38,
der dem ersten Zapfen 84 gegenüberliegend angeordnet ist,
in einen weiteren Hochdruckraum 45 hineinragt, in dem Hochdruck
ansteht. Auf dieser Seite ist der Kolben des Servoventils 38 durch
eine Ventilfeder 40 beaufschlagt.
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Wie
aus der Darstellung gemäß der Figur weiter hervorgeht,
ragt der zweite Zapfen 86 des Kolbens des druckausgeglichenen
Servoventils 38 in den weiteren Hochdruckraum 45 oberhalb
eines Steuerraumes 47, der die Stirnseite 68 des
nadelförmig ausgebildeten Einspritz ventilgliedes 18 beaufschlagt,
hinein. Dort befindet sich ein erstes Übertragungselement 46,
welches in Hebelform ausgebildet ist. Entsprechend der Formung der
Außenkontur des ersten Übertragungselementes 46 stützt
sich dieses an einer Stirnfläche des Injektorkörpers 12 an
einem Schwenkpunkt 48 ab. Das dem Schwenkpunkt 48 abgewandte
Ende des ersten Übertragungselementes 46 beaufschlagt
einen ersten Kopplerteil 52 eines düsenseitig
angeordneten Kopplers 50. Zwischen dem ersten Kopplerteil 52,
welcher bevorzugt zylindrisch ausgebildet ist, und einem zweiten,
ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Kopplerteil 54 des
düsenseitigen Kopplers 50 befindet sich eine Kopplerfeder 56,
im einfachsten Falle ausgebildet als eine Tellerfeder oder dergleichen.
In der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform weisen
die beiden Kopplerteile 52 bzw. 54 des düsenseitigen
Kopplers 50 jeweils gleichen Durchmesser auf. Der untenliegend
angeordnete, zweite Kopplerteil 54 liegt mit seiner unteren Stirnseite
auf einem Umlenkhebel 64 auf, der sich um einen Schwenkpunkt 66 bewegt,
der in der Fläche eines Absatzes im Injektorkörper 12 liegt.
Der weitere Hochdruckraum 45, in dem sich das bevorzugt
in Hebelform ausgebildete Übersetzungselement 46 befindet,
und ein Hochdruckraum 76 des Düsenraumes 16 sind
durch einen Bypasskanal miteinander gekoppelt. Je nach Formgebung
der Abrollkurve sowohl des ersten Übersetzungselementes 46 am
Absatz des Injektorkörpers 12 im Bereich des Schwenkpunktes 48 als
auch je nach Außenkontur des Umlenkelementes 66 kann
während der Öffnungsphase des Einspritzventilgliedes 18 eine
variable Übersetzung erreicht werden. Durch eine unterschiedliche
Größe der hydraulischen Flächen des ersten
Kopplerteils 52 und des zweiten Kopplerteils 54 kann
im düsenseitigen Koppler 50 eine Übersetzung
des Druckes erreicht werden. Je nach Länge des freien Endes
des hebelförmig ausgebildeten ersten Übertragungselementes 46 in
Bezug auf dessen Schwenkpunkt 48 lässt sich eine
Vergrößerung der durch den düsenseitigen
Koppler 50 erreichbaren Stellwege erreichen. Wie aus der
Zeichnung hervorgeht, wird bei einer Auslenkung des ersten Übertragungselementes 46 um
den Schwenkpunkt 48 dessen freies Ende auf die in Reihe
geschalteten Kopplerteile 52, 54 gedrückt, so
dass der wangenförmig ausgebildete Umlenkhebel 64 das
Einspritzventilglied 18 durch Anlage an einem in dessen
Mantelfläche ausgebildeten Bund in Öffnungsrichtung
aufzieht.
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Aus
der Zeichnung geht hervor, dass das Einspritzventilglied 18,
welches insbesondere nadelförmig ausgebildet ist, durch
den im Düsenraum 16 herrschenden Systemdruck psys in Öffnungsrichtung beaufschlagt
ist. Der Systemdruck im Düsenraum 16 steht an
einer Druckstufe des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 18 an. Desgleichen steht Systemdruck
im Hochdruckraum 76 an, in dem sich der wangenförmig
ausgebildete Umlenkhebel 64 befindet, dessen eines Ende
an einen Bund des Einspritzventilgliedes 18, d. h. an einen
Durchmessersprung angestellt ist. Im Steuerraum 47, der die
Stirnseite 68 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 18 beaufschlagt, befindet sich eine
Düsenfeder 58, die das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 18 in seinen Sitz 20 am
brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 stellt.
Von dem Steuerraum 47 aus, in dem sich die Düsenfeder 58 befindet,
verläuft eine Verbindungsleitung 70. Die Verbindungsleitung 70 umfasst
eine Ablaufdrossel 60 und mündet im Bereich des
ersten Zapfens 84 des druckausgeglichen ausgebildeten Kolbens
des Servoventils 38. Der erste Zapfen 84 umfasst
im Bereich der Mündungsstelle der Verbindungsleitung 70 eine
Einschnürung 88. Am ersten Zapfen 84 ist
unterhalb der Einschnürung 88 eine kegelstumpfförmig
verlaufende Dichtfläche ausgebildet, die mit einer Dichtkante 78 im
Injektorkörper 12 einen Dichtsitz 80 bildet.
Im in der Zeichnung dargestellten Zustand ist der Dichtsitz 80 geschlossen.
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Die
Funktionsweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors stellt sich wie folgt dar. Der Kraftstoffinjektor 10 stellt
einen direktgesteuerten Kraftstoffinjektor dar, bei dem ein relativ kleinbauender
Piezoaktor 26 im Niederdruckraum 24 angeordnet
ist. Aufgrund der beschränkten Baugröße
des Aktors bringt der Aktor 26 alleine nicht genügend
Kraft auf, um das insbesondere nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied 18 vollständig zu öffnen.
Die zu dessen vollständigem Öffnen benötigte
Energie wird mittels des druckausgeglichen ausgebildeten Servoventils 38 hydraulisch
erzeugt. Durch die Verbindungsleitung 70 sind der die Stirnseite 68 des
bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 18 beaufschlagende
Steuerraum 47 sowie ein Niederdruckraum 24 durch
einen Dichtsitz 80 abhängig von dessen Öffnungs-
und Schließstellung miteinander verbunden oder voneinander
getrennt. Durch eine Betätigung des Aktors 26, d.
h. dessen Längenzunahme, werden das erste Kopplerteil 32 sowie
das zweite Kopplerteil 34 aufgrund der Längung
des Aktors 26 nach unten ausgelenkt, so dass der Kolben
des druckausgeglichen ausgebildeten Servoventils 38 bzw.
der erste Zapfen 84 aus dem Hochdruckraum 44 ausfährt.
Dabei öffnet der Dichtsitz 80. Aufgrund des öffnenden
Dichtsitzes 80 strömt aus dem Steuerraum 47,
in dem die Schließfeder 58 angeordnet ist, unter
Systemdruck stehender Kraftstoff über die Ablaufdrossel 60 in
den Niederdruckraum 24. Dadurch wird die Stirnseite 68 druckentlastet
und die über den wangenförmigen Umlenkhebel 64 auf
das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 18 ausgeübte Öffnungskraft,
die in Öffnungsrichtung desselben wirkt, ergänzt.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
liegen unter anderem in der Verwendung von üblichen und
daher preiswert erhältlichen Aktoren, was es ermöglicht,
die Vorteile direktschaltender Kraftstoffinjektoren mit Servoinjektoren zu
verbinden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung ist darin zu erblicken, dass sich bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
der Aktor 26 im Niederdruckraum 24 befindet. Dadurch
kann eine andernfalls hochdruckfest auszubildende Beschichtung des
Ak tors 26 entfallen. Zudem liegt am Aktor 26 im
geschlossenen Zustand des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 18 eine elektrische Spannung an,
wodurch eine verstärkte Alterung, wie sie sich beispielsweise
beim inversen Betrieb über den Lauf der Zeit einstellt,
vermieden werden kann. Erst zur Ausführung der Öffnungsbewegung
des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 18 wird
der Aktor 26 geladen. Dies entspricht im Prinzip dem Ansteuerungsprofil,
welches bei einem mit einem Servoventil betätigten Kraftstoffinjektor
auftritt. Dadurch lassen sich wiederum konventionell erprobte und
bewährte Steuergeräte einsetzen, was die Kosten
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 10 im
Vergleich zu üblichen, direktgesteuerten Kraftstoffinjektoren
mit inverser Ansteuerung senkt.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
wird ein Kraftstoffinjektor 10 bereitgestellt, in dem sich
der Aktor 26 im Niederdruckraum 24 befindet. Zum
Ausgleich von Toleranzen und Temperaturen wirkt der Aktor 26 auf
einen mehrteilig, hier zweiteilig ausgebildeten Koppler mit einem
ersten Kopplerteil 32 und einem zweiten Kopplerteil 34.
Der zweite Kopplerteil 34 ist mechanisch mit dem Kolben
des druckausgeglichen ausgebildeten Servoventils 38 verbunden.
Das Servoventil 38 hat im vorliegenden Kontext zwei Funktionen:
Zum
einen wird über die Bewegung des Kolbens des Servoventils 38 die
Bewegung, d. h. die Längenänderung des als Piezoaktors
ausgebildeten Aktors 26 vom Niederdruckraum 24 in
den Hochdruckraum 76 übertragen. Dazu ist eine
Hochdruckfläche des Servoventils, insbesondere die Stirnseite
des zweiten Zapfens 86, mechanisch über das hebelförmig
ausgebildete erste Übertragungselement 46 sowie
einen düsenseitigen Koppler 50 sowie einen wangenförmig ausgebildeten
Umlenkhebel 64 mit dem bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilglied 18 verbunden. Zweitens wird durch
die Bewegung des druckausgeglichen ausgebildeten Servoventils 38 der
Steuerraum 47 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 18 über eine Ablaufdrossel 60 entlastet.
Die Ablaufdrossel 60 ist in der Verbindungsleitung 70 aufgenommen,
was bei Öffnen des Dichtsitzes 80 dazu führt,
dass mit einer über das Steuerraumvolumen und die Drosseldurchflüsse einstellbaren
Verzögerung nach der direkten Öffnung des nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 18 durch die Betätigung
des wangenförmigen Umlenkhebels 64 dessen vollständige Öffnung
durch die ergänzende hydraulische Kraft erreicht werden
kann. Zum Schließen des bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 18 wird das Servoventil 38 wieder
geschlossen. Dadurch wird die Ablaufdrossel 60 in der Verbindungsleitung 70 wieder
vom Niederdruck getrennt und der Steuerraum 47, in dem
die Schließfeder 58 ausgebildet ist, über
die Zulaufdrossel 62 wieder befüllt. Aufgrund
des Druckanstieges im Steuerraum 47, der dadurch erzielten
Druckbeaufschlagung der Stirnseite 68 sowie der Wirkung
der Schließfeder 58, wird das bevorzugt nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied 18 in seinen brennraumseitigen Sitz 20 gestellt,
so dass in den Brennraum mündende Einspritzöffnungen 22 wieder
verschlossen sind. Daher kann in den Düsenraum 16 über
die Hochdruckzuleitung 14 geförderter, unter Systemdruck
stehender Kraftstoff bei geschlossenem Sitz 20 nicht mehr
in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden.
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Eine
vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors kann durch den aktorseitigen Koppler mit dem
ersten Kopplerteil 32 sowie dem zweiten Kopplerteil 34 erreicht
werden, wobei bei dem ersten Übertragungselement 46 und/oder
dem düsenseitigen Koppler 50, 52, 54 Übersetzungen
implementiert werden, um die Bewegung des Aktors 26 optimal
auf das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 18 zu übertragen. Je
nach Position des freien Endes des ersten Übertragungselementes 46 in
Bezug auf dessen Schwenkpunkt 48 bzw. auf die hydraulisch
wirksamen Flächen des düsenseitigen Kopplers 50 mit
seinem ersten Kopplerteil 52 und seinem zweiten Kopplerteil 54 lassen
sich Übersetzungen einstellen. Ferner kann bei dem ersten Übertragungselement 46, welches
in Hebelform ausgebildet ist, und/oder dem wangenförmig
ausgebildeten Umlenkhebel 64 durch zweckmäßige
Wahl von abrollenden Kurvenlinien eine variable Übersetzung
erreicht werden, die während der direktgeschalteten Öffnungsbewegung wirkt.
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Wie
aus der Zeichnung des Weiteren hervorgeht, sind die Teller 30 mit
erstem Kopplerteil 32 und zweitem Kopplerteil 34 über
ein Kopplervolumen miteinander gekoppelt. Neben dem ersten Kopplerteil 32 und
dem zweiten Kopplerteil 34 des aktorseitigen Kopplers umfasst
dieser die Hülse, die mittels eines Bundes am Injektorkörper 12 in
axiale Richtung fixiert ist. Auf der Außenseite dieser
Hülse befindet sich eine Aktorfeder 28, welche über
den Teller 30 Druckkräfte auf den Aktor 26 ausübt,
um den Aktor 26 vor dynamischen Zugspannungen zu schützen,
welche zu einer Zerstörung der zugkraftempfindlichen Piezokeramik
führen könnten. Zudem wird durch die Aktorfeder 28 gewährleistet,
dass der Aktor 26 beim Schließen des Servoventils 38 nicht
vom Teller 30 abhebt.
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Die
Aktorfeder 28 beaufschlagt einerseits den Teller 30 und
stützt sich auf dem Bund der Aktorhülse ab, die
stationär in den Injektorkörper 12 des Kraftstoffinjektors 10 eingelassen
ist. Die untere Stirnseite der Aktorhülse, welche den ersten
Kopplerteil 32 und den zweiten Kopplerteil 34 und
das zwischen diese eingeschlossene Kopplervolumen umfasst, dient
als Anlagefläche für die aktorseitige Kopplerfeder 36.
Durch diese werden die Hülse und der zweite Kopplerteil 34 gegeneinander
verspannt.
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Mit
Bezugszeichen 42 ist die Achse bezeichnet, bezüglich
welcher der Aktor 26, der aktorseitige Koppler 30, 32, 34,
das Servoventil 38 sowie das Einspritzventilglied 18 symmetrisch
ausgeführt sind. In Bezug auf die Injektorachse 42 verlaufen
die Verbindungsleitung 70 sowie die Hochdruckzuleitung 14 samt
erstem Abzweig 72 sowie zweitem Abzweig 74 asymmetrisch.
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Der
Darstellung gemäß 2 ist eine
schematische Wiedergabe eines mechanischen Hebels, der als Übertragungselement
dient, zu entnehmen.
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Gemäß der
Darstellung in 2 ist am hebelförmig
ausgebildeten ersten Übertragungselement 46 eine
Kurvenlinie ausgebildet, mit welcher das erste Übertragungselement 46 auf
einer Auflagefläche 90 des weiteren Hochdruckraums 45 aufliegt. Der
Kurvenabschnitt an der Unterseite des ersten Übertragungselementes 46 weist
zum Beispiel einen ersten Auflagepunkt 92 und einen zweiten
Auflagepunkt 94 auf. Der erste Auflagepunkt 92 liegt
weiter entfernt vom Kraftvektor einer ersten Kraft 98,
die an einem Podest 106 in das erste Übertragungselement 46 eingeleitet
wird. Beim Einleiten dieser ersten Kraft 98 ergibt sich
ein erster Weg 102, um den das erste Übertragungselement 46 nach
unten ausgelenkt wird. Während eine Ruhelage des ersten
hebelförmig ausgebildeten Übertragungselementes 46 durch
Bezugszeichen 108 gekennzeichnet ist, ist dessen ausgelenkte
Lage 110 gestrichelt angedeutet.
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Beim
Abrollen des ersten Übertragungselements 46 auf
der Auflagefläche 90 verschiebt sich der erste
Auflagepunkt 92 in Richtung des zweiten Auflagepunktes 94 in
Verschiebungsrichtung 96 näher an den Kraftvektor
der ersten Kraft 98 heran. Dadurch ist zu Beginn der Auslenkbewegung
eine relativ große zweite Kraft 100 gewährleistet.
Durch das Abrollen des Kurvenabschnittes des ersten Übertragungselementes 46 auf
der Auflagefläche 90 und das damit einhergehende
Verschieben des ersten Auflagepunktes 92 in Richtung des
zweiten Auflagepunktes 94 sinkt die zweite Kraft 100,
jedoch wird ein zweiter Weg 104 vergrößert.
Durch die Konfiguration des in 2 in schematischer
Weise wiedergegebenen ersten Übertragungselementes 46 ist
gewährleistet, dass zu Beginn der Auslenkung des ersten Übertragungselementes 46 eine
relativ große zweite Kraft 100 bereitgestellt
werden kann, während gegen Ende der Abrollbewegung des
ersten Übertragungselementes 46 auf der Auflagefläche 90 ein
größerer zweiter Weg 104 entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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