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Stand der Technik
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Zur
Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen
mit Kraftstoff können sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte
Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsysteme
kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten auch
so genannte Speichereinspritzsysteme zum Einsatz. Bei Speichereinspritzsystemen
(Common-Rail-Systemen) wird ein unter einem Hochdruck stehender
Kraftstoff (beispielsweise Kraftstoff bei über 1000 bar)
durch einen Hochdruckspeicher an den Kraftstoffinjektor bereitgestellt.
Common-Rail-Injektoren ermöglichen in vorteilhafter Weise,
den Einspritzdruck an Last- und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
anzupassen. Die folgende Erfindung bezieht sich insbesondere auf
Common-Rail-Kraftstoffinjektoren, ist jedoch grundsätzlich
auch für andere Arten von Kraftstoffinjektoren einsetzbar.
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Bei üblichen
Common-Rail-Injektoren wird in der Regel ein Aktor zum Öffnen
des Kraftstoffinjektors, d. h. zum Starten des Einspritzvorgangs,
und zum anschließenden Schließen des Kraftstoffinjektors
eingesetzt. Beispielsweise lassen sich hier Magnetaktoren oder Piezoaktoren
einsetzen. Je nachdem, wie die Kraft des Aktors bzw. der Hub des
Aktors für die Steuerung des Kraftstoffinjektors eingesetzt
wird, wird zwischen direkt gesteuerten Kraftstoffinjektoren und
indirekt gesteuerten Kraftstoffinjektoren unterschieden. Bei indirekt
gesteuerten Injektoren wird ein Servoventil verwendet, welches über
den Aktor gesteuert wird. Das Servoventil dient dazu, einen Steuerraum
für ein Öffnen des Kraftstoffinjektors zu entlasten,
so dass ein Einspritzventilglied, getrieben durch den Kraftstoffdruck,
eine Aufwärtsbewegung, aus seinem Ventilsitz heraus, durchführen kann,
um Einspritzöffnungen freizugeben. Bei direkt gesteuerten
Kraftstoffinjektoren hingegen wird ein Hub des Aktors direkt auf
das Einspritzventilglied übertragen. Diese direkte Übertragung
kann beispielsweise durch starre mechanische Elemente erfolgen und/oder über
ein oder mehrere hydraulische Koppelelemente, wie beispielsweise
Hubübersetzer, die einen bautechnisch begrenzten Aktorhub
in einen höheren Hub des Einspritzventilgliedes übersetzen oder
Ak torschwingungen dämpfen. In jedem Fall führt
jedoch die Bewegung des Aktors nicht nur zum Öffnen oder
Schließen eines Servoventils, sondern wird in eine Bewegung
des Einspritzventilgliedes übersetzt. Je nachdem, ob der
Aktor im bestromten Zustand schließt oder öffnet,
wird bei direkt gesteuerten Kraftstoffinjektoren noch zwischen inversen
und nichtinversen Ansteuerungen unterschieden. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch grundsätzlich auf alle derartigen direktgesteuerten
Kraftstoffinjektoren anwendbar.
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Bei üblichen
direkt gesteuerten Kraftstoffinjektoren ist also das Einspritzventilglied über
ein oder mehrere hydraulische und/oder mechanische Koppelelemente,
welche auch zum Temperaturausgleich dienen können, mit
dem Aktor, beispielsweise einem Piezoaktor, verbunden. Im Ruhezustand
kann beispielsweise am Aktor eine Basisspannung Ub anliegen,
und das Einspritzventilglied kann sich in einem geschlossenen Zustand
befinden. Zum Öffnen wird beispielsweise zum Zeitpunkt
tbeg das Spannungsniveau durch eine üblicherweise
getaktete Entladung abgesenkt, beispielsweise mittels eines negativen Stroms
Idis, wodurch sich beispielsweise der Aktor verkürzt
und sich über das Koppelelement eine öffnende
Kraft auf das Einspritzventilglied ergibt. Zum Zeitpunkt toeff ist die Kraft soweit angestiegen, dass das
Einspritzventilglied öffnet und der Einspritzvorgang beginnt.
Die erreichte Spannung zu diesem Zeitpunkt lasst sich beispielsweise
als Uoeff bezeichnen. Die Spannung wird
weiter abgesenkt, bis das Einspritzventilglied vollständig
geöffnet ist und in vorteilhafter Ausführung beispielsweise
einen Nadelhubanschlag zum Zeitpunkt tanschlag erreicht.
Während der Einspritzung bleibt die Spannung dann vorzugsweise
auf diesem Niveau. Zum Beenden der Einspritzung wird zum Zeitpunkt
tAD der Aktor beispielsweise mit einem positiven
Strom Ichar aufgeladen, wodurch die Spannung
ansteigt und das Einspritzventilglied den Hubanschlag verlasst.
Zum Zeitpunkt tschließ erreicht
das Einspritzventilglied bei beispielsweise der Spannung Uschließ seinen Ventilsitz. Der Aktor
wird häufig noch so lange weiterbestromt, bis er zum Zeitpunkt
tcchar wieder die Basisspannung Ub erreicht hat. Es sei darauf hingewiesen,
dass dieser beschriebene Einspritzvorgang lediglich ein mögliches
Beispiel einer Ansteuerung direkt gesteuerter Kraftstoffinjektoren
darstellt. Zahlreiche weitere Ansteuerschemata sind denkbar und
im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
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Bei
direkt gesteuerten Kraftstoffinjektoren tritt häufig die
Problematik auf, dass derartige Kraftstoffinjektoren deutlich größere
Aktoren benötigen als indirekt gesteuerte oder servounterstützte
Injektoren, da ein Einspritzventilglied für eine vollständige
Entdrosselung deutlich mehr Hub bei vergleichbaren Kräften
benötigt als ein Servoventil. Da der Aktor jedoch in vielen
Fällen das teuerste Bauteil im Kraftstoffinjektor ist,
sind direkt gesteuerte Kraftstoffinjektoren daher üblicherweise
deutlich teurer als Servoinjektoren.
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Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche Konstruktionen bekannt, welche
sich mit der Kraft- und/oder Hubübertragung vom Aktor auf
das Einspritzventilglied befassen. So beschreibt beispielsweise
DE 100 44 389 A1 einen Öffnungsmechanismus
für eine Servoaktor, bei welchem eine Hebelkonstruktion
eingesetzt wird, um, gesteuert durch einen Piezoaktor, einen Steuerraum
des Servoventils zu entlasten. Auf ähnliche Weise beschreibt
DE 199 46 839 A1 eine
Konstruktion zum Übertragen von Hüben mehrerer
Piezoelemente zum Zweck einer Ansteuerung einer Regel- und/oder
Absperrvorrichtung. Dabei werden verschiedene Hebelkonstruktionen
eingesetzt, um mehrere Aktoren zu einer Bewegung eines Stellorgans
zu nutzen.
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Die
beschriebenen Hebelkonstruktionen sind jedoch nicht ohne weiteres
auf direkt gesteuerte Kraftstoffinjektoren einsetzbar. Nach wie
vor besteht somit ein Bedarf, kostengünstige, direkt gesteuerte Kraftstoffinjektoren
bereitzustellen, welche eine hohe mechanische und hydraulische Robustheit,
ein gutes Übertragungsverhalten, eine gute Kleinstmengenfähigkeit
und gleichzeitig ein umweltfreundliches Emissionsverhalten aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
gelöst, welcher insbesondere zum Einspritzen von Kraftstoff
aus einem Hochdruckspeicher in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
geeignet ist. Bei diesem Kraftstoffinjektor handelt es sich um einen
direkt gesteuerten Kraftstoffinjektor, also einen Kraftstoffinjektor,
bei welchem eine Aktorbewegung eines oder mehrerer Aktoren hydraulisch
und/oder mechanisch in eine korrespondierende Hubbewegung eines
in einem Injektorkörper axial beweglich gelagerten Einspritzventilgliedes
umsetzbar ist.
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Der
vorgeschlagene Kraftstoffinjektor kann insbesondere ein kraftfrei
oder zumindest näherungsweise kraftfrei öffnendes
Verhalten aufweisen, so dass ein vergleichsweise kleinvolumiger
Aktor eingesetzt werden kann. Insbesondere kann beispielsweise ein
Piezoaktor verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich
kommen jedoch auch andere Aktoren in Betracht, beispielsweise Magnetaktoren
nach einem Grenzflächen- oder auch einem elektrodynamischen
Prinzip, sowie andere Arten von Injektoren. Auf Grund der geringen
erforderlichen Baugröße und des insgesamt geringen
erforderlichen Hubes bzw. der geringen erforderlichen Kraft sind
die vorgeschlagenen Kraftstoffinjektoren daher mit Servoinjektoren preislich
konkurrenzfähig, weisen jedoch die bekannten Vorteile direkt gesteuerter Kraftstoffinjektoren, wie
beispielsweise eine mechanische und hydraulische Robustheit, gutes
Mengenwellenverhalten bei Mehrfacheinspritzungen und steile Einspritzraten durch schnell
entdrosselnde Düsen bei guter Kleinstmengenfähigkeit
auf Grund der steifen Direktsteuerung des Einspritzventilgliedes
durch den Aktor auf.
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Erfindungsgemäß werden
diese Vorteile der druckausgeglichenen Bewegungsübertragung
dadurch erreicht, dass das Einspritzventilglied bzw. mit dem Einspritzventilglied
verbundene Elemente, was im Sinne dieser Erfindung gleichwertig
und jeweils vom Schutzbereich mit umfasst sein soll, mindestens zwei
hydraulische Flächen aufweist. So ist eine erste, aktorseitige
hydraulische Fläche vorgesehen, welche in einer Schließrichtung
des Kraftstoffinjektors wirkt. Weiterhin ist mindestens eine zweite
hydraulische Fläche an dem Einspritzventilglied im Bereich
mindestens eines Dichtsitzes des Einspritzventilgliedes vorgesehen,
welche entgegengesetzt zur ersten hydraulischen Fläche
wirkt. Dabei stehen die erste hydraulische Fläche und die
zweite hydraulische Fläche zueinander über eine
hydraulische Verbindung, insbesondere im Einspritzventilglied, in
Verbindung und sind mit einem Niederdruck beaufschlagbar. In anderen
Worten wird eine zumindest teilweise kraftfreie Bewegung des Einspritzventilgliedes
dadurch erreicht, dass ein Druckausgleich zwischen einem ersten
Bereich, welcher an die erste hydraulische Fläche angrenzt
und diese mit Druck beaufschlagt, und einem zweiten Bereich, welcher
an die zweite hydraulische Fläche angrenzt und diese mit
Druck beaufschlagt, durch die hydraulische Verbindung in dem Einspritzventilglied
hergestellt wird.
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Die
erste hydraulische Fläche, welche, wie auch die zweite
hydraulische Fläche, ganz oder teilweise auch aus mehreren
Teilflächen zusammengesetzt sein kann, kann insbesondere
an einen Steuerraum angrenzen, welcher mit einem Niederdruckrücklauf
in Verbindung steht. Dieser Steuerraum, welcher somit im vorliegenden
Fall als permanenter Niederdruck-Steuerraum ausgestaltet sein kann, kann
sich beispielsweise „oberhalb”, also auf der dem
Dichtsitz abgewandten Seite des Einspritzventilgliedes, befinden.
Der Steuerraum kann auch mit einem Aktorraum in Verbindung stehen,
so dass auch der Aktor mit Niederdruck beaufschlagt ist. Der Steuerraum
kann mit dem Niederdruckrücklauf beispielsweise über
mindestens ein Drosselelement in Verbindung stehen, beispielsweise über
eine Verengung in einer Leitung des Niederdruckrücklaufs.
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Zur
Ausgestaltung der zweiten hydraulischen Fläche, welche
vorzugsweise permanent mit Niederdruck beaufschlagt ist und somit
beispielsweise permanent mit dem Niederdruckrücklauf verbunden
ist (beispielsweise über die hydraulische Verbindung) wird
insbesondere eine Ausführungsform vorgeschlagen, bei welcher
der Injektorkörper in einem Düsenraum mindestens
einen ersten Ventilsitz aufweist. Das Einspritzventilglied weist
einen ersten Dichtbereich auf, wobei in geschlossenem Zustand das
Einspritzventilglied in der Schließrichtung mit dem ersten
Dichtbereich in den ersten Ventilsitz gepresst wird. Dadurch wird
ein Nie derdruckbereich des Düsenraums abgetrennt. Beispielsweise
kann dieser Niederdruckbereich ein Bereich sein, welcher durch den
ringförmigen Dichtbereich, welchen das Einspritzventilglied
mit dem Ventilsitz bildet, begrenzt wird. Dabei ist vorzugsweise
der Düsenraum derart ausgestaltet, dass mindestens eine
Einspritzöffnung aus diesem Niederdruckbereich abzweigt.
Gleichzeitig kann jedoch der Niederdruckbereich mit der hydraulischen
Verbindung verbunden und/oder verbindbar sein, also in geschlossenem
Zustand des Kraftstoffinjektors mit Niederdruck beaufschlagt sein. Durch
diese Ausgestaltung der Erfindung wird der Hochdruckbereich von
der mindestens einen Einspritzöffnung getrennt, und es
wird sichergestellt, dass die zweite hydraulische Fläche
im Bereich der Einspritzöffnung angeordnet ist und stets
mit einem Niederdruck beaufschlagt ist. Die Verbindung des Niederdruckbereichs
mit der hydraulischen Verbindung sollte jedoch keine permanente
Verbindung sein, sondern es sollte eine Trennung über einen
Sitz möglich sein. Eine derartige nichtpermanente Verbindung,
welche beispielsweise eine Trennung über einen Sitz des
Einspritzventilgliedes ermöglicht, kann ein Rückblasen
des Kompressionsdrucks in den Kraftstoffinjektor und ein damit verbundenes
großes HC-Schadvolumen verhindern.
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Bei
dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es besonders vorteilhaft,
den Kraftstoffinjektor als Kraftstoffinjektor mit Mehrfach-Sitz,
insbesondere mit Doppelsitz auszugestalten, wobei auch mehr als zwei
Sitze vorgesehen sein können. So kann der Injektorkörper
innerhalb des Niederdruckbereichs mindestens einen zweiten Ventilsitz
aufweisen, wobei das Einspritzventilglied mindestens einen zweiten Dichtbereich
aufweist, welcher in dem geschlossenen Zustand in Schließrichtung
in den zweiten Ventilsitz gepresst wird. Hierdurch wird der Niederdruckbereich
vorzugsweise in mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens
einen zweiten Teilbereich unterteilt. Dabei ist diese Unterteilung
vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die mindestens eine Einspritzöffnung
in dem ersten Teilbereich aus dem Niederdruckbereich abzweigt, wohingegen
die hydraulische Verbindung mit dem zweiten Teilbereich verbunden
ist. Diese Unterteilung des Niederdruckbereiches durch den Doppelsitz
bewirkt, dass die mindestens eine Einspritzöffnung von
dem Steuerraum an der Oberseite des Einspritzventilgliedes und der
dort vorgesehenen ersten hydraulischen Fläche getrennt werden.
Auf diese Weise kann das emissionsschädliche Totvolumen
im geschlossenen Zustand des Einspritzventilgliedes minimiert werden,
da die mindestens eine Einspritzöffnung nun nicht mehr
mit der hydraulischen Verbindung und über diese mit dem Steuerraum
in Verbindung steht. Um das Totvolumen weiter zu reduzieren, kann
in dem Niederdruckbereich der Injektorkörper mindestens
einen Vorsprung aufweisen, wobei der Vorsprung das Volumen des Niederdruckbereichs
weiter vermindert. Beispielsweise kann dieser Vorsprung kreiskegelförmig
oder kegelstumpfförmig ausgestaltet sein und in dem zweiten
Teilbereich in die hydraulische Verbindung hineinragen. Auf diese
Weise kann das Totvolumen zusätzlich vermindert werden.
Durch die hydraulische Verbindung zwischen dem zweiten Teilbereich und dem
Steuerraum wird jedoch gleichzeitig sichergestellt, dass beim Öffnungsvorgang
im zweiten Teilbereich, welcher beispielsweise als Sackloch ausgestaltet
sein kann, und im Steuerraum stets der gleiche Druck herrscht, wodurch
das Einspritzventilglied kraftfrei geöffnet werden kann.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
betreffen die Kraftübertragung zwischen dem Aktor und dem
Einspritzventilglied. Wie oben beschrieben, handelt es sich im vorliegenden
Fall um einen Injektor mit direkter Nadelsteuerung, also einer Steuerung,
bei welcher ein Hub des Aktors mechanisch und/oder hydraulisch in
einen Hub des Einspritzventilgliedes umgesetzt wird. In einer besonders
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
weist der Kraftstoffinjektor mindestens ein Hubübertragungsglied
zur Übertragung des Hubes des Aktors auf das Einspritzventilglied
auf. Dieses Hubübertragungsglied seinerseits soll mindestens
ein axial bewegliches, in dem Injektorkörper gelagertes,
zumindest teilweise kolbenstangenförmiges Hubübertragungselement
umfassen. Dieses kolbenstangenförmige Hubübertragungselement
kann beispielsweise als starres oder steifes, aus einem metallischen
Werkstoff hergestelltes Hubübertragungselement ausgestaltet
sein. Dieses Hubübertragungselement kann beispielsweise exzentrisch
zu einer Injektorachse gelagert sein und/oder exzentrisch zu einer
Aktorachse des mindestens einen Aktors des Kraftstoffinjektors.
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Besonders
in dem Fall, in welchem das Hubübertragungselement exzentrisch
oder außerhalb der Achse gelagert ist, ist es besonders
bevorzugt, wenn dieses mindestens einen quer zur Injektorachse verlaufenden
Kraftaufnehmer aufweist. Der Aktor soll derart mit dem Kraftaufnehmer
verbunden sein, dass ein Aktorhub über den Kraftaufnehmer
auf das Hubübertragungselement übertragbar ist.
Der Kraftaufnehmer kann beispielsweise eine Querstange zu dem Hubübertragungselement
und/oder eine Schulter des Hubübertragungselementes umfassen.
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Alternativ
oder zusätzlich zu dem mindestens einen Kraftübertragungselement
kann, insbesondere im Falle einer exzentrischen Lagerung des Hubübertragungselements,
das Hubübertragungselement weiterhin mindestens ein Hebelelement
umfassen. Insbesondere kann dieses Hebelelement mindestens einen
Umlenkhebel umfassen. Mittels dieses Hebelelements bzw. Umlenkhebels
soll ein Hub des Hubübertragungselements über
das mindestens eine Hebelelement auf das Einspritzventilglied übertragbar
sein.
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Alternativ
oder zusätzlich zu dem mindestens einen Hubübertragungselement
kann das Hubübertragungsglied weiterhin mindestens einen
hydraulischen Koppler zur Übertragung eines Aktorhubes auf
das Einspritzventilglied aufweisen. Insbesondere kann dieser mindes tens
eine hydraulische Koppler einen hydraulischen Hubübersetzer
umfassen, um einen Aktorhub an einen erforderlichen Hub des Einspritzventilgliedes
anzupassen.
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Insgesamt
lässt sich durch den oben beschriebenen Kraftstoffinjektor
in einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsformen
ein kostengünstiger, kleinvolumiger direkt gesteuerter
Kraftstoffinjektor realisieren. Es lassen sich vergleichsweise kleine
Aktoren einsetzen, ohne hierdurch auf die Leistungsfähigkeit,
welche üblicherweise nur durch großvolumige Aktoren
erreicht wird, verzichten zu müssen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigt
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors in Schnittdarstellung.
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In 1 ist
ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors 110 in einer Schnittdarstellung von
der Seite gezeigt. Der Kraftstoffinjektor 110 kann beispielsweise
durch eine in 1 angedeutete Aktorsteuerung 112 angesteuert
werden, welche beispielsweise über elektrische Zuleitungen 114 mit
einem Aktor 116 des Kraftstoffinjektors 110 verbunden
sein kann.
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Der
Kraftstoffinjektor 110 weist einen Injektorkörper 118 mit
einem vorzugsweise modularen Aufbau auf. So umfasst der Injektorkörper 118 beispielsweise
in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Aktormodul 120, ein Kopplermodul 122 und ein
Düsenmodul 124. Die Module 120, 122 und 124 sind
durch eine Überwurfmutter 126 miteinander verbunden.
Der Injektorkörper 118 ist zumindest weitgehend
rotationssymmetrisch um eine Injektorachse 128 aufgebaut.
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Über
einen Hochdruckzulauf 130 kann der Kraftstoffinjektor 110 mit
unter Druck stehendem Kraftstoff, beispielsweise Kraftstoff unter
einem Druck von ca. 2000 bar, beaufschlagt werden. Der Hochdruckzulauf 130 kann
zu diesem Zweck beispielsweise mit einem in 1 nicht
dargestellten Hochdruckspeicher, beispielsweise einem Rail eines Common-Rail-Systems,
verbunden werden. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor 110 einen
Niederdruckrücklauf 132 auf, welcher beispielsweise
mit einem drucklosen Tank eines Kraftfahrzeugs verbunden sein kann.
Der Niederdruckrücklauf 132 kann somit beispielsweise
mit Normaldruck beaufschlagt sein.
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Der
Aktor 116, welcher beispielsweise einen Piezoaktor umfassen
kann, ist an seinem oberen, einer Einspritzseite 134 entgegengesetzten
Ende in einem Aktorraum 136 auf einer Kraftaufnahmefläche 138 abgestützt.
Der Aktorraum 136 ist über eine Niederdruckverbindung 140 mit
dem Niederdruckrücklauf 132 verbunden. An seinem
unteren, der Kraftaufnahmefläche 138 entgegengesetzten
Ende ist der Aktor 116 mit einem Kopplerkolben 142 eines
Hubübersetzers 144 verbunden. Der Kopplerkolben 142 ist über
eine Aktorfeder 146, welche sich an ihrem unteren Ende
auf dem Kopplermodul 122 abstützt und welche an
ihrem oberen Ende auf einer Schulter 148 des Kopplerkolbens 142 abgestützt
ist, mit einer Kraft beaufschlagt.
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An
seinem unteren Ende ist der Kopplerkolben 142 hydraulisch
mit einem Kopplerraum 150 des Hubübersetzers 144 verbunden,
in welchem eine Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Kraftstoff
Unterhalb des Kopplerraums 150 grenzt ein zweiter Kopplerkolben 152 an
den Kopplerraum 150 an. Dieser zweite Kopplerkolben 152,
welcher ebenfalls Bestandteil des Hubübersetzers 144 ist,
weist einen geringeren Durchmesser auf als der Kopplerkolben 142,
wobei sich aus dem Verhältnis der Flächen des
zweiten Kopplerkolbens 152 relativ zum ersten Kopplerkolben 142 ein
Hubübersetzungsverhältnis ergibt. An seinem unteren
Ende weist der zweite Kopplerkolben 152 eine Ringschulter 154 und
eine Kegelspitze 156 auf, welche in einer Schließrichtung 158 des
Kraftstoffinjektors 110 weist. An der Ringschulter 154 stützt sich
eine Kopplerfeder 160 ab, welche an ihrem gegenüberliegenden
Ende auf dem Kopplermodul 122 abgestützt ist.
Der Kopplerkolben 142 und der zweite Kopplerkolben 152 sind
dabei jeweils gleitend in axialer Richtung in dem Kopplermodul 122 gelagert, derart,
dass die Lagerung hochdruckdicht erfolgt. Auf diese Weise ist der
Kopplerraum 150 druckdicht abgedichtet, und ein Hub des
Aktors 116 lasst sich über den Hubübersetzer 144 mittelbar
auf ein in dem Düsenmodul 124 gelagertes Einspritzventilglied 162 übertragen.
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Das
Einspritzventilglied 162 ist mittels einer oder mehrerer
Führungen 164 in einem Düsenraum 166 in
axialer Richtung gleitend gelagert. An seinem oberen, der Einspritzseite 134 abgewandten
Ende weist das Einspritzventilglied 162 eine erste hydraulische
Fläche 168 auf. Diese erste hydraulische Fläche
weist einem Steuerraum 170 zu. Dieser Steuerraum 170 wird
gebildet durch das Einspritzventilglied 162, eine zwischen
dem Düsenmodul 124 und dem Kopplermodul 122 angeordnete
Drosselplatte 172, welche ebenfalls Bestandteil des Injektorkörpers 118 ist,
sowie eine das obere Ende des Einspritzventilgliedes 162 ringförmig
und dichtend umgebende Hülse 174. Die Hülse 174 wiederum
wird über ein Feder element 176, welches sich an
seinem unteren Ende auf einer Ringschulter 178 des Einspritzventilgliedes 162 abstützt,
gegen die Drosselplatte 172 gepresst. Der Steuerraum 170 ist über
eine Drosselbohrung 180 in der Drosselplatte 172 mit
einem Zwischenraum 182 verbunden, welcher seinerseits mit
dem Niederdruckrücklauf 132 verbunden ist. Auf
diese Weise ist der Steuerraum 170 stets über
die Drosselbohrung 180 mit dem Niederdruckrücklauf 132 in
Verbindung.
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Zur Übertragung
des Hubes des Aktors 116 auf das Einspritzventilglied 162 ist
weiterhin ein kraftfrei gelagertes Hubübertragungselement 184 vorgesehen.
Dieses Hubübertragungselement 184 ist, wie auch
der Hubübersetzer 144, Bestandteil eines mehrteiligen
Hubübertragungsgliedes 186. Das Hubübertragungselement 184 ist
in diesem Ausführungsbeispiel als Kolbengestänge
ausgebildet und exzentrisch, d. h. außerhalb der Injektorachse 128,
in dem Injektorkörper 118 druckausgeglichen und
in axialer Richtung beweglich gelagert. Zum Zwecke der Druckausgeglichenheit
grenzt das Hubübertragungselement 184 an seinem
oberen Ende an einen Hochdruckraum 188 an, welcher über
eine Hochdruckbohrung 190 mit dem Hochdruckzulauf 130 verbunden und
somit stets mit Hochdruck beaufschlagt ist. An seinem unteren, kegelförmig
ausgestalteten Ende ist das Hubübertragungselement 184 hingegen
in einem Hochdruckteilraum 192 des Düsenraums 166 angeordnet
und somit ebenfalls mit Hochdruck beaufschlagt. Die hydraulischen
Flächen an der Oberseite und an der Unterseite des Hubübertragungselements 184 heben
sich somit auf Grund identischen Drucks gegenseitig hinsichtlich
ihrer Kraftwirkungen auf das Hubübertragungselement 184 auf.
Zwischen diesen Enden weist das Hubübertragungselement 184 einen Kraftaufnehmer 194 auf,
welcher in dem mit Niederdruck beaufschlagtem Zwischenraum 182 mit
Spiel in axialer Richtung aufgenommen ist. Die Kegelspitze 156 des
zweiten Kopplerkolbens 152 des Hubübersetzers 144 wirkt
auf diesen Kraftaufnehmer 194, so dass ein Hub des zweiten
Kopplerkolbens 152 in einen Hub des Hubübertragungselements 184 übersetzt
wird.
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An
seinem unteren Ende ist das Hubübertragungselement 184 ebenfalls
mit einer Kegelspitze 196 versehen. Diese Kegelspitze 196 wirkt
auf einen Umlenkhebel 198, welcher auf einem Vorsprung 200 in
der Wand des Düsenmoduls 124 mit Schwenkrichtung
senkrecht zur Injektorachse 128 gelagert ist. Dabei sind
der Vorsprung 200 und die Kegelspitze 196 exzentrisch
zueinander angeordnet. Das der Kegelspitze 196 gegenüberliegende
Ende des Umlenkhebels 198 ist auf der Ringschulter 178 des
Einspritzventilgliedes 162 abgestützt. Eine Abwärtsbewegung des
Hubübertragungselements 184 wird somit über den
Umlenkhebel 198 in eine Aufwärtsbewegung des Einspritzventilgliedes 162,
also in eine Bewegung entgegengesetzt der Schließrichtung 158,
umgesetzt, und umgekehrt.
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An
seinem der Einspritzseite 134 zuweisenden unteren Ende
weist das Einspritzventilglied 162 einen ersten Dichtbereich 202 und
einen zweiten Dichtbereich 204 auf. Entsprechend weist
der Injektorkörper 118 im Düsenraum 166 einen
ersten Ventilsitz 206 und einen zweiten Ventilsitz 208 auf.
In dem in 1 dargestellten geschlossenen
Zustand wird das Einspritzventilglied 162 mit seinen Dichtbereichen 202, 204 in
die Ventilsitze 206, 208 gepresst.
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Durch
den ersten Dichtbereich 202 und den ersten Ventilsitz 206 wird
auf diese Weise von dem Düsenraum 166 ein Niederdruckbereich 210 abgetrennt,
welcher in 1 den einspritzseitig unterhalb der
ringförmigen Dichtung ausgebildeten Bereich bildet. Dieser
Niederdruckbereich 210 wiederum wird durch den zweiten
Dichtbereich 204 und den zweiten Ventilsitz 208 in
einen ersten Teilbereich 212 und einen zweiten Teilbereich 214 unterteilt.
Während von dem ersten Teilbereich 212 Einspritzöffnungen 216 zum
Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine
abzweigen, steht der zweite Teilbereich 214 über
eine hydraulische Verbindung 218 mit dem mit Niederdruck
beaufschlagten Steuerraum 170 in Verbindung. Die hydraulische
Verbindung 218 ist dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als zentrale Bohrung in dem Einspritzventilglied 162 ausgestaltet,
wobei jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich sind.
Da nunmehr bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
näherungsweise die gesamte untere, einspritzseitige Fläche
des Einspritzventilgliedes 162 in dem dargestellten geschlossenen
Zustand mit Niederdruck beaufschlagt ist und eine zweite hydraulische
Fläche 220 bildet, welche der ersten hydraulischen
Fläche 168 entgegenwirkt, ist die Bewegung des
Einspritzventilgliedes 162 in axialer Richtung insgesamt
druckausgeglichen. Um das Totvolumen im Bereich des Niederdruckbereichs 210 weiter
zu vermindern, weist der Injektorkörper 118 in
seinem unteren Bereich einen in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel kegelförmigen Vorsprung 222 auf,
welcher in die hydraulische Verbindung 218 hineinragt und
das Volumen des zweiten Teilbereichs 214 praktisch auf
0 reduziert.
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Das
in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel beschreibt
somit einen Kraftstoffinjektor 110, in welchem sich der
Aktor 116 im Niederdruck befindet. Der Hubübersetzer 144 dient
im Wesentlichen einem Toleranz- und Temperaturausgleich sowie einer Übersetzung
des Hubes des Aktors 116. Der Hubübersetzer 144 seinerseits
ist mechanisch mit dem druckausgeglichenen Hubübertragungselement 184 in
Form eines Kolbengestänges verbunden. Das druckausgeglichene
Kolbengestänge hat die Aufgabe, die Bewegung des Aktors 116 vom
Niederdruck in den Hochdruck zu übertragen. Hierzu ist
die düsenseitige Hochdruckfläche des Hubübertragungselements 184,
welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit der
Kegelspitze 196 ausgestattet ist, mechanisch über
den Umlenkhebel 198 mit dem Einspritzventilglied 162 verbunden.
Wenn der Aktor 162, beispielsweise ein Piezoaktor, geladen
wird, wird dessen Hub über das Kolbengestänge
des Hubübertragungselements 184 auf das Einspritzventilglied 162 übertragen,
wodurch sich der erste Dichtbereich 202 aus dem ersten
Ventilsitz 206 abhebt. Dadurch steigt der Druck im Niederdruckbereich 210, da
dieser nunmehr über den Hochdruckteilraum 192 mit
dem Hochdruckzulauf 130 verbunden ist. Da sich nun gleichzeitig
auch der zweite Dichtbereich 204 aus dem zweiten Ventilsitz 208 abhebt,
wird diese Druckerhöhung über die hydraulische
Verbindung 218 auch in den Steuerraum 170 übertragen.
Dadurch kann das Einspritzventilglied 162 quasi kraftfrei geöffnet
werden und durch Entladen des Aktors 116 auch wieder geschlossen
werden. Nach Schließen des Einspritzventilgliedes 162 sind
sowohl der erste Dichtbereich 202 als auch der zweite Dichtbereich 204 wieder
in ihre entsprechenden Ventilsitze 206 bzw. 208 gepresst,
wodurch der Steuerraum 170 von dem sacklochförmigen
Niederdruckbereich 210 getrennt wird.
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Der
Steuerraum 170 ist über die Steuerraumhülse 174 mit
dem Hochdruckteilraum 192 verbunden. Somit kann dem Steuerraum 170 grundsätzlich eine
Leckage zufließen. Damit der Druck in dem Steuerraum 170 in
der Ruhephase nicht ansteigt, ist die Drosselbohrung 180 vorhanden,
welche den Steuerraum 170 mit dem Niederdruckablauf 132 verbindet
und somit für eine Beaufschlagung mit Niederdruck sorgt.
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Der
Umlenkhebel 198 ist bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel als Hebelelement mit einer 1-zu-1-Übersetzung
dargestellt. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall, sondern
das Hebelverhältnis kann auch unterschiedlich gewählt werden.
Auf diese Weise kann ein zusätzliches Hubübersetzungsverhältnis
gewählt werden, um, zusätzlich zu einer Bewegungsumkehr,
die Aktorbewegung des Aktors 116 optimal auf das Einspritzventilglied 162 zu übertragen.
Ferner kann in dem mechanischen Hebelelement 198 oder der
Umlenkung auch durch geschickt abrollende Kurvenlinien eine variable Übersetzung
erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10044389
A1 [0005]
- - DE 19946839 A1 [0005]