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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Membranvorrichtung und
ein Kraftstoffeinspritzgerät, das diese aufweist.
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In
der jüngsten Zeit ist es erforderlich geworden, eine Kraftstoffeinspritzmenge
mit hoher Genauigkeit einzustellen und ein schnelles Betriebsansprechen
in einem Kraftstoffeinspritzgerät zu erzielen, das unter
hohem Druck stehenden Kraftstoff in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors
eines Fahrzeuges (beispielsweise eines Kraftfahrzeuges) einspritzt,
wodurch Abgasemissionen verringert werden und/oder der Kraftstoffverbrauch
verbessert wird. Um die Anforderung an eine verbesserte Kraftstoffeinspritzgenauigkeit
und ein verbessertes Betriebsansprechen im Kraftstoffeinspritzgerät
zu erfüllen, sind verschiedene Kraftstoffeinspritzgeräte
vorgeschlagen worden, die einen piezoelektrischen Aktuator mit einer
größeren Antriebskraft und einem noch stärker verbesserten
Betriebsansprechen aufweisen.
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Die
japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr.
JP 11-200 981 A lehrt
ein Kraftstoffeinspritzventil, das ein Kraftstoffeinspritzloch aufweist, das
durch eine Druckänderung geöffnet oder geschlossen
wird, die durch eine Volumenänderung in einer Steuerdruckkammer
bewirkt wird, die wiederum durch ein Ausdehnen oder Zusammenziehen
(Expansion oder Kontraktion) eines elektrostriktiven Aktuators herbeigeführt
wird. Genauer gesagt weist das Kraftstoffeinspritzventil eine Nadel
auf, die eine erste Führungswelle und eine zweite Führungswelle
hat. Die erste Führungswelle ist fluiddicht in einem ersten Führungsloch
eines Düsengehäuses gleitfähig. Die zweite
Führungswelle ist in einem zweiten Führungsloch
eines Kraftstoffeinspritzventilgehäuses oder eines Kolbens
gleitfähig, der ein Durchgangsloch aufweist, das ihn entlang
seiner Mittelachse durchdringt. Die zweite Führungswelle
ist oberhalb der ersten Führungswelle angeordnet, und hat
einen Durchmesser, der größer als derjenige der
ersten Führungswelle ist. Eine Druckaufnahmefläche
ist an einem Absatz zwischen der ersten Führungswelle und der
zweiten Führungswelle ausgebildet und ist nach unten ausgerichtet.
Die Druckaufnahmefläche steht mit der Steuerkammer in Verbindung
oder ist der Steuerkammer ausgesetzt. In einem Steuerkraftstoffführungskanal,
der eine Verbindung zwischen der Steuerdruckkammer und einem Kraftstoffströmungskanal,
der sich von einer Hochdruckpumpe zu dem Kraftstoffeinspritzventil
erstreckt, herstellt, sind ein Rückschlagventil und eine
Blende hintereinander in Reihe angeordnet. Das Rückschlagventil
begrenzt die Strömung des Kraftstoffs von der Steuerdruckkammer
zu dem Kraftstoffströmungskanal. Die Blende begrenzt eine
durch sie hindurch erfolgende schnelle Kraftstoffströmung.
Wenn die Steuerdruckkammer durch den elektrostriktiven Aktuator mit Druck
beaufschlagt wird, wird die Nadel angehoben, um das Kraftstoffeinspritzloch
zu öffnen.
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In
dem Kraftstoffeinspritzgerät der vorstehend beschriebenen
Art, das das piezoelektrische Element als Antriebsquelle verwendet,
ist das piezoelektrische Element in einem Aufnahmebehälter
abgedichtet, um den Kontakt zwischen dem piezoelektrischen Element
und dem Kraftstoff zu begrenzen, der möglicherweise die
Funktion des piezoelektrischen Aktuators beschädigen oder
beeinträchtigen kann. Der Abdichtaufbau des vorstehend
erwähnten piezoelektrischen Aktuators macht einen Aufbau
erforderlich, der das Ausdehnen und Zusammenziehen des piezoelektrischen
Aktuators ermöglicht. Die
japanische ungeprüfte
Patentveröffentlichung Nr. 2005-533 968 A (die
der Druckschrift
WO
2004/016 939 A1 entspricht) lehrt einen Abdichtaufbau eines piezoelektrischen
Elementes, in dem eine Membran verwendet wird.
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Genauer
gesagt lehrt die
japanische
ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2005-533
968 A ein piezoelektrisches Aktuatormodul, das ein piezoelektrisches
Element, einen Aktuatorfuß und einen Aktuatorkopf aufweist.
Der Aktuatorkopf wirkt mit einem Folgebauteil (Nachlaufbauteil)
zusammen, das durch das piezoelektrische Element angetrieben wird.
Das Aktuatormodul ist von einer sich axial erstreckenden Hülse
umgeben. Eine Membran ist nach dem Aktuatorkopf vorgesehen, und
die Membran erstreckt sich im Allgemeinen in der radialen Richtung
und ist mit der Hülse verbunden. Die Membran hat eine Querschnittsfläche,
die so aufgebaut ist, dass sie verschiedene Krümmungsradien
hat.
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In
dem Abdichtaufbau der
japanischen
ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 2005-533
968 A sind der Aktuatorkopf und die Membran miteinander verbunden,
und die Hülse, die das piezoelektrische Element aufnimmt,
und die Membran sind miteinander verbunden. Somit wird der Druck
des Kraftstoffs um das Aktuatormodul herum auf den Aktuatorkopf und
die Membran aufgebracht.
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Wenn
in dem vorstehend erläuterten Aufbau ein hochgradig steifes
Material für die Membran verwendet wird, um den Druckwiderstand
der Membran zu erhöhen, verringert sich die Flexibilität
der Membran, so dass sich möglicherweise eine Verringerung im
Ansprechverhalten des Aktuatormoduls ergibt. Wenn ein Material,
das eine geringe Federkonstante hat, für die Membran zum
Verbessern des Ansprechverhaltens verwendet wird, wird die Steifigkeit
der Membran in nachteilhafter Weise verringert, so dass möglicherweise
eine Verringerung der Haltbarkeit des Aktuatormoduls bewirkt wird.
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Daher
muss das Material der Membran die beiden entgegengesetzten Bedingungen
erfüllen, das heißt die relativ hohe Haltbarkeit
und das relativ hohe (gute) Ansprechverhalten.
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Darüber
hinaus wird der Druck des Kraftstoffs auch auf das piezoelektrische
Element durch den Aktuatorkopf aufgebracht. Daher muss das piezoelektrische
Element entgegen dem Druck des Kraftstoffs sich ausdehnen (ausdehnbar
sein). Um diesen Punkt anzusprechen, muss beispielsweise ein Niederdruckkraftstoffkanal,
der den niedrigen Druck des mit dem Aktuatorkopf in Kontakt stehenden
Kraftstoffs beibehält, vorgesehen sein. Dies führt zu
einem noch komplizierteren Aufbau des Kraftstoffeinspritzgerätes.
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Die
vorliegende Erfindung spricht die vorstehend erläuterten
Nachteile an. Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Membranvorrichtung zu schaffen, die eine relativ hohe Haltbarkeit und
ein relativ gutes Ansprechverhalten ermöglicht. Es ist
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzgerät
zu schaffen, das eine derartige Membranvorrichtung aufweist.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist eine Membranvorrichtung geschaffen worden,
die einen Aktuator, einen Aufnehmer, eine Antriebseinrichtung und
eine Verschiebungsübertragungseinrichtung aufweist. Der
Aktuator ist in einem Hochdruckkraftstoffkanal angeordnet, der ein
unter hohem Druck stehendes Fluid durch dieses hindurch leitet.
Der Aufnehmer ist zu einer röhrenartigen Form aufgebaut
und nimmt den Aktuator auf. Die Antriebseinrichtung wird durch den
Aktuator durch den Versatz (Verschiebung) des Aktuators angetrieben.
Die Verschiebungsübertragungseinrichtung ist lose und zumindest
teilweise in dem Aufnehmer aufgenommen und leitet (überträgt)
den Versatz des Aktuators zu der Antriebseinrichtung. Eine Membran,
die in elastischer Weise verformbar ist, verbindet zwischen dem Aufnehmer
und der Antriebseinrichtung in einer fluiddichten Weise, um ein
Hereinströmen des unter hohem Druck stehenden Fluides in
einen Raum zwischen dem Aufnehmer und der Antriebseinrichtung zu
begrenzen.
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Außerdem
ist ein Kraftstoffeinspritzgerät geschaffen, das einen
Ventilbasiskörper, die vorstehend erwähnte Membranvorrichtung,
einen Kolbenführungszylinder, eine Druckbeaufschlagungskammer,
eine Steuerkammer, eine Nadel und eine Feder aufweist. Der Ventilbasiskörper
ist zu einer röhrenartigen Form aufgebaut. Die Membranvorrichtung
ist in dem Ventilbasiskörper aufgenommen. Die Antriebseinrichtung
ist in einer Form eines Druckbeaufschlagungskolbens ausgebildet,
und der Hockdruckströmungskanal ist in dem Ventilbasiskörper
ausgebildet und wird mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff, der
in einer Common-Rail gespeichert wird, als das unter hohem Druck
stehende Fluid beliefert. Der Kolbenführungszylinder ist
zu einer röhrenartigen Form aufgebaut und hält
gleitfähig den Druckbeaufschlagungskolben. Die Druckbeaufschlagungskammer
ist an einer distalen (körperfernen) Endseite des Druckbeaufschlagungskolbens
definiert. Die Steuerkammer steht mit der Druckbeaufschlagungskammer
in Verbindung. Die Nadel ist in einer Ventilöffnungsrichtung
oder einer Ventilschließrichtung bewegbar, um ein Kraftstoffeinspritzloch
zu öffnen oder zu schließen, das an einem distalen
(körperfernen) Ende des Hochdruckströmungskanals
ausgebildet ist. Die Feder drängt die Nadel in die Ventilschließrichtung.
Der Druck in der Steuerkammer drängt die Nadel in die Ventilöffnungsrichtung.
Die Nadel wird durch eine Abnahme oder Zunahme des Drucks in der
Steuerkammer so angetrieben, dass sie sich zu dem Kraftstoffeinspritzloch
hin oder von diesem weg bewegt, um das Kraftstoffeinspritzloch zu
schließen oder zu öffnen und dadurch das Einspritzen
des Kraftstoffs durch das Kraftstoffeinspritzloch zu ermöglichen
oder außer Kraft zu setzen.
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Die
vorliegende Erfindung ist zusammen mit weiteren Zielen, Merkmalen
und Vorteilen von ihr anhand der nachstehend dargelegten Beschreibung, der
beigefügten Ansprüche und der beigefügten Zeichnungen
am besten verständlich.
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1 zeigt
eine ausschnittartige schematische Ansicht eines Abschnittes eines
Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines Gesamtaufbaus eines Kraftstoffeinspritzgerätes
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine schematische Ansicht des Kraftstoffeinspritzgerätes
des zweiten Ausführungsbeispiels zum Zeitpunkt eines Ventilöffnens.
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4A zeigt
eine ausschnittartige Querschnittsansicht eines Kraftstoffeinspritzventils
gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4B zeigt
eine ausschnittartige Querschnittsansicht eines Kraftstoffeinspritzventils
gemäß einem vierten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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4C zeigt
eine ausschnittartige Querschnittsansicht eines Kraftstoffeinspritzventils
gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Ein
Kraftstoffeinspritzventil (eine Membranvorrichtung) 10 eines
Kraftstoffeinspritzgerätes 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist
nachstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
In der nachstehend erfolgenden Beschreibung bezieht sich eine obere
Seite der jeweiligen Zeichnungen auf eine proximale (d. h. körpernahe)
Endseite, und eine untere Seite in den jeweiligen Zeichnungen bezieht
sich auf eine distale (körperferne) Endseite.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil 10 weist einen Ventilbasiskörper
(Vorrichtungsbasiskörper) 100, einen piezoelektrischen
Aktuator 11, einen im Allgemeinen zylindrischen röhrenartigen
Aufnehmer 12, einen Druckbeaufschlagungskolben (eine Antriebseinrichtung) 14 und
eine Membran 13 auf. Ein Hochdruckströmungskanal 102 ist
in dem Basiskörper 100 ausgebildet und empfängt
unter einem hohen Druck stehendes Fluid. Der Aufnehmer 12 nimmt
in ihm den piezoelektrischen Aktuator 11 auf. Der Druckbeaufschlagungskolben 14 wird
durch den piezoelektrischen Aktuator 11 angetrieben. Die
Membran 13 verbindet zwischen dem Aufnehmer 12 und
dem Druckbeaufschlagungskolben 14 in einer fluiddichten
Weise, um ein Hereinströmen des unter hohem Druck stehenden
Fluides in einen Raum zwischen dem Aufnehmer 12 und dem
Druckbeaufschlagungskolben 14 zu begrenzen. Darüber
hinaus wird die Membran 13 im Ansprechen auf die Kontraktion
(Zusammenziehen) und die Expansion (Ausdehnen) des piezoelektrischen
Aktuators 11 ausgedehnt und zusammengezogen. Die Membran 13 versetzt
den piezoelektrischen Aktuator 11 in einen kontaktfreien
Zustand relativ zu dem unter hohem Druck stehenden Fluid, das heißt
die Membran 13 begrenzt den Kontakt zwischen dem piezoelektrischen
Aktuator 11 und dem unter hohem Druck stehenden Fluid.
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Der
piezoelektrische Aktuator 11 weist ein piezoelektrisches
Element 110 und einen Aktuatorkopf (eine Verschiebungsübertragungseinrichtung) 112 auf.
Das piezoelektrische Element 110 expandiert bei seiner
Anregung (es dehnt sich aus). Der Aktuatorkopf 112 leitet
(überträgt) die Expansion (Ausdehnung) und Kontraktion
(Zusammenziehen) des piezoelektrischen Elementes 110 zu
dem Druckbeaufschlagungskolben 14. Der Aufnehmer 12 ist
zu einem im Allgemeinen becherförmigen Körper
aufgebaut und hat einen Hülsenbasiskörper 120 und
einen Hülsenboden 121. Der Hülsenbasiskörper 120 bildet eine
Umfangswand des Aufnehmers 12 aus, und der Boden 121 bildet
eine Bodenwand des Aufnehmers 12 aus und ist mit einem
distalen (körperfernen) Ende der Umfangswand des Hülsenbasiskörpers 120 verbunden.
Eine Bodenöffnung 122 erstreckt sich durch den
Hülsenboden 121 hindurch. Der Aktuatorkopf 112 ist
lose durch die Bodenöffnung 122 aufgenommen. Der
Druckbeaufschlagungskolben 14 weist einen Kolbenbasiskörper 140 und
einen Kolbenflansch 141 auf. Der Kolbenbasiskörper 140 ist
zu einem als massiver Stab geformten Körper aufgebaut.
Der Kolbenflansch 141 ist an einer proximalen (körpernahen)
Endseite des Kolbenbasiskörpers 140 vorgesehen
und erstreckt sich von dem Kolbenbasiskörper 140 radial
so nach außen, dass er einen vergrößerten
Außendurchmesser hat, der größer als
jener des Kolbenbasiskörpers 140 ist. Die Membran 13 ist
zu einem röhrenartigen Körper aufgebaut und weist
einen an der proximalen Endseite befindlichen Abdichtabschnitt 131,
einen expandierbaren (ausdehnfähigen) und kontrahierbaren
(zusammenziehbaren) Abschnitt 130 und einen an der distalen
Endseite befindlichen Abdichtabschnitt 132 auf. Der expandierbare
und kontrahierbare Abschnitt 130 ist so gekrümmt,
dass er einen radial nach innen konvexen Querschnitt (der in der
radialen Richtung der Membran 13 nach innen konvex ist)
hat und verteilt den Druck des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs in
dem Hochdruckströmungskanal 102.
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Der
an der proximalen Endseite befindliche Abdichtabschnitt 131 nimmt
einen unteren Teil (unterer Abschnitt) des Hülsenbasiskörpers 120 des
Aufnehmers 12 auf und ist an dem unteren Teil des Hülsenbasiskörpers 120 beispielsweise
durch Laserschweißen fluiddicht abgedichtet. Der an der
distalen Endseite befindliche Abdichtabschnitt 132 nimmt
den Kolbenflansch 141 auf und ist an dem Kolbenflansch 141 beispielsweise
durch Laserschweißen fluiddicht abgedichtet.
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Ein
ringartiger Stopper 142 ragt axial von einer oberen Endfläche
des Kolbenflansches 141 des Druckbeaufschlagungskolbens 14 zu
einer unteren Endfläche des Hülsenbodens 121 des
Aufnehmers 12 so vor, dass er eine vorbestimmte Höhe
hat. Wenn das piezoelektrische Element 110 kontrahiert
(sich zusammenzieht), gelangt der Stopper 142 mit dem Hülsenboden 121 in
Kontakt, um ein weiteres Klappen (Falten) des expandierbaren und
kontrahierbaren Abschnittes 130, das durch den Druck in
dem Hochdruckströmungskanal 102 bewirkt wird,
zu begrenzen und außerdem das Aufbringen des Drucks von
dem Hochdruckströmungskanal 102 auf das piezoelektrische
Element 110 zu begrenzen.
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Gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische
Aktuator 11 in dem Aufnehmer 12 fluiddicht abgedichtet
und wird dadurch nicht durch den Kraftstoff verschmutzt, der in
dem Hochdruckströmungskanal 102 vorhanden ist.
Somit wird die Funktion des piezoelektrischen Aktuators 11 nicht
durch den Kraftstoff verschlechtert. Da der expandierbare und kontrahierbare
Abschnitt 130. so gekrümmt ist, dass er den konvexen
Querschnitt aufweist, der zu dem Innenraum des expandierbaren und
kontrahierbaren Abschnitt 130 konvex ist, wird außerdem
selbst in dem Fall, bei dem die Membran 13 aus einem Material
mit einer relativ geringen Steifigkeit hergestellt ist, der Kraftstoffdruck,
der auf den expandierbaren und kontrahierbaren Abschnitt 130 aufgebracht
wird, verteilt. Außerdem begrenzt der Stopper 142 das
Biegen des expandierbaren und kontrahierbaren Abschnittes 130 und
die übermäßige Last des piezoelektrischen
Elementes 110. Daher ist es möglich, eine verbesserte
Haltbarkeit und ein verbessertes Ansprechvermögen auszuführen.
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Der
gesamte Aufbau des Kraftstoffeinspritzgerätes 1,
das das Kraftstoffeinspritzventil (die Membranvorrichtung) 10 aufweist,
ist nachstehend gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
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Das
Kraftstoffeinspritzgerät 1 ist an einem (nicht
dargestellten) Verbrennungsmotor vorgesehen und weist eine Hochdruckpumpe 20,
das Kraftstoffeinspritzventil 10 und eine elektronische
Steuereinheit (ECU) 30 auf. Die Hochdruckpumpe 20 pumpt
Kraftstoff (beispielsweise Benzin oder Leichtöl) zu einer Common-Rail 21,
in der der unter hohem Druck stehende Kraftstoff gespeichert wird.
Das Kraftstoffeinspritzventil 10 spritzt den unter hohem
Druck stehenden Kraftstoff, der von der Common-Rail 21 geliefert wird,
in den jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors ein. Die ECU 30 berechnet
die Kraftstoffeinspritzmenge, die Kraftstoffeinspritzzeit und den
Kraftstoffeinspritzdruck, die für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors
geeignet sind, auf der Grundlage von Messsignalen, die von verschiedenen
(nicht dargestellten) Sensoren empfangen werden, und gibt ein Antriebssignal
zu einer elektronischen Antriebseinheit (EDU) 31 aus. Die
ECU 30 steuert außerdem die Common-Rail 21,
die Hochdruckpumpe 20 und das Kraftstoffeinspritzventil 10.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil 10 weist den piezoelektrischen
Aktuator 11, den Aufnehmer 12, den Druckbeaufschlagungskolben 14 und
die Membran 13 auf. Der piezoelektrische Aktuator 11 wird
in einem kontaktfreien Zustand in Bezug auf den unter hohem Druck
stehenden Kraftstoff gehalten. Der Aufnehmer 12 nimmt den
piezoelektrischen Aktuator 11 auf. Die Membran 13 verbindet
zwischen dem Aufnehmer 12 und dem Druckbeaufschlagungskolben 14 fluiddicht
und wird im Ansprechen auf das Kontrahieren und die Expansion des
piezoelektrischen Aktuators 11 expandiert und kontrahiert
(dehnt sich aus bzw. zieht sich zusammen). Der piezoelektrische
Aktuator 11 ist in dem Basiskörper 100 aufgenommen und
dient als eine Antriebsquelle. Der Versatz (die Verschiebung) des
piezoelektrischen Aktuators 11, der durch das elektrische
Aufladen oder Entladen jeweils expandiert oder kontrahiert, wird
zu dem Druckbeaufschlagungskolben 14, der als die Antriebseinrichtung
dient, so geleitet, dass der Druckbeaufschlagungskolben 14 axial
so bewegt wird, dass der Druck in einer Steuerkammer 172 zunimmt
oder abnimmt. Dadurch wird eine Nadel 180 im Ansprechen
auf die Zunahme oder Abnahme des Drucks in der Steuerkammer 172 axial
nach oben oder nach unten angetrieben, um eine Ventilfläche 181 der
Nadel 180, die an einem distalen (körperfernen)
Ende der Nadel 180 vorgesehen ist, relativ zu einem Ventilsitz
(Ventilsitzfläche) 108 des Basiskörpers 100 anzuheben
oder zu setzen, um ein Kraftstoffeinspritzloch 107 des
Basiskörpers 100 zu öffnen oder zu schließen
und dadurch das Kraftstoffeinspritzen durch das Kraftstoffeinspritzloch 107 zu
ermöglichen oder außer Kraft zu setzen.
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Der
Basiskörper 100 ist zu einem im Allgemeinen zylindrischen
röhrenartigen Körper aufgebaut. In dem Basiskörper 100 ist
eine proximale (körpernahe) Endseite des Hochdruckströmungskanals 102 abgedichtet
das heißt verschlossen.
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Ein
Hochdruckkraftstoffeinlassloch 101 ist an der proximalen
Endseite des Basiskörpers 100 ausgebildet, um
den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff, der in der Common-Rail 21 gespeichert wird,
in den Hochdruckströmungskanal 102 zu befördern.
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Eine
Kraftstoffspeicherkammer 106 ist an der distalen Endseite
des Basiskörpers 100 ausgebildet und hat einen
verringerten Innendurchmesser, der kleiner als derjenige des benachbarten
an der stromaufwärtigen Seite befindlichen Teils (der sich
an der stromaufwärtigen Seite der Kraftstoffspeicherkammer 106 befindet)
des Hochdruckströmungskanals 102 ist. An der distalen
(körperfernen) Endseite der Kraftstoffspeicherkammer 106 ist
der Innendurchmesser weiter verringert, um den Ventilsitz 108 auszubilden.
Das Kraftstoffeinspritzloch 107 erstreckt sich durch die
Wand des Ventilsitzes 108 und wird dadurch zu dem entsprechenden
Zylinder des Verbrennungsmotors geöffnet.
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Der
piezoelektrische Aktuator 11 ist aus einem piezoelektrischen
keramischen Material hergestellt, wie beispielsweise PZT (Bleizirkonattitanat), und
weist das laminierte piezoelektrische Element 110 auf,
in dem einige Zehn oder Hundert an piezoelektrischen keramischen
Lagen, die jeweils in ihrer Dickenrichtung polarisiert sind, übereinander
gestapelt sind. Hierbei haben jeweils zwei benachbarte piezoelektrische
Lagen jeweils verschiedene Polarisationsrichtungen.
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Eine
Innenelektrode ist zwischen jeder benachbarten piezoelektrischen
keramischen Lage des laminierten piezoelektrischen Elementes 110 ausgebildet.
Die Innenelektroden sind an der linken und rechten Seite herausgezogen
und sind mit Seitenflächenelektroden 111 verbunden,
die mit der externen EDU 31 verbunden sind.
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Der
piezoelektrische Aktuator 11 ist in dem Basiskörper 100 aufgenommen.
Eine obere Endfläche einer an der proximalen Endseite befindlichen Schutzlage 113,
die an der proximalen Endseite des piezoelektrischen Aktuators 11 ausgebildet ist,
ist an dem Basiskörper 100 fixiert, während
eine Dielektrizität relativ zu dem Basiskörper 100 verwirklicht
wird. Der piezoelektrische Aktuator 11 ist in dem Aufnehmer 12 aufgenommen,
der zu dem im Allgemeinen becherförmigen Körper
aufgebaut ist, und steht mit dem Druckbeaufschlagungskolben 14 durch
einen Aktuatorkopf 112 in Eingriff, der als die Verschiebungsübertragungseinrichtung
dient.
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Der
Aktuatorkopf 112 ist in der Bodenöffnung 122 des
Aufnehmers 12 lose aufgenommen, um den Versatz (die Verschiebung)
des piezoelektrischen Aktuators 11 zu dem Druckbeaufschlagungskolben 14 zu
leiten.
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Der
Druckbeaufschlagungskolben 14 weist den Kolbenbasiskörper 140 und
den Kolbenflansch 141 auf. Der Kolbenbasiskörper 140 ist
zu einem als massiver Stab geformten Körper aufgebaut.
Der Kolbenflansch 141 ist an der proximalen (körpernahen) Endseite
des Kolbenbasiskörpers 140 vorgesehen und erstreckt
sich von dem Kolbenbasiskörper 140 radial so nach
außen, dass er den vergrößerten Außendurchmesser
aufweist, der größer als derjenige des Kolbenbasiskörpers 140 ist.
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Die
Membran 13 ist zu dem röhrenartigen Körper
aufgebaut, und weist den an der proximalen Endseite befindlichen
Abdichtabschnitt 131, den expandierbaren und kontrahierbaren
Abschnitt 130 und den an der distalen Endseite befindlichen
Abdichtabschnitt 132 auf. Der expandierbare und kontrahierbare
Abschnitt 130 ist so gekrümmt, dass er den radial nach
innen konvexen Querschnitt hat, und den Druck des unter hohem Druck
stehenden Kraftstoffs in dem Hochdruckkraftstoffkanal 102 verteilt.
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Der
an der proximalen Endseite befindliche Abdichtabschnitt 131 nimmt
den Hülsenboden 121 des Aufnehmers 12 auf
und ist an dem Hülsenboden 121 (oder dem unteren
Teil des Hülsenbasiskörpers 120) fluiddicht
abgedichtet. Der an der distalen Endseite befindliche Abdichtabschnitt 132 nimmt
den Kolbenflansch 141 auf und ist an dem Kolbenflansch 141 fluiddicht
abgedichtet. Der ringartige Stopper 142 ragt axial von
einer oberen Endfläche des Kolbenflansches 141 des
Druckbeaufschlagungskolbens 14 zu einer unteren Endfläche
des Hülsenbodens 121 des Aufnehmers 12 vor.
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Wenn
sich das piezoelektrische Element 110 zusammenzieht (kontrahiert),
gelangt der Stopper 142 mit dem Hülsenboden 121 in
Kontakt, um das weitere Klappen (Falten) des expandierbaren und kontrahierbaren
Abschnittes 130, das durch den Druck in dem Hochdruckströmungskanal 102 bewirkt wird,
zu begrenzen, und außerdem das Aufbringen des Drucks von
dem Hochdruckströmungskanal 102 auf das piezoelektrische
Element 110 zu begrenzen.
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Der
Druckbeaufschlagungskolben 14 ist in einem Kolbenführungszylinder 150 gleitfähig
gehalten, der zu einem im Allgemeinen zylindrischen röhrenartigen
Körper aufgebaut ist. Ein im Allgemeinen zylindrischer
Flansch 151 ist an dem an der distalen Endseite befindlichen
unteren Ende des Kolbenführungszylinders 150 so
ausgebildet, dass er radial nach außen vorragt. Eine Kolbenrückstellfeder 160 ist
zwischen dem Kolbenflansch 141 und dem Zylinderflansch 151 angeordnet,
um den Druckbeaufschlagungskolben 14 zu dem piezoelektrischen
Aktuator 11 hin zu drängen.
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Eine
Trennwand 152 ist an der distalen Endseite des Kolbenführungszylinders 150 angeordnet. Eine
Druckbeaufschlagungskammer 170 ist durch eine untere Endfläche
des Druckbeaufschlagungskolbens 14, eine Innenumfangswand
des Kolbenführungszylinders 150 und eine obere
Fläche der Trennwand 152 definiert. Ein Teil des
unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs, der als das Druckleitmedium
in den Hochdruckströmungskanal 102 geführt
wird, wird in die Druckbeaufschlagungskammer 170 befördert.
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Die
proximale Endseite der Nadel 180 bildet einen Gleitabschnitt,
der in einem Nadelaufnahmezylinder 153 gleitfähig
gehalten wird, und ein Abschnitt mit kleinem Durchmesser (kleindurchmessriger
Abschnitt) der Nadel 180, der einen verringerten Außendurchmesser
im Vergleich zu dem Außendurchmesser des Gleitabschnittes 180 der
Nadel hat, ist an der distalen Endseite der Nadel 180 ausgebildet.
Der Außendurchmesser des Abschnitts mit kleinem Durchmesser
ist weiter verringert, um die Ventilfläche 181 auszubilden,
die relativ zu dem Ventilsitz 108 in Eingriff bringbar
und außer Eingriff bringbar ist, um das Kraftstoffeinspritzloch 107 zu
schließen und zu öffnen.
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Der
Nadelaufnahmezylinder 153 ist zu einem im Allgemeinen zylindrischen
röhrenartigen Körper aufgebaut und ist an der
distalen Endseite der Trennwand 152 angeordnet. Die Steuerkammer 172 ist durch
die Innenumfangsfläche des Nadelaufnahmezylinders 153,
eine Durchmesserübergangsbodenfläche der Nadel 180 und
eine Innenwandfläche eines Durchmesserübergangsabschnittes
des Basiskörpers 100 definiert. Hierbei ist die
Durchmesserübergangsbodenfläche der Nadel 180 zwischen
der Außenumfangsfläche des Gleitabschnittes der
Nadel 180, die entlang der Innenumfangsfläche
des Nadelaufnahmezylinders 153 gleitet, und der Außenumfangsfläche
des mit dem kleinen Durchmesser versehenen Abschnittes der Nadel 180 angeordnet.
Die Innenwandfläche des Durchmesserübergangsabschnittes
des Basiskörpers 100 ist zwischen der Innenumfangsfläche
des Hochdruckströmungskanals 102 und der Innenumfangsfläche
der Kraftstoffspeicherkammer 106 angeordnet.
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Ein
Kommunikationsströmungskanal 171, der eine Verbindung
zwischen der Druckbeaufschlagungskammer 170 und der Steuerkammer 172 herstellt,
ist durch die Trennwand 152 und den Nadelaufnahmezylinder 153 hindurch
ausgebildet. Der Druck in der Druckbeaufschlagungskammer 170 wird
zu der Steuerkammer 172, die mit der Druckbeaufschlagungskammer 170 durch
den Kommunikationsströmungskanal 173 in Verbindung
steht, mittels des Kraftstoffs geleitet, der als das Druck-leitmedium
geführt (befördert) wird.
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Eine
Gegendruckkammer 104 ist durch eine Rückseitenfläche
der Nadel 180, eine an der distalen Endseite befindliche
Bodenfläche der Trennwand 152 und eine Innenumfangswand
des Nadelaufnahmezylinders 153 definiert.
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Ein
Gegendrucklieferströmungskanal 103 ist in der
Trennwand 152 so ausgebildet, dass er zwischen dem Hochdruckströmungskanal 102 und
der Gegendruckkammer 104 eine Verbindung herstellt. Dadurch
wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in dem Hochdruckströmungskanal 102 in
die Gegendruckkammer 104 geführt.
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Die
Gegendruckkammer 104 ist an der Rückseitenfläche
der Nadel 180 vorgesehen und dient als eine Federkammer,
die eine Gegendruckfeder 161 aufnimmt, die die Nadel 180 in
ihre Ventilschließrichtung drängt.
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Ein
Nadelinnenströmungskanal 105 ist in der Nadel 180 so
ausgebildet, dass er zwischen der Gegendruckkammer 104 und
der Kraftstoffspeicherkammer 106 eine Verbindung herstellt.
Der Druck in der Gegendruckkammer 104 wird in der Ventilschließrichtung
der Nadel 180 ausgeübt, und der Druck in der Kraftstoffspeicherkammer 106 wird
in der Ventilöffnungsrichtung ausgeübt. Darüber
hinaus wird der Druck in der Steuerkammer 172 in der Ventilöffnungsrichtung
der Nadel 180 ausgeübt. Der Federdruck der Gegendruckfeder 161 wird
in der Ventilschließrichtung der Nadel 180 ausgeübt.
Diese Drücke stehen im Gleichgewicht, um den Ventilschließzustand
des Kraftstoffeinspritzventils 10 beizubehalten.
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Die
EDU 31 lädt elektrisch den Aktuator 11 oder
entlädt ihn, so dass das piezoelektrische Element 110 sich
ausdehnt oder sich zusammenzieht, um axial nach unten oder nach
oben den Druckbeaufschlagungskolen 14 anzutreiben und dadurch
den Druck in der Druckbeaufschlagungskammer 170 zu erhöhen
oder zu verringern. Wenn der Druck in der Druckbeaufschlagungskammer 170 in
dieser Weise erhöht oder verringert wird, wird der Druck
in der Steuerkammer 172 erhöht oder verringert.
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Wenn
der Druck in der Steuerkammer 172 gleich wie oder größer
als der Ventilschließdruck der Gegendruckfeder 161 wird,
wird die Nadel 180 nach oben bewegt. Dadurch wird die Ventilfläche 181 der Nadel 180 von
dem Ventilsitz 108 weg angehoben, um das Kraftstoffeinspritzloch 107 zu öffnen.
Somit wird der in der Kraftstoffspeicherkammer 106 befindliche
unter hohem Druck stehende Kraftstoff in dem Zylinder des Verbrennungsmotors
durch das Kraftstoffeinspritzloch 107 eingespritzt, wie
dies in 3 gezeigt ist.
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Wenn
der Druck in der Steuerkammer 172 gleich wie oder geringer
als der Ventilschließdruck der Gegendruckfeder 161 wird,
wird die Nadel 180 nach unten bewegt, und dadurch wird
die Ventilfläche 181 der Nadel 180 an
den Ventilsitz 180 gesetzt. Dadurch wird das Kraftstoffeinspritzloch 107 geschlossen,
um das Einspritzen des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs aus
der Kraftstoffspeicherkammer 106 durch das Kraftstoffeinspritzloch 107 anzuhalten.
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In
dem Kraftstoffeinspritzventil 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist die Querschnittsfläche der Steuerkammer 172 kleiner
als die Querschnittsfläche der Druckbeaufschlagungskammer 170.
Somit ist der axiale Versatz (Verschiebung) der Steuerkammer 172 größer
gestaltet als der axiale Versatz (Verschiebung) der Druckbeaufschlagungskammer 170 und
zwar umgekehrt proportional zu einem Verhältnis zwischen
der Querschnittsfläche der Steuerkammer 172 und
der Querschnittsfläche der Druckbeaufschlagungskammer 170.
Dadurch ist das Ansprechen (Ansprechverhalten) des Kraftstoffeinspritzventils 10 relativ
hoch.
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Gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische
Aktuator 11 fluiddicht in dem Aufnehmer 12 abgedichtet
und wird dadurch nicht durch den Kraftstoff verschmutzt, der in
dem Hochdruckströmungskanal 102 vorhanden ist.
Somit wird die Funktion des piezoelektrischen Aktuators 11 nicht
verschlechtert. Außerdem wird sogar in dem Fall, bei dem
die Membran 13 aus einem Material mit einer relativ geringen
Steifigkeit hergestellt ist, da der expandierbare und kontrahierbare
Abschnitt 130 so gekrümmt ist, dass er den konvexen
Querschnitt hat, der zu dem Innenraum des expandierbaren und kontrahierbaren
Abschnitt 130 konvex ist, der Kraftstoffdruck, der auf
dem expandierbaren und kontrahierbaren Abschnitt 130 aufgebracht
wird, verteilt. Außerdem begrenzt der Stopper 142 das
Biegen des expandierbaren und kontrahierbaren Abschnittes 130 und
die übermäßige Belastung des piezoelektrischen
Elementes 110. Daher ist es möglich, ein Kraftstoffeinspritzgerät 1 zu schaffen,
das sowohl eine verbesserte Haltbarkeit als auch ein verbessertes Ansprechverhaltenerreicht.
Da darüber hinaus der piezoelektrische Aktuator 11 nicht
die Last von dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aufnimmt,
ist es nicht erforderlich, den Niederdruckströmungskanal
und den Wiedergewinnungsströmungskanal in dem Kraftstoffeinspritzventil 10 auszubilden.
Als ein Ergebnis kann ein rückkehrfreies Kraftstoffsystem des
Kraftstoffeinspritzgerätes 1 gestaltet werden, und
dadurch ist eine Vereinfachung des Kraftstoffeinspritzgerätes 1 und
eine effektive Verwendung des Kraftstoffs möglich.
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Die 4A bis 4C zeigen
Kraftstoffeinspritzventile (Membranvorrichtungen) gemäß anderen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. In dem
ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist der Stopper 142 einstückig
an dem Kolbenbasiskörper 140 vorgesehen. Alternativ
ist in einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung gemäß der Darstellung von 4C ein
im allgemeinen ringartiger Stopper 142a zwischen dem Druckbeaufschlagungskolben 14 (genauer
gesagt der Kolbenbasiskörper 140 des Druckbeaufschlagungskolbens 14)
und dem Aufnehmer 12 (genauer gesagt der Hülsenboden 121 des
Aufnehmers 12) angeordnet. Durch diesen Aufbau kann zusätzlich
zu den vorstehend unter Bezugnahme auf das erste und/oder zweite
Ausführungsbeispiel erörterten Vorteilen der Vorgang
vereinfacht werden, der sich auf den Stopper 142a bezieht.
Dadurch können die Größenvariationen
im piezoelektrischen Element 110 in geeigneter Weise durch
den Stopper 142a eingestellt werden. Als ein Ergebnis kann
der Versatz (die Verschiebung) des piezoelektrischen Elementes 110 effektiv
erzielt werden. Daher kann die Zuverlässigkeit des Kraftstoffeinspritzventils
(der Membranvorrichtung) und die Zuverlässigkeit des Kraftstoffeinspritzgerätes
weiter verbessert werden.
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Darüber
hinaus ist in einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung gemäß der in 4B gezeigten
Darstellung der expandierbare und kontrahierbare Abschnitt 130b der
Membran 13b in der radialen nach innen weisenden Richtung
weiter vertieft, und der Stopper 142b ist an einer radial äußeren
Seite des expandierbaren und kontrahierbaren Abschnittes 130b angeordnet.
In einem derartigen Fall kann der Stopper 142b zu einer
Form eines Buchstaben C, einer Form eines Buchstaben U oder einer
teilweise ringartigen oder gewölbten Form (beispielsweise
eine halbkreisartige Form) aufgebaut sein, um ein Einführen
des Stoppers 142b nach dem Verbinden zwischen dem Aufnehmer 12 und
dem Druckbeaufschlagungskolben 14 durch die Membran 13b zu
ermöglichen. Dies vereinfacht den Vorgang. Darüber
hinaus wird in einem derartigen Fall eine im Allgemeinen zylindrische
röhrenartige Entfernbegrenzungshülse 133b über
den an der proximalen Endseite befindlichen Abdichtabschnitt 131 eingeführt,
um ein nicht beabsichtigtes Entfernen des Stoppers 142b einzuschränken.
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Darüber
hinaus ist in einem fünften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gemäß der in 4C gezeigten
Darstellung der expandierbare und kontrahierbare Abschnitt 130c der
Membran 13c so gekrümmt, dass er einen radial
nach außen weisenden konvexen Querschnitt hat. Darüber
hinaus ist anstelle des Stoppers 142 des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels
der Stopper 142c mit dem Boden 121b des Aufnehmers 12 einstückig
ausgebildet, um ähnliche Vorteile zu erzielen wie bei dem
ersten und/oder zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt, und die vorstehend
erläuterten Ausführungsbeispiele können innerhalb
des Umfangs der vorliegenden Erfindung abgewandelt werden.
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Beispielsweise
ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Aufbau des Kraftstoffeinspritzventils
beschränkt, der in den vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispielen beschrieben ist, in denen der unter hohem
Druck stehende Kraftstoff zu der Kraftstoffspeicherkammer durch
den Nadelinnenströmungskanal geliefert wird, der in der
Nadel ausgebildet ist. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung
bei einem Kraftstoffeinspritzventil angewendet werden, das einen
Aufbau aufweist, in den der unter hohem Druck stehende Kraftstoff
direkt in die Kraftstoffspeicherkammer geliefert wird. Darüber
hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf das in den vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispielen erörterte
Kraftstoffeinspritzventil beschränkt, bei dem das einzelne
Einspritzloch geöffnet oder geschlossen wird. Beispielsweise
kann die vorliegende Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil
angewendet werden, in dem das distale Ende des Düsenabschnittes geschlossen
ist und eine Sackkammer vorgesehen ist, um den Kraftstoff zu speichern,
und das mit einer Vielzahl an Einspritzlöchern versehen
ist, die sich durch die Wand der Sackkammer erstrecken. Darüber
hinaus wird der piezoelektrische Aktuator als der Aktuator der vorliegenden
Erfindung verwendet. Alternativ ist die vorliegende Erfindung in
gleicher Weise auf Fälle anwendbar, in denen eine andere
Art an Aktuator (beispielsweise ein Solenoidaktuator) als eine Antriebsquelle
verwendet wird. Darüber hinaus kann das Kraftstoffeinspritzventil
(die Membranvorrichtung) der vorliegenden Erfindung in geeigneter Weise
in anderen Geräten angewendet werden, die kein Kraftstoffeinspritzgerät
sind und einen Aktuator haben, der in dem Hochdruckströmungskanal
angetrieben wird.
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Darüber
hinaus ist in den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen
das gesamte Kraftstoffeinspritzventil 10 als die Membranvorrichtung
beschrieben. Alternativ können der Aktuator 11,
der Aufnehmer 12, der Druckbeaufschlagungskolben (die Antriebseinrichtung) 14,
der Aktuatorkopf (die Verschiebungsübertragungseinrichtung) 112 und
die Membran 13, die in dem Basiskörper 100 aufgenommen
sind, der in ihm den Hochdruckströmungskanal 102 aufweist,
als die Membran-vorrichtung des Kraftstoffeinspritzventils 10 dienen
und können alternativ als die Membranvorrichtung eines
beliebigen anderen Gerätes, das ein unter hohem Druck stehendes Fluid
behandelt, angewendet werden.
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Weitere
Vorteile und Abwandlungen sind für Fachleute offensichtlich.
Die vorliegende Erfindung ist daher nicht auf die spezifischen Einzelheiten,
das repräsentative Gerät und die veranschaulichten
Beispiele beschränkt, die dargestellt und beschrieben sind.
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In
dem Kraftstoffeinspritzventil 10 ist der Aktuator 11 in
dem Hochdruckströmungskanal 102 angeordnet, der
ein unter hohem Druck stehendes Fluid durch diesen hindurch leitet,
und der Druckbeaufschlagungskolben 14 wird durch den Aktuator 11 durch
ein Verschieben des Aktuators 11 angetrieben. Der Aufnehmer 12 ist
zu einer röhrenartigen Form aufgebaut und nimmt den Aktuator 11 auf.
Der Aktuatorkopf 112 ist lose und zumindest teilweise in
dem Aufnehmer 12 aufgenommen und überträgt
die Verschiebung des Aktuators 11 zu dem Druckbeaufschlagungskolben 14.
Die Membran 13 ist elastisch verformbar und verbindet zwischen
dem Aufnehmer 12 und dem Druckbeaufschlagungskolben 14 in
einer fluiddichten Weise.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 11-200981
A [0003]
- - JP 2005-533968 A [0004, 0005, 0006]
- - WO 2004/016939 A1 [0004]