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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoinjektor mit einem in einem Injektorgehäuse gelagerten Piezoelementstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem derartigen Piezoinjektor ausgerüstete Brennkraftmaschine.
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Aus der
DE 601 26 380 T2 ist ein gattungsgemäßer Piezoinjektor bekannt, umfassend ein Ventilelement, das zur Steuerung der Abgabe von Kraftstoff aus dem Injektor an einem Ventilsitz zur Anlage gelangen kann. Des Weiteren umfasst der Piezoinjektor eine Betätigungsorgan-Anordnung und eine hydraulische Verstärkungsanordnung zur Übertragung der Bewegung der Betätigungsorgan-Anordnung auf das Ventilelement, wobei die hydraulische Verstärkungsanordnung ein Kolbenelement und eine Steuerkammer für Fluid umfasst. Die Verstärkungsanordnung ist dabei derart ausgebildet, dass beim Aufbringen einer anfänglichen Rückstellkraft auf das Kolbenelement das Ventilelement veranlasst wird, sich aufgrund einer mechanischen Kopplung zwischen dem Ventilelement und dem Kolbenelement zusammen mit dem Kolbenelement weg von dem Ventilsitz zu bewegen, wobei die Bewegung des Ventilelementes im Anschluss an die anfängliche Bewegung des Ventilelements weg von dem Sitz von dem Koppelelement abgekoppelt wird, so dass eine weitere Bewegung des Ventilelementes mit Hilfe von Fluid innerhalb der Steuerkammer übertragen wird, wodurch die Verstärkungsanordnung eine veränderliche Verstärkung der Bewegung der Betätigungsorgan-Anordnung auf das Ventilelement bewirkt.
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Üblicherweise wird bei bekannten Piezoinjektoren eine Verbindung zwischen einem Piezoelementstapel und einer Ventilnadel mittels eines Verbindungselements hergestellt. Dabei wird auf das untere Ende des Piezoelementstapels ein metallisches Verbindungsstück geklebt, über welches eine Hülse gepresst wird, wobei diese Hülse innerhalb eines Düsenmoduls axial geführt wird. Im Inneren der Hülse erfolgen dabei die Kopplung der Bewegung des Piezoelementstapels und der Ventilnadel sowie eine hydraulische Wegübersetzung. Nachteilig beim bekannten Stand der Technik ist, dass insbesondere das Aufpressen der Hülse auf das metallische Verbindungsstück das Risiko einer Vorschädigung des Piezoelementstapels birgt, da hierbei unerwünschte Quer- und Biegekräfte in den Piezoelementstapel eingeleitet werden können. Durch auftretende Toleranzketten beim Montageprozess ist darüber hinaus eine 100% Axialität von Piezoelementstapel, Verbindungselement und Düsenmodul nicht herstellbar, was auch im Betrieb zur Einleitung von Quer- und Biegekräften führen kann. Durch das spielfreie Verpressen des Piezoelementstapels mit dem Verbindungselement und der über eine Kolbenanordnung damit verbundenen Ventilnadel ist die beim Öffnen und Schließen der Ventilnadel bewegte Masse vergleichsweise groß, wodurch die Öffnungs- und Schließbewegung schwerfällig und energieaufwändig ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Piezoinjektor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine schnelle Öffnungs- und Schließbewegung sowie eine hohe Lebensdauer auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Piezoinjektor eine Kopplung zwischen einem Piezoelementstapel und einer Ventilnadel momentenübertragungsfrei darzustellen, wodurch bei einer Ausdehnung bzw. Schrumpfung des Piezoelementstapels im Wesentlichen Axialkräfte auf die Ventilnadel übertragen werden können und dadurch ein Verklemmen bzw. Verbiegen durch Einleitung von Quer- oder Biegekräften zuverlässig ausgeschlossen werden kann. Der Piezoelementstapel ist dabei über ein Verbindungselement indirekt mit der Ventilnadel verbunden, wobei zwischen der Ventilnadel und dem Piezoelementstapel eine Kolbenanordnung vorgesehen ist, die zwei über eine dazwischen liegende Feder miteinander verbundene Kolben, nämlich einen ersten und einen zweiten Kolben, umfasst. Das Verbindungselement und damit der Piezoelementstapel sind dabei derart mit dem ersten Kolben der Kolbenanordnung gekoppelt, das im Wesentlichen eine obengenannte Übertragung von Axialkräften zwischen dem Piezoelementstapel und der Kolbenanordnung möglich ist, wobei der zweite Kolben direkt mit der Ventilnadel verbunden ist. Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Piezoinjektoren ist dadurch ein Koppler, das heißt eine Führungshülse, starr mit einem die Ventilnadel lagernden Düsenmodul verbunden und wird demzufolge bei einer Öffnungs- und Schließbewegung der Ventilnadel nicht mitbewegt, wodurch die bei der Öffnungs- und Schließbewegung zu bewegende Masse deutlich geringer ist, wodurch wiederum ein schnelleres Öffnen und Schließen der Ventilnadel bei gleichzeitig geringerem Energieeinsatz ermöglicht wird. Mit dem erfindungsgemäßen Piezoinjektor kann aufgrund der momentenfreien Kopplung zwischen dem Piezoelementstapel und dem ersten Kolben der Kolbenanordnung ein Verschleiß erhöhendes Einleiten von Quer- und Biegekräften die Kolbenanordnung zuverlässig vermieden werden, wodurch die Lebenserwartung eines derartigen Piezoinjektors deutlich höher ausfallen dürfte.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist die Verbindung zwischen dem Verbindungselement und der Kolbenanordnung, insbesondere dem ersten Kolben der Kolbenanordnung, als Kugelgelenk ausgebildet. Hierbei ist im ersten Kolben eine Quernut mit einem Hinterschnitt ausgebildet, so dass ein Kugelkopf des Verbindungselementes von der Seite aus eingeschoben werden kann. Eine derartige Ausbildung erleichtert insbesondere die Montage des erfindungsgemäßen Piezoinjektors, da zur Herbeiführung einer Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem ersten Kolben der Kolbenanordnung lediglich der am freien Ende des Verbindungselements angeordnete Kugelkopf von der Seite her in die Quernut des ersten Kolbens eingeschoben werden muss. Der Kugelkopf und ein lichter Querschnitt der Quernut sind dabei komplementär zueinander ausgebildet, wodurch eine Axialrichtung spielfreie Aufnahme des Kugelkopfes in der Quernut und damit eine axial spielfreie Übertragung von Kräften zwischen dem Piezoelementstapel und dem ersten Kolben der Kolbenanordnung ermöglicht wird. Durch das derart ausgebildete Kugelgelenk lassen sich zudem ein Axialversatz und insbesondere auch Winkelfehler ausgleichen, wodurch Fertigungstoleranzen deutlich einfacher kompensiert werden können.
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Zweckmäßig ist zwischen dem Führungselement, in welchem die beiden Kolben in Axialrichtung geführt sind und dem Piezoelementstapel eine Federeinrichtung, insbesondere eine Tellerfeder, zum Vorspannen des Piezoelementstapels angeordnet. Eine derartige Federeinrichtung ermöglicht ein stetiges unter Spannung halten des Piezoelementstapels, wodurch insbesondere ein die Öffnungs- und Schließbewegung der Ventilnadel negativ beeinflussendes Axialspiel zuverlässig reduziert, vorzugsweise sogar eliminiert werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen:
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1 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Piezoinjektors in einem Längsschnitt,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer alternativen Ausführungsform,
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3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoinjektors,
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4 eine schematische Ansicht von der Seite und von oben auf einen ersten Kolben einer Kolbenanordnung des erfindungsgemäßen Piezoinjektors.
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Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Piezoinjektor 1 einen in einem Injektorgehäuse 2 gelagerten Piezoelementstapel 3, der üblicherweise auch als Piezostack bezeichnet wird, auf. Der Piezoelementstapel 3 ist dabei überein Verbindungselement 4 indirekt mit einer Ventilnadel 5 verbunden. Erfindungsgemäß ist nun zwischen dieser Ventilnadel 5 und dem Piezoelementstapel 3 eine Kolbenanordnung 6 vorgesehen, die zwei über eine dazwischen liegende Feder 7 miteinander verbundene Kolben 8 und 9, nämlich einen ersten Kolben 8 und einen zweiten Kolben 9, aufweist. Das Verbindungselement 4 und damit der Piezoelementstapel 3 sind dabei derart mit dem ersten Kolben 8 der Kolbenanordnung 6 verbunden, das im Wesentlichen eine Übertragung von Axialkräften zwischen dem Piezoelementstapel 3 und der Kolbenanordnung 6 möglich ist, wobei der zweite Kolben 9 direkt mit der Ventilnadel 5 verbunden ist. Die den Verschleiß begünstigende Übertragung von Quer- und Biegekräften ist somit ausgeschlossen.
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Die beiden Kolben 8 und 9 der Kolbenanordnung 6 sind dabei in einem zylinderähnlichen Führungselement 10 geführt, wobei dieses mit einem Düsenmodul 11, in welchem die Ventilnadel 5 geführt ist, fest verbunden, insbesondere verpresst ist. Bei einer Öffnungs- und Schließbewegung der Ventilnadel 5 wird somit das Führungselement 10 nicht mehr bewegt, wie dies beispielsweise noch im Stand der Technik erforderlich war, wodurch im Vergleich zum Stand der Technik eine lediglich vergleichsweise geringe Masse bewegt werden muss, wodurch eine vergleichsweise schnelle Öffnungs- und Schließbewegung ermöglicht werden kann.
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Betrachtet man das Verbindungselement 4, so kann man erkennen, dass dieses stangenähnlich ausgebildet ist und an seinem freien Ende einen Kugelkopf 12 trägt, so dass die Verbindung zwischen dem Verbindungselement und der Kolbenanordnung 6 als Kugelgelenk ausgebildet ist. Im ersten Kolben 8 der Kolbenanordnung 6 ist dabei eine Quernut 13 (vgl. auch 4) mit einem Hinterschnitt ausgebildet, so dass der Kugelkopf 12 des Verbindungselementes 4 von der Seite aus in diese Quernut 13 eingeschoben werden kann. Der Kugelkopf 12 des Verbindungselementes 4 ist dabei axial spielfrei in der Quernut 13 des ersten Kolbens 8 gelagert.
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Zwischen dem Führungselement 10 und dem Piezoelementstapel 3 ist darüber hinaus eine Federeinrichtung 16, insbesondere eine Tellerfeder, zum Vorspannen des Piezoelementstapels 3 angeordnet, wodurch ebenfalls eine spielfreie Lagerung begünstigt wird. Darüber hinaus ist am ersten Kolben 8 zumindest ein Kolbenring 15, hier zwei Kolbenringe 15 und 15' angeordnet.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezoinjektors 1, bei dem am zweiten Kolben 9 darüber hinaus ein Hubverstärker 14 angeordnet ist, der mit der Ventilnadel 5 gekoppelt ist. Der Piezoelementstapel 3 ist in 3 mit einer Hülse 17 verbunden, insbesondere verklebt.
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Das Verbindungselement 4 ist üblicherweise aus Metall ausgebildet und ermöglicht neben einer spielfreien auch eine momentenfreie Übertragung von im Wesentlichen Axialkräften zwischen dem Piezoelementstapel 3 und der Ventilnadel 5. Die Feder 7, ermöglicht dabei zusätzlich eine Vorspannung des Piezoelementstapels 3 und dadurch eine spielfreie Lagerung. Durch die Tatsache, dass bei der Öffnungs- und Schließbewegung der Ventilnadel 5 keine Quer- und Biegekräfte von dem Piezoelementstapel 3 und der Ventilnadel 5 auftreten, können darüber hinaus Fertigungs- und insbesondere auch Montagetoleranzen leicht ausgeglichen werden. Darüber hinaus ist auch eine Kompensation von Winkelfehler möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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