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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit Servoventilsteuerung zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die
DE 10 2007 017 729 A1 ,
DE 10 2007 013 249 A1 und die
DE 10 2006 026 399 A1 zeigen jeweils Einspritzventile mit Servoventilsteuerung. Der Ventilkörper ist jeweils als Stufenkolben ausgebildet und weist auch einen hydraulischen Koppelraum am Übergang vom kleinen zum großen Durchmesser auf. Des Weiteren sind Führungen am großen bzw. kleinen Durchmesser vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2013 212 330 A1 ist ein Verfahren zum Paaren wenigstens zweier Injektoren für ein Direkteinspritzsystem eines Verbrennungsmotors bekannt. Beschrieben werden hier die Druckverhältnisse an einem Kopplerraum und die Leckageströme an einem Stufenkolben.
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Derartige Einspritzventile kommen typischerweise in Verbindung mit einem unter Hochdruck stehenden sogenannten Common-Rail-Systemen zum Einsatz.Verwendet wird hierbei oftmals ein Piezoelement als Aktor, wobei die Steuerung der Einspritzmenge solcher Common-Rail-Einspritzventile überwiegend indirekt über ein Servoventil gesteuert wird. Dies bedeutet, dass die Düsennadel nicht direkt mit der Bewegung des Piezoaktors gekoppelt ist, sondern dass der Piezoaktor seinerseits ein Servoventil betätigt. Die Zufuhr von Kraftstoff erfolgt typischerweise unter sehr hohem Druck über einen Hochdruckanschluss und eine Hochdruckleitung im Einspritzventilkörper durch eine Ventilplatte auf eine Drosselplatte. Ein Steuerraum ist über eine Zulaufdrossel mit der Hochdruckleitung verbunden. Darüber hinaus ist der Steuerraum über eine Ablaufdrossel mit einem Ventilraum verbunden. Im vorderen oder unteren Bereich, das ist der Bereich, der dem Brennraum zugewandt ist, weist die Einspritzdüse einen Düsenkörper und eine Düsennadel auf, wobei die Düsennadel mit einer Düsenfeder so vorgespannt ist, dass diese eine Schließkraft auf die Düsennadel ausübt. Da der Steuerraum über den Hochdruckanschluss mit dem Rail-System verbunden ist, herrscht im nicht betätigten Zustand im Steuerraum ein hoher Druck vor, der dem Druck im Rail-System entspricht (Rail-Druck). Hieraus resultiert eine zusätzliche hydraulische Kraftwirkung, welche die Düsennadel in Schließposition hält und somit die Öffnungen des Einspritzventils verschlossen sind.
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Wird der Piezoaktor betätigt, betätigt dieser das Servoventil. Dadurch kann Kraftstoff über die Ablaufdrossel den Steuerraum verlassen. Hierdurch wird der Druck im Steuerraum abgesenkt und nach Unterschreiten einer bestimmten Druckschwelle wird die Düsennadel geöffnet. Nach einem anschließenden Entladen des Piezoaktors schließt das Servoventil, der Steuerraum wird über eine Verbindung zum Hochdrucksystem erneut befüllt, sodass sich der Druck im Steuerraum wieder auf Rail Druck-Niveau aufbaut und die Düsennadel schließt. Dabei wird die Dynamik des Druckabfalls bzw. Druckaufbaus im Steuerraum sowie die Nadelgeschwindigkeit während der Nadelöffnungs- bzw. Nadelschließbewegung im Wesentlichen durch die Dimensionierung der Zu- und Ablaufdrossel bestimmt.
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Um einen stabilen Betrieb eines Common-Rail-Injektors mit Piezoaktor zu gewährleisten, ist eine nahezu spielfreie Kopplung zwischen Piezoaktor und dem Ventilkörper des Servoventils erforderlich. Hierzu ist eine sehr genau statische Temperaturkompensation der thermischen Längenänderung im Bereich der gesamten Antriebskette erforderlich, um die Änderung des Leerhubs des Piezoaktors in engen Grenzen zu halten. Hierfür ist der Piezoaktor üblicherweise von einer Invarhülse umgeben, die ein ähnliches Wärmeausdehnungsverhalten wie der Piezoaktor zeigt.
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Es ist jedoch erforderlich, dass ein kleiner definierter Leerhub des Servoventils vorhanden ist, also ein kleiner Zwischenraum zwischen dem Servoventilkörper und der Bodenplatte des Aktors besteht, da verhindert werden muss, dass bei nicht angesteuertem Piezoaktor das Servoventil offensteht. Umgekehrt ist ein zu groß eingestellter Leerhub nachteilig, da dadurch der erforderliche Piezoaktorhub im gleichen Maße erhöht wird und dies wiederum die dazu notwendige Ansteuerenergie entsprechend erhöht. Insgesamt erhöht dies die Anforderungen an die Konstanz der Genauigkeit des Systems auch über längere Zeiträume.
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Die Anwendung von Einspritzventilen im Motor liefert thermisch sehr komplexe Randbedingungen mit verschiedenen Wärmequellen und Wärmesenken. Im Bereich des Piezoaktors spielt die Eigenerwärmung in Folge elektrischer Verluste eine wesentliche Rolle. Im Bereich des Servoventils steht die Temperaturerhöhung in Folge des Entspannens des Kraftstoffes von Rail-Druck auf Umgebungsdruck eine signifikante Wärmequelle dar. Durch den Einbau des Injektors im Zylinderkopf eines Motors ergeben sich über verschiedene Kontaktstellen, etwa die Brennraumabdichtung und den Kontakt der Düsenspitze zu den Verbrennungsgasen entsprechende Wärmeströme. Eine ebenfalls zu berücksichtigende Einflussgröße auf den Leerhub stellt die Verpratzungskraft im Zylinderkopf dar. Diese ist auch mit großer Toleranz behaftet.
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Im statischen Injektorbetrieb können die resultierenden Wärmedehnungen durch geeignete Materialwahl und Geometrie weitgehend kompensiert werden. Im dynamischen Motorbetrieb ergibt sich in Folge instationärer, inhomogener Temperaturverteilung in den Bauteilen eine zusätzliche Einflussgröße auf den Leerhub des Piezoaktors. Desweiteren verändert sich der Leerhub im Injektorbetrieb durch Längenänderung des Piezoaktors in Folge von Polarisationsänderungen und Verschleiß.
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Thermisch bedingte Längenänderungen können über eine geeignete Verwendung verschiedener Materialen weitgehend kompensiert werden. Ein Beispiel ist die bereits genannte Verwendung von Aktorgehäusen aus Invar, da Invar ein im Wesentlichen gleiches Temperaturausdehnungsverhalten wie die Piezokeramik besitzt. Letztlich stellt dies jedoch nur eine Grundkompensation dar.
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Leerhubveränderungen in Folge von Verschleiß bzw. Änderung des Polarisierungszustandes werden nicht erfasst.
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Zur Lösung dieses Problems existieren Piezo-Common-Rail Einspritzdüsen, die einen hydraulischen Koppler, bestehend aus einem Zylinder mit einem Antriebskolben auf der Aktorseite und einem Abtriebskolben auf der Ventilseite verwenden. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass sich dieser hydraulische Koppler im Niederdruckbereich befindet. Um einen solchen Koppler jedoch funktionsfähig zu halten, ist ein bestimmtes Druckniveau, meist etwa 10 bar zu gewährleisten. Im Stand der Technik wird dies mit einem Druckhalteventil erreicht.
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Die zunehmende Verwendung niedrig siedender Kraftstoffkomponenten, etwa durch Zumischung von Alkohol zum Kraftstoff, gefährdet auch die Funktionsfähigkeit entsprechender hydraulischer Koppelelemente im Niederdruckbereich und stellt somit ein erhebliches Funktionsrisiko für derartige Konzepte dar.
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Aus der
EP 1 389 274 A1 ist darüber hinaus ein direkt betätigtes Einspritzventil mit einem hydraulischen Koppler bekannt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der Aktor nicht ausreichend von der Düsennadel entkoppelt ist, was die Kompensation von Verschleiß ebenfalls erschwert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die oben genannten Probleme der Einspritzventile nach dem Stand der Technik zu vermeiden und ein Einspritzventil mit Servoventilsteuerung zu Verfügung zu stellen, welches zum einen den Aktor ausreichend von der Düsennadel entkoppelt, zum anderen aber die durch Temperaturschwankungen und Verschleiß von Bauteilen auftretenden Längenänderungen während des Betriebs des Einspritzventils kompensiert.
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Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst und durch die Lehre der abhängigen Ansprüche weiter erläutert.
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So stellt die Erfindung ein Einspritzventil mit Servoventilsteuerung zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors zur Verfügung, wobei das Einspritzventil einen Injektorkörper mit einer Einspritzdüse aufweist, die wiederum ein Düsenmodul mit einem Düsenkörper und einer Düsennadel enthält, wobei das Düsenmodul in der unteren, dem Brennraum zugewandten Seite des Injektorkörpers angeordnet ist. Die Düsennadel korrespondiert mit einer Düsenfeder derartig, dass sie eine Schließkraft auf die Düsennadel ausübt. Das Einspritzventil ist darüber hinaus an eine Hochdruckleitung angeschlossen, über die es mit dem Hochdruckkraftstoffsystem (Common-Rail) verbunden ist. An einer anderen Stelle ist die Hochdruckleitung über eine Zulaufleitung mit einem Steuerraum verbunden, wobei der Steuerraum über einen Fluiddurchlass wiederum mit dem Ventilraum verbunden ist. Vorteilhafterweise ist darüber hinaus noch eine Düsenblende vorhanden, die das Schließen der Düsennadel hydraulisch unterstützen kann.
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Im Ventilraum selbst ist ein Ventilkörper angeordnet, der mit einer Ventilfeder zusammenwirkt, welche den Ventilkörper von einer Drosselplatte abdrückt. Der Ventilkörper selbst steht im geschlossenen Zustand des Einspritzventils mit dem Aktor in Kontakt, vorzugsweise mit einem Piezoaktor, der von einer Wellenfeder vorgespannt ist.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist nun mehr der Ventilkörper als Stufenkolben ausgebildet mit einem Bereich größeren Durchmessers und einem Bereich kleineren Durchmessers. Der Ventilkörper ist in der Ventilplatte geführt. Im Übergangsbereich von dem großen Durchmesser des Ventilkörpers zum kleinen Durchmesser des Ventilkörpers ist ein hydraulischer Koppelraum ausgebildet, welcher vom Ventilkörper und der Ventilplatte festgelegt ist. Zwischen dem kleineren Durchmesser des Ventilkörpers und der Ventilplatte ist eine erste Führung ausgebildet und zwischen dem großen Durchmesser des Ventilkörpers und der Ventilplatte ist eine zweite Führung ausgebildet, die derart ausgebildet sind, dass sie im geschlossenen Zustand des Injektors im Koppelraum ein gegenüber Raildruck leicht abgesenkter Druck herrscht, welcher durch eine erste kleine Dauerleckage im Bereich der ersten Führung des kleinen Durchmessers des Ventilkörpers bedingt ist, welche Dauerleckage über die zweite Führung im Bereich des großen Durchmessers dem Koppelraum zugeführt wird. Desweiteren ist eine Ablaufdrossel im Ventilkörper ausgebildet zur Verbindung des Ventilraumes mit einem Niederdruckbereich. Damit wirkt das System aus Stufenkolben mit den jeweiligen Dauerleckagen in den Führungen und dem Koppelvolumen als hydraulischer Koppler. Durch die Ausbildung der Ablaufdrossel im Ventilkörper lässt sich ein sehr kleines Volumen zwischen dem Ventilsitz und der Ablaufdrossel realisieren. Dies bringt Vorteile hinsichtlich der Darstellung kleiner hydraulischer Spritzabstände bei Mehrfacheinspritzung.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Einspritzventil derart ausgebildet, dass es bei hochdynamischen Bewegungen des Injektors nahezu keine Dauerleckage in den Führungen auftritt, sodass die Führungen nahezu dicht sind. Somit ergibt sich für hochdynamische Bewegungen, wie dies in Piezobewegungen dargestellt ist, dass die Dichtspalten nahezu dicht sind und folglich der Koppler sehr steif ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Aktor gestapelte Piezoelemente (Piezostack) auf und ist vorzugsweise als vollaktiver Piezostack ausgebildet, der im Allgemeinen weniger zur Rissbildung im Inneren der Piezostapelfolge neigt, da im Unterschied zu einem nicht vollaktiven Stack nicht nur Teile seiner jeweiligen piezoelektrischen Schichten von Elektrodenmaterial bedeckt sind, sondern die Bedeckung ganzflächig ist und die Kontaktierung in der Piezostapelfolge abwechselnd randseitig von der Stapelseite erfolgt. Die jeweils anderspolig zu kontaktierenden Schichten sind auf dieser Kontaktseite jeweils abwechselnd randseitig isoliert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Hochdruck-Kraftstoffleitung über eine Düsenblende mit dem Inneren des Düsenkörpers verbunden sein. Auf diese Weise ist eine bessere hydraulische Steuerung des Einspritzventils gewährleistet.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Führungen zwischen dem Ventilkörper und der Ventilplatte jeweils mit einem Dichtspalt von ca. 1 bis 3 µm ausgebildet sind. Für das Koppelvolumen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn es eine definierte Kammerhöhe aufweist. Die vorstehenden Kriterien gewähren eine besonders geeignete Funktionsweise des Einspritzventils. Bei hochdynamischen Bewegungen, wie dies die Piezobewegung darstellt, sind die Dichtspalte nahezu dicht und somit der Koppler sehr steif.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform öffnet die Düsennadel des Einspritzventils vorzugsweise nach innen, insbesondere in Dieselanwendungen, da dort die Drücke des Kraftstoffes sehr hoch sind und dadurch eine hohe Dichtkraft am Dichtsitz des Einspritzventils wirkt. Bei einer anderen, dem Fachmann geläufigen Umkehr des Kraftstoffflusses, kann aber ebenso ein nach außen öffnendes Ventil mit der Erfindung realisiert werden, insbesondere bei Benzininjektoren.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Aktor von einer Wellenfeder vorgespannt und gleichzeitig durch diese abgedichtet. Hierdurch wird zum einen der Piezoaktor stabilisiert, zum anderen wird er zusätzlich geschützt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch den unteren Teil eines erfindungsgemäßen Einspritzventils;
- 2 einen Detailausschnitt A aus 1; und
- 3 eine Detailzeichnung des Ventilraums im Längsschnitt.
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1 zeigt den wesentlichen Teil eines erfindungsgemäßen Einspritzventils, welches sich im Wesentlichen innerhalb eines Injektorkörpers 10 befindet. Man erkennt im rechten Bereich der 1 eine Hochdruckleitung 20, die im oberen Bereich des Einspritzventils - hier nicht gezeigt - mittels eines Hochdruckanschlusses an ein Hochdruck-Kraftstoffsystem -Common Rail - angeschlossen ist. In 1 links neben der Hochdruckkraftstoffleitung 20 ist ein von einer Wellenfeder 30 umgebener Aktor 40 gezeigt, der über eine Aktorkopfplatte 50 mit dem Injektorkörper 10 verbunden ist. Der Aktor 40 besteht vorzugsweise aus einem Piezostapel. Es können aber auch andere Materialien, etwa ein magnetostriktives Material, verwendet werden. Über eine Bodenplatte 60 des Aktors 40 ist diese mit einem in einer Ventilplatte 70 angeordneten Ventilkörper 80 in Kontakt bringbar und wirkt unmittelbar auf diesen. Die Hochdruckkraftstoffleitung 20 verläuft ebenfalls durch die Ventilplatte 70 und mündet dort in eine Drosselplatte 90 im Bereich einer Zulaufdrossel 100 und einer Düsenblende 110.
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Im unteren, dem Verbrennungsraum zugewandten Teil des Injektorkörpers 10, findet sich ein Düsenmodul 120, welches sich aus einem Düsenkörper 130, einer Düsennadel 140 und einer Düsenfeder 150 zusammensetzt.
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2 zeigt den Detaillschnitt A, nämlich den Bereich der Drosselplatte 90 detaillierter. Über die Hochdruckleitung 20 tritt der Kraftstoff ins System ein und gelangt über die Zulaufdrossel 100 in einen Steuerraum 160. Parallel dazu gelangt Kraftstoff über die Düsenblende 110 in den inneren Bereich des Düsenmoduls 120 am Steuerraum 160 vorbei.
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Der Steuerraum 160 ist wiederum mit einem Fluiddurchlass 170 in Verbindung, der zur Ventilplatte 70 führt. An den Fluiddurchlass 170 schließt sich, in der Ventilplatte 70 vorgesehen, ein Ventilraum 180 an, welcher in 3 genauer zu sehen ist.
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Im unteren Bereich der 3 befindet sich die Drosselplatte 90, an die sich der Ventilraum 180, der in der Ventilplatte 70 gebildet ist, anschließt. Im Ventilraum 180 befindet sich der Ventilkörper 80, der in seinem unteren Bereich von einer Ventilfeder (nicht gezeigt) beaufschlagt ist, die eine nach oben wirkende Kraft auf den Ventilkörper 80 ausübt, sodass das Servoventil auch im drucklosen Zustand sicher geschlossen ist. Die Federkraft kann dabei sehr klein sein, da im Betrieb des Einspritzventils die wesentliche Schließkraft für das Servoventil aus dem Druck im Steuerraum 160 und Ventilraum 170 resultiert. Der Ventilkörper 80 ist als Stufenkolben ausgebildet, mit einem Bereich größeren Durchmessers 190 und einem Bereich kleineren Durchmessers 200. Der Ventilkörper 80 ist derart in die Ventilplatte 70 eingebracht, dass eine erste Führung 210 ausgebildet ist zwischen dem kleineren Durchmesser 200 des Ventilkörpers 80 und der Ventilplatte 70 und einer zweite Führung 220 ausgebildet ist, zwischen dem größeren Durchmesser 190 des Ventilkörpers 80 und der Ventilplatte 70. Auf der dem Aktor 40 abgewandten Seite begrenzt der Ventilkörper 80 mit der Ventilplatte 70 und der Drosselplatte 90 den Ventilraum 180. Im Ventilkörper 80 ist eine zentrale Bohrung 230 ausgebildet, die im Bereich des kleineren Durchmessers 200 des Ventilkörpers 80 über eine Ablaufdrossel 240 den Ventilraum 180 mit einem Niederdruckbereich verbindet.
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In einem Übergangsbereich von dem großen Durchmesser 190 des Ventilkörpers 80 zu dem kleinen Durchmesser 200 des Ventilkörpers 80 ist ein Volumen, ein Koppelvolumen 250 ausgebildet. Das Koppelvolumen 250 ist von dem Ventilkörper 80 und der Ventilplatte 90 definiert. Das Koppelvolumen 250 weist eine definierte Kammerhöhe 280 auf.
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Die erste Führung 210 und die zweite Führung 220 zwischen dem Ventilkörper 80 und der Ventilplatte 70 sind derart ausgebildet, dass unter bestimmten, weiter unten definierten Bedingungen, Leckagen realisiert sind. Somit wird die aus dem Stand der Technik bekannte, leerhubbehaftete mechanische Kopplung zwischen dem Piezoaktorhub und der Servoventilbewegung durch eine hydraulische Kopplung mit einem, in das Servoventil integrierten Spielausgleich ersetzt. Anders als im Stand der Technik bekannt, herrscht in dem im Servoventilkörper 80 integrierten Spielausgleich Hochdruck, also der Raildruck, sodass die eingangs erwähnten Siedeprobleme nicht auftreten können.
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Die Funktion ist im Detail die Folgende:
- Der Piezoaktor 40, welcher vorzugsweise als vollaktiver Piezostack ausgeführt ist, ist in den Injektorkörper 10 so integriert, dass er sich nach oben direkt im Injektorkörper 10 abstützt. Der Piezoaktor 40 wird durch die Wellenfeder 30 gegen die kraftstoffführenden Bereiche im Einspritzventil abgedichtet, wobei die Wellenfeder 30 gleichzeitig für die Vorspannung des Aktors 40 sorgt. Anders als nach dem Stand der Technik ist somit nicht der gesamte Aktorraum gegenüber dem Kraftstoff abgedichtet, sondern nur der Bereich des Aktors 40 selbst. Dies ist möglich, da auf die Verwendung einer Invar-Hülse zum Temperaturausgleich verzichtet werden kann. Im Ergebnis vergrößert sich das Niederdruckvolumen im Bereich des Aktors 40 um mindestens eine Größenordnung, weshalb sich die Druckpulse, welche beim Öffnen des Servoventils generiert werden, in ähnlichem Ausmaß reduzieren.
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Der Hub des Piezoaktors 40 wird auf den Ventilkörper 80 übertragen. Der Ventilkörper 80 ist, wie vorstehend erwähnt, als Stufenkolben ausgeführt. Beide Kolbendurchmesser 190, 200 sind mit einem engen Paarungsspiel von ca. 1 bis 3 µm in der Ventilplatte 70 eingefügt. Der hydraulische Koppelraum 250 ergibt sich zwischen dem kleineren Durchmesser 190 des Ventilkörpers 80 und dem größeren Durchmesser 200 des Ventilkörpers 80 über eine definierte Kammerhöhe 280, der durch den Ventilkörper 80 und die Ventilplatte 70 begrenzt ist.
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Im geschlossenen Zustand stützt sich der Ventilkörper 80 über die Bodenplatte 60 am Aktor 40 ab, da der Ventilkörper 80 über den Druck im Ventilraum 180 in Richtung des Aktors 80 beaufschlagt wird. Im Koppelraum 250 herrscht ein gegenüber dem Raildruck leicht abgesenkter Druck, da über das Paarungsspiel im kleineren Durchmesser 200 des Ventilkörpers 80 sich eine kleine erste Dauerleckage 260 ergibt. Diese erste Dauerleckage 260 muss über das Paarungsspiel am größeren Durchmesser 190 des Ventilkörpers 80 zugeführt werden. Hierzu ist eine bestimmte Druckdifferenz erforderlich. Bewegungen des Ventilkörpers 80 mit sehr geringer Dynamik, wie zum Beispiel Temperaturausdehnung und Verschleiß, können durch Änderung der Kammerhöhe 280 ausgeglichen werden. Für hochdynamische Bewegungen, wie dies die Piezobewegung darstellt, sind die Führungen 210, 220 nahezu dicht und folglich der Koppler sehr steif.
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Um das Servoventil zu öffnen, ist bei diesem Konzept der Aktor vom beladenen Zustand aus zu entladen, das heißt der Aktor 40 wird invers betrieben. Durch das Entladen verkürzt sich der Aktor 80, die Bodenplatte 60 hebt vom Ventilkörper 80 ab und das Servoventil wird folglich geöffnet. Es fießt ein definierter Volumenstrom aus dem Ventilraum 180 über die im Ventilkörper 80 ausgebildete Ablaufdrossel 240 ab. Der Druck im Ventilraum 180 sinkt ab. Durch den Druckabfalls im Ventilraum 180 fließt über die Fluidverbindung 170 Kraftstoff aus dem Steuerraum 160 in den Ventilraum 180. Da durch die Zulaufdrossel 100 weniger Kraftstoff nachfließt als durch die Ablaufdrossel 170 abfließt, sinkt der Druck im Steuerraum 160 ab. Dadurch vermindert sich die auf die Düsennadel 140 wirkende hydraulische Schließkraft. Nach Unterschreiten einer bestimmten Druckschwelle öffnet die Düsennadel 140 und die Einspritzung beginnt.
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Die Bewegung der Düsennadel 140 wird im Wesentlichen durch die Abstimmung der Durchflüsse der Zu- und Ablaufdrossel 100, 240 festgelegt. Zum Schließen des Servoventils wird der Piezoaktor 40 wieder geladen. Nach Erreichen des Ausgangsladezustandes wird der Kontakt zwischen Aktorbodenplatte 60 und Ventilkörper 80 wieder hergestellt und somit das Servoventil wieder geschlossen. Im Steuerraum 160 und im Ventilraum 180 baut sich der Druck wieder auf Raildruckniveau auf und die Düsennadel 140 schließt wieder.
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Das beschriebene Beispiel zeigt ein nach innen öffnendes Einspritzventil. Selbstverständlich ist bei entsprechender Kraftumkehr auch die Verwendung eines nach außen öffnenden Ventils von der Erfindung umfasst.
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Um das Injektorverhalten bei Mehrfacheinspritzung möglichst stabil zu halten, soll sich der Koppelraum 250 während der Öffnungsdauer des Servoventils möglichst wenig verändern. Bei dem vorstehend beschriebenen Kopplungskonzept ergibt sich ein vorteilhaftes Verhalten dadurch, dass die Paarungsspiele am kleinen Durchmesser 200 und am großen Durchmesser 190 des Ventilkörpers 80 im geöffneten Zustand des Servoventils kleiner sind als im geschlossenen Zustand des Servoventils. Dies resultiert daher, dass bei geschlossenem Servoventil im Ventilraum 180 Raildruck herrscht, bei geöffnetem Servoventil je nach Abstimmung der Zu- und Ablaufdrossel 100, 240 der Ventilraumdruck auf ungefähr halben Raildruck absinkt. Die Aufweitung der Paarungsspiele verhält sich etwa linear zum Druck im Venitlraum 180, das heißt im geöffneten Zustand des Servoventils sind die Dichtspalte am Ventilkörper 80 dichter als im geschlossenen Zustand. Damit ergibt sich ein schnelles Regenerationsverhalten der Kopplerfunktion.
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Da die Ablaufdrossel 240 in dem Ventilkörper 80 integriert ist, lässt sich ein sehr kleines Volumen zwischen dem Ventilsitz und der Ablaufdrossel 240 realisieren. Dies bringt Vorteile hinsichtlich der Darstellung kleiner hydraulischer Spritzabstände bei Mehrfacheinspritzung.
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Im Ergebnis wird mit dem erfindungsgemäßen Einspritzventil die als problematische, aus dem Stand der Technik bekannte leerhubbehaftete mechanische Kopplung des Piezoaktors mit dem Servoventilkörper durch eine hydraulische Kopplung in einem in das Servoventil integrierten Spielausgleich ersetzt. Dadurch wird der Ausgleich von Längenänderungen in Form von Temperatureffekten, Verschleiß an den Kontaktstellen im Antrieb verbessert, ebenso wie der Ausgleich von Längenänderungen des Piezoaktors selbst, etwa in Folge von Änderungen des Polarisationszustandes. Die Reduktion der Druckpulse im Aktorraum und damit die Verringerung der Störeffekte auf das Sensorsignal des Piezoaktors wird unter anderem durch die Vergrößerung des Niederdruckbereichs erreicht. Im Bereich der - nicht gezeigten - elektrischen Kontaktierung im oberen Bereich des Einspritzventils können Schwingungen reduziert werden, wenn die Piezokopfplatte im Injektorkörper steif anliegt. Durch diese Kopplung, die auch für leichter siedende Kraftstoffe korrekt arbeitet, entfällt der aufwendige Einstellprozess für den Leerhub bei der Injektormontage. Gleichzeitig werden Kavitationseffekte in hochdruckbelasteten Bereichen eliminiert und somit die Hochdruckfähigkeit verbessert. Desweitern minimiert sich das Volumen stromabwärts der Ablaufdrossel und damit wird eine Reduzierung der erzielbaren minimalen Spritzabstände bei Mehrfacheinspritzung erreicht. Im Betrieb verringert sich die Ansteuerenergie für den Piezoaktor, der Leerhub entfällt. Durch die gesteigerte Genauigkeit können die Einspritzmengenstreuung in Abhängigkeit der Verpratzungskraft im Zylinderkopf reduziert werden sowie die Einspritzmengenstabilität im dynamischen Motorbetrieb verbessert werden. Überdies erfolgt eine Rückkopplung des Steuerraumdruckes auf den Piezoaktor zur Ableitung von Sensorsignalen, welche zur Regelung der Einspritzmengen dienen können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Injektorkörper
- 20
- Hochdruckleitung
- 30
- Wellenfeder
- 40
- Aktor
- 50
- Aktorkopfplatte
- 60
- Bodenplatte
- 70
- Ventilplatte
- 80
- Ventilkörper
- 90
- Drosselplatte
- 100
- Zulaufdrossel
- 110
- Düsenblende
- 120
- Düsenmodul
- 130
- Düsenkörper
- 140
- Düsennadel
- 150
- Düsenfeder
- 160
- Steuerraum
- 170
- Fluiddurchlass
- 180
- Ventilraum
- 190
- größerer Durchmesser des Ventilkörpers 80
- 200
- kleinerer Durchmesser des Ventilkörpers 80
- 210
- erste Führung
- 220
- zweite Führung
- 230
- zentrale Bohrung im Ventilkörper 80
- 240
- Ablaufdrossel
- 250
- Koppelraum
- 260
- erste Dauerleckage
- 280
- Kammerhöhe
