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Die Erfindung betrifft ein Einspritzmodul.
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Je nach Ausführungsform eines Einspritzmoduls
ist ein beweglicher Einsatz vorgesehen, der beispielsweise dazu
verwendet wird, um eine Auslenkung eines Aktors auf eine Einspritznadel
eines Einspritzventils zu übertragen.
Werden piezoelektrische Aktoren verwendet, so ist eine präzise Justierung
des beweglichen Einsatzes in Bezug auf ein Stellglied erforderlich.
Das ist notwendig, da piezoelektrische Aktoren zum einen nur einen
geringen Bewegungshub realisieren können und zum anderen aufgrund
von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
dem Einspritzventilgehäuse
und dem piezoelektrischen Aktor ein definierter Leerhub zwischen
dem piezoelektrischen Aktor und einem anzusteuernden Stellglied
eingehalten werden muss.
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Dieser definierte Leerhub muss beim
Ansteuern durch das Aktorelement zunächst überwunden werden, bevor der
Zustand des Einspritzventils geändert
werden kann. Dies hat den Nachteil, dass höhere Ansteuerspannungen und/oder
relativ große piezoelektrische
Aktorelemente notwendig sind, um den notwendigen Stellweg zum Ansteuern
des Einspritzventils zur Verfügung
zu stellen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Einspritzmodul zur Verfügung zu stellen, bei dem die
Größe des definierten
Leerhubes reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch das Einspritzventil nach
Anspruch 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. Erfindungsgemäß ist ein Einspritzmodul
mit einem Gehäuse
vorgesehen, in dem ein Aktorelement und ein Einspritzventil angeordnet
ist. Das Aktorelement ist so gestaltet, um das Einspritzventil durch eine
Längenänderung
zu steuern. Mit dem Aktorelement ist ein Ausgleichselement verbunden,
um die negativen Einflüsse
durch die Längenänderung
des Gehäuses
aufgrund thermischer Ausdehnung zu kompensieren.
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Dieses Ausgleichselement weist eine
eigene thermische Ausdehnung auf, die sich zu der thermischen Ausdehnung
des Aktorelementes addiert. Auf diese Weise lässt sich die thermische Ausdehnung des
Ausgleichselements und des Aktorelements präzise einstellen. Durch Anpassen
der gemeinsamen thermischen Ausdehnung von Aktorelement und Ausgleichselement
an die thermische Ausdehnung des Gehäuses entfällt die Notwendigkeit, einen
definierten Leerhub zwischen Aktorelement und dem anzusteuernden
Stellglied einzuhalten. Dadurch ist es möglich, kleinere Aktorelemente
vorzusehen, da der notwendige Stellhub des Aktorelements reduziert werden
kann. Alternativ kann die Ansteuerspannung des Aktorelements zum
Steuern des Einspritzventils reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist das Ausgleichselement an einem Haltepunkt so gehaltert,
so dass die thermische Ausdehnung des Gehäuses zwischen dem Haltepunkt
und dem Einspritzventil im Wesentlichen der gemeinsamen thermischen
Ausdehnung von Aktorelement und Ausgleichselement entspricht. In
diesem Fall ist das Aktorelement nicht unmittelbar an dem Gehäuse sondern über das
Ausgleichselement mit dem Gehäuse
verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann
vorgesehen sein, dass an dem Ausgleichselement ein Wärmeleitelement
angeordnet ist, um einen Wärmeausgleich
zwischen dem Ausgleichselement und dem Gehäuse zu bewirken. Das Wärmeleitelement
hat die Funktion, einem Temperaturunterschied zwischen dem Gehäuse und
dem Ausgleichs- bzw. Aktorelement entgegenzuwirken. Es ermöglicht einen
schnelleren Temperaturausgleich zwischen den verschiedenen Elementen.
Dies ist notwendig, da die thermischen Ausdehnungen des Gehäuses und
des Ausgleichselements und dem Aktorelement aufeinander abgestimmt
sein müssen,
wenn sie die gleiche Temperatur aufweisen. Insbesondere in der Startphase
des Motors haben die Bauelemente des Einspritzmoduls unterschiedliche
Temperaturen, da eine Erwärmung
von außen
stattfindet. Das Vorsehen des Wärmeleitelements
hat damit den Vorteil, einen schnelleren Temperaturausgleich zwischen
dem Äußeren, d.h.
dem Gehäuse,
und dem Inneren des Einspritzmoduls, d.h. dem Ausgleichselement
und dem Aktorelement, zu bewirken.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass
das Wärmeleitelement
sowohl in Kontakt mit dem Gehäuse als
auch in Kontakt mit dem Ausgleichselement steht. Dies hat den Vorteil,
dass durch den direkten Kontakt eine bessere Wärmeübertragung über das Wärmeleitelement möglich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Wärmeleitelement
als eine Hülse,
vorzugsweise eine Metallhülse,
aus einem gut wärmeleitfähigen Material,
das insbesondere Kupfer, Messing, Silber o.a. aufweist, ausgebildet
ist. Die Hülse
kann um das Ausgleichselement angeordnet sein und ist somit bei
der Montage einfach durch Aufschieben auf ein zylindrisches Ausgleichselement
zu montieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass die
Hülse Längsschlitze
aufweist, wobei die durch die Längsschlitze
gebildeten Stege gewölbt
sind. Die Stege ermöglichen
ein Einspannen der Hülse
zwischen dem Gehäuse
und dem Ausgleichselement, wobei es keine Rolle spielt, ob die Stege
nach innen oder nach außen
gewölbt
sind. Sind die Stege nach innen gewölbt, so liegen sie an dem Ausgleichselement
an und pressen die Ränder
der Hülse
an eine Innenwand des Gehäuses.
Sind die Stege nach außen
gewölbt,
so liegen diese an der Innenwand des Gehäuses an und die Ränder der
Hülse befinden
sich in Kontakt mit dem Ausgleichselement.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Einspritzmodul gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des Ausgleichselements gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 eine
mögliche
Ausführung
eines Wärmeelements.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch ein Einspritzmodul mit einem Gehäuse 1,
in das ein Aktorelement 2 eingebracht ist. Das Gehäuse 1 ist
mit einer Spannmutter 3 verschraubt. Die Spannmutter 3 spannt
einen Düsenkörper 4 und
eine Ventilplatte 5 in das Gehäuse 1. Dabei liegt
der Düsenkörper 4 mit
einer oberen Endfläche
an einer unteren Endfläche
der Ventilplatte 5 an. Die Ventilplatte 5 wiederum
liegt mit einer oberen Endfläche
an einer unteren Endfläche des
Gehäuses 1 an.
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Das Aktorelement 2 befindet
sich zwischen einer Bodenplatte 7 und einem Ausgleichselement 6. Um
das Aktorelement 2 ist eine Federhülse angeordnet, um das Aktorelement 2 vorzuspannen.
Die Bodenplatte 7, ist gegenüber dem Gehäuse 1 beweglich angeordnet.
Die Bodenplatte 7 weist einen Steuerdorn 16 auf,
der einem Stiftteil 23 eines Schließgliedes 8 zugeordnet
ist. Das Schließglied 8 ist
in einer Ablauföffnung 17 der
Ventilplatte 5 angeordnet. Die Ablauföffnung 17 ist im Wesentlichen
zylindrisch ausgebildet und verjüngt
sich im oberen Bereich in einer konischen Form. Der konische Bereich
der Ablauföffnung 17 stellt
einen Dichtsitz für
das Schließglied 8 dar.
Das Schließglied 8 ist
im Wesentlichen zylinderförmig
ausgebildet und verjüngt
sich ebenfalls im oberen Bereich über eine konische Form in das
Stiftteil 23. Die Ablauföffnung 17 steht über eine
Zulaufbohrung 18, die in die Führungsplatte 11 eingebracht ist,
mit einem Zulaufkanal 10 in Verbindung, der im
Gehäuse 1 geführt ist
und einen Kraftstoffanschluss darstellt.
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Zwischen der Zulaufbohrung 18 und
der Ablauföffnung 17 ist
eine Zulaufdrossel 19 angeordnet. Die Ablauföffnung 17 steht
mit einer Steuerkammer 20 in hydraulischer Verbindung,
die in der Führungsplatte 11 eingebracht
ist und von einem beweglich gelagerten Steuerkolben 21 begrenzt
ist. Der Steuerkolben 21 steht in Wirkverbindung mit einer
Ventilnadel 12, deren Spitze eine Einspritzöffnung 14 zugeordnet
ist. Um die Einspritzöffnung 14 ist
ein Dichtsitz für
die Spitze der Ventilnadel 12 ausgebildet. Zwischen der
Ventilnadel 14 und dem Düsenkörper 4 ist ein Kraftstoffraum 13 ausgebildet,
der ebenfalls mit dem Zulaufkanal 10 in Verbindung steht.
Dazu sind entsprechende Kraftfstoffbohrungen im Düsenkörper 4,
in der Führungsplatte 11 und
in der Ventilplatte 5 eingebracht.
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Das Aktorelement 2 ist vorzugsweise
als piezoelektrischer Aktor ausgebildet und wird über Steuerleitungen 30,
die über
einen Steuerleitungskanal 31 dem Aktorelement 2 zugeführt werden,
angesteuert. Das Ausgleichselement 6 ist dazu im Wesentlichen
parallel zu seiner Längsachse
mit einer Bohrung versehen, wodurch die Steuerleitungen 30 geführt werden.
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Das Einspritzventil funktioniert
in folgender Weise im nicht angesteuerten Zustand des Aktorelements 2 wirkt
der Steuerdorn 16 nicht auf den Stiftteil des Schließgliedes 8 ein.
Der Zulaufkanal 10 steht mit einem Kraftstoffreservoir
in Verbindung, das Kraftstoff mit einem hohen Druck bereithält. Folglich befindet
sich im Kraftstoff mit hohem Druck im Kraftstoffraum 13,
der Steuerkammer 20 und der Ablauföffnung 17. Durch den
hohen Kraftstoffdruck ist das Schließglied 8 in den zugeordneten
Dichtsitz gedrückt
und verschließt
die Ablauföffnung 17.
Gleichzeitig wird die Ventilnadel 12 durch den hohen Kraftstoffdruck,
der in der Steuerkammer 20 herrscht, über den Steuerkolben 21 nach
unten auf den Dichtsitz der Einspritzöffnung 14 gedrückt. Folglich
ist die Einspritzöffnung 14 verschlossen
und es erfolgt keine Einspritzung.
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Wird nun das Aktorelement 2 angesteuert, d.h.
bestromt, so dehnt sich das Aktorelement 2 aus und drückt dabei
die Bodenplatte 7 nach unten und damit den Steuerdorn 16 gegen
das Stiftteil 23 des Schließgliedes B. Als Folge davon
wird das Schließglied 8 vom
zugeordneten Dichtsitz abgehoben. Folglich wird die Ablauföffnung 17 geöffnet, und
es fließt
Kraftstoff aus der Steuerkammer 20 ab. Somit sinkt der
Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 20, da über die
Zulaufdrossel 19 weniger Kraftstoff zufließt als über die
Ablauföffnung 17 abfließt. Da die
Ventilnadel 12 eine Druckschulter 15 im Bereich
des Kraftstoffraums 13 aufweist, hebt der im Kraftstoffraum 13 vorherrschende
hohe Kraftstoffdruck die Ventilnadel 12 vom Dichtsitz der
Einspritzöffnung 14 ab.
Somit wird die Einspritzöffnung 14 geöffnet und
der Kraftstoff von dem Kraftstoffraum 13 über die
Einspritzöffnung 14 abgegeben. Üblicherweise
ist zwischen dem Steuerdorn 16 und dem Schließglied 8 eine
Leerhubstrecke vorgesehen, wenn das Aktorelement 2 nicht angesteuert
ist. Die Leerhubstrecke dient dazu, thermische Ausdehnungen zwischen
Gehäuse
und Aktorelement aufzunehmen, ohne dass eine Ansteuerung des Steuerdorns 16 erfolgt.
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Das Ausgleichselement 6 ist
mit seinem dem Aktorelement 2 abgewandten Ende über eine Klemmschraube 32 mit
dem Gehäuse 1 verbunden. Mit
seinem anderen Ende ist das Ausgleichselement 6 an dem
Aktorelement befestigt. Das Aktorelement 2 liegt an der
Bodenplatte und an einem Ende des Ausgleichselements 6 an.
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Die thermische Ausdehnung von Ausgleichselement 6 und
Aktorelement 2 ist gleich der thermischen Ausdehnungen
des Ausgleichselements 6 und des Aktorelements 2.
Da Piezoaktoren häufig
keramische Materialien aufweisen, ist deren thermische Ausdehnung
im allgemeinen gering. Demgegenüber ist
das Gehäuse 1 häufig aus
einem metallischen Material, das einen weit aus höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist. Bei einer Erwärmung
des Einspritzmoduls vergrößert sich
somit die Länge
des Innenraums in dem Gehäuse,
in dem sich das Aktorelement 2 befindet, und es bildet
sich ein Leerhub, der es notwendig macht, dass zum Ansteuern des
Aktorelements 2 eine höhere
Steuerspannung verwendet werden muss oder dass ein größeres Aktorelement 2 vorgesehen
sein muss, um den größeren Stellweg
hervorzurufen. Um dies zu vermeiden, ist das Ausgleichselement 6 vorgesehen, das
einen höheren
Ausdehnungskoeffizienten als das Aktorelement 2 aufweist,
um die Entstehung des Leerhubs aufgrund thermischer Ausdehnung zu
vermeiden. Somit hat das Ausgleichselement 6 vorzugsweise
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Gehäuses 1 liegt,
um den niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aktorelements 2 zu
kompensieren. Selbstverständlich
ist für
den Fall, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Aktorelements 2 größer ist
als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses 1 ein
Ausgleichselement 6 vorzusehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
geringer ist als der des Gehäuses 1.
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Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind
so auf die Längen
des Aktorelements 2, des Ausgleichselements 6 angepasst,
dass bei einer gleichmäßigen Erwärmung das
Gehäuse
und die gemeinsame thermische Ausdehnung von Ausgleichselement 6 und
Aktorelement 2 identisch sind. Dies ergibt sich gemäß folgender
Formel:
αAktor · LAktor + αAusgleichselement · LAusgleichselement = αGehäuse · (LAktorelement + LAusgleichselement)
wobei αGehäuse dem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Gehäuses 1,
αAusgleichselement dem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Ausgleichselements 6,
αAktorelement
dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aktorelementes 2,
LAktorelement der Länge des Aktorelements 2,
LAusgleichselement der Länge des Ausgleichselements 6 entspricht.
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Insbesondere in der Startphase des
Motors erwärmt
sich das Einspritzmodul nicht gleichmäßig, sondern von außen nach
innen. Dadurch entstehen thermische Spannungen, die durch unterschiedliche Längenänderungen
der Elemente aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten
hervorgerufen werden. Diese Spannungen lassen sich nicht vollständig vermeiden.
Um diese jedoch zu reduzieren, und somit die mechanische Beanspruchung
des Gesamtsystems zu reduzieren, ist ein Wärmeleitelement 33 vorgesehen.
Das Wärmeleitelement 33 ist
in Form einer Hülse
ausgebildet, die um das Ausgleichselement 6 liegt.
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In 2 ist
das Ausgleichselement 6 und das Wärmeleitelement 33 in
einer vergrößerten Ansicht
gezeigt. Das als Hülse 33 ausgebildete
Wärmeleitelement 33 weist
Schlitze auf, wodurch Stege gebildet sind. Diese Stege sind vorzugsweise
nach außen
gewölbt
und liegen unter einer gewissen Vorspannung an einer Innenwand des
Gehäuses 1 an. Die
Hülse 33 ist
vorzugsweise metallisch ausgebildet und weist eine besonders gute
Wärmeleitfähigkeit auf.
Die Hülse 33 kann
die Materialien Kupfer, Messing, Silber und andere Materialien enthalten,
die besonders gut wärmeleitfähig sind.
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Dadurch, dass die Stege der Hülse 33 nach außen gebogen
sind, bilden sie einen Kontakt zur Wärmeübertragung mit dem Gehäuse 1.
Mit den Randbereichen der Hülse 33 liegt
die Hülse 33 an dem
Ausgleichselement 6 an. Somit wird eine durchgehende Wärmeleitung
zwischen Gehäuse 1 und dem
Ausgleichselement 6 zur Verfügung gestellt.
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Es kann selbstverständlich vorgesehen
sein, dass die Stege 34 des Wärmeleitelements 33 nach innen
gebogen sind, wobei die Randteile 35 der Hülse 33 an
der Innenwand des Gehäuses 1 anliegen und
die nach innen gewölbten
Stege 34 mit dem Ausgleichselement in Kontakt kommen. Wesentlich
ist, dass das Wärmeleitelement
die Bewegung des Ausgleichselements 6 durch thermische
Ausdehnung nicht behindert oder unterbindet. Dazu muss das Wärmeleitelement 33 eine
Rutschbewegung zwischen dem Ausgleichselement 6 und dem
Wärmeleitelement 33 bzw.
zwischen dem Wärmeleitelement 33 und
der Innenwand des Gehäuses 1 zulassen.
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Zur Verbesserung der Wärmeleitung
zwischen Gehäuse 1 und
dem Ausgleichselement 6 können auch mehrere Wärmeleitelemente 33 vorgesehen
sein. Damit wird die Kontaktfläche
zwischen der Innenwand des Gehäuses 1 und
der Hülse 33 bzw. zwischen
der Hülse
und dem Ausgleichselement 6 erhöht, wodurch der Temperaturausgleich
beschleunigt wird. Auf diese Weise werden die thermischen Spannungen
reduziert, die aufgrund von unterschiedlichen Temperaturen von Gehäuse 1,
Aktorelement 2 und Ausgleichselement 6 entstehen
können.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein,
dass das Wärmeleitelement 33 als
ein verspanntes Element ausgebildet ist, das unter einer mechanischen
Spannung in dem Ausgleichselement und der inneren Wand des Gehäuses 1 anliegt.
Solche Elemente können
beispielsweise gewölbte
Plättchen
sein.
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In 3 ist
eine weitere Ausführung
einer Hülse
gezeigt. Die Hülse 33 ist über ihre
gesamte Länge
geschlitzt und vorzugsweise aus einem flexiblen Material gefertigt.
Dadurch kann die Hülse 33 sich besser
an die Innenwand des Gehäuses 1 und/oder an
das Ausgleichselement 6 anpassen.
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Wesentlich für das Wärmeleitelement 33 ist es,
dass es eine verbesserte Wärmeleitung
zwischen Gehäuse 1 und
Ausgleichselement 6 ermöglicht.