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Stand der
Technik
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Die Erfindung geht aus von einem
Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus der
EP 0 477 400 A1 ist ein
hydraulischer Koppler für
einen piezoelektrischen Aktor bekannt, wobei der Aktor eine Hubkraft
auf einen Geberkolben überträgt. Der
Geberkolben ist mit einem Führungszylinder
für einen
Nehmerkolben kraftschlüssig
verbunden. Der Nehmerkolben, der Führungszylinder und der den
Führungszylinder
abschließende
Geberkolben bilden eine Hydraulikkammer. In der Hydraulikkammer
ist eine Feder angeordnet, die den Geberkolben und den Nehmerkolben auseinander
drückt.
Um einen Endabschnitt des Führungszylinders
und den Nehmerkolben ist eine Gummimanschette angeordnet, durch
die ein Vorratsraum für
ein viskoses Hydraulikfluid gegenüber einem Brennstoffraum abgedichtet
wird. Die Viskosität
des Hydraulikfluids ist dem Ringspalt zwischen Nehmerkolben und
Führungszylinder
angepaßt.
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Der Nehmerkolben überträgt eine Hubbewegung mechanisch
auf beispielsweise eine Ventilnadel. Wenn der Aktor auf den Geberkolben
und den Führungszylinder
eine Hubbewegung überträgt, wird diese
Hubbewegung durch den Druck des Hydraulikfluids in der Hydraulikkammer
auf den Nehmerkolben übertragen,
da das Hydraulikfluid in der Hydraulikkammer sich nicht zusammenpressen
läßt und nur ein
geringer Anteil des Hydraulikfluids durch den Ringspalt während des
kurzen Zeitraumes eines Hubes in den durch die Gummimanschette gebildeten Vorratsraum
entweichen kann. In der Ruhephase, wenn der Aktor keine Druckkraft
auf den Geberkolben ausübt,
wird durch die Feder der Nehmerkolben aus dem Führungszylinder herausgedrückt und durch
den entstehenden Unterdruck dringt über den Ringspalt das Hydraulikfluid
in den Hydraulikraum ein und füllt
diesen wieder auf. Dadurch stellt sich der Koppler automatisch auf
Längenausdehnungen
und druckbedingte Dehnungen eines Brennstoffeinspritzventils ein.
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Nachteilig an dem aus der
EP 0 477 400 A1 bekannten
hydraulischen Koppler ist insbesondere, daß die Abdichtung durch eine
Gummimanschette, die üblicherweise
durch zwei Spannringe gegen den Endabschnitt des Führungszylinders
und den Nehmerkolben gedrückt
wird, auf Dauer nur unvollständig
ist. Das hochviskose Hydraulikfluid und der Brennstoff können sich
vermischen und es kann zu einem Ausfall des Kopplers kommen. Wenn
Brennstoff, beispielsweise Benzin, in das Innere des Kopplers gelangt,
so kann es zum Funktionsausfall kommen, da aufgrund der geringen
Viskosität
des Benzins diese Flüssigkeit
zu schnell durch den Ringspalt hindurchtreten kann und sich in der
Zeit des Hubes kein Druck im Druckraum aufbauen kann.
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Weiterhin ist aus der
DE 43 06 073 C1 ein Brennstoffeinspritzventil
mit einem Piezoaktor bekannt, der mit einem großflächigen Druckkolben verbunden
ist. Dieser Druckkolben wird mit einer Tellerfeder, die sich gegen
einen Brennstoffeinspritzventilkörper
abstützt,
gegen den piezoelektrischen Aktor vorgespannt. Der Druckkolben ist
in einer Bohrung des Ventilkörpers
geführt
und weist eine zentrale Bohrung auf, in der ein Nehmerkolben geführt ist,
der mit einer Ventilnadel verbunden ist. In der Bohrung des Druckkolbens,
zwischen dem Grund der Bohrung und dem Nehmerkolben, befindet sich
eine Feder, die den Nehmerkolben in Richtung auf einen Ventilsitz
vorspannt und aus der Bohrung herausdrückt. Das Brennstoffeinspritzventil
weist eine Ventilnadel auf, die nach innen öffnet. Zwischen dem Brennstoffeinspritzventilkörper und
dem Druckkolben sowie der Gegenseite des Nehmerkolbens befindet sich
ein Druckraum. Über
den Ringspalt zwischen. Nehmerkolben und Druckkolben, die Bohrung
in dem Druckkolben und eine Verbindungsbohrung steht der Druckraum
mit dem Aktorraum in Verbindung. Der Aktorraum dient dabei als Vorratsraum
für ein
Hydraulikfluid. Wenn der Piezoaktor durch Anlegen einer Spannung
betätigt
wird, wird der Druckkolben in Richtung auf den Ventilsitz bewegt
und durch die Erhöhung
des Drucks des Hydraulikfluids im Druckraum der Nehmerkolben in
die Bohrung in den Druckkolben entgegen zu dessen Bewegungsrichtung
gedrückt
und somit eine Ventilnadel aus dem Ventilsitz angehoben.
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Nachteilig an dem aus der
DE 43 06 073 C1 bekannten
Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, daß keine Lösung für ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil
ermöglicht
wird. Weiterhin ist nachteilig, daß keine Vorrichtungen zum schnellen Wiederbefüllen des
Druckraums nach Rückkehr
in die Ruhelage vorgesehen sind. Schließlich ist der Aufbau mehrteilig
und kompliziert, da ein Druckkolben, der in dem Brennstoffeinspritzventil
in einer exakten Bohrung geführt
wird, wiederum eine exakt zu fertigende Bohrung für den Nehmerkolben
aufweisen muß.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß durch
ein z. B. in einem Gehäusebauteil
des Brennstoffeinspritzventils ausgebildetes und durch eine Membran
gegen den Innenraum des Brennstoffeinspritzventils abgeschlossenes
Kopplervolumen ein einfacher hydraulischer Koppler gebildet wird,
welcher ohne Geber- und Nehmerkolben auskommt und effektiv und zuverlässig arbeitet.
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Durch die in den Unteransprüchen angegebenen
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Von Vorteil ist insbesondere, daß das Kopplervolumen
beliebig geformt sein kann und dadurch an die baulichen Gegebenheiten
des Brennstoffeinspritzventils angepaßt werden kann.
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Die Membran kann vorteilhafterweise
je nach Form des Kopplervolumens plan an dem Gehäusebauteil anliegen oder auch
konisch geformt sein.
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Weiterhin ist von Vorteil, daß die Form
des Dichtelements, welches die Zentralbohrung in der Membran abdichtet,
nahezu beliebig sein kann. Besonders vorteilhaft sind kugel- und
kegelförmige Dichtelemente.
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Ausgleichsbohrungen zum Ein- und
Ausströmen
von Hydraulikfluid in und aus dem Kopplervolumen sind in vorteilhafter
Weise einfach durch Laserbohren herstellbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
geschnittene Prinzipskizze eines Brennstoffeinspritzventils gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
geschnittene Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Brennstoffeinspritzventils;
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3 eine
geschnittene Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Brennstoffeinspritzventils; und
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4 eine
geschnittene Prinzipskizze eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Brennstoffeinspritzventils.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
zur besseren Orientierung eine stark schematisierte Darstellung
eines Brennstoffeinspritzventils 1 gemäß dem Stand der Technik. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist
insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer
gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine
geeignet.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist
einen Aktor 2 auf, welcher sich mit einer Stirnseite an
einem Gehäusebauteil 3 und
einer gegenüberliegenden Stirnseite
an einem Aktorfuß 4 abstützt. Der
Aktorfuß 4 steht über ein
Betätigungselement 5 mit
einem Geberkolben 6 eines hydraulischen Kopplers 7 in
Wirkverbindung. Ein Nehmerkolben 8 steht über ein
weiteres Betätigungselement 9 mit
einer Ventilnadel 10 in Wirkverbindung. Diese weist einen
Ventilschließkörper 11 auf,
welcher mit einem Ventilsitzkörper 12 einen
Dichtsitz bildet.
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Zwischen dem Geberkolben 6 und
dem Nehmerkolben 8 ist ein Kopplerspalt 13 ausgebildet,
welcher mit Hydraulikfluid gefüllt
ist. Als Hydraulikfluid kann sowohl der das Brennstoffeinspritzventil 1 durchströmende Brennstoff
als auch ein von diesem unabhängiges
Fluid genutzt werden.
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Der Aktor 2 ist mittels
einer Vorspannfeder 14 vorgespannt. Die Rückstellung
der Ventilnadel 10 zum Schließen
des Brennstoffeinspritzventils 1 erfolgt mittels einer
Rückstellfeder 15.
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Nachteilig an diesem bekannten Kopplerprinzip
ist insbesondere, daß sich
der Kopplerspalt 13 unter bestimmten Betriebsbedingungen
des Brennstoffeinspritzventils 1 zu stark entleert und
der maximale Hub der Ventilnadel 10 nicht mehr zur Verfügung steht.
In der Folge wird zu wenig Brennstoff abgespritzt. Dieser Fall tritt
ein, wenn die Öffnungsdauer
des Brennstoffeinspritzventils 1 gegenüber der geschlossenen Phase
sehr groß ist.
Aus dem hydraulischen Koppler 7 wird infolge der auf ihn
wirkenden Last bei geöffnetem
Brennstoffeinspritzventil 1 eine gewisse Fluidmenge ausgedrückt, wodurch
die axiale Länge
des Kopplers 7 abnimmt. In der geschlossenen Phase des
Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Koppler 7 mittels
einer Befüllungsfeder 16, die
einen axialen Zug auf den Koppler 7 ausübt, wiederbefüllt, da
durch den entstehenden Unterdruck Fluid eingesogen wird. Ist die
Wiederbefülldauer
im Vergleich zur Entleerungsdauer gering, läuft der Kopplerspalt 13 leer.
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Weiterhin ist der hydraulisch Koppler 7 gemäß dem Stand
der Technik schmutzanfällig.
Das Fluid fließt
zum axialen Längenausgleich
des Kopplers 7 durch einen Ringspalt 17 zwischen
dem Geberkolben 6 bzw. dem Nehmerkolben 8 und
der Wandung einer Kopplerpatrone 18 nach, welcher zur Reduktion
der nachfließenden
Fluidmenge entsprechend eng ausgebildet ist. Bei starker Verschmutzung
können
sich die Kolben 6, 8 in der Kopplerpatrone 18 verklemmen
und so zu Fehlfunktionen des Brennstoffeinspritzventils 1 führen.
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Zudem treten bei Heißstart der
Brennkraftmaschine Probleme mit verdampfendem Fluid im Koppler 7 auf,
welches durch die Gasanteile kompressibel ist und damit ebenfalls
nicht den vollen Hub auf die Ventilnadel 10 übertragen
kann.
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Die angesprochenen Probleme sind
mit einem Einmediums-Koppler 7 wie
beispielhaft in den 2 bis 4 dargestellt und wie im
folgenden beschrieben zu umgehen.
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Erfindungsgemäß hat der Koppler 7 ein
flüssigkeitsgefülltes Kopplervolumen 19,
welches durch eine tellerfederartige Membran 20 gegen einen
Innenraum des Brennstoffeinspritzventils 1 abgeschlossen
ist. Die Membran 20 kann dabei wie in 2 konisch oder aber wie in den Ausführungsbeispielen
in 3 und 4 plan ausgebildet sein.
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Die Membran 20 ist mit einer
dem Innenraum des Brennstoffeinspritzventils 1 zugewandten
Oberfläche
des Gehäusebauteils 3 druckdicht
verbunden, beispielsweise verschweißt, wie in den 2 bis 4 durch
eine Schweißnaht 21 angedeutet.
Die Oberfläche
kann dabei ebenfalls plan sein, wie in den 3 und 4 dargestellt,
oder zur Bildung eines ausreichend großen Kopplervolumens 19 weitere
Ausnehmungen 22 aufweisen, wie z. B. in 2 dargestellt.
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Weiterhin weist die Membran 20 eine
Zentralbohrung 23 auf, welche durch ein passend geformtes
Dichtelement 24 abgedichtet wird. Das Dichtelement 24 ist
in den 2 und 3 kugelförmig ausgebildet, es kann aber
auch, wie in 4 dargestellt, kegelförmig sein.
Das Dichtelement 24 überträgt die axiale
Druckkraft des Aktors 2 auf die Membran 20, so
daß das
Kopplervolumen 19 komprimiert wird. Das Dichtelement 24 ist
dabei mit dem Aktor 2 verbunden, nicht jedoch mit der Membran 20.
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Damit ein Ausgleich der temperaturbedingten
Längenänderung
des Aktors 2 möglich
ist, sind in der Membran 20 zumindest eine, vorzugsweise
mehrere Ausgleichsbohrungen 25 ausgebildet, durch welche
Hydraulikfluid ausströmen
kann. Bedingt durch die baulichen Gegebenheiten und den Herstellungsprozeß der Ausgleichsbohrungen,
welche beispielsweise mittels Laserbohren herstellbar sind, weisen
die Ausgleichsbohrungen eine geringe Fertigungsstreuung bezüglich ihrer
Durchtrittsfläche
auf, wodurch eine gute Reproduzierbarkeit bei kleinstmöglichem
Querschnitt gewährleistet
ist. Dadurch kann sich der Koppler 7 in ungünstigen
Betriebssituationen des Brennstoffeinspritzventils 1 nicht
nennenswert entleeren. Es ist jedoch immer eine ausreichende Durchtrittsfläche vorhanden,
um den Ausgleich der Längenänderung
des Aktors 2 zu gewährleisten.
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Die tellerfederartige Membran 20 weist
eine Vorspannung auf, welche die Membran 20 in Richtung
Aktor 2 aufwölbt.
Dadurch kann sich der Koppler 7 bei fehlendem Kontakt zum
Dichtelement 24 per Befüllung
axial ausdehnen und den Kontakt wiederherstellen. Dies bedingt eine
schnellere Widerbefüllung
des Kopplervolumens als bei Lösung
gemäß 1.
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Neben der Kompensation der oben näher beschriebenen
Nachteile der herkömmlichen
Koppler 7 zeichnet sich die erfindungsgemäß ausgestaltete Bauform
durch einen einfacheren Aufbau sowie eine kürzere Baulänge aus.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern auch für magnetostriktive
Aktoren sowie für
beliebige Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.