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Die Erfindung geht aus von einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des einzigen Patentanspruchs.
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Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise durch
die
DE 101 18 053
A1 bekannt geworden.
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Die aus
DE 101 18 053 A1 bekannte
Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist ein Ventil mit einer piezoelektrischen
Aktor-Einheit zur Betätigung
eines Ventilglieds auf, das einen Stellkolben und einen in einem
Ventilkörper
geführten
Betätigungskolben
aufweist. Der Betätigungskolben
betätigt
ein Ventilschließglied,
das mit einem an dem Ventilkörper
ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt und in Schließstellung
eine Steuerbohrung von einem Ablaufraum trennt, von welchem ein
Rücklaufkanal
abzweigt. Zwischen dem Stellkolben und dem Betätigungskolben ist eine Hydraulikkammer
angeordnet, die eine Bewegung des Stellkolbens auf den Betätigungskolben überträgt. Um die
Größe der Aktor-Einheit
gering halten zu können,
ist der Betätigungskolben
bei geschlossenem Ventilschließglied
im wesentlichen hydraulisch kraftausgegeglichen gelagert.
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Weiterhin ist aus der
US 4,579,283 eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit einem Einspritzventil bekannt, das mittels eines piezoelektrischen
Aktors betätigt
wird. Der piezoelektrische Aktor wirkt auf einen Kolben, der das
Volumen einer zwischen dem Kolben und der Ventilnadel des Einspritzventils
vorgesehenen Pumpkammer ändert.
Die Ventilnadel bewegt sich auf- und abwärts, abhängig vom Druck in der Pumpkammer,
um die Einspritzöffnung
des Einspritzventils für
eine Einspritzung zu öffnen
oder zu schließen.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für Brennkraftmaschinen
mit den kennzeichnenden Merkmalen des einzigen Patentanspruchs hat
dem gegenüber
den Vorteil, dass auch das Kopplervolumen und das verbleibende Ende
des antriebsseitigen Kolbens mit Hochdruck beaufschlagt werden und
dadurch zumindest teilweise ein Kraftausgleich für das Steuerventil erreicht
wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigt die einzige Figur die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit einem Einspritzventil und einem Steuerventil sowie einem hydraulischen
Koppler.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 wird
von einem Druckspeicher (Common Rail) 3 mit Kraftstoff
unter hohem Druck über eine
Hochdruckleitung 5 versorgt, von der aus Kraftstoff über eine
Einspritzleitung 6 zu einem Einspritzventil 9 gelangt.
Eine Brennkraftmaschine hat normalerweise mehrere derartige Einspritzventile,
und der Einfachheit halber ist lediglich eines dargestellt. Das Einspritzventil 9 weist
eine Ventilnadel (Ventilkolben, Düsennadel) 11 auf,
die mit einer konischen Ventildichtfläche 12 in ihrer Schließstellung
Einspritzöffnungen 13,
durch die Kraftstoff ins Innere eines Verbrennungsraums des Verbrennungsmotors
eingespritzt werden soll, verschließt. Der Kraftstoff gelangt in den
Bereich der Düsennadel über einen
ringförmigen
Düsenraum 14,
von dem aus er über
eine als Druckschulter ausgebildete Steuerfläche 15 einen Druck
in Öffnungsrichtung
der Düsennadel
auszuüben
gestattet. Wenn der genannte Druck eine Kraft in Öffnungsrichtung
auf die Ventilnadel ausübt,
die diesem Öffnen
entgegen wirkende Kräfte überwindet,
so öffnet
sich das Ventil.
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Zum Steuern des Öffnens und Schließens der
Einspritzöffnungen
dient ein Aktor 31. Dieser erzeugt in Abhängigkeit
von einer Ansteuerung an einem mechanischen Ausgang eine Auslenkung
und eine Kraft zum Betätigen
weiterer Elemente. Im Beispiel handelt es sich um einen elektrisch
betätigten Aktor.
Im Beispiel ist es ein Aktor, der ein piezoelektrisches Element
aufweist, nämlich
ein Piezoaktor. Der Aktor nimmt in Abhängigkeit von einer elektrischen
Ansteuerung in Vertikalrichtung der Zeichnung und somit in seiner
Längsrichtung
eine gelängte
Konfiguration oder eine verkürzte
Konfiguration ein. Im Beispiel ist ein Aktor mit einer derartigen
Konstruktion vorgesehen, der bei Bestromung (Anschluss an eine Gleichstromversorgung)
eine gelängte
Konfiguration einnimmt, ohne Bestromung eine verkürzte Konfiguration
einnimmt. Der Aktor bildet eine kapazitive Last und nimmt bei Dauerbestromung
keine Verlustleistung auf. Es kann vorteilhaft oder erforderlich
sein, den Piezoaktor durch eine Spannvorrichtung, z. B. Feder, so
vorzuspannen, dass im Aktor enthaltene piezoelektrische Elemente
stets auf Druck beansprucht sind. Dies ist den Fachleuten bekannt.
und deshalb wird hierauf im Folgenden nicht hingewiesen. Während das
obere Ende des Piezoaktors in einer in der Zeichnung nicht sichtbaren
Weise in der Einspritzvorrichtung verankert ist, dient das untere Ende
des Piezoaktors dazu, dessen Kraft und Bewegung letztendlich zum Öffnen und
Schließen
der Einspritzöffnung
zu verwenden. Hierzu ist für
seine Ankopplung ein hydraulischer Koppler 35 vorgesehen, der
einen mit dem Piezoaktor gekoppelten Kolben 36 und einen
weiteren Kolben 37 aufweist. Im vorliegenden Anwendungsfall
ist im allgemeinen durch den Koppler eine Vergrößerung des Wegs des weiteren Kolbens 37 im
Vergleich zum Weg des Kolbens 36 (durch passende Wahl der
hydraulisch wirksamen Kolbenflächen)
nötig.
Die Konstruktion und Wirkungsweise des hydraulischen Kopplers wird
weiter unten beschrieben.
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Wenn der mit dem Piezoaktor nicht
unmittelbar verbundene Kolben 37 des hydraulischen Kopplers
ein Steuerventil 41 (oder Auslassventil) öffnet, sinkt
der Druck in einer mit Kraftstoff gefüllten Steuerkammer 43,
in die der obere Endabschnitt der Düsennadel eingreift. Die Steuerkammer 43 wird
mit Kraftstoff unter Druck über
eine Zulaufdrossel 47 gefüllt, und bei geöffnetem
Steuerventil 41 fließt
Kraftstoff über
eine Ablaufdrossel 49 aus der Steuerkammer 43 aus.
Das Ausfließen
von Kraftstoff wird durch Kräfte
unterstützt,
die die Düsennadel 11 in
ihre offene Stellung zu bewegen bestrebt sind. Ein bewegliches Ventilstück 51 liegt
bei geschlossenem Steuerventil 41 an einem Ventilsitz 53 dichtend
an und ist mit dem weiteren Kolben 37 mechanisch gekoppelt. Die
bei geöffnetem
Ventilstück 51 aus
der Steuerkammer ausströmende
Steuermenge wird durch einen Leckagekanal 55 abgeführt. Bei
geschlossenem Ventilstück 51 wird
dieses von der Steuerkammer her mit Raildruck (= Druck in der Leitung 5)
beaufschlagt, wobei der Druck auf die Fläche mit dem Durchmesser d3
wirkt.
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Die Kolben 36 und 37 sind
im Beispiel im wesentlichen linear hintereinander angeordnet, im
Beispiel genau hintereinander. Ein seitlicher Versatz oder ein von
0 Grad verschiedener Winkel zwischen den Längsachsen der Kolben würde funktionell nichts ändern. Die
Art, in der sie miteinander gekoppelt sind, wird unten erläutert. Im
Kolben 36 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung
dieses Kolbens anzeigt, wenn der Aktor eine Bewegung in der Zeichnung
nach unten ausführt.
Im Kolben 37 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung
dieses Kolbens anzeigt, wenn der Kolben 36 die durch seinen Pfeil
bezeichnete Bewegung ausführt.
Durch Vergleich des Pfeil des Kolbens 37 mit der Richtung,
in der das bewegliche Ventilelement des vom hydraulischen Wandler 35 zu
betätigenden
Ventils zum Öffnen
bzw. zum Schließen
bewegt werden muss, ist aus der Zeichnung unmittelbar ersichtlich,
ob die in der Zeichnung eingezeichnete Richtung der genannten Pfeile
einem Öffnungsvorgang
oder einem Schließvorgang
des genannten Ventils entspricht.
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Das bewegliche Ventilstück 51 ist
im wesentlichen kugelförmig
ausgebildet. Insbesondere liegt es mit einem im wesentlichen die
Form einer Kugelkalotte aufweisenden Flächenbereich im geschlossenen Zustand
an dem Ventilsitz 53 an. Im Beispiel muss das bewegliche
Ventilteil 51 zum Schließen unter Aufwendungen einer
Kraft gegen seinen Ventilsitz gedrückt werden, damit es das Ausströmen des
unter Druck stehenden Kraftstoffs aus der Steuerkammer 43 verhindert.
Es befindet sich somit dann im Sperrzustand, wenn das bewegliche
Ventilteil nach "innen", nämlich in
Richtung von einem Bereich niedrigeren Drucks zu einem Bereich höheren Drucks
in seine Sperrstellung bewegt worden ist, und daher wird das Steuerventil
im vorliegenden Fall als I-Ventil bezeichnet. Mit anderen Worten,
stimmt die Richtung der Öffnungsbewegung
des beweglichen Ventilteils mit der Richtung von aus der Steuerkammer
ausströmendem
Kraftstoff überein.
Demgegenüber
wird ein Ventil, dessen bewegliches Ventilteil in seiner Sperrstellung
nach "außen" bewegt worden ist,
nämlich
in Richtung vom hohen Druck in der Steuerkammer zu einem Bereich
niedrigeren Drucks Leckagedruck, als A-Ventil bezeichnet.
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Das genannte Kugelventil kann eine
freie Kugel ohne starre Verbindung mit einem anderen Teil aufweisen.
Eine Kugel ist wegen der strömungsgünstigen
Form für
Kavitation wenig anfällig.
Es mag stattdessen eine geeignete andere Konstruktion für das I-Ventil
verwendet sein, z. B. ein Kegelventil mit einem kegelförmigen Flächenbereich,
der mit dem Ventilsitz zusammen wirkt. Dabei kann das Ventilteil mit
dem zugeordneten Kolben starr gekoppelt sein, so dass ein besonders
schnelles Öffnen
des Steuerventils möglich
ist.
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Der Aktor 31 ist mit dem
Kolben 36 durch eine Stange 61 mit einem Durchmesser
d5 verbunden. Der Kolben 37 ist mit dem von ihm zu betätigenden
beweglichen Ventilteil 51 durch eine Stange 63 mit
einem Durchmesser d1 verbunden. Der Kolben 36 hat einen
Durchmesser d4, der Kolben 37 hat einen Durchmesser d2.
Der lichte Durchmesser des Ventilsitzes 53 dort, wo das
bewegliche Ventilteil an ihm anliegt, ist d3.
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Zwischen den zylindrischen Außenflächen der
Kolben und einem diese aufnehmenden Gehäuse (in der vereinfachten Darstellung
der Figur nicht gezeigt) bestehen Führungsspalte 65 für den Kolben 36 und 67 für den Kolben 37.
Die Führungsspalte
dienen zum Füllen
des Kopplervolumens bzw. eines oder mehrerer Wandlerräume mit
Kraftstoff.
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Maßgeblich für die Funktion sind die den oben
genannten Durchmessern (für
kreisförmige Querschnitte)
entsprechenden Flächen
f1 bis f5. Kreisförmige
Querschnitte sind zwar für
die Herstellung zweckmäßig, die
Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
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Die dem Aktor 31 abgewandten
Endbereiche der Kolben 36 und 37 greifen in mit
der Hochdruckleitung 5 verbundene Füllräume 80 bzw. 81 ein.
Mit ihrem jeweils anderen Endbereich greifen die Kolben 36 und 37 in
einen ersten Übersetzerraum 82 bzw.
einen zweiten Übersetzerraum 83 ein,
die über
einen Kanal 84 verbunden sind. Die Übersetzerräume und der Kanal 84 bilden
das Kopplervolumen, das über die
Führungsspalte 65 und 67 mit
Raildruck befüllt wird.
Der erste Übersetzerraum 82 des
mit dem Aktor 31 verbundenen Kolbens 36 wird von
der Stange 61 durchdrungen. Der Füllraum 81 des Kolbens 37 wird von
der Stange 63 durchdrungen. Die Kolben 36 und 37 bewegen
sich gegensinnig und wegen der gewünschten Weg-Übersetzung
vom Aktor zum Steuerventil mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
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Der Aktor 31 (Piezosteller)
ist im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 9 stromlos
und verkürzt.
Zum Öffnen
des Steuerventils 41 wird der elektrische Strom zum Aktor 31 eingeschaltet
und der Aktor wird länger.
Dadurch wird der Kolben 36 (erster Übersetzerkolben) in der Figur
nach unten gedrückt. In
dem Übersetzerraum 82 ist
im Ruhezustand CR-Druck (= Druck des Druckspeichers bzw. Common
Rails) als Systemdruck. Im Übersetzerraum 82 sinkt
durch das Bewegen des Kolbens 36 der Druck.
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Daher werden der Kolben 37 (zweiter Übersetzerkolben)
und die Stange 63 durch den CR-Druck im Füllraum 81 nach
oben bewegt und gestatten die gleich gerichtete Öffnungsbewegung des Ventilteils 51 des
Steuerventils 41, das ein I-Ventil ist. Zum besonders schnellen
Anheben des Ventilteils 51 ist dieses bei anderen Ausführungsformen
der Erfindung fest mit der Stange 63 und somit mit dem
Kolben 37 verbunden.
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Das Ventilteil 51 wird durch
den Druck in dem Füllraum 81 mit
einer zu (d22 – d12 )
proportionalen Kraft aktiv angehoben. Der Übersetzerraum ist mit CR-Druck
befüllt,
dadurch ist der Sitzdurchmesser d3 des Ventilteils 51 sehr
groß wählbar, da
der Kolben 37 diese Fläche
mit seiner im Übersetzerraum 83 befindlichen
Seite ausgleicht. Somit schafft die Erfindung einen vorteilhaften
I-Ventil-Servo-Injektor mir CR-Druckunterstützung für sehr schnelles Öffnen und
Schließen
des Einspritzventils.
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Ein wichtiges Merkmal der Erfindung
besteht darin, dass an der dem Steuerventil abgewandten Seite des
mit dem Steuerventil direkt verbundenen Kolbens 37 Raildruck
anliegt, der die Betätigung
des Steuerventils unterstützt
und dem auf das Ventilteil 51 im Sperrzustand von der Steuerkammer 43 her wirkenden
Druck entgegen wirkt. Der soeben genannte Raildruck herrscht im
gesammten Koppelvolumen (82 + 83 + 84),
wird dort über
die Führungsspalte 65 und 67 aufgebaut
und ändert
sich im wesentlichen nur während
der Bewegung der Kolben.
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Der Im Übersetzerraum 83 herrschende Raildruck
wirkt mit dem Querschnitt der Stange 63 als Kolbenfläche auf
das Ventilteil 51. Daher ist die Fläche f3 des Ventilsitzes mit
Durchmesser d3 weitgehend kraftausgeglichen. Es steht daher im Vergleich
zum Stand der Technik ein größerer Überschuss
an Kraft, die vom Aktor geliefert wird, zur Beschleunigung der Masse
des beweglichen Ventilteils zur Verfügung. Die Erfindung schafft
somit eine Variante mit teilausgeglichenem (= bezüglich der
Kraft teilweise ausgeglichenem) Steuerventil, wobei das Ventil ein
I-Ventil ist. Die vom Aktor zum Schließen des Ventils zu liefernde
Kraft ist daher gegenüber dem
Bekannten kleiner. Stattdessen ist bei einer Ausführungsform
ein Ventil 51 mit einem gegenüber dem Bekannten größeren Durchmesser
d3 des Ventilsitzes vorgesehen, der ein schnelleres Öffnen und Schließen des
Einspritzventils ermöglicht,
weil die Strömungszunahme
und -Abnahme in diesem größer ist
als bei dem bekannten kleineren Ventil.
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Die Erfindung erfasst auch Ausführungsformen,
bei denen der unter hohem Druck stehende Kraftstoff nicht von einem
Hochdruckspeicher zugeführt
wird, sondern von einer dem Einspritzventil zugeordneten Pumpe (z.B.
Pumpe-Düse-Einheit, Unit Injector),
die dann auch den Füllraum
speist.