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Die
Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach
der Gattung des Patentanspruchs 1.
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Eine
solche Vorrichtung ist durch den CR-Injektor (CR = Common Rail)
mit Piezoaktor (= Piezosteller) und Übersetzung durch hydraulischen Koppler
bekannt. Die bekannte Vorrichtung verwendet ein A-Ventil als Steuerventil.
Der Übersetzer
oder hydraulische Koppler wirkt nur in einer Richtung aktiv, nämlich bei Druckerhöhung; in
der anderen Richtung wirkt er durch Unterdruck oder Saugwirkung.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für Brennkraftmaschinen
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat dem
gegenüber
den Vorteil, dass ein CR-Injektor mit Aktor geschaffen wird, der
ein I-Ventil verwendet und ein aktives Öffnen und Schließen des
Steuerventils ermöglicht.
Ein I-Ventil ist
weniger aufwändig
als ein A-Ventil, weil das I-Ventil im Gegensatz zum A-Ventil nicht eine
besonders aufwändige
Formgebung wegen der Möglichkeit
der Kavitation erfordert. Daneben wird ein großer Ventilquerschnitt ermöglicht.
Dadurch kann das Öffnen
und Schließen
des Einspritzventils schneller erfolgen.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigt
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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.
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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 Einspritzöffnungen
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. Stattdessen
kann auch eine andere Ventilkonstruktion verwendet werden, z. B.
ein Ventil mit im wesentlichen kegelförmigen beweglichen Ventilteil,
das mit einem zylindrischen Fortsatz ausgebildet ist und durch eine
Druckfeder in Richtung auf seinen Ventilsitz vorgespannt ist. Das
Kugelventil kann eine lose Kugel als bewegliches Ventilteil aufweisen.
Bei Bedarf kann die Verbindung des beweglichen Ventilteils mit dem
Kolben 37 für
ein schnelles Schließen
zugfest ausgebildet sein.
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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.
Mindestens einer der Führungsspalte
dient 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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Im
Ausführungsbeispiel
weist jeder Kolben 36 und 37 etwa auf seiner halben
Länge einen
ringnutförmigen
Füllraum 71 auf,
der mit der CR-Druck führenden
Leitung 5 verbunden ist. Bei anderen Ausführungsformen
mag es ausreichen, nur einen einzigen der Füllräume 71 vorzusehen.
Die dem Aktor 31 zugewandten Endbereiche der Kolben 36 und 37 greifen
in je einen ersten Übersetzerraum 82-1 bzw. 82-2 ein,
die über
einen Kanal 84-1 miteinander verbunden sind. In entsprechender
Weise werden auch Übersetzerräume 83-1 und 83-2 an
den dem Aktor 31 abgewandten Enden der Kolben 36 und 37 durch
einen Kanal 84-2 verbunden. Die Übersetzerräume und die Kanäle bilden
zwei Kopplervolumina, die über
die Führungsspalte 65 und 67 mit
CR-Druck befüllt
werden. Der Übersetzerraum 82-1 wird
von der Stange 61 durchdrungen. Der Übersetzerraum 83-2 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 83-1 ist
im Ruhezustand CR-Druck (= Druck des Druckspeichers bzw. Common
Rails) als Systemdruck. Durch das Bewegen des Kolbens 36 steigt
dort und auch im Übersetzerraum 83-2 des
Kolbens 37 der Druck, und der Kolben 37 (zweiter Übersetzerkolben)
wird dadurch aktiv nach oben gedrückt und öffnet durch gleich gerichtete
Bewegung des Ventilteils 51 das Steuerventil 41, das
ein I-Ventil ist. Zum schnellen Anheben des Ventilteils 51 ist
dieses fest mit der Stange 63 und somit mit dem Kolben 37 verbunden.
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Beim Öffnen wird
das Ventilteil 51 durch den Druck in dem Übersetzerraum 83-2 mit
einer zu (d22 – d12)
proportionalen Kraft aktiv angehoben. Der obere Übersetzerraum 82-2 des
Kolbens 37 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 82-2 befindlichen
Seite ausgleicht.
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Wird
beim Abschalten des Stroms des Aktors 31 der Kolben 36 angehoben,
so wird der Druck im Übersetzerraum 82-1 erhöht und entsprechend
der beschriebenen Wirkungsweise wird jetzt durch den ansteigenden
Druck im Übersetzerraum 82-2 der Kolben 37 aktiv
nach unten gedrückt
und schließt
das Steuerventil 41.
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Somit
schafft die Erfindung einen vorteilhaften I-Ventil-Servo-Injektor
mit 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.
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Der
Im Übersetzerraum 82-2 herrschende Raildruck
wirkt mit dem Querschnitt der Stange 63 als Kolbenfläche auf
das Ventilteil 51. Daher ist 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 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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Zumindest
in einem Bereich der den Aktor 31 mit dem hydraulischen
Koppler verbindenden Stange 61 ist in einem Abstand von
dem dem Aktor 31 am nächsten liegenden
Raum des Kopplers ein weiterer Füllraum 90 vorhanden,
der mit der Leitung 5 verbunden ist. Im Beispiel umgibt
der weitere Füllraum 90 den
Aktor 31 in dessen unterem Endbereich. Vorzugsweise umgibt
er den ganzen Aktor 31. Ein Führungsspalt 94 der
Stange 61 ist für
eine zusätzliche Füllung des
benachbarten Raums des Kopplers mit unter Druck stehendem Kraftstoff
dimensioniert. Ein Vorteil besteht in der zusätzlichen Befüllung des Kopplers
mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff.
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Bei
Ausführungsformen
der Erfindung ist der weitere Füllraum 90 nicht
vorhanden oder ist nicht mit der Leitung 5 verbunden und
hat nicht die Funktion eines Füllraums.
In diesem Fall mag es zweckmäßig sein,
eine Bohrung, in der die Stange 61 in einem nicht gezeigten
Gehäuse
der ganzen Vorrichtung geführt
ist, für
einen möglichst
kleinen Abfluss von Kraftstoff aus dem Koppler zu dimensionieren.
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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 auch den Füllraum
speist.