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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
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Einspritzventile für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs können Aktuatoren aufweisen, die insbesondere als Piezoaktuatoren ausgebildet sind. Derartige Aktuatoren weisen ein piezokeramisches Material auf. Die Aktuatoren können ihre Längsausdehnung verändern, abhängig von einem elektrischen Feld, das in dem piezokeramischen Material wirkt. Piezoelektrische Aktuatoren, die als Stellglieder genutzt werden, insbesondere in Einspritzventilen für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, sind so in einem Gehäuse angeordnet, dass eine Hubbewegung in axialer Richtung ausgeführt werden kann.
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Aus der
DE 197 09 795 A1 ist ein Einspritzventil bekannt mit einem Aktuator, der einen Hub entlang einer Längsachse ausübt, mit einer axial beweglich angeordneten Düsennadel und einer hydrostatischen Hebelvorrichtung, die mit einem ersten Ende mit dem Aktuator und mit einem zweiten Ende mit der Düsennadel gekoppelt ist, um den Hub des Aktuators auf die Düsennadel zu übertragen.
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Es ist wünschenswert, ein Einspritzventil anzugeben, das einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Einspritzventil einen Aktuator, der ausgebildet ist zum Ausüben eines Hubs entlang einer Längsachse. Das Einspritzventil weist weiterhin eine axial beweglich angeordnete Düsennadel auf. Das Einspritzventil umfasst eine hydrostatische Hebelvorrichtung. Die hydrostatische Hebelvorrichtung ist mit einem ersten Ende mit dem Aktuator gekoppelt. Die hydrostatische Hebelvorrichtung ist mit einem zweiten Ende mit der Düsennadel gekoppelt. Die hydrostatische Hebelvorrichtung ist eingerichtet, die Aktuatorkraft auf die Düsennadel zu übertragen.
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Die hydrostatische Hebelvorrichtung ist so in dem Einspritzventil angeordnet, dass sie einen Hub des Aktuators übersetzt. Durch die hydrostatische Hebelvorrichtung wird der Hub des Aktuators so verstärkt, dass die Düsennadel aufgrund des Hubs des Aktuators eine größere Distanz zurücklegt als der Hub des Aktuators ist. So ist ein direkt angetriebenes Einspritzventil ermöglicht, das ein zuverlässiges schnelles Öffnen und Schließen des Einspritzventils ermöglicht. Dabei ist es auch möglich, das Aktuatorsignal, beispielsweise Spannung und/oder Kapazität des Aktuatorsignals auszuwerten, beispielsweise um die Öffnung des Einspritzventils oder den Zeitpunkt des Schließens zu bestimmen. Damit ist das Einspritzventil effektiv und zuverlässig steuerbar. Zudem ist die Reibung der Bewegung durch die Verwendung der hydrostatischen Hebelvorrichtung mit einer Flüssigkeit als Übertragungsmedium reduziert.
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Die Hebelvorrichtung umfasst ein Gehäuse, das eine Kammer zur Aufnahme einer Flüssigkeit mit einer ersten und einer zweiten Öffnung umgibt. Die Hebelvorrichtung umfasst einen ersten Stift, der in der ersten Öffnung axial beweglich angeordnet ist und der mit dem Aktuator gekoppelt ist. Die Hebelvorrichtung umfasst einen zweiten Stift, der in der zweiten Öffnung axial beweglich angeordnet ist und der mit der Düsennadel gekoppelt ist. Der erste Stift weist im Querschnitt zur Längsachse eine größere Fläche auf als der zweite Stift. Die Stifte sind insbesondere jeweils in Richtung der Längsachse beweglich. Die Düsennadel ist insbesondere entlang der Längsachse beweglich.
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In Betrieb wird der Hub des Aktuators auf den ersten Stift übertragen, so dass sich dieser in eine erste Richtung bewegt. Dabei wird die Flüssigkeit aus der ersten Öffnung verdrängt. Die verdrängte Flüssigkeit drückt den zweiten Stift aus der zweiten Öffnung. Durch die Bewegung des zweiten Stifts wird die Düsennadel bewegt. Dadurch, dass der erste Stift quer zur Längsachse eine größere Fläche aufweist als der zweite Stift, bewirkt die Bewegung des ersten Stifts eine Bewegung des zweiten Stifts über eine größere Distanz als der erste Stift zurücklegt.
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Gemäß Ausführungsformen umgibt das Gehäuse die Kammer so, dass die erste und die zweite Öffnung beabstandet zueinander länglich ausgedehnt gleichgerichtet zu der Längsachse ausgebildet sind und zwischen der ersten und der zweiten Öffnung eine Verbindungsleitung angeordnet ist, die die erste Öffnung hydraulisch mit der zweiten Öffnung koppelt und die quer zur Längsachse ausgerichtet ist. Somit ist es möglich, dass ein Hub des Aktuators in Richtung der Ventilnadel durch die hydrostatische Hebelvorrichtung so übertragen wird, dass die Düsennadel in die dem Hub entgegen gesetzte Richtung bewegt wird. Die Düsennadel wird in Richtung des Aktuators bewegt.
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Der Aktuator ist insbesondere ein piezoelektrisches Element, insbesondere ein piezokeramisches Element. Der Aktuator nützt beispielsweise den Piezoeffekt aus, um durch Anlegen einer elektrischen Spannung den Hub auszuführen, also eine mechanische Bewegung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den Figuren erläuterten Beispielen. Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente können in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse zueinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Einspritzventils gemäß einer Ausführungsform,
- 2 einen Teil eines Gehäuses eines Einspritzventils gemäß einer Ausführungsform, und
- 3 ein Koppelelement eines Einspritzventils gemäß einer Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines Einspritzventils 100. Das Einspritzventil 100 ist insbesondere als Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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Das Einspritzventil 100 weist einen Aktuator 101 auf. Der Aktuator 101 ist insbesondere ein Piezoaktuator mit einem piezoelektrischen Element 102. Der Aktuator 101 ist mittels eines Stifts 105 mit einem Koppelelement 121 gekoppelt.
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Das Koppelelement 121 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit zwei Stiften 118 gekoppelt. Die beiden Stifte 118 sind jeweils in einer ersten Öffnung 116 axial in Richtung einer Längsachse des Einspritzventils 100 beweglich angeordnet. Die ersten Öffnungen 116 werden jeweils von einem gemeinsamen Gehäuse 113 umgeben. Die erste Öffnung 116 ist jeweils Teil einer mit einer Flüssigkeit 115 gefüllten Kammer 114. Das Gehäuse 113 umgibt die Kammern 114 jeweils so, dass die Kammern 114 jeweils eine zweite Öffnung 117 aufweisen. Das Gehäuse 113 umgibt die Kammern 114 jeweils so, dass zwischen der ersten Öffnung 116 und der zweiten Öffnung 117 eine Verbindungsleitung 120 angeordnet ist, die die erste Öffnung 116 und die zweite Öffnung 117 hydraulisch miteinander koppeln.
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In der zweiten Öffnung 117 ist jeweils ein zweiter Stift 119 axial beweglich in Richtung der Längsachse L angeordnet. Die zweiten Stifte 119 sind jeweils mit einem flächig ausgedehnten Endbereich 104 einer Düsennadel 103 gekoppelt. Der Endbereich 104 springt quer über den Hauptteil der Düsennadel 103 vor.
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Das Einspritzventil 100 weist folglich zwischen dem Aktuator 101 und der Düsennadel 103 eine hydrostatische Hebelvorrichtung 110 auf, die einen Hub des Aktuators 101 auf die Düsennadel 103 überträgt. Die hydrostatische Hebelvorrichtung 110 ist mit einem ersten Ende 111 mechanisch mit dem Aktuator 101 gekoppelt. Die hydrostatische Hebelvorrichtung 110 ist mit einem zweiten Ende 112 mechanisch mit der Düsennadel 103 gekoppelt.
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Die hydrostatische Hebelvorrichtung 110 ist so ausgebildet, dass der erste Stift 118 quer zur Längsachse L eine größere Fläche aufweist als der zweite Stift 119. Somit wird der zweite Stift 119 bei einer Verschiebung des ersten Stifts 118 um eine erste Distanz um eine Distanz verschoben, die größer ist als die erste Distanz. Dadurch ist es möglich, die Düsennadel 104 um eine größere Distanz zu bewegen als der Hub des piezoelektrischen Elements 102. Dadurch können kleinere und damit kostengünstigere piezoelektrische Elemente verwendet werden und dennoch ist ein verlässlicher Betrieb mit einer ausreichenden Ventilöffnung durch eine genügend große Bewegung der Düsennadel 103 möglich.
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Die Flüssigkeit 115 ist insbesondere Diesel oder Benzin. Die Flüssigkeit 115 ist insbesondere von der gleichen Art wie die Flüssigkeit, die durch das Einspritzventil 100 in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Gemäß Ausführungsformen ist zwischen dem Gehäuse 113 und dem ersten Stift 118 eine Feder 106 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, eine Federkraft in Richtung des ersten Stifts 118 auszuüben. Die Feder 106 drückt den ersten Stift 118 während eines Schließvorgangs des Einspritzventils 100 in Richtung des Koppelelements 121. Dadurch ist es auch für den zweiten Stift 119 möglich sich während des Schließvorgangs in Richtung weg vom Koppelelement 121 zu bewegen. Somit ist es für die Düsennadel möglich sich in Richtung weg vom Koppelelement in die Schließposition zu bewegen. Durch die Feder 106 wird die Bewegung des ersten Stifts 118 unterstützt und somit ist das Einspritzventil 100 gut und zuverlässig schließbar. Zudem ist durch die Feder 106 der erste Stift 118 möglichst stets in Kontakt mit dem Koppelelement 121.
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Gemäß Ausführungsformen ist zwischen dem zweiten Stift 119 und dem Gehäuse 113 eine weitere Feder 107 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, eine Federkraft in Richtung des zweiten Stifts 119 auszuüben. Durch die Feder 107 wird der zweite Stift 119 möglichst immer in Kontakt mit dem Endbereich 104 der Düsennadel 103 gehalten. Dadurch ist ein präziser und zuverlässiger Betrieb des Einspritzventils 100 möglich.
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Gemäß Ausführungsformen ist das Gehäuse 113 aus zwei separat hergestellten Einzelteilen 108 und 109 gefertigt. Das dem Aktuator 101 zugewandte Einzelteil 108 umgibt die zwei Öffnungen 116 und 117, die beispielsweise durch zwei Bohrungen in das Einzelteil 108 eingebracht sind. Das dem Aktuator 101 abgewandte Einzelteil 109 weist eine Einkerbung auf, so dass, wenn die beiden Einzelteile 108 und 109 in betriebsfertigem Zustand in Kontakt miteinander sind, die Verbindungsleitung 120 zwischen der ersten Öffnung 116 und der zweiten Öffnung 117 ausgebildet ist.
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Gemäß Ausführungsformen verlaufen die erste Öffnung 116 und die zweite Öffnung 117 gleichgerichtet zur Längsachse L und die Verbindungsleitung 120 quer zur Längsachse L. Dadurch wird ein Hub des Aktuators 101 in Richtung der Düsennadel 103 durch die hydrostatische Hebelvorrichtung 110 so auf die Düsennadel 103 übertragen, dass sich die Düsennadel 103 in Richtung des Aktuators 101 bewegt und das Einspritzventil 100 beispielsweise geöffnet wird.
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Das Koppelelement 121 zwischen dem Aktuator 101 und dem ersten Stift 118 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen quer zur Längsachse L flächig ausgedehnten Grundkörper 122 auf. Der Grundkörper 122 ist in Betrieb möglichst stets in Kontakt mit dem Stift 105. Das Koppelelement 121 weist an seinem von der Längsachse L beabstandeten Ende jeweils einen in Richtung der Düsennadel 103 vorspringenden Bereich 123 auf, der jeweils mit dem erste Stift 118 gekoppelt ist.
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Das Koppelelement 121 weist eine Form auf, die es ermöglicht, dass sich die Düsennadel 103 in Richtung des Koppelelements 121 bewegt während sich das Koppelelement 121 gleichzeitig in Richtung der Düsennadel 103 bewegt. Insbesondere ist zwischen dem Koppelelement 121 und dem Endbereich 104 der Düsennadel 103 ein Zwischenraum.
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Das Volumen der Kammer 114 ist verhältnismäßig klein gewählt, so dass die Übertragung der Bewegung von dem ersten Stift 118 auf den zweiten Stift 119 im Wesentlichen zeitgleich ohne Verzögerung geschieht. Somit ist ein schnelles Öffnen und Schließen des Einspritzventils 100 möglich. Dadurch ist es möglich, Aktuatorsignale wie beispielsweise Spannung, Strom oder Kapazität auszuwerten und beispielsweise für die Steuerung des Einspritzventils beziehungsweise Regelung des Einspritzventils 100 zu verwenden.
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Zwischen dem Gehäuse 113 und dem ersten Stift 118 beziehungsweise dem zweiten Stift 119 ist ein schmaler Spalt vorgesehen, durch den Flüssigkeit aus der Kammer 114 austreten kann beziehungsweise in die Kammer 114 eintreten kann. Dies hat jedoch keine Einflüsse auf die unmittelbare Übertragung des Hubs des Aktuators 101 auf die Düsennadel 103. Das Einspritzventil 100 weist keine Umschaltleckage wie Einspritzventile mit Servoantrieb auf. Einspritzventile mit Servoantrieb weisen eine Umschaltleckage auf, wenn der Aktuator aktiviert ist und das Servoventil offen ist. Durch diese Leckage geht Energie verloren. Das Einspritzventil 100 weist kein Ventil auf, das einem Servoventil entspricht, und weist somit keine Umschaltleckage auf.
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Durch die Verwendung der hydrostatischen Hebelvorrichtung 110 mit der Flüssigkeit 115 als Übertragungsmedium werden Reibungsverluste im Vergleich zu mechanischen Hebeln verringert.
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Dadurch, dass das Koppelelement 121 durch die Feder 106 in Kontakt mit dem Stift 105 gehalten wird, entsteht zwischen dem Koppelelement 121 und dem Stift 105 kein Zwischenraum. Somit ist ein genauer und zuverlässiger Betrieb des Einspritzventils 100 möglich.
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Gemäß Ausführungsformen weisen der erste Stift 118 und der zweite Stift 119 jeweils eine zylindrische Form auf. Gemäß weiteren Ausführungsformen weisen die Stifte 118 und 119 eine andere Form auf, die es ermöglicht, Flüssigkeit zu verdrängen beziehungsweise von der Flüssigkeit 115 verdrängt zu werden.
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Die Form der Öffnungen 116 und 117 ist abhängig von der Form der Stifte 118 und 119. Der Querschnitt des Stifts 118 und der ersten Öffnung 116 sind so aneinander angepasst, dass zwischen dem Stift 118 und dem Gehäuse 113 ein kleiner Spalt von beispielsweise zwischen 3 und 4 µm ausgebildet ist. Der Querschnitt des zweiten Stifts 119 und der zweiten Öffnung 117 sind so aufeinander abgestimmt, dass zwischen dem zweiten Stift 119 und dem Gehäuse 113 ein kleiner Spalt von beispielsweise zwischen 3 und 4 µm angeordnet ist.
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Gemäß Ausführungsformen sind das Koppelelement 121 und der erste Stift 118 separate Bauteile, die relativ zueinander beweglich sind. Während dem Betrieb des Einspritzventils 100 ist es möglich, dass ein kleiner Zwischenraum zwischen dem Koppelelement 121 und dem ersten Stift 118 auftritt, so dass sich das Koppelelement 121 und der erste Stift 118 für einen kleinen Zeitraum nicht berühren.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen sind das Koppelelement 121 und der erste Stift 118 fest mit einander verbunden, so dass sie relativ zueinander nicht beweglich sind.
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Das Gehäuse 113 ist gemäß Ausführungsformen einstückig ausgebildet.
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Auf eine oder auf beide der Federn 106 und 107 wird gemäß Ausführungsformen verzichtet.
- 1 zeigt lediglich Elemente des Einspritzventils 100, um insbesondere die hydrostatische Hebelvorrichtung 110 zu beschreiben. In betriebsfertigem Zustand weist das Einspritzventil 100 weitere nicht gezeigte Bauteile auf, wie Beispielsweise eine Feder, die die Düsennadel 100 in Richtung weg vom Aktuator 101 drückt, um die Düsennadel 100 in ihre Schließposition zu drücken und das Einspritzventil 100 zu Schließen.
- 2 zeigt beispielhaft eine weitere Ausführungsform der Ausgestaltung der ersten Öffnung 116 und der zweiten Öffnung 117. Diese weisen jeweils eine von einer Kreisform abweichende Form auf. Die erste Öffnung 116 und die zweite Öffnung 117 weisen jeweils eine Nierenform auf.
- 3 zeigt beispielhaft eine weitere Ausführungsform des Koppelelements 121 mit den vorspringenden Bereichen 123. Die vorspringenden Bereiche 123 sind gemäß Ausführungsformen gleichzeitig die ersten Stifte 118 und beispielsweise in der ersten Öffnung 116 des Einzelteils 108 des Gehäuses 113 gemäß 2 angeordnet.
