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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zerstäuber für eine elektronische Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, insbesondere in der piezoelektrischen oder magnetostriktiven Ausführung, für ein Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine elektronische Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für ein Common-Rail-Kraftstoff-Einspritzsystem für einen Dieselmotor.
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STAND DER TECHNIK
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Bei Dieselmotoren ist es nötig, die Bildung von Feinstaub und Stickoxiden durch Herstellung eines möglichst homogenen Luft-Kraftstoff-Gemischs im Motor-Brennraum zu reduzieren, so dass der Diffusionscharakter der Verbrennung begrenzt ist.
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Anders ausgedrückt richtet sich die Forschung, wie auch im Dokument
US2008245902A1 erwähnt, auf den Bau eines HCCI-(Homogeneous Charge Compression Ignition / Homogene Kompressionszündung)Verbrennungsmotors.
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Jedoch ist es trotz aller Bemühungen mit der aktuellen Technologie nicht möglich, einen relativ einfachen und kostengünstigen Motor zu bauen, der unter sämtlichen Betriebslastbedingungen mit einem homogenen Gemisch betrieben werden kann.
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Stattdessen erscheint es sinnvoll, einen Motor bauen zu können, der in einem sogenannte Mischmodus betrieben werden kann, also einem HCCI-Modus (oder einem HCCI-ähnlichen Modus) bei niedrigen und mittleren Betriebslasten und einem „klassischen“ Modus bei hohen Betriebslasten.
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Um dies zu erreichen, ist es nötig eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zu bauen, die nicht nur eine hochpräzise Kraftstoffdosierung unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet, sondern auch äußerst flexibel ist, so dass
- – eine hohe Kraftstoffzerstäubung und somit eine hohe Mischungs-Homogenität zum Zeitpunkt der Verbrennung bei niedrigen und mittleren Betriebslasten und
- – eine hohe Kraftstoffdurchsetzung im Brennraum bei hohen Betriebslasten
erreicht wird.
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Bezüglich des Einspritzzerstäubers lehrt die
US2008245902 die Verwendung einer einzigen Nadel, die sich unter dem Einfluss eines Betätigungsgliedes bewegt und so eine Düse, die zwei Reihen von Mikroöffnungen aufweist, öffnet oder verschließt, so dass abhängig von der Nadelstellung ein veränderlicher Auslassquerschnitt gebildet wird.
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Mit dieser Ausführung mit verschiedenen Reihen von Mikroöffnungen lassen sich unterschiedliche Kraftstoff-Zerstäubungs-Grade und unterschiedliche SMD’s (Sauter Mean Diameter / Sauterdurchmesser) herstellen, die den optimalen Verbrennungsbedingungen für die unterschiedlichen Betriebslasten entsprechen.
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Jedoch weist diese Ausführung einige Nachteile auf. Zunächst sind die Mikroöffnungen anfällig für die Ablagerung von kohlenstoffhaltigen Rückständen, gemeinhin als „Verkokung“ bezeichnet, was die Homogenität der verschiedenen Kraftstoffdüsen und die Dosierung des Kraftstoffs beeinträchtigt und letztendlich zur einer Verstopfung der Mikroöffnungen führen kann.
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Zudem sind die oben genannten Mikroöffnungen stromabwärts des zwischen Nadel und Düse vorgesehenen Dichtbereichs angeordnet, so dass sie ein bestimmte Kraftstoffmenge enthalten, wenn die Düse geschlossen ist: dieser Kraftstoff kann aufgrund eines Unterdrucks im Brennraum von den Mikroöffnungen in den Brennraum gelangen, so dass eine andere Menge an Kraftstoff abgegeben wird, als eigentlich gewünscht ist.
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Weiterhin schwankt abhängig von der Stellung der Einspritznadel das Öffnen der Düse und als Folge hiervon der Auslassquerschnitt für den in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff auf diskrete Weise, so dass die Flexibilität dieser Einspritzvorrichtung nicht optimal ist.
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Um diese Nachteile zu beheben, empfiehlt es sich, eine Einspritzvorrichtung zu verwenden, in der der Zerstäuber ohne Mikroöffnungen ausgeführt ist und eine sogenannte Zapfen-Nadel aufweist, d.h. eine nach außen öffnende Düse. Ein weiteres Merkmal dieses Zerstäubers ist, dass die Düse mit Hilfe eines piezoelektrischen oder magnetostriktiven Antriebs geöffnet wird, der die Nadel verschiebt. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der
EP1559904 beschrieben.
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In dieser Lösung führt das an das Betätigungsglied übermittelte elektrische Steuersignal zu einer proportionalen Verlängerung oder Verkürzung des Betätigungsglieds, und diese Verlängerung/Verkürzung führt wiederum zu einer Translationsbewegung der Nadel. Es ist offensichtlich, dass die axiale Stellung der Nadel und somit des Kraftstoff-Auslassquerschnitts in Übereinstimmung mit den an das Betätigungsglied übermittelten elektrischen Steuersignalen kontinuierlich und nicht diskret variiert.
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Die in der
EP 1559904 beschriebene Lösung ist direktwirkend, d.h. die Verlängerung/Verkürzung des Betätigungsgliedes führt zu einer gleichbleibenden axialen Bewegung der Nadel ohne Ausgleichsmöglichkeit im Falle von:
- – Schwankungen in der axialen Länge der Nadel infolge von Temperaturgradienten, die üblicherweise zwischen dem Motorstart und normalen Fahrbedingungen auftreten, sowie
- – Schwankungen in der axialen Länge der Nadel infolge des unterschiedlichen Kraftstoffdrucks in den jeweiligen Motorbetriebspunkten (der Druck des Kraftstoffs wirkt sowohl radial in Kompression und daher wie ein Choke, als auch axial auf Zug, so dass die Druckerhöhung generell zu einer Verlängerung der Nadel führt);
- – axialem Spiel, das zwangsläufig aufgrund von Abnutzungserscheinungen an den Bauteilen, Bearbeitungstoleranzen, Ungenauigkeiten beim Zusammenbau usw. auftritt.
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Diese Faktoren, also das axiale Spiel und Abmessungsschwankungen der Nadel entlang ihrer Achse, haben in der Regel einen so erheblichen prozentualen Effekt auf den Gesamthub der Nadel, dass die Präzision des Düsen-Öffnungsgrades und somit die Dosierung des Kraftstoffes im Brennraum beeinträchtigt wird. Beispielsweise kann im Falle eines piezoelektrischen Betätigungsglieds mit einer für den Einbau in normalen Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen geeigneten Größe die Verlängerung/Verkürzung im Bereich einer Größenordnung von ca. 40–60 µm liegen, während die oben genannten Faktoren zu einem Nadel-Positionierungsfehler von ca. 40 µm führen können. Daraus folgt, dass es mit der in der
EP1559904 vorgeschlagenen Lösung nicht möglich ist, den Kraftstoff-Abgabeabschnitt, und infolge dessen die einzuspritzende Kraftstoffmenge, präzise zu kalibrieren.
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Zumindest einige dieser Nachteile können durch axialen Einbau einer Hydraulikverbindung, genauer gesagt einer mit Kraftstoff gefüllten Kammer, zwischen der Nadel und dem Betätigungsglied überwunden werden. Diese Kammer sorgt für einen Spielausgleich während der Montage und weist ein Volumen auf, das unter dynamischen Bedingungen variabel ist und somit ebenfalls zu einem Ausgleich der Maßabweichungen der Nadel führt.
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Eine solche Lösung ist beispielsweise in der Druckschrift
US2011232606A1 beschrieben. In diesem Stand der Technik wird ein Kolben beschrieben, der sich unter direkter Einwirkung eines piezoelektrischen Betätigungsglieds hin- und her bewegt, so dass sich das Volumen einer eine Hydraulikverbindung bildende Druckkammer verkleinert bzw. vergrößert, wobei diese Hydraulikverbindung eine Wirkverbindung zwischen dem Kolben und der Nadel bildet. Die Druckkammer weist zum Ausgleich von Spiel und Temperaturschwankungen eine variable axiale Länge auf. Zudem haben die Abmessungen für die Flächen der Nadel und des Kolbens, die die Druckkammer axial begrenzen, einen vorteilhaften Einfluss auf die Verlagerung der Nadel bezüglich des einen Kolbens.
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Jedoch weist diese Lösung ebenfalls einige Nachteile auf.
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Der in den Brennraum einzuspritzende Kraftstoff strömt zunächst durch einen in der Nadel ausgeführten axialen Durchgang und tritt durch eine Reihe von Mikroöffnungen aus, die in der Spitze der Nadel ausgeführt sind und ebenfalls, wie oben ausgeführt, zum Verkoken neigen.
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Außerdem führt dieser Aufbau zu zwei Kraftstoff-Druckabfällen in Reihe im Motorbetrieb unter Niederlast (siehe
2 der
US2011232606A1 ), d.h. an den oben genannten Mikroöffnungen und an der Verengung des Abgabeabschnitts zwischen der Nadel und der Düse des Zerstäubers. Aus diesem Grund ist es zum Erreichen der gewünschten Zerstäubung bei Niederlast nötig, den Kraftstoff unter einem höheren Druck im Vergleich zu dem Fall bereitzustellen, bei dem es nur zu einem einzigen Druckabfall kommt.
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Zudem kann der Kraftstoffdruck in dem axialen Durchgang zu einer radialen Ausdehnung der Nadel führen, so dass es infolge dessen zu einem Festsetzen der Nadel im Innensitz der Zerstäuberdüse kommen kann.
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Außerdem wird die Druckkammer mit Kraftstoff über die Kraftstoffvorlauf-Einlassöffnung befüllt, d.h. der Druck in der Druckkammer ist nicht nur relativ hoch, sondern als Folge von Vorlaufdruckschwankungen bei laufendem Motor ebenfalls Schwankungen unterworfen.
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Diese Druckschwankungen in der Druckkammer der Hydraulikverbindung sind unerwünscht, da sie die Positionierungsgenauigkeit der Nadel negativ beeinflussen.
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Zudem weist die in der
US2011232606A1 beschriebene Lösung keine Merkmale auf, mit denen das Volumen der Druckkammer als Reaktion auf relativ schnelle Längenänderungen der Nadel, die im Allgemeinen aufgrund von Druckschwankungen im Kraftstoff um die Nadel herum und aufgrund von Druckschwankungen in den Brennraum auftreten, automatisch verändert werden könnte.
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Die
FR2941745 , die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, beschreibt eine Einspritzvorrichtung mit einem piezoelektrischen Betätigungsglied, der über eine Hydraulikverbindung, nämlich eine mit Kraftstoff gefüllte Kammer, mit der Einspritznadel verbunden ist. Eine Verlängerung des Betätigungsglieds übt Druck auf den in dieser Kammer vorhandenen Kraftstoff aus, und dieser Druck sorgt wiederum für eine Translationsbewegung der Einspritznadel in eine der Verlängerung des Betätigungsglieds entsprechenden Richtung. In dieser Lösung wird die axiale Bewegung der Einspritznadel durch die Gesamtheit des die Einspritznadel umgebenden Kraftstoffdrucks beeinträchtigt.
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GEGENSTAND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Zerstäubers für eine elektronische Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für ein Kraftstoff-Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, mit dem die oben beschriebenen Probleme auf einfache und kostengünstige Weise gelöst werden können, wobei vorzugsweise Mittel bereitgestellt werden, mit denen sich ein unerwünschtes Öffnen der Düse vermeiden lässt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Zerstäuber für eine elektronische Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für ein Kraftstoff-Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun einige bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft und in nicht einschränkender Weise im Hinblick auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigt/zeigen
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1 eine Zeichnung einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Zerstäubers für eine elektronische Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für ein Kraftstoff-Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 einen vereinfachten Querschnitt einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Zerstäubers für eine elektronische Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
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3 und 4 jeweils vergrößerte Darstellungen von zwei Ausschnitten aus 2,
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5, ähnlich der 4, eine weitere Ausführungsform der elektronischen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, und
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6 und 7, ähnlich der 4, jeweils Varianten der elektronischen Einspritzvorrichtung aus 2.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nun im Hinblick auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, so dass ein Fachmann sie herstellen und verwenden kann.
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In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 als Ganzes eine (schematisch dargestellte) elektronische Einspritzvorrichtung als Teil eines mit Bezugsziffer 2 bezeichneten Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff in einen (schematisch dargestellten) Brennraum 3 eines Verbrennungsmotors. Insbesondere handelt es sich bei dem Einspritzsystem 2 um ein Common-Rail-Einspritzsystem für einen Diesel-Verbrennungsmotor.
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Die elektronische Einspritzvorrichtung 1 umfasst einen Einspritz-Körper 4 (2), der sich entlang einer Längsachse 5 erstreckt, vorzugsweise durch eine Anzahl von miteinander verbundenen Teilen gebildet ist und eine Einlassöffnung 6 zur Aufnahme von unter Hochdruck, insbesondere unter einem Druck im Bereich von zwischen 600 und 2800 bar, zugeführtem Kraftstoff aufweist. Die Einlassöffnung 6 ist insbesondere über eine Versorgungsleitung 7 mit einer gemeinsamen Kraftstoffleitung (Common Rail) 8 verbunden, die wiederum mit einer Hochdruckpumpe (nicht dargestellt) verbunden ist, die ebenfalls Teil des Einspritzsystems 2 ist.
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Am Ende der elektronischen Einspritzvorrichtung 1 ist ein Kraftstoff-Zerstäuber 10 angeordnet, der eine am Einspritz-Körper 4 befestigte Düse 11 sowie eine Ventilnadel 12 umfasst, die sich entlang der Achse 5 erstreckt und in einem Durchgangssitz 13 zum Öffnen/Schließen der Düse 11 durch einen von dem Sitz 13 aus axial nach außen gerichteten Öffnungshub und einen nach innen, also auf den Einspritz-Körper 4 zu, gerichteten Schließhub axial beweglich ist.
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Aufgrund dieses Bewegungsschemas wird eine derartige elektronische Einspritzvorrichtung 1 im Allgemeinen als „nach außen öffnende Düse“ oder als „Zapfendüse“ bezeichnet.
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Die Düse 11 umfasst einen Dichtbereich 21, der zusammen mit einem Kopf 20 der Ventilnadel 12 einen Abgabeabschnitt 14 für den Kraftstoff bildet. Der Abgabeabschnitt 14 weist eine kreisförmige ringartige Form auf mit einer Breite, die entlang des Umfangs konstant ist, sich aber mit fortschreitendem Öffnungshub der Ventilnadel 12 vergrößert.
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Der Kraftstoff wird somit mit einem Strahl, der entlang des Umfangs homogen ist, in anderen Worten mit einem konischen oder „Schirm-“Strahl, und mit einer variablen Durchflussrate, die proportional zum Hub der Ventilnadel 12 ist, in den Brennraum 3 eingespritzt.
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Der Dichtbereich 21 ist insbesondere durch eine konische oder scharfkantige Oberfläche mit einer kreisförmigen ringartigen Form am Auslass des Sitzes 13 begrenzt.
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Der Kopf 20 weist einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der des Dichtsitzes 21 und der übrigen Ventilnadel 12, und ist nahe der Düse 11 durch eine konische oder halbkugelförmige Oberfläche begrenzt, die zum Absperren gegen den Dichtsitz 12 ausgelegt ist. Wenn diese beiden Bauteile miteinander in Kontakt stehen, bilden sie eine einzige „statische Dichtung“, d.h. eine Dichtung, die einen vollständigen Verschluss der Düse 11 gewährleistet.
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Wie oben erwähnt, sind der Dichtsitz 21 und die Ventilnadel 12 so bemessen, dass ein Abgabeabschnitt 14 gebildet wird, der in Abhängigkeit von der axialen Stellung der Ventilnadel 12 kontinuierlich und nicht schrittweise und diskret variiert. Ausgehend von der geschlossen Stellung, in der der Kopf 20 gegen den Dichtsitz 21 anliegt und die Düse 11 somit geschlossen ist, führt der nach außen gerichtete Öffnungshub der Ventilnadel 12 insbesondere zunächst zu einem Öffnen der Düse 11 und anschließend zu einem fortschreitenden Vergrößern des Abgabeabschnitts 14 für den Kraftstoff.
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Somit ist bei einem relativ kleinen Öffnungshub der Abgabeabschnitt 14 ebenfalls relativ klein, so dass der Kraftstoff mit hoher Zerstäubung eingespritzt wird. Bei einem relativ langen Öffnungshub ist der Abgabeabschnitt 14 ebenfalls relativ lang: somit wird, auch in Anbetracht der besonderen Geometrie des Kopfes 20, der Kraftstoff mit hoher Durchsetzung eingespritzt. Diese Veränderlichkeit des Abgabeabschnitts 14 kann bei Realisierung eines Motorbetriebs im Mischmodus vorteilhaft sein, also ein HCCI-Modus (Homogeneous Charge Compression Ignition / Homogene Kompressionszündung) bei niederen und mittleren Lasten mit einer hohen Kraftstoff-Zerstäubung im Brennraum 3, und einem herkömmlichen CI-Modus (Compressed Ignition / Kompressionszündung) bei hohen Lasten mit einer hohen Kraftstoffdurchsetzung im Brennraum 3.
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Bezugnehmend auf die Zeichnung in 1 umfasst der Zerstäuber 10 einen ringförmigen Durchgang 16 der zwischen der seitlichen Außenfläche der Ventilnadel 12 und einer Innenfläche der Düse 11 begrenzt ist und in axialer Richtung am Dichtsitz 21 endet, so dass der Kraftstoff in den Brennraum 3 eingespritzt werden kann. Der ringförmige Durchgang 16 begrenzt einen Durchgangsabschnitt, der ausreichend groß ist, um Druckabfälle in der Düse 11 auf ein Minimum zu begrenzen. Somit fließt unter hohem Druck stehender Kraftstoff nicht durch Mikroöffnungen, und die eingespritzte Kraftstoffmenge hängt ausschließlich von der Größe des Abgabeabschnitts 14 und dem Druckunterschied zwischen dem ringförmigen Durchgang 16 und dem Brennraum 3 ab.
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Der ringförmige Durchgang 16 erstreckt sich von der ringförmigen Kammer 18 aus, die ebenfalls zwischen der seitliche Außenfläche der Ventilnadel 12 und der Innenfläche der Düse 11 begrenzt ist und über einen Durchgang 19 in dem Einspritzkörper 4 mit dem Einlass 6 kommuniziert.
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Bezugnehmend auf 1 bilden die Kammer 18 und der ringförmige Durchgang 16 eine Hochdruck-Umgebung, da diese mit dem Einlass 6 kommunizieren. Der Einspritzkörper 4 weist außerdem eine Niederdruck-Umgebung 22 auf, die mit einem Auslass 23 kommuniziert, der mit den Leitungen 24 verbunden ist, über die Kraftstoff zu einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) zurückgeführt wird und die unter einem niedrigen Druck von beispielsweise ca. 2 bar stehen.
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Die Hochdruck-Umgebung (16, 18) und die Niederdruckumgebung 22 sind durch eine sogenannte „dynamische Dichtung“, die durch einen Kopplungsbereich 25 zwischen der Ventilnadel 12 und einem festen Führungsabschnitt gebildet ist, der insbesondere Teil der Düse 11 ist, voneinander getrennt. Allgemein gesprochen bezieht sich der Begriff „dynamische Dichtung“ auf einen Dichtbereich, der durch eine Kopplung in Form einer Welle/Öffnung gebildet ist, wobei ein Gleitbereich und/oder eine Führung zwischen den beiden Bauteilen vorgesehen ist, in der das Spiel in der Durchmesserrichtung ausreichend klein ist, so dass die durchsickernde Kraftstoffmenge vernachlässigbar ist.
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In anderen Worten sickert eine relativ kleine Kraftstoffmenge von der Kammer 18 in die Niederdruck-Umgebung 22; dieser Kraftstoff fließt zum Auslass 23 und wird zum Kraftstofftank zurückgeführt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der mittlere Durchmesser der statischen Dichtung zwischen dem Kopf 20 und dem Dichtsitz 21 gleich dem Durchmesser des Kopplungsbereichs 25, um das axiale Gleichgewicht der Ventilnadel 12 im Bezug auf den Druck sicherzustellen, wenn die Düse 11 geschlossen ist.
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Die Ventilnadel 12 ist vorzugsweise einstückig. In dem in 2 bis 4 dargestellten Beispiel ist die Ventilnadel 12 jedoch durch zwei getrennte Teile gebildet, die in axialem Kontakt miteinander angeordnet sind. Anders ausgedrückt ist die Ventilnadel 12 aus einer Nadel 27 gebildet, die Teil des Zerstäubers 10 ist, sowie einer im Einspritz-Körper 4, insbesondere vollständig innerhalb der Niederdruck-Umgebung 22 angeordneten Übertragungsstange 28.
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Zum Erzeugen einer Translationsbewegung der Ventilnadel 12 umfasst die elektronische Einspritzvorrichtung 1 eine Antriebsvorrichtung 30, die wiederum ein elektrisch gesteuertes Betätigungsglied 32 umfasst, d.h. ein von einer elektronischen Steuereinheit 33 gesteuertes Betätigungsglied, wobei die Steuereinheit 33 für jeden Kraftstoff-Einspritzschritt und dem entsprechenden Verbrennungszyklus im Brennraum 3 so programmiert ist, dass sie gemäß den durchzuführenden Kraftstoff-Einspritzvorgängen ein oder mehrere elektrische Steuersignale an das Betätigungsglied 32 ausgibt. Das Einspritzsystem 2 umfasst insbesondere ein Druckmessgerät 80, das den Druck im Brennraum 3 misst und anschließend ein entsprechendes Signal an die elektronische Steuereinheit 33 ausgibt. Die elektronische Steuereinheit 33 steuert das Betätigungsglied 32 mit einem Feedback-Signal an, das auf dem erfassten Drucksignal und anderen Signalen bezüglich des Motorbetriebs basiert.
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Das Betätigungsglied 32 kann derart sein, dass eine Axialverschiebung festgelegt wird, die proportional zu dem erhaltenen elektrischen Steuersignal ist: bei dem Betätigungsglied 32 kann es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Antrieb oder einen magnetostriktiven Antrieb handeln. Die Antriebsvorrichtung 30 umfasst ferner eine Feder 35, die so vorgespannt ist, dass eine axiale Kompression auf das Betätigungsglied 32 ausgeübt wird, um dessen Leistungsfähigkeit zu erhöhen.
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Die Ansteuerung durch das elektrische Steuersignal führt zu einer entsprechenden axialen Ausdehnung des Betätigungsglieds 32 und infolge dessen zu einer entsprechenden axialen Translationsbewegung eines Kolbens 34, der koaxial und stationär bezüglich eines axialen Endes des Betätigungsglieds 32 ist. In dem in 4 gezeigten Beispiel hält dieselbe Feder 35 den Kolben 34 in einer festen Position in Bezug auf das Betätigungsglied 32.
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Die axiale Translationsbewegung des Kolbens 34 drückt auf die Ventilnadel 12 und führt infolge dessen zu einem Öffnen der Düse 11 gegen die Wirkung einer Feder 31, die so vorgespannt ist, dass sie die Ventilnadel 12 nach innen drückt und die Düse 11 somit verschließt.
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Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, ist die Feder 31 axial zwischen der Düse 11 und einem Endabschnitt der Nadel 27 angeordnet. Vorzugsweise liegt die Feder 31 auf einer Seite axial gegen einen Halbring 83 an, der mit dem Endabschnitt der Nadel 27 in Eingriff steht, und auf der anderen Seite gegen einen Abstandshalter 84, der wiederum gegen die Düse 11 anliegt. Die axiale Dicke des Abstandshalters 84 ist frei wählbar, um die Vorspannung der Feder 31 einzustellen. Der Halbring 83 wird einfach auf die Nadel 27 aufgeschoben oder wird beispielsweise durch Schweißen oder durch Presspassung an der Nadel 27 befestigt.
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Vorzugsweise ist die Feder 31 in der Niederdruck-Umgebung 22 angeordnet.
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In der Ausführungsform gemäß 4 ist der Kolben 34 durch einen Stift gebildet.
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Demgegenüber ist der Kolben 34 gemäß der Ausführung in 5 innen hohl. Ferner ist in 5 zusätzlich zu der Feder 35 eine Feder 82 vorgesehen, die den Kolben 34 axial gegen das axiale Ende des Betätigungsglieds 32 hält, das beispielsweise durch eine Platte gebildet ist.
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Wie in 1 dargestellt ist das Betätigungsglied 32 über eine Hydraulikverbindung 36 mit der Ventilnadel 12 gekoppelt. Die Hydraulikverbindung 36 umfasst eine Druckkammer 37, die koaxial zu der Ventilnadel 12 und dem Kolben 34 ist und mit Kraftstoff befüllt ist, der, sobald er komprimiert wird, den axialen Schub von dem Kolben 34 auf die Ventilnadel 12 überträgt. Die Kraftstoffmenge in der Druckkammer 37 variiert automatisch zum Ausgleich des axialen Spiels und der Abmessungsschwankungen der Ventilnadel 12 während des Betriebs, worauf später noch genauer eingegangen wird. Die Druckkammer 37 kann, um mit unter einem niedrigen Druck stehenden Kraftstoff befüllt zu werden, nur mit der Niederdruck-Umgebung 22 kommunizieren, und ist somit unempfindlich gegen die üblicherweise in der Hochdruck-Umgebung 16, 18 auftretenden Druckschwankungen.
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Wie aus den 2, 4 und 5 ersichtlich, ist die Druckkammer 37 auf einer Seite axial direkt durch eine axiale Spitze 40 der Ventilnadel 12 begrenzt.
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In der Ausführungsform gemäß 4 umfasst die Hydraulikverbindung 36 eine Hülse 41, die die Druckkammer 37 seitlich begrenzt, von der Niederdruck-Umgebung 22 umgeben ist, in axial gleitender Weise mit der Spitze 40 in Eingriff steht und durch die Spitze 40 geführt ist, so dass sie axial beweglich in Bezug auf den Einspritzkörper 4 ist. Der Führungsbereich zwischen der Spitze 40 und der Hülse 41 bildet eine dynamische Dichtung, die denselben Zweck erfüllt wie oben ausgeführt.
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Die Hülse 41 wird durch eine Feder 42 axial zur Anlage gegen eine feststehende Schulter gedrückt, die insbesondere durch einen Abstandshalter 43 gebildet ist, der zwischen der Hülse 41 und dem Betätigungsglied 32 angeordnet ist und eine frei wählbare Dicke aufweist.
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Insbesondere endet die Hülse 41 in axialer Richtung mit einem Außenflansch 45, dessen eine axiale Seite gegen den Abstandshalter 43 anliegt, während die Feder 42 axial zwischen der anderen Seite des Flansches 45 und einer axialen Schulter 46 des Einspritzkörpers 4 in der Niederdruck-Umgebung 22 angeordnet ist.
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In dem dargestellten Fall, in dem die Ventilnadel 12 aus zwei Teilen (Nadel 27 und Stange 28) gebildet ist, umfasst die Hydraulikverbindung 36 eine Feder 47, die in der Druckkammer 37 aufgenommen ist, auf einer Seite axial gegen die Stange 28 und auf der anderen Seite gegen einen Innenflansch 48 der Hülse 41 anliegt, so dass die Stange 28 gegen die Nadel 27 gedrückt wird.
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An dem dem Betätigungsglied 32 zugewandten axialen Teil weist die Druckkammer 37 eine Öffnung 49 auf, die durch einen Stopfen 50 geöffnet/verschlossen werden kann.
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Der maximale, durch die Öffnung 49 und den Stopfen 50 begrenzte Durchgangsabschnitt für den Kraftstoff ist größer als der der dynamischen Dichtung zwischen der Spitze 40 und der Hülse 41.
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Die Öffnung 49 wird durch einen Endrand der Hülse 41 begrenzt und ist geöffnet, wenn die Düse 11 geschlossen und das Betätigungsglied 32 spannungslos ist, so dass die Druckkammer 37 in Kommunikation mit der Niederdruck-Umgebung 22 steht.
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Ausgehend von einem Zustand, in dem das Betätigungsglied 32 spannungslos ist, gewährleistet der Stopfen 50 einen dichten Verschluss der Öffnung 49 infolge der Betätigung des Betätigungsglieds 32, wie später noch genauer erklärt wird.
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Der Stopfen 50 ist außerhalb der Druckkammer 37 angeordnet und vorzugsweise ein von dem Kolben 34 getrenntes und in Bezug auf diesen bewegliches Teil und wird durch eine Feder 51 axial gegen den Kolben 34 gedrückt. Der Stopfen 50 ist axial der Öffnung 49 zugewandt und ist so ausgeführt, dass er unter Einwirkung des Kolbens 34, wenn dieser durch das Betätigungsglied 32 angetrieben wird, mit einem Dichtsitz 52 der Hülse 41 in Kontakt kommt, so dass die Öffnung 49 geschlossen und fluidisch abgedichtet wird.
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Insbesondere liegt die Feder 51 mit einer Seite axial gegen den Stopfen 50 und mit der anderen Seite gegen den Flansch 48 an. Vorzugsweise ist der Stopfen 50 durch eine Kugel gebildet.
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Gemäß der Ausführungsform in 6 ist der Stopfen 50 an dem Kolben 34 befestigt oder einstückig mit diesem ausgeführt, so dass keine Feder 51 benötigt wird. Der Stopfen 50 kann beispielsweise ein halbkugelförmiges Ende des Kolbens 34 bilden. Jedenfalls kann der Stopfen 50 unterschiedliche Formen aufweisen, die aber immer der jeweiligen Form des Dichtsitzes 52 entsprechen, so dass die Öffnung 49 verschlossen werden kann.
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Gemäß einer weiteren, in 7 dargestellten Ausführungsform ist es möglich, auf die Feder 51 und den Flansch 48 zu verzichten und den Stopfen 50 über die Feder 47 gegen den Kolben 34 zu halten.
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Wie oben erwähnt halten, wenn das Betätigungsglied 32 spannungslos ist, die Federn 42 bzw. 47 die Hülse 41 in Kontakt mit dem Abstandshalter 43 und die Stange 28 in Kontakt mit der Nadel 27, während die Feder 51 den Stopfen 50 in einer axial von dem Dichtsitz 52 abgesetzten Position gegen den Kolben 34 hält. Zudem hält in diesem Betriebszustand der Schub der Feder 31 die Düse 11 wie oben erwähnt geschlossen.
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Der Abstand des Stopfens 50 von dem Dichtsitz 52 ist abhängig von der Dicke des Abstandshalters 43, wodurch ein Einstellen des maximalen Abgabeabschnitts durch die Öffnung 49 in der Konstruktions- und/oder Montagephase ermöglicht ist.
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Ausgehend von diesem Betriebszustand und durch wiederholtes Ansteuern de Betätigungsglieds 32 dehnt sich das Betätigungsglied 32 aus, so dass sich der Kolben 34 mehr und mehr auf die Druckkammer 37 zu bewegt.
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In einem ersten Verlängerungszeitraum h1 des Betätigungsglieds 32 drückt der Kolben 34 den Stopfen 50 gegen die Wirkung der Feder 51, bis die Öffnung 49 geschlossen ist. In einem zweiten Verlängerungszeitraum h2 des Betätigungsglieds 32, der eine relativ kleine Größe aufweist, überträgt der Stopfen 50 den axialen Schub des Kolbens 34 auf die Hülse 41, die dann axial auf der Spitze 40 in Richtung des Zerstäubers 10 verschoben wird und den Kraftstoff in der Druckkammer 37 unter Druck setzt. Sobald eine vorbestimmte Druckgrenze erreicht ist, durch die die Vorspannung der Feder 31 überwunden wird, endet der Verlängerungszeitraum h2 und die Ventilnadel 12 beginnt sich zu bewegen.
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Anschließend, in einem dritten Verlängerungszeitraum h3 des Betätigungsglieds 32, überträgt der Kraftstoff in der Druckkammer 37 die Verlagerung des Kolbens 34 direkt auf die Ventilnadel 12, so dass sich infolge dessen die Düse 11 proportional hierzu öffnet und eine Einspritzphase stattfinden kann. Anders ausgedrückt ist der Verlängerungszeitraum h3 im Wesentlichen derjenige, der den Hub der Ventilnadel 12 zum Öffnen der Düse 11 festlegt.
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Eine notwendige Voraussetzung hierfür ist, dass während dem Verlängerungszeitraum h3 die durch die dynamische Dichtung zwischen der Spitze 40 und der Hülse 41 sickernde Kraftstoffmenge vernachlässigbar klein im Bezug auf das von der Spitze 40 verdrängte Volumen ist. Dieser Zustand ist erreicht, wenn das Kopplungsspiel der dynamischen Dichtung ausreichend klein und das Zeitintervall, in dem der Verlängerungszeitraum h3 stattfindet, ausreichend kurz ist.
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Wie oben erwähnt, ist bei spannungslosem Betätigungsglied 32 die Druckkammer 37 geöffnet und steht in Kommunikation mit der Niederdruck-Umgebung 22. Die Kopplung zwischen der Hülse 41 und dem Abstandshalter 43 hat keinen Dichtungseffekt um die Öffnung 49, oder es sind vorteilhafterweise Seitenschlitze (nicht dargestellt) vorgesehen, die für den Durchtritt des Kraftstoffs sorgen. Somit kann in diesem Betriebszustand Kraftstoff über die Öffnung 49 frei ein- und austreten. Schwankungen in der axialen Größe der Ventilnadel 12 (aufgrund von Temperaturgradienten und/oder Druckschwankungen in der Hochdruck-Umgebung 16, 18) führen zu einer Verlagerung der Spitze 40, was zu einer Veränderung des Volumens der Druckkammer 37 führt und somit für einen freien Durchgang von Kraftstoff durch die Öffnung 49 sorgt. Anders ausgedrückt: Verlängert sich die Ventilnadel 12, so leert sich die Druckkammer 37; verkürzt sich die Ventilnadel 12, so tritt aufgrund des Unterdrucks Kraftstoff in die Druckkammer 37 ein.
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Somit tritt bei einer Verlängerung der Ventilnadel 12 kein unerwünschtes Öffnen der Düse 11 auf, da sich die Spitze 40 frei in die Hülse 41 zurückziehen und die axiale Größe der Druckkammer reduzieren kann.
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Bei spannungslosem Betätigungsglied 32 ermöglicht die Öffnung 49 einen automatischen Ausgleich selbst bei relativ schnellen Veränderungen der axialen Länge der Ventilnadel 12 (üblicherweise aufgrund von Schwankungen im Kraftstoff-Zuführungsdruck und Druckschwankungen im Brennraum 3).
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In der Ausführungsform gemäß 5 weist die Hülse 41 keinen Flansch 48 auf und ist an der Innenseite des Einspritz-Körpers 4 befestigt, beispielsweise mittels eines in den Einspritzkörper 4 eingeschraubten Gewinderings 86.
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Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die Druckkammer 37 seitlich durch eine Innenfläche des Einspritzkörpers 4 ohne eine zusätzliche Hülse begrenzt.
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Der Kolben 34 begrenzt gleichzeitig eine innere Ausnehmung 61, die beispielsweise durch Schlitze 62 in der Seitenwand des Kolbens 34 mit der Niederdruckumgebung 22 kommuniziert. Die Ausnehmung 61 kann mit der Druckkammer 37 über eine Öffnung 59 kommunizieren, die dieselbe Funktion wie die Öffnung 49 hat und axial in einem Endabschnitt 63 des Kolbens 64 ausgeführt ist. Der Endabschnitt 63 steht axial gleitend mit einem Mantel 64 in Eingriff, der durch einen Endabschnitt der Hülse 41 gebildet ist und die Druckkammer 37 auf der gegenüberliegenden Seite bezüglich der Spitze 40 axial begrenzt.
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Der Gleitbereich zwischen der Hülse 41 und der Spitze 40 sowie der Gleitbereich zwischen Abschnitten 63 bzw. 64 bilden dynamische Dichtungen, die die fluidische Abdichtung der Druckkammer 37 gewährleisten.
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Vorzugsweise weist der Endabschnitt 63 einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der der Spitze 40, so dass die Druckkammer 37 zu einer Verstärkung der axialen Bewegung der Ventilnadel 12 im Vergleich zu der des Kolbens 34 führt.
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In der Druckkammer 37 ist ein Stopfen 70 aufgenommen, der durch ein von dem Kolben 34 separates Teil gebildet und in Bezug auf den Kolben 34 axial beweglich ist und die Öffnung 59 unter Einwirkung einer Feder 69, die vorzugsweise zwischen dem Stopfen 70 und einem an dem Abschnitt 63 in der Druckkammer 37 befestigten Käfig 71 angeordnet ist, geschlossen hält.
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Bezüglich der Arbeitsweise der Hydraulikverbindung 36 in 5 hält die Feder 82 den Kolben 34 bei spannungslosem Betätigungsglied 32 gegen das Betätigungsglied 32 gedrückt. Vorzugsweise ist die Feder 82 an einer Seite mit einem Außenflansch des Kolbens 34 und an der anderen Seite mit dem Gewindering 86 gekoppelt. Alternativ kann die Feder 82 auch mit einer Schulter des Einspritzkörpers 4 gekoppelt oder in der Druckkammer zwischen Abschnitt 63 und der Hülse 41 angeordnet sein.
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Die Feder 69 hält den Stopfen 70 bei spannungslosem Betätigungsglied 32 immer in der geschlossenen Stellung. Der Druck des Kraftstoffs in der Druckkammer 37 ist gleich dem Druck der Umgebung 22 und ist demnach nicht ausreichend, um die Wirkung der Feder 31 zu überwinden. Die Ventilnadel 12 bleibt somit in der geschlossenen Stellung.
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Bei einer relativ schnellen Verkürzung der Betätigungsglied-Nadel 12, beispielsweise bei einem signifikanten Druckabfall in der Hochdruckumgebung, löst der Stopfen 70 augenblicklich gegen den Schub der Feder 69 aus und gibt die Öffnung 59 frei. Hierbei wird in der Druckkammer 37 ein Unterdruck erzeugt, so dass Kraftstoff aus der Ausnehmung 61 abgesaugt wird.
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Bei Ansteuerung des Betätigungsglieds 32 kommt es zu einer Verlängerung desselben, wodurch der Kolben 34 in Richtung der Spitze 40 bewegt wird. Die Bewegung des Kolbens 34 führt zu einem schnellen Anstieg des Kraftstoffdrucks in der Druckkammer 37, bis ein Schwellenwert erreicht ist, der die Vorspannung der Feder 31 überwindet.
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Unmittelbar danach bewegt sich die Ventilnadel 12 mit einer Verlagerung, die im Vergleich zu der des Kolbens 34 verstärkt ist, wobei ein Übersetzungsverhältnis durch das Verhältnis zwischen den Flächeninhalten der Axialflächen des Abschnitts 63 sowie der Spitze 40 bestimmt ist.
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Aus den obigen Ausführungen wird deutlich, dass die Einspritzvorrichtung 1 ein Kraftstoff-Einspritzen in einem so genannten Mischmodus ermöglicht, d.h. einem HCCI-Modus (oder einem HCCI-ähnlichen Modus) bei niedrigen und mittleren Betriebslasten mit hoher und gleichförmiger Zerstäubung, und einem gewissermaßen „herkömmlichen“ Modus bei hohen Betriebslasten mit hoher Kraftstoffdurchsetzung im Brennraum 3. Durch eine zunehmende Bewegung nach außen führt die Ventilnadel 12 zu einem Abgabeabschnitt 14, der sich zunehmend und kontinuierlich proportional zum Öffnungshub der Ventilnadel 12 vergrößert. Somit ist es mit Hilfe eines Betätigungsglieds 32, dessen Verlagerung proportional zu einem von der elektronischen Steuereinheit 33 ausgegebenen elektrischen Steuersignal ist, und der Hydraulikverbindung 36, die bei unter Druck stehender Druckkammer 37 einen wirksamen Direktantrieb zwischen dem Kolben 34 und der Ventilnadel 12 bildet, möglich, den Öffnungsgrad der Düse 11 über ein elektrisches Steuersignal von entsprechender Höhe an das Betätigungsglied 32 präzise zu bestimmen, und somit nicht nur die eingespritzte Kraftstoffmenge, sondern auch den Betriebsmodus festzulegen.
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Weiterhin muss dank des ringförmigen Durchgangs 16 der Kraftstoff zum Einspritzen nicht durch Mikroöffnungen und/oder in der Ventilnadel 12 strömen, so dass Verkokungen reduziert werden, was zu Vorteilen in der Dosierungsgenauigkeit und Homogenität des eingespritzten Kraftstoffs führt.
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Da die axiale Höhe und somit das Volumen der Druckkammer 37 automatisch mit der Hydraulikverbindung 36 variiert, werden der Öffnungshub und die axiale Stellung der Ventilnadel 12 durch die relativ langsamen Schwankungen in der axialen Länge aufgrund von Temperaturgradienten oder durch das axiale Spiel aufgrund von Montagefehlern, Bearbeitungstoleranzen, Abnutzung usw. nicht beeinflusst. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist der Betrieb der Hydraulikverbindung 36 unempfindlich gegen die Druckschwankungen, die üblicherweise bei der Kraftstoffzufuhr auftreten, da diese in der Niederdruckumgebung 22 angeordnet ist.
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Ferner ist die Hydraulikverbindung 36 dank der Öffnung 49 außerdem in der Lage, die durch Druckschwankungen in der Hochdruckumgebung 16, 18 aufgrund der Kraftstoffzufuhr und/oder im Brennraum 3 bei jedem Motortakt auftretenden relativ schnellen Schwankungen in der axialen Länge der Ventilnadel 12 auszugleichen.
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Insbesondere verlängert sich die Ventilnadel 12 bei geschlossener Düse 11, wenn sich der Druck in der Hochdruckumgebung 16, 18 erhöht, und drückt Kraftstoff in die Druckkammer 37. Dieser Kraftstoff tritt frei durch die Öffnung 49 aus, so dass die Ventilnadel 12 sich nicht nach außen bewegt und somit die Düse nicht freigibt 11. Anders ausgedrückt findet kein Fehlöffnen der Düse 11 statt.
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Wenn der Druck in der Hochdruckumgebung 16, 18 abfällt, verkürzt sich die Ventilnadel 12 selbst bei geschlossener Düse 11, wodurch sich das Volumen der Druckkammer 37 erhöht. Dann kommt es zu einem Druckabfall in der Druckkammer 37, so dass Kraftstoff durch die Öffnung 49 oder 59 angesaugt wird.
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Ist die Düse 11 geöffnet, so ist die Öffnung 49 oder 59 geschlossen und die Druckkammer 37 steht unter Druck, so dass Längenschwankungen der Ventilnadel 12 ausschließlich durch Sickerung durch die dynamischen Dichtungen (zwischen der Hülse 41 und der Spitze 40 und zwischen den Abschnitten 63 und 64) ausgeglichen werden.
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Der Stopfen 50 löst nach einem relativ kurzen Verlängerungszeitraum h1 des Betätigungsglieds 32 aus und verschließt die Öffnung 49, und unmittelbar danach ist die direkte Übertragung der axialen Bewegung vom Kolben 34 auf die Ventilnadel 12 durch Kraftstoffkompression in der Druckkammer 37 erreicht.
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In der in 5 dargestellten Lösung ist eine vorteilhafte Verstärkung der axialen Bewegung der Ventilnadel 12 möglich, so dass auf ein übermäßig viel Platz in Anspruch nehmendes Betätigungsglied 32 verzichtet werden kann.
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Abschließend ist festzuhalten, dass dank der verschiedenen spezifischen Merkmale der Hydraulikverbindung 36 Lösungen realisiert werden können, die relativ einfach herzustellen und zu montieren sind und gleichzeitig einen effizienten Betrieb bieten.
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Für einen Fachmann ergeben sich zahlreiche Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsformen, wobei mit dem allgemeinen, hier beschriebenen Prinzip weitere Ausführungsformen und Anwendungen realisiert werden können, ohne dass es zu einer Abweichung von dem in den Ansprüchen definierten Schutzbereich der vorliegenden Erfindung kommt.
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Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen zu beschränken, sondern gemäß dem in Übereinstimmung mit den in dieser Anmeldung beanspruchten Prinzipien und Merkmalen weitestreichenden Schutzbereich auszulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008245902 A1 [0003]
- US 2008245902 [0007]
- EP 1559904 [0012, 0014, 0015]
- US 2011232606 A1 [0017, 0020, 0024]
- FR 2941745 [0025]
