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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Verwendung in einem
Kraftstoffeinspritzsystem für
einen Verbrennungsmotor. Im Spezielleren, wenn auch nicht ausschließlich, betrifft
die vorliegende Erfindung eine Einspritzdüse zur Verwendung in einem
Kompressionszündungs-Verbrennungsmotor,
in dem erste und zweite Ventilnadeln dazu dienen, die Einspritzung
von Kraftstoff in einen Brennraum durch eine Vielzahl von Düsenauslässen zu
steuern.
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Auf
Grund immer schärfer
werdender Umweltschutzvorschriften wird auf Automobilhersteller großer Druck
ausgeübt,
die Konzentration von Fahrzeugabgasemissionen, z. B. Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden
(NOx) und Kohlenmonoxid, zu reduzieren. Wie gut bekannt ist, besteht
ein wirksames Verfahren zum Reduzieren von Abgasemissionen darin, dem
Brennraum Kraftstoff unter hohen Einspritzdrücken (z. B. etwa 2000 bar)
zuzuführen
und Düsenauslässe mit
einem kleinen Durchmesser zu bilden, um die Zerstäubung des
Kraftstoffes zu optimieren und so den Wirkungsgrad zu verbessern
und die Konzentrationen von Kohlenwasserstoffen in den Abgasen zu
reduzieren. Auch wenn der obige Ansatz wirksam zum Verbessern der
Kraftstoffersparnis und Reduzieren von schädlichen Motorabgasemissionen ist,
liegt ein damit verbundener Nachteil darin, dass eine Reduktion
des Düsenauslassdurchmessers
im Widerspruch mit der Notwendigkeit hoher Kraftstoffeinspritzströmungsgeschwindigkeiten
bei hohen Motorlasten steht und somit die Fahrzeugleistung beeinträchtigen
kann.
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So
genannte „Düsen mit
variabler Öffnung" (VON-Düsen) ermöglichen
es, die Anzahl von Öffnungen
(daher die gesamte Öffnungsfläche) zu
variieren, die verwendet werden, um Kraftstoff bei unterschiedlichen
Motorlasten in den Brennraum einzuspritzen. Typischerweise besitzt
solch eine Einspritzdüse
mindestens zwei Sätze
von Düsenauslässen, wobei
eine erste und eine zweite Ventilnadel dazu dienen, zu steuern,
ob eine Kraftstoffeinspritzung nur durch einen der Sätze von
Auslässen
oder durch beide Sätze
gleichzeitig erfolgt. In einer bekannten Einspritzdüse dieses
Typs, wie in der ebenfalls anhängigen
Europäischen
Patentanmeldung Nr.
EP 04 250 928.1 des
Anmelders beschrieben, ist die Fluidströmung zu einem ersten (oberen)
Satz von Düsenauslässen durch
eine äußere Ventilnadel
gesteuert und ist die Fluidströmung
zu einem zweiten (unteren) Satz von Düsenauslässen durch eine innere Ventilnadel
gesteuert. Die innere Ventilnadel wird durch die äußere Ventilnadel
nur gehoben, nachdem die Strömung
von Kraftstoff durch den ersten Satz von Düsenauslässen eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht
hat. Eine Einspritzdüse
dieses Typs erlaubt die Auswahl einer kleinen Düsenauslassgesamtfläche, um
Motoremissionen bei relativ geringen Motorlasten zu optimieren.
Andererseits kann eine große Düsenauslassgesamtfläche ausgewählt werden,
um die gesamte Kraftstoffströmung
bei relativ hohen Motorlasten zu erhöhen.
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Angesichts
dieses Hintergrundes wurde die vorliegende Erfindung erdacht. Die
Erfindung sieht eine Einspritzdüse
für einen
Verbrennungsmotor vor, wobei die Einspritzdüse einen Düsenkörper umfasst, der mit einer
Bohrung versehen ist, die eine Ventilsitzfläche definiert, und einen ersten
Düsenauslass und
einen zweiten Düsenauslass
aufweist. Die Einspritzdüse
umfasst ferner einen ersten Förderraum oberstromig
der Düsenauslässe und
ein äußeres Ventilelement,
das innerhalb der Bohrung bewegbar ist und selbst mit einer axialen
Bohrung versehen ist. Das äußere Ventilelement
ist mit einem äußeren Ventilsitz,
der durch die Ventil sitzfläche
definiert ist, in Eingriff bringbar, um eine Kraftstoffströmung von
dem ersten Förderraum
zu zumindest dem ersten Düsenauslass
zu steuern, wenn sich das äußere Ventilelement
von seinem Sitz hebt. Die Düse
umfasst ferner ein inneres Ventilelement, das innerhalb der axialen Bohrung
bewegbar ist und eine erste und eine zweite Sitzlinie umfasst, die
axial voneinander beabstandet sind, wobei beide Sitzlinien mit einem
inneren Ventilsitz, der durch die Ventilsitzfläche definiert ist, in Eingriff
bringbar sind, um eine Kraftstoffströmung von einem zweiten Förderraum
zu dem zweiten Düsenauslass
zu steuern, wenn sich das innere Ventilelement von dem inneren Ventilsitz
hebt, wobei der untere Bereich des inneren Ventilelements einen
Durchmesser aufweist, der im Wesentlichen gleich dem der axialen Bohrung
ist, sodass ein Zusammenwirken zwischen diesen Teilen dazu dient,
eine axiale Bewegung des inneren Ventilelements zu führen, und
wobei das innere Ventilelement mit einem Strömungsdurchgangsmittel mit einem
in dem inneren Ventilelement vorgesehenen axialen Durchgang versehen
ist, sodass Kraftstoff von dem ersten Förderraum zu dem zweiten Förderraum
strömen
kann.
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Die
obige Anordnung optimiert eine Kraftstoffströmungseffizienz zu dem ersten
und dem zweiten Auslass, ohne dass unterstromig des inneren und des äußeren Ventilsitzes
ein großes
Sackvolumen angeordnet sein muss.
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Es
ist ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung, dass der innere Ventilsitz
einen ersten und einen zweiten Sitz umfasst, die axial oberhalb
bzw. unterhalb des zweiten Auslasses angeordnet sind. Es ist ebenfalls
bevorzugt, dass die erste und die zweite Sitzlinie zumindest teilweise
durch eine Ringnut definiert sind, die an dem inneren Ventilelement
vorgesehen ist.
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Vorzugsweise
umfasst das ein Strömungsdurchgangsmittel
einen axialen Durchgang und mindestens einen radialen Durchgang,
die in dem inneren Ventilelement vorgesehen sind. Ebenfalls vorzugsweise
umfasst das Strömungsdurchgangsmittel ferner
mindestens einen radialen Durchgang, der in dem äußeren Ventilelement vorgesehen
ist.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Schnittansicht einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist, die eine
Einspritzdüse
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält;
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht
der Einspritzdüse
in 1 ist, wenn sie sich in einer Nicht-Einspritzposition
befindet;
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3 eine
vergrößerte Teil-Schnittansicht der
Einspritzdüse
in 2 ist;
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4 eine
vergrößerte Teil-Schnittansicht der
Einspritzdüse
in 3 ist;
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5 eine
Schnittansicht der Einspritzdüse in 3 ist,
wenn sie sich in einer ersten Einspritzposition befindet;
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6 eine
Schnittansicht der Einspritzdüse in 3 ist,
wenn sie sich in einer zweiten Einspritzposition befindet;
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7a und 7b Schnittansichten
einer Einspritzdüse
gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
Erfindung sind; und
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8a und 8b Schnittansichten
einer Einspritzdüse
gemäß einer
dritten Ausführungsform der
Erfindung sind.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden die Begriffe „obere/r/s" und „untere/r/s" im Hinblick auf
die Orientierung der Einspritzdüse,
wie in den Zeichnungen gezeigt, verwendet. In gleicher Weise werden
die Begriffe „oberstromig" und „unterstromig" mit Bezug auf die
Richtung der Kraftstoffströmung durch
die Düse
von einer Kraftstoffeinlassleitung zu Kraftstoffauslässen verwendet.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 ist eine
piezoelektrische Kraftstoffeinspritzvorrichtung, allgemein mit 2 bezeichnet,
gezeigt, in der die Einspritzdüse
der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann. Die Einspritzdüse, allgemein
mit 4 bezeichnet (im Detail in 2 gezeigt)
ist vom Düsentyp
mit variabler Öffnung.
Die Düse
umfasst einen Düsenkörper 6,
der mit einer axialen Blindbohrung 8 versehen ist, innerhalb
der ein äußeres Ventilelement in
Form einer Nadel 10 verschiebbar aufgenommen ist. Der Düsenkörper 6 ist
auch mit einem ersten und einem zweiten Satz von Auslässen 12 bzw. 18 versehen.
Eine Bewegung der äußeren Ventilnadel
innerhalb der Bohrung 8 steuert, ob eine Einspritzung nur durch
den ersten Satz von Auslässen 12 oder
durch sowohl den ersten als auch den zweiten Satz von Auslässen 12, 18 gleichzeitig
stattfindet. Kraftstoff wird der Einspritzvorrichtung z. B. über einen
Einlass 39 von z. B. einer Common Rail oder einer anderen geeigneten
Quelle von unter Druck gesetztem Kraftstoff zugeführt, die
ebenfalls angeordnet ist, um Kraftstoff einer oder mehreren weiteren
Einspritzvorrichtung/en zuzuführen.
Unter Druck gesetzter Kraftstoff wird von dem Einlass 39 durch
einen Einlassdurchgang 38 und ein Speichervolumen 34 zu
einer ringförmigen
Kammer 7 übertragen,
die innerhalb der Bohrung 8 zwischen dem Düsenkörper 6 und
einem oberen Endbereich 10a der äußeren Ventilnadel 10 definiert
ist. Der obere Endbereich 10a besitzt einen Durchmesser,
der im Wesentlichen gleich dem der Düsenkörperbohrung 8 ist,
sodass ein Zusammenwirken zwischen diesen Teilen dazu dient, eine
Bewegung der äußeren Ventilnadel 10 zu
führen,
wenn sie sich im Gebrauch innerhalb der Bohrung 8 hin- und
herbewegt. Spiralförmige
Rillen, die in den oberen Endbereich 10a gearbeitet sind,
stellen einen Strömungspfad
für Kraftstoff
bereit, der von der ringförmigen
Kammer 7 durch die Bohrung 8 und in einen ersten
Förderraum 50 übertragen
werden soll. Der Förderraum 50 ist
zwischen der Außenfläche der äußeren Ventilnadel 10 und
einem Bereich der Düsenkörperbohrung 8 oberstromig
der Auslässe 12, 18 definiert.
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In
Richtung ihres blinden Endes definiert die Bohrung 8 eine
Sitzfläche 22 mit
einer konischen Form, die in einem Sackvolumen 20 endet,
das einen zweiten Förderraum
bildet. Die Sitzfläche 22 definiert einen äußeren Ventilsitz 24,
mit dem ein unterer Endbereich 10b der äußeren Ventilnadel 10 in
Eingriff bringbar ist, um eine Kraftstoffeinspritzung durch den ersten
Satz von Auslässen 12 zu
steuern. Die äußere Ventilnadel 10 ist
mittels einer ersten Schließfeder 26 in
Verbindung mit einem Kraftstoffdruck in einer Federkammer 26a,
in der die Feder 26 untergebracht ist, in Richtung des äußeren Ventilsitzes 24 vorgespannt.
Die äußere Ventilnadel 10 ist
betätigbar,
um sich mittels eines piezoelektrischen Aktuators 30 gegen
die durch die Vorspannfeder 26 und den Kraftstoffdruck
bereitgestellte Kraft von dem äußeren Ventilsitz 24 weg
zu bewegen.
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Der
piezoelektrische Aktuator 30 umfasst einen Stapel 32 von
piezoelektrischen Elementen, der innerhalb des Speichervolumens 34 angeordnet
ist, und einen elektrischen Verbinder 40, der es ermöglicht,
eine Spannung über
den Stapel 32 anzulegen. Im Gebrauch wird das Speichervolumen 34 mit
Hochdruckkraftstoff gefüllt,
um eine hydrostatische Kraft auf den Stapel 32 aufzubringen.
Der piezoelektrische Aktuator 30 ist mit Hilfe einer hydraulischen
Verstärkeranordnung 42 mit
der äußeren Ventilnadel 10 gekoppelt.
Ein Verändern
der an den Stapel 32 angelegten Spannung bewirkt, dass
sich der Stapel 32 ausdehnt und zusammenzieht, und diese
Bewegung wird über
die hydraulische Verstärkeranordnung 42 auf
die äußere Ventilnadel 10 übertragen.
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3 zeigt
die Einspritzdüse 4 deutlicher. Die
Düse 4 umfasst
auch ein inneres Ventilelement in Form einer Nadel 14,
die innerhalb einer axialen Bohrung 16, die in dem unteren
Bereich 10b der äußeren Ventilnadel 10 vorgesehen
ist, verschiebbar montiert ist. Die innere Ventilnadel 14 ist
mit einem durch die Sitzfläche 22 definierten
inneren Ventilsitz 25 in Eingriff bringbar. Eine Bewegung
der inneren Ventilnadel 14 zu dem inneren Ventilsitz 25 hin
und von diesem weg steuert die Kraftstoffeinspritzung durch den zweiten
Satz von Auslässen 18.
Die innere Ventilnadel 14 wird nicht direkt betätigt, sondern
wird dazu gebracht, sich zusammenwirkend mit der äußeren Ventilnadel 10 zu
bewegen, sobald sich diese über einen
vorbestimmten Betrag hinaus bewegt hat, wie unten stehend beschrieben.
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Die
Einlassenden des ersten und des zweiten Satzes von Auslässen 12, 18 erstrecken
sich radial weg von der Sitzfläche 22,
sodass ihre Auslassenden sich an der Außenfläche des Düsenkörpers 6 öffnen. Es
wird einzusehen sein, dass in den Fig. nur ein einziger Auslass
des ersten und des zweiten Satzes von Auslässen 12, 18 gezeigt
ist, wobei der Auslass eines jeden Satzes in einer anderen axialen
Position entlang der Hauptachse des Düsenkörpers 6 angeordnet
ist. In der Praxis kann jedoch jeder Satz von Auslässen 12, 18 eine
Vielzahl von Auslässen umfassen.
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Das
blinde Ende der in der äußeren Ventilnadel 10 vorgesehenen
axialen Bohrung 16 definiert eine Kammer 62, die
dazu dient, das obere Ende der inneren Ventilnadel 14 aufzunehmen.
Die Kammer 62 steht über
radiale Durchgänge 53 in
Form von in der äußeren Ventilnadel 10 vorgesehenen
Querbohrungen, die eine Entlüftungsfunktion
für die
Kammer 62 bereitstellen, mit der Ventilkörperbohrung 8 in
Verbindung. Außerdem
ist unter Druck gesetzter Kraftstoff innerhalb der Kammer 62 auf
die innere Ventilnadel 14 wirksam, um eine Kraft bereitzustellen,
die die innere Ventilnadel 14 gegen ihren Ventilsitz 25 vorspannt.
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Der
untere Endbereich 10b der äußeren Ventilnadel 10 ist
mit radialen Durchgängen 52 versehen,
die einen Teil eines Strömungsdurchgangsmittels
definieren. Ein Ende eines jeden Durchgangs 52 kommuniziert
mit dem Förderraum 50 und
das andere Ende eines jeden Durchgangs 52 kommuniziert mit
der axialen Bohrung 16.
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Die
innere Ventilnadel 14 ist derart geformt, dass sie drei
Bereiche umfasst: einen oberen Stangenbereich 14a, einen
unteren Bereich 14c und einen Stufenbereich 14b,
der zwischen dem Stangenbereich 14a und dem unteren Bereich 14c angeordnet
ist und diese daher trennt. Der Stufenbereich 14b weist
eine zylindrische Form mit einem Durchmesser auf, der im Wesentlichen
derselbe ist wie die in der äußeren Ventilnadel 10 vorgesehene
Bohrung 16. Infolgedessen dient der Stufenbereich 14b dazu,
eine Bewegung der inneren Ventilnadel 14 zu führen, wenn
sie in und aus einem Eingriff mit dem inneren Ventilsitz 25 bewegt
wird, um eine Kraftstoffeinspritzung durch die zweiten Auslässe 18 zu
steuern.
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Der
untere Bereich 14c der inneren Ventilnadel 14 besitzt
einen Durchmesser, der im Wesentlichen gleich dem der Bohrung 16 ist,
und ist mit einer sich axial erstreckenden Blindbohrung 72 versehen. Das
blinde Ende der Bohrung 72 kommuniziert mit dem Förderraum 50 mithilfe
von radialen Bohrungen 70, die im Wesentlichen in einer
Linie mit der in der äußeren Ventilnadel 10 vorgesehenen
radialen Bohrung 52 angeordnet sind, wenn beide Nadeln 10, 14 sitzen.
Die Bohrung 72 und die in der inneren Ventilnadel 14 vorgesehenen
radialen Bohrungen 70 zusammen mit den in der äußeren Ventilnadel 10 vorgesehenen
radialen Bohrungen 52 definieren gemeinsam ein Strömungsdurchgangsmittel,
das einen sekundären
oder zusätzlichen
Strömungspfad
für den
Kraftstoff bildet. Wenn sich die äußere Ventilnadel 10 von
dem äußeren Ventilsitz 24 weg
hebt, kann Kraftstoff von dem oberen Förderraum 50 in die
ersten Auslässe 12 direkt
an dem äußeren Ventilsitz 24 vorbei
strömen.
Wenn sich auch die innere Ventilnadel 14 von dem inneren
Ventilsitz 25 weg hebt, kann Kraftstoff entweder von dem
oberen Förderraum 50 in
die zweiten Auslässe 18 direkt
an dem äußeren Ventilsitz 24 vorbei
(ein „primärer Strömungspfad") oder indirekt durch
den sekundären
Strömungspfad an
dem inneren Ventilsitz 25 vorbei strömen.
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Die
durch die äußere und
die innere Ventilnadel 10, 14 bereitgestellten
Kraftstoffdurchgänge
dienen dazu, die Drosselung der Kraftstoffströmung durch den sekundären Kraftstoffströmungspfad 52, 70, 72 auf
ein annehmbares Niveau zu begrenzen, während der untere Bereich 14c eine
axiale Bewegung der inneren Ventilnadel 14 durch ein Zusammenwirken
mit dem benachbarten Bereich der Bohrung 16 führt. Eine
Querbewegung des unteren Bereiches 14c auf Grund des durch
den zusätzlichen Strömungspfad
strömenden
Hochdruckkraftstoffs wird im Gebrauch somit im Wesentlichen eliminiert. Infolgedessen
ist die Konzentrizität
der Ventilspitze verbessert und damit wird eine effektivere und
verlässliche
Dichtung gegen einen unerwünschten
Eintritt von Kraftstoff in den Brennraum erreicht. Da überdies
die gesamte Länge
des unteren Bereiches 14c der inneren Ventilnadel 14 in
Kontakt mit der Bohrung 16 in der äußeren Ventilnadel 10 steht,
ist die Verschleißfestigkeit
der inneren Ventilnadel 14 verbessert.
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Der
Mechanismus, durch den die Bewegung der inneren Ventilnadel 14 gesteuert
ist, wird nun unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Ein ringförmiges
Element 80 in Form eines Ringes ist innerhalb der Bohrung 16 in
der äußeren Ventilnadel 10 aufgenommen.
Das Ringelement 80 ist ein separates und eigenes Teil und
ist mit der äußeren Ventilnadel 10 durch
einen Reibungskontakt zwischen der Außenfläche des Ringelements 80 und
der Fläche
der Bohrung 16 gekoppelt. Das heißt, das Ringelement 80 bildet
eine Presspassung mit der Bohrung 16.
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Das
Ringelement 80 umfasst eine erste obere Stirnfläche 80a und
eine zweite untere Stirnfläche 80b,
wobei die untere Stirnfläche 80b an
einer Stufe oder Schulter 15 anliegt, die durch den Stufenbereich 14b der
inneren Ventilnadel 14 definiert ist. Der Innendurchmesser
des Ringelements 80 ist größer als der Durchmesser des
Stangenbereiches 14a, sodass der Stangenbereich 14a durch
das Ringelement 80 verläuft
und eine Spielpassung damit definiert. Es wird einzusehen sein,
dass in der in 3 gezeigten Position die Kraft
der Feder 26 dazu dient, die äußere Ventilnadel 10 gegen
ihren Sitz zu drängen.
Dies drängt
wiederum die innere Ventilnadel 14 durch die Wirkung des
Ringelements 80, das mit der äußeren Ventilnadel 10 gekoppelt
ist, die gegen die Schulter 15 wirkt, gegen ihren Sitz.
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Die
obere Stirnfläche 80a des
Ringelements 80 liegt einer ersten, unteren Stirnfläche 82a eines zweiten
ringförmigen
Elements 82 in Form einer Hülse gegenüber. Das Hülsenelement 82 ist
ein von der inneren Ventilnadel 14 getrenntes und eigenes
Teil und weist einen Außendurchmesser
auf, der kleiner als der der Bohrung 16 ist, und einen
Innendurchmesser, der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser des
Stangenbereiches 14a ist. Anders ausgedrückt, das
Hülsenelement 82 bildet
eine Presspassung mit dem Stangenbereich 14a und ist daher
mit der inneren Ventilnadel 14 durch einen Reibungskontakt
gekoppelt.
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Die
untere Stirnfläche 82a des
Hülsenselements 82 und
die obere Stirnfläche 80a des
Ringelements 80 sind um eine Distanz „L", die bei der Herstellung vorbestimmt
wird, getrennt. Wenn die äußere Ventilnadel 10 im
Gebrauch dazu gebracht wird, sich zu heben, wird die obere Stirnfläche 80a des Ringelements 80 in
Kontakt mit der unteren Stirnfläche 82a der
Hülse 82 gebracht,
wodurch bewirkt wird, dass sich auch die innere Ventilnadel 14 bewegt.
Daher bestimmt die Distanz „L", um welchen Betrag
sich die äußere Ventilnadel 10 von
dem äußeren Ventilsitz 24 wegheben
muss, bevor sie mit der inneren Ventilnadel 14 in Wechselwirkung
tritt und eine Bewegung auf diese überträgt. Es sollte einzusehen sein,
dass die untere Stirnfläche 82a des
Hülsenelements 82 und
die obere Stirnfläche 80a des Ringelements 80 sich
bei einer maximalen Trennung (d. h. der vorbestimmten Distanz „L") befinden, wenn sowohl
die innere Ventilnadel 14 als auch die äußere Ventilnadel 10 sitzen.
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4 (der
Maßstab
ist zum besseren Verständnis
vergrößert) zeigt,
dass der Sitzbereich 10b der äußeren Ventilnadel 10 derart
geformt ist, dass er eine erste (obere) Sitzlinie 11 oberstromig
der ersten Auslässe 12 und
eine zweite (untere) Sitzlinie 13 unterstromig der ersten
Auslässe 12 definiert,
wenn die Nadel 10 sitzt. Die äußere Ventilnadel 10 ist
mit einem Nut- oder vertieften Bereich versehen, der an seinen entsprechenden
oberen und unteren Kanten die obere und die untere Sitzlinie 11, 13 definiert.
Im Spezielleren zeigt 4, dass der untere Endbereich 10b der äußeren Ventilnadel 10 vier
eigene Bereiche umfasst, die im Wesentlichen kegelstumpfförmig sind:
einen oberen Sitzbereich 10c, einen oberen Nutbereich 10d,
einen unteren Nutbereich 10e und einen Endbereich 10f.
Somit definiert die obere Kante des oberen Nutbereiches 10d die
erste Sitzlinie 11 und die untere Kante des unteren Nutbereiches 10e definiert
die untere Sitzlinie 13.
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Der
obere Nutbereich 10d und der untere Nutbereich 10e bilden
gemeinsam den vertieften Bereich oder die Nut der äußeren Ventilnadel 10 und
definieren gemeinsam mit dem benachbarten Bereich der Sitzfläche 22 ein
ringförmiges
Volumen 64 für Kraftstoff
an dem Einlassende eines jeden der ersten Auslässe 12. Die obere
und die untere Sitzlinie 11, 13 stehen mit dem äußeren Ventilsitz 24 an
entsprechenden ersten und zweiten Sitzen 24a, 24b davon in
Eingriff.
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Auf
eine jener der äußeren Ventilnadel 10 ähnliche
Weise ist der untere Bereich 14c der inneren Ventilnadel 14 mit
einem Nut- oder vertieften Bereich versehen, der an seinen entsprechenden
oberen und unteren Kanten die obere und die untere Sitzlinie 73, 75 definiert,
welche axial oberhalb bzw. unterhalb der zweiten Auslässe 18 angeordnet
sind, wenn die innere Ventilnadel 14 sitzt. Anders ausgedrückt, die
zweiten Auslässe 18 sind
zwischen den Positionen angeordnet, in denen die Sitzlinien 73, 75 mit
dem ersten und dem zweiten Sitz 24a, 24b in Eingriff
stehen. Im Spezielleren zeigt 4, dass
das Ende des unteren Bereiches 14c drei eigene kegelstumpfförmige Bereiche
umfasst: einen oberen Nutbereich 14d, einen unteren Nutbereich 14e und
einen spitzen Bereich 14f. Der obere Nutbereich 14d und der
untere Nutbereich 14e bilden gemeinsam den vertieften Abschnitt
oder die Nut der inneren Ventilnadel 14 und definieren
gemeinsam mit dem benachbarten Bereich der Sitzfläche 22 ein
ringförmiges
Volumen 77 für
Kraftstoff an den Einlassenden der zweiten Auslässe 18. Die obere
Kante des oberen Nutbereiches 14d definiert die erste Sitzlinie 73 und
die untere Kante des unteren Nutbereiches 14e definiert
die untere Sitzlinie 75, die mit dem inneren Ventilsitz 25 an
entsprechenden ersten und zweiten Sitzen 25a, 25b davon
in Eingriff stehen.
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Der
Betrieb der Einspritzvorrichtung 2 wird nun beschrieben.
Kraftstoff unter hohem Druck wird von einer Hochdruckkraftstoffquelle
(z. B. eine Common Rail) über
den Einlass 39, den Einlassdurchgang 38 und das
Speichervolumen 34 zu der ringförmigen Kammer 7 gefördert. Somit
wird Kraftstoff zu der Bohrung 8 und damit zu dem oberen
und dem unteren Förderraum 50, 20 gefördert. Zu
Beginn wird der piezoelektrische Aktuator 30 erregt, sodass
sich der Stapel 32 in einem ausgedehnten Zustand befindet,
und die Einspritzdüse 4 befindet
sich in der in 3 gezeigten Position. An diesem
Punkt wird die äußere Ventilnadel 10 auf
Grund der Vorspannkraft der Feder 26 in Verbindung mit
einer Kraft auf Grund des Kraftstoffdruckes innerhalb der Federkammer 26a gegen
ihren Sitz 24 gehalten. Die innere Ventilnadel 14 wird
auf Grund des an dem Stufenbereich 14b anliegenden Ringelements 80 gegen
ihren Sitz gehalten. In diesem Nicht-Einspritzzustand wird der Aktuator 30 bei
einem relativ hohen Erregungsniveau gehalten. Wenn der piezoelektrische
Aktuator 30 auf ein erstes Erregungsniveau entregt wird,
wird der Stapel 32 dazu gebracht, sich zusammenzuziehen, was
dazu führt,
dass mithilfe der hydraulischen Verstärkeranordnung 42 eine
Hubkraft auf die äußere Ventilnadel 10 übertragen
wird. Die äußere Ventilnadel 10 wird
somit dazu gedrängt,
sich von dem äußeren Ventilsitz 24 weg
zu bewegen und dadurch die obere Sitzlinie 11 von dem oberen
Sitz 24a außer Eingriff
zu bringen und die untere Sitzlinie 13 von dem unteren
Sitz 24b außer
Eingriff zu bringen. Dies ist die Position der Einspritzdüse 4 in 5.
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Während dieser
anfänglichen
Entregung des Aktuators 30 wird die äußere Ventilnadel 10 dazu
gebracht, sich über
eine Distanz zu bewegen, die kleiner ist als die Distanz „L". Das Ringelement 80 ist während dieser
anfänglichen
Bewegung auf Grund des Reibungseingriffes zwischen den Teilen mit
der äußeren Ventilnadel 10 getragen
und daher nähert sich
die obere Stirnfläche 80a des
Ringelements 80 der gegenüberliegenden Stirnfläche 82a des
Hülsenelements 82 oder
bewegt sich zu dieser hin. Gleichzeitig gelangt die untere Stirnfläche 80b des
Ringelements 80 außer
Eingriff mit der Schulter 15 des Stufenbereiches 14b.
Unter der Voraussetzung, dass die Distanz, über die sich die äußere Ventilnadel 10 bewegt,
kleiner ist als die vorbestimmte Distanz „L", tritt die obere Stirnfläche 80a des
Ringelements 80 nicht mit der unteren Stirnfläche 82a des
Hülsenelements 82 in
Eingriff. Daher bleibt die innere Ventilnadel 14 unter
dem Einfluss des unter Druck gesetzten Kraftstoffes innerhalb der
Kammer 62, der auf das obere Ende der inneren Ventilnadel 14 wirkt,
an dem inneren Ventilsitz 25 sitzen.
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Wenn
die äußere Ventilnadel 10 über diesen anfänglichen
Betrag bewegt wird, kann der unter druck gesetzte Kraftstoff entlang
des primären
Strömungspfades
von dem oberen Förderraum 50 an
der oberen Sitzlinie 11 vorbei in das ringförmige Volumen 64 und
somit durch die ersten Auslässe 12 in
den Brennraum (nicht gezeigt) strömen. Der Kraftstoff kann auch
entlang des sekundären
Strömungspfades
von dem oberen Förderraum 50 durch
die radialen Durchgänge 52 und
die axiale Bohrung 16 in den unteren Förderraum 20 strömen.
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Es
wird einzusehen sein, dass während
dieser Phase des Einspritzvorrichtungsbetriebes die Bewegung der äußeren Ventilnadel 10 von
der inneren Ventilnadel 14 entkoppelt ist. Während die
innere Ventilnadel 14 an dem inneren Ventilsitz 25 sitzt, kann
Kraftstoff weder von dem oberen Förderraum 50 an dem
ersten Sitz 25a vorbei noch von dem unteren Förderraum 20 an
dem zweiten Sitz 25b vorbei zu den zweiten Auslässen 18 strömen. Der
oben beschriebene Zustand stellt eine Kraftstoffeinspritzung dar,
die für
relativ leistungsschwache Anwendungen optimiert ist, da nur ein
relativ kleines Volumen von Kraftstoff nur durch den ersten Satz
von relativ kleinen Auslässen 12 eingespritzt
wird.
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Wenn
es an diesem Punkt erforderlich ist, eine Einspritzung durch die
ersten Auslässe 12 zu beenden,
wird der piezoelektrische Aktuator 30 erneut auf sein anfängliches
Erregungsniveau erregt, um zu bewirken, dass sich der Stapel 32 ausdehnt. Infolgedessen
wird die äußere Ventilnadel 10 dazu gebracht,
unter dem Einfluss der Vorspannkraft der Verschlussfeder 26 in
Verbindung mit dem Kraftstoffdruck innerhalb der Federkammer 26a mit
dem äußeren Ventilsitz 24 an
sowohl dem ersten als auch dem zweiten Sitz 24a, 24b erneut
in Eingriff zu treten. Unter diesen Umständen nimmt die Einspritzdüse 4 neuerlich
die in 3 gezeigte Position ein.
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6 zeigt
die Einspritzdüse
während
eines nachfolgenden oder alternativen Stadiums des Einspritzvorrichtungsbetriebes,
in dem der piezoelektrische Aktuator 30 weiter auf ein
zweites Erregungsniveau entregt werden kann, wodurch die Stapellänge weiter
reduziert wird. Infolgedessen wird die äußere Ventilnadel 10 um
einen weiteren Betrag, der größer ist
als die vorbestimmte Distanz „L", von dem äußeren Ventilsitz
weg gedrängt.
Unter diesen Umständen wird
die obere Stirnfläche 80a des
Ringelements 80 dazu gebracht, mit der unteren Stirnfläche 82a des Hülsenelements 82 in
Eingriff zu treten, wodurch bewirkt wird, dass die Bewegung der äußeren Ventilnadel 10 auf
die innere Ventilnadel 14 übertragen oder mit dieser gekoppelt
wird, und bewirkt wird, dass sich die innere Ventilnadel 14 von
ihrem Sitz 25 hebt.
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Wenn
sich die innere Ventilnadel 14 von dem inneren Ventilsitz 25 weg
hebt, kann der Kraftstoff innerhalb des unteren Förderraumes 20 an
der unteren Sitzlinie 75 vorbei und durch die zweiten Auslässe 18 in
den Brennraum strömen
und den Kraftstoff ergänzen,
der an dem äußeren Ventilsitz 24 vorbei
und durch die ersten Auslässe 12 strömt. Außerdem kann der
Kraftstoff auch von dem oberen Förderraum 50 und
an der oberen Sitzlinie 73 vorbei zu den zweiten Auslässen 18 strömen (siehe 4).
Es sollte einzusehen sein, dass das Verhältnis der Kraftstoffströmung von
den ersten und zweiten Auslässen 12 bzw. 18,
das zu der gesamten Kraftstoffströmung beiträgt, von den relativen Spritzlochgrößen und
dem Betrag abhängig
ist, um den sich die äußere und
die innere Ventilnadel 10, 14 von ihrem jeweiligen
Sitz 24, 25 heben. Somit kann ein größerer Anteil
von Kraftstoff durch die zweiten Auslässe 18 eingespritzt
werden, wenn sie im Vergleich mit den ersten Auslässen 12 mit
einer relativ großen
Querschnittsfläche
gebildet sind.
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Die 7a und 7b zeigen
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, die die Strömungseffizienz
der Einspritzdüse 4 weiter
verbessert. Gegebenenfalls sind Teile, die den zuvor beschriebenen
gleich sind, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Ausführungsform
in den 7a und 7b unterscheidet
sich von der zuvor beschriebenen darin, dass sie einen zusätzlichen
kegelstumpfförmigen
oberen Sitzbereich 14g über
dem Nutbereich 14d umfasst. Im Gegensatz dazu ist der Bereich
axial über
dem Nutbereich 14d der vorherigen Ausführungsform von zylindrischer
Form. Im Spezielleren zeigt 7b, dass
die obere Sitzlinie 73 der inneren Ventilnadel 14 an
der Schnittlinie zwischen dem oberen Nutbereich 14d und
dem oberen Sitzbereich 14g definiert ist. Das Einschließen des oberen
Sitzbereiches 14g reduziert den Winkel, den die Fläche der
inneren Ventilnadel 14 mit der Sitzfläche 22 oberstromig
der oberen Sitzlinie 73 bildet. Infolgedessen besteht ein
Schutz gegen eine Störung der
Strömung
von Kraftstoff im Bereich unterstromig des unteren Sitzes 24b der äußeren Ventilnadel 10, was
die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Sitzverschleißes verringert.
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Es
ist ein weiteres optionales Merkmal (in den 8a und 8b veranschaulicht),
dass der untere Bereich 14c der inneren Ventilnadel 14 drei flache
Stellen oder Aussparungen 90 umfasst, die gemeinsam mit
der Bohrung 16 drei Kammern 92 für den Kraftstoff
definieren. Wenn sich die äußere Ventilnadel 10 von
dem äußeren Ventilsitz 24 weg
hebt, kann der Kraftstoff infolgedessen von dem oberen Förderraum 50 durch
die Kammern 92 und an der unteren Sitzlinie 13 (und
dem unteren Sitz 24b) vorbei zu den ersten Auslässen 12 strömen. Es
gibt somit zwei Strömungspfade
für den
unter Druck gesetzten Kraftstoff zu den ersten Auslässen 12:
einen ersten Strömungspfad
an dem oberen Ventilsitz 24a vorbei, direkt von dem oberen
Förderraum 50 und
einen zweiten Strömungspfad
an dem unteren Ventilsitz 24b vorbei, indirekt von dem
oberen Förderraum 50 über die
Kammern 92. Das funktionelle Ergebnis dieser Ausführungsform
besteht in einer weiteren Verbesserung der Kraftstoffströmungseffizienz
gegenüber
den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Es
sollte einzusehen sein, dass in dieser Ausführungsform die Aussparungen 90 auf
die Fläche
der inneren Ventilnadel 14 eingearbeitet werden sollten, sodass
sie die Sitzlinie 73 nicht unterbrechen. Des Weiteren sollte
auch einzusehen sein, dass mehr als drei Aussparungen an der inneren
Ventilnadel 14 vorgesehen sein könnten, um eine ausreichende
Strömungsfläche zu erreichen,
z. B. wenn es notwendig ist, die Tiefe der Aussparungen 90 zu
begrenzen.
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Ein
Verfahren, mit dem die inneren und äußeren Ventilnadeln 14, 10 der
oben beschriebenen Ausführungsformen
innerhalb des Düsenkörpers 6 montiert
werden können,
wird nun beschrieben. Zu Beginn wird das Ringelement 80 dazu
gebracht, den Stangenbereich 14a der inneren Ventilnadel 14 aufzunehmen,
sodass die untere Fläche 80b des
Ringelements 80 an dem Stufenbereich 14b anliegt.
Wenn sich das Ringelement 80 in Position befindet, wird dann
das Hülsenelement 82 dazu
gebracht, den Stangenbereich 14a aufzunehmen, sodass das
Ringelement 80 an der in neren Ventilnadel 14 zurückgehalten
ist. Um die vorbestimmte Distanz „L" festzulegen, wird ein Abstandhalterwerkzeug
wie z. B. ein Einstellplättchen
mit der Dicke „L" (nicht gezeigt)
an der oberen Stirnfläche 80a des
Ringelements 80 positioniert, wobei das Hülsenelement 82 gedrückt wird, um
mit dem Einstellplättchen
in Eingriff zu treten. Wenn das Einstellplättchen entfernt wird, ist die
erforderliche Trennung der Distanz „L" zwischen der oberen Stirnfläche 80a des
Ringelements 80 und der unteren Stirnfläche 82a des Hülsenelements 82 hergestellt.
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Anschließend an
die Montage der inneren Ventilnadel 14, des Ringelements 80 und
des Hülsenelements 82 wird
die kombinierte innere Ventilnadel- 14 und Ring/Hülsenanordnung 80, 82 in
die Bohrung 16 der äußeren Ventilnadel 10 gedrückt. Dann werden
die innere und die äußere Ventilnadel 14, 10 gemeinsam
in die Düsenkörperbohrung 8 eingesetzt, sodass
die Sitzlinien 11, 13 der äußeren Ventilnadel 10 mit
ihren jeweiligen Sitzen 24a, 24b des äußeren Ventilsitzes 24 in
Eingriff treten und die Sitzlinien 73, 75 der
inneren Ventilnadel 14 mit ihren jeweiligen Sitzen 25a, 25b des
inneren Ventilsitzes 25 in Eingriff treten. Anschließend an
die Montage der Düse
erfolgt ein Einbettungsschritt, um wirksame Dichtungen an den inneren
und äußeren Sitzen 24, 25 herzustellen. Der
Sitzeinbettungsschritt umfasst das Aufbringen einer konstanten vorbestimmten
axialen Kraft auf die äußere Ventilnadel 10,
wodurch bewirkt wird, dass sich die obere und die untere Sitzlinie 11, 13 über den oberen
und unteren Sitzen 24a bzw. 24b „einbetten". Als eine Alternative
zum Aufbringen einer vorbestimmten konstanten axialen Kraft auf
die äußere Ventilnadel 10 könnte der
Einbettungsschritt auch dynamisch sein.
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Für Ausführende der
Erfindung und den Fachmann wird einzusehen sein, dass verschiedene Abwandlungen
und Verbesserungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne
von dem Umfang der Erfindung, wie durch die Ansprüche definiert,
abzuweichen.
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Zum
Beispiel kann es sein, dass, auch wenn die innere Ventilnadel 14 durch
das an der Schulter des Stufenbereiches 14b anliegende
Ringelement 80 in Eingriff mit ihrem Sitz 25 gezwungen
wird, im Gebrauch die untere Stirnfläche 80b des Ringelements 80 verschleißen kann,
sodass ein Zwischenraum zwischen der unteren Stirnfläche 80b und
der Schulter 15 gebildet wird, wenn die innere und die äußere Ventilnadel 14, 10 sitzen.
Dies kann die durch die innere Ventilnadel 14 hergestellte
Dichtung beeinträchtigen.
Ein elastisches Element wie z. B. eine Schraubenfeder (nicht gezeigt)
kann innerhalb der Kammer 62 angeordnet sein, um eine weitere
Vorspannkraft auf die innere Ventilnadel 14 vorzusehen.
Solch eine Feder kann an der oberen Stirnfläche 82b des Hülsenelements 82 anliegen,
sodass die Vorspannkraft auf die innere Ventilnadel 14 über die
Reibungskupplung zwischen diesen Teilen übertragen wird. Alternativ
kann die Feder an einem separaten Anschlagelement anliegen, das
innerhalb der Kammer 62 angeordnet ist.
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Obwohl
das Ringelement 80 und das Hülsenelement 82 mit
der äußeren Ventilnadel 10 bzw. der
inneren Ventilnadel 14 durch Reibungskontakt gekoppelt
sind, wird außerdem
einzusehen sein, dass die Kopplung auch durch ein alternatives Mittel wie
z. B. durch Kleben oder Löten
erreicht werden kann. Des Weiteren kann das Ringelement 80 die Form
eines „C"-förmigen
Stiftelements mit einer horizontale Elastizität aufweisen, mit dessen Hilfe
das Ringelement 80 einen Reibungskontakt mit der Bohrung 16 aufrechterhält.
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Darüber hinaus
wird einzusehen sein, dass, auch wenn in den oben beschriebenen
Ausführungsformen
das Strömungsdurchgangsmittel
der in neren Ventilnadel 14 durch die axiale Bohrung 72 und
die radialen Bohrungen 52 definiert ist, dies nicht der
Fall sein muss. Zum Beispiel kann die innere Ventilnadel 14 mit
einem Durchgang versorgt sein, der sich im Wesentlichen entlang
seiner gesamten Länge
erstreckt, um die Funktion auszuführen, den unteren Förderraum 20 mit
unter Druck gesetztem Kraftstoff zu versorgen.
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Es
sollte einzusehen sein, dass, auch wenn die Einspritzdüse 4 der
vorliegenden Erfindung als geeignet für die Verwendung innerhalb
einer Einspritzvorrichtung mit einem piezoelektrischen Aktuator
beschrieben wurde, es auch sehr wohl möglich ist, dass die Einspritzvorrichtung
eine alternative Form eines Aktuators zum Bewegen der Nadeln 10, 14 umfassen
kann. Zum Beispiel kann die äußere Ventilnadel 10 anstatt
durch einen piezoelektrischen Aktuator mittels eines elektromagnetischen
Aktuators bewegt werden. Des Weiteren kann, auch wenn der piezoelektrische
Aktuator 30 hier als über
eine hydraulische Verstärkeranordnung 42 mit
der äußeren Ventilnadel 10 gekoppelt
beschrieben ist, der Aktuator alternativ mechanisch mit der äußeren Ventilnadel 10 gekoppelt
sein.