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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Zumeßvorrichtung zum Dosieren von
unter Druck gesetzten Fluids, insbesondere ein Einspritzventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem
in einer Verbrennungskraftmaschine. Die Zumeßvorrichtung ist von der Art, die
ein Gehäuse
mit einer Zumeßöffnung umfaßt, steuerbar
durch die Bewegung einer in Axialrichtung bewegbaren Ventilnadel,
wobei das Gehäuse
ein Material mit einem ersten Wärmedehnungskoeffizienten,
einen in Axialrichtung ausstreckbaren piezoelektrischen Aktor, der
mit der Ventilnadel zur Steuerung von deren Axialbewegung zusammenwirkt,
wobei der piezoelektrische Aktor aus einem Material mit einem zweiten
Wärmedehnungskoeffizienten
besteht, und eine Wärmekompensatoreinheit
umfaßt, die
mit dem piezoelektrischen Aktor und dem Gehäuse zusammenwirkt, um die unterschiedliche
Wärmedehnung
des Gehäuses
und des piezoelektrischen Aktors auszugleichen, um elastischen Kontakt
zwischen einem Endanschlag des Gehäuses, dem piezoelektrischen
Aktor und der Ventilnadel sicherzustellen.
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Bei
einem solchen Einspritzventil ist es wesentlich, daß die Erfordernisse
an die Kraftstoffströmungsmenge
und die Geometrie der Düse
unter allen möglichen
Betriebsbedingungen der Einspritzvorrichtung erfüllt werden.
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Von
besonderer Wichtigkeit ist der Einfluß der Temperatur auf die Größe der Veränderungen
der Hauptfunktionsparameter der Einspritzvorrichtung. Innerhalb
des erforderlichen vollständigen
Bereichs der Betriebstemperatur von –40°C bis 150°C müssen die Strömungsmenge
und andere Parameter, welche die Funktionsweise der Einspritzvorrichtung
kennzeichnen, innerhalb von vorgegebenen Toleranzgrenzen bleiben.
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Infolge
der Wärmedehnungen,
die das äußere Stahlgehäuse der
Einspritzvorrichtung erfährt, würde der
piezoelektrische Aktor, der einen niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten als
das äußere Gehäuse aufweist,
den Hertzschen Kontakt zwischen seiner festen Endanschlagfläche und
dem oberen Ende der Ventilnadel nicht aufrechterhalten.
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Zur
Bewältigung
dieses Problems ist das Einspritzventil typischerweise mit einer
hydraulischen Wärmekompensatoreinheit
ausgestattet. Wenn sich die Betriebstemperatur erhöht, macht
die Wärmekompensatoreinheit
den Freiraum wett, der ansonsten zwischen der Ventilnadel und dem
piezoelektrischen Aktor geschaffen würde, wodurch unrichtige und
potentiell risikoreiche Betriebsbedingungen vermieden werden. Jedoch
weisen derzeitige Konstruktionen den Nachteil auf, daß eine zu
große Anzahl
von Teilen erforderlich ist, daß die
Fertigungskosten hoch sind, und daß manche von den Teilen, beispielsweise
der Faltenbalg, problematisch sind.
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In
WO 02 31344 A wird eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem
piezoelektrischen Aktor offenbart, der auf eine Nadel einwirkt.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung umfaßt ferner eine hydraulische Wärmekompensatoreinheit
mit einem Kompensatorgehäuse
und einem in Axialrichtung in dem Kompensatorgehäuse verschieblich angeordneten
Hydraulikkolben. Das Kompensatorgehäuse und der Kolben bilden eine
erste Fluidkammer, eine zweite Fluidkammer und einen Drosselkanal,
der die erste und die zweite Fluidkammer verbindet. Eine Oberseite
des Kompensatorgehäuses
ist mit dem Endanschlag des Gehäuses
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung verbunden, und eine Unterseite
des Hydraulikkolbens ist mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden.
Eine axiale Ausstreckbewegung des piezoelektrischen Aktors wird
auf das Kompensatorgehäuse
oder auf den Kolben übertragen,
um in einer Aktivierungsphase des piezoelektrischen Aktors ein Hydraulikfluid
aus der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer zu verdrängen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zumeßvorrichtung
mit einer verbesserten Wärmekompensatoreinheit
zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird mit einer Zumeßvorrichtung
mit den Merkmalen des beigefügten
Anspruchs 1 erfüllt.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß der Erfindung
umfaßt
die Zumeßvorrichtung
eine Wärmekompensatoreinheit
mit einem Kompensatorgehäuse
und einem in Axialrichtung innerhalb des Kompensatorgehäuses verschieblich angeordneten
Hydraulikkolben, wobei das Kompensatorgehäuse und der Hydraulikkolben
eine erste Fluidkammer, eine zweite Fluidkammer und einen Drosselkanal
bilden, der die erste und die zweite Fluidkammer verbindet, und
ein Mittel zum Übertragen einer
axialen Ausstreckbewegung des piezoelektrischen Aktors auf das Kompensatorgehäuse oder
auf den Hydraulikkolben, um in einer Aktivierungsphase des piezoelektrischen
Aktors ein Hydraulikfluid aus der ersten Fluidkammer in die zweite
Fluidkammer zu verdrängen.
Das Mittel zum Übertragen
einer axialen Ausstreckbewegung des piezoelektrischen Aktors kann
beispielsweise von einem zwischen dem piezoelektrischen Aktor und
dem Kompensatorgehäuse oder
dem Kolben angeordneten separaten Element oder einfach von einer
gemeinsamen Kontaktfläche dieser
Elemente gebildet werden. Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Oberseite des Kompensatorgehäuses mit
dem Endanschlag des Gehäuses
verbunden, und eine Unterseite des Hydraulikkolbens ist mit dem
piezoelektrischen Aktor verbunden. Gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung ist die Oberseite des Kompensatorgehäuses mit
dem unteren Ende des piezoelektrischen Aktors verbunden, und eine
Unterseite des Hydraulikkolbens ist mit dem Oberteil der Ventilnadel
verbunden.
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Der
Hydraulikkolben weist ein in dem Kompensatorgehäuse gleitendes oberes Teil
und ein in einem umgebenden bewegbaren Ringelement gleitendes unteres
Teil auf. Mit dem Kompensatorgehäuse und
dem bewegbaren Ringelement ist ein Faltenbalg verbunden. Die erste
Fluidkammer ist zwischen dem Kolben und dem Kompensatorgehäuse ausgebildet, und
die zweite Fluidkammer ist zwischen dem Kolben und dem Faltenbalg
ausgebildet.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Wärmekompensatoreinheit
ferner ein Rückstellmittel,
um in einer Deaktivierungsphase des piezoelektrischen Aktors 28 den
Hydraulikkolben in seine Ausgangsstellung zurückzuführen und das Hydraulikfluid
aus der zweiten Fluidkammer 38 in die erste Fluidkammer 36 zurückzuführen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Rücklaufkanal
für das
Hydraulikfluid zwischen der zweiten und der ersten Fluidkammer in dem
Hydraulikkolben vorgesehen, um in einer Deaktivierungsphase des
piezoelektrischen Aktors das Hydraulikfluid schnell zurückzuführen.
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Der
Rücklaufkanal
durch den Kolben kann in einer vorteilhaften Ausführungsform
der Zumeßvorrichtung
in der ersten Fluidkammer eine Öffnung
aufweisen, wobei die Öffnung
von einem punktgeschweißten
Metallband abgedeckt ist, das in der Aktivierungsphase auf die Öffnung gedrückt ist
und sich in der Deaktivierungsphase auf Grund des von dem Hydraulikfluid
ausgeübten
Drucks von der Öffnung wegbiegt,
um das Hydraulikfluid schnell in die erste Fluidkammer zurückzuführen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann das Rückstellmittel vorteilhafterweise
eine Schraubenfeder umfassen, die über eine mit einem Endabschnitt
des Hydraulikkolbens verbundene Endanschlagplatte auf den Hydraulikkolben
einwirkt, wobei die Schraubenfeder während des Montagevorgangs vorkomprimiert
wird, das Öl
in jedem Betriebszustand unter Druck gesetzt wird und der Hydraulikkolben
eine vorbelastende Andruckkraft auf den piezoelektrischen Aktor
und das Nadelventil aufbringt. Die Schraubenfeder wird durch eine
axiale Ausstreckbewegung des piezoelektrischen Aktors weiter komprimiert.
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Bei
jeder der oben genannten Alternativen kann der Drosselkanal vorteilhafterweise
durch einen kleinen Spalt zwischen dem Kolben und dem Kompensatorgehäuse gebildet
sein.
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Mit
der Zumeßvorrichtung
gemäß der Erfindung
wird unter allen Betriebsbedingungen ein Hertzscher Kontakt zwischen
der festen Endanschlagfläche
des äußeren Einspritzvorrichtungsgehäuses und dem
oberen Ende des Nadelventils bereitgestellt. Mit der Wärmekompensatoreinheit
gemäß der Erfindung wird
weiter für
große
Steifigkeit bei der während
der Aktivierung des piezoelektrischen Aktors erzeugten Komprimierung
gesorgt, und gleichzeitig wird während
der Deaktivierungsphase des piezoelektrischen Aktors eine rasche
Wiederherstellung der Ausgangsposition ermöglicht. Mithin wird jederzeit
elastischer Kontakt zwischen den Elementen Nadel, Aktor und Endanschlag
des äußeren Gehäuses aufrechterhalten.
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Die
Erfindung wird sowohl in ihrer Konstruktion als auch ihrer Betriebsweise
zusammen mit zusätzlichen
Aufgaben und Vorteilen derselben am besten aus der folgenden Beschreibung
spezieller Ausführungsformen
bei ihrer Lektüre
in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen erkennbar, in denen
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1 ein
schematischer axialer Querschnitt eines Einspritzventils mit einer
Wärmekompensatoreinheit
ist;
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2 ein
schematischer axialer Querschnitt einer Wärmekompensatoreinheit gemäß 1 im einzelnen
ist, die nicht Teil der Erfindung ist;
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3 ein
schematischer axialer Querschnitt einer anderen Wärmekompensatoreinheit
ist, die nicht Teil der Erfindung ist;
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4 ein
schematischer axialer Querschnitt einer Wärmekompensatoreinheit gemäß der Erfindung
ist;
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5 ein
schematischer axialer Querschnitt einer anderen Wärmekompensatoreinheit
ist, die nicht Teil der Erfindung ist.
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1 zeigt
ein Einspritzventil 10 für Benzinmotoren mit Direkteinspritzung.
Das Einspritzventil 10 weist eine Doppelrohrkonstruktion
auf, bei der das Gehäuse 12 ein äußeres rohrförmiges Element 121 und
ein inneres rohrförmiges
Element 123 umfaßt, die
zwischen sich einen ringförmigen
Fluidversorgungskanal 14 bilden.
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Benzin
unter Druck wird zu einem Eintrittsstück 16 geführt, von
dem aus dieses durch den ringförmigen
Fluidversorgungskanal 14 fließt und in einen axialen Austrittskanal 20 eintritt,
das durch den unteren Teil des Gehäuses 12 vorsteht.
Der Austrittskanal endet in einer Zumeßöffnung 22, die von
einem Ventilsitz umgeben ist, der durch die Axialbewegung einer
durch den Austrittskanal 20 verlaufenden Ventilnadel geöffnet oder
geschlossen wird.
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Bei
Aktivierung eines piezoelektrischen Aktors 28 wird Benzin
in den Motorzylinder eingespritzt. Wenn an den piezoelektrischen
Aktor 28 eine Erregungsspannung angelegt wird, vergrößert sich
seine Länge
in Axialrichtung um einen vorgegebenen Betrag. Die Ausstreckbewegung
in der Länge
wird auf die Ventilnadel übertragen,
das sich von dem Ventilsitz abhebt und mit dem Einspritzen von unter
Druck gesetzten Benzins beginnt. Wenn die Erregungsspannung beendet
ist, geht die Länge
des piezoelektrischen Aktors 28 auf ihren Normalwert zurück, und die
Ventilnadel wird in ihre Schließstellung
zurückgeschoben.
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Da
das äußere Stahlgehäuse 12 einen
höheren
Wärmedehnungskoeffizienten
als das Material des piezoelektrischen Aktors 28 aufweist,
müssen Änderungen
in der Betriebstemperatur durch eine Wärmekompensatoreinheit 30 ausgeglichen
werden, um die zuverlässige
Funktionsweise der Einspritzvorrichtung sicherzustellen.
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2 zeigt
einen schematischen axialen Querschnitt einer Wärmekompensatoreinheit 30 gemäß 1 im
einzelnen, die nicht Teil der Erfindung ist. Das Kompensatorgehäuse 32 enthält einen
Hydraulikkolben 34, der in Axialrichtung in diesem gleiten
kann. Das Gehäuse 32 liegt über seine
Oberseite 54 auf dem festen Endanschlag der Einspritzvorrichtung 10 auf,
während
die unterendige Stange 48 des Kolbens 34 mit dem
piezoelektrischen Aktor 28 in Kontakt steht. Der Kolben 34 und
das Kompensatorgehäuse
bilden eine erste Fluidkammer 36, eine zweite Fluidkammer 38 und
einen kleinen ringförmigen
Drosselspalt 40, der die zwei Fluidkammern verbindet. In
Betrieb sind die Fluidkammern 36, 38 mit einem
Hydraulikfluid gefüllt,
beispielsweise mit Siliconöl.
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Während der
Aktivierungsphase des piezoelektrischen Aktors 28 wird
der Kolben 34 durch die Ausstreckbewegung des piezoelektrischen
Aktors 28 nach oben geschoben, und dadurch wird das in
der Kammer 36 enthaltene Siliconöl durch den umlaufenden Drosselspalt 40 des
in dem Gehäuse 32 gleitenden
Kolbens 34 gedrückt
und befüllt
dadurch die untere Ölkammer 38.
Wenn sich das Ringelement 42 nach unten bewegt, dehnt sich
die untere Ölkammer 38 während der Aktivierungsphase
aus. Die das Siliconöl
enthaltenden Kammern sind durch zwei Gummidichtungen 44 und 46 gegen
die Umgebung abgedichtet.
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In
der darauffolgenden Entaktivierungsphase des Aktors 28 kann
sich die in der zweiten Kammer 38 enthaltene Ölmenge entweder
durch den ringförmigen
Drosselspalt 40 oder durch einen in dem Kopf des Kolbens 34 ausgebildeten
Kanal, der die Kammern 36 und 38 miteinander verbindet,
in Richtung auf erste Kammer 36 zurückbewegen. Wie im folgenden
ausführlicher
beschrieben wird, kann dann ein Metallband auf die Oberseite des
Kolbens 34 punktgeschweißt werden und bietet auf Grund
der Art und Weise, wie sich das Metallband biegt, hydraulische Auslaufdichtheit
während
der Aktivierungsphase des Aktors und einen Laufweg für das Siliconöl während der
darauffolgenden Entaktivierungsphase.
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Die
fortwährende
Wiederherstellung der Ausgangsposition des Kolbens 34 nach
jedem Einspritzen wird durch die Rückstellkraft der Schraubenfeder 50 sichergestellt,
die über
die an die Basis der Kolbenstange 48 angeschweißte Endanschlagplatte 52 auf
den Kolben 34 einwirkt.
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3 zeigt
einen schematischen axialen Querschnitt einer anderen Wärmekompensatoreinheit 60,
die ebenfalls nicht Teil der Erfindung ist. Bei dieser Ausführungsform
bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder entsprechende Teile.
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Wie
bei dem ersten Beispiel enthält
das Kompensatorgehäuse 32 einen
Kolben 34, der in Axialrichtung verschieblich in diesem
angebracht ist. Das Gehäuse 32 liegt über seine
Oberseite 54 auf dem festen Endanschlag der Einspritzvorrichtung auf,
während
das untere Ende des Kolbens 34 mit dem piezoelektrischen
Aktor 28 in Kontakt steht. Zwischen dem Kolben 34 und
dem Kompensatorgehäuse 32 sind
eine erste 36 und eine zweite Fluidkammer 38 und
ein kleiner ringförmiger
Drosselspalt 40 gebildet, wobei die zwei Kammern 36 und 38 den gleichen
radialen Querschnitt aufweisen.
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Während der
Aktivierungsphase des piezoelektrischen Aktors 28 wird
der Kolben 34 durch die Ausstreckbewegung des piezoelektrischen
Aktors 28 nach oben geschoben, und dadurch wird das durch die
zwei Dichtungen 46 und 44 in den Kammern 36 enthaltene
Siliconöl
durch den umlaufenden Drosselspalt 40 gedrückt und
befüllt
dadurch die untere Ölkammer 38.
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In
der darauffolgenden Entaktivierungsphase des Aktors 28 kann
sich die in der zweiten Kammer 38 enthaltene Ölmenge entweder
durch den ringförmigen
Drosselspalt 40 oder durch einen in dem Kopf des Kolbens 34 ausgebildeten
Kanal, der die Kammern 36 und 38 miteinander verbindet,
in Richtung auf die erste Kammer 36 zurückbewegen. Wie bei der ersten
Ausführungsform
kann ein Metallband, das während
der Aktivierungsphase des Aktors hydraulische Auslaufdichtheit und
während
der darauffolgenden Entaktivierungsphase einen Laufweg für das Siliconöl bietet,
auf die Oberseite des Kolbens 34 punktgeschweißt werden.
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In
dem Beispiel gemäß 3 wird
die fortwährende
Wiederherstellung der Ausgangsposition des Kolbens 34 nach
jedem Einspritzen durch die Rückstellkraft
der Tellerfederscheibe 62 sichergestellt.
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Die
Erfindung ist in dem schematischen Querschnitt gemäß 4 gezeigt.
Das Kompensatorgehäuse 32 der
Wärmekompensatoreinheit 70 enthält einen
Kolben 34, dessen oberer Teil axial verschieblich in dem
Gehäuse 32 angeordnet
ist. Der untere Teil des Kolbens 34 gleitet in einem bewegbaren
Ringelement 82, gegen das er abgedichtet ist. Das Gehäuse 32 liegt über seine
Oberseite 54 auf dem festen Endanschlag der Einspritzvorrichtung auf,
während
das untere Ende des Kolbens 34 mit dem piezoelektrischen
Aktor 28 in Kontakt steht.
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Die
erste Fluidkammer 36 ist zwischen der Oberseite des Kolbens 34 und
dem Kompensatorgehäuse 32 gebildet.
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Mit
dem Kompensatorgehäuse 32 und
dem bewegbaren Ringelement 82 ist ein Faltenbalg 72 verbunden.
Die zweite Fluidkammer 38 ist zwischen dem Kolben 34 und
dem Faltenbalg 72 ausgebildet, und ein kleiner ringförmiger Spalt
zwischen dem Kolben 34 und dem Gehäuse 32 bildet den
Drosselspalt 40.
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Während der
Aktivierungsphase des piezoelektrischen Aktors 28 wird
der Kolben 34 durch die Ausstreckbewegung des piezoelektrischen
Aktors 28 nach oben geschoben, und dadurch wird das in
der Kammer 36 enthaltene Siliconöl durch den umlaufenden Drosselspalt 40 gedrückt und
befüllt
dadurch die untere Ölkammer 38,
die sich ausdehnt, wen sich das Ringelement 82 nach unten
bewegt. Auf Grund der fortwährenden
Bewegungen des Öls
zwischen den Kammern 36 und 38 macht sich das
Vorhandensein des Faltenbalgs 72 notwendig, der an das
Kompensatorgehäuse 32 und
an das bewegbare Ringelement 82 angeschweißt ist.
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In
der darauffolgenden Entaktivierungsphase des Aktors 28 kann
sich die in der zweiten Kammer 38 enthaltene Ölmenge entweder
durch den ringförmigen
Drosselspalt 40 oder durch einen in dem Kopf des Kolbens 34 ausgebildeten
Kanal in Richtung auf die erste Kammer 36 zurückbewegen. Die
zu der ersten Fluidkammer 36 weisende Öffnung 76 ist mit
einem Metallband 80 abgedeckt, während die zu der zweiten Fluidkammer 38 weisende Öffnung 78 unabgedeckt
bleibt. Das Band 80 verhindert das Auslaufen von Öl während der
Aktivierung des Aktors 28 und kann sich unter dem Druck
des zurücklaufenden Öls biegen,
um einen Spalt zu öffnen,
damit sich das Öl
während
der Entaktivierungsphase des Aktors 28 aus der zweiten
Fluidkammer 38 in die erste Fluidkammer 36 zurückbewegen
kann.
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Die
fortwährende
Wiederherstellung der Ausgangsposition des Kolbens 34 nach
jedem Einspritzen wird durch die Rückstellkraft der Feder 50 sichergestellt,
die auf den Kolben 34 über
den Endanschlag wirkt, der durch einen am Boden des Kolbens 34 eingesetzten
Dehnfederring 52 dargestellt wird.
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Eine
weitere Konstruktion einer Wärmekompensatoreinheit 90,
die nicht Teil der Erfindung ist, ist in 5 gezeigt.
Dort enthält
das Gehäuse 32 einen Kolben 34,
der in Axialrichtung in diesem gleiten kann. Ein Schließelement 96 liegt über seine
Oberseite auf dem festen Endanschlag der Einspritzvorrichtung 10 auf,
während
das untere Ende des Gehäuses 32 mit
dem piezoelektrischen Aktor 28 in Kontakt steht.
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In
einem Bohrloch 100 des Kolbens 34 ist ein bewegliches
Ringelement 92 vorgesehen, wobei das Ringelement 92 mit
einer Schraubenfeder 94 verbunden ist, die auf das Ringelement 92 und
das Schließelement 96 wirkt.
Bei dieser Ausführungsform
ist die erste Fluidkammer 36 zwischen der Unterseite des Kolbens 34 und
dem Kompensatorgehäuse 32 gebildet,
und die zweite Fluidkammer 38 ist zwischen der Innenseite
des Bohrlochs 100 und dem Ringelement 92 gebildet.
Ein Drosselkanal zwischen der ersten und der zweiten Fluidkammer 36 und 38 ist
von einem geraden Kanal 102 gebildet, der durch den unteren
Abschnitt des Kolbens 34 verläuft. Der gerade Kanal 102 ist
mit einem perforierten Band 98 mit einem kleinen Loch abgedeckt,
um während
der Ausstreckbewegung des Aktors 28 für großen Hydraulikwiderstand gegen
den Ölstrom
zu sorgen.
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Im
Gegensatz zu den weiter oben erläuterten Beispielen
wird der Kolben 34 durch die Ausstreckbewegung des piezoelektrischen
Aktors 28 während der
Aktivierungsphase des piezoelektrischen Aktors 28 nach
unten geschoben. Durch diese Bewegung wird das in den Kammern 36 enthaltene
Siliconöl durch
das in dem Band 98 ausgebildete Loch gedrückt und
füllt langsam
die zweite Fluidkammer 38.
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In
der darauffolgenden Entaktivierungsphase des Aktors 28 kann
sich die in der zweiten Kammer 38 enthaltene Ölmenge auf
Grund des Biegens des Bandes 98, das nur an zwei Punkten
seines Außenumfangs
an den Kolben angeschweißt
ist, in Richtung auf die erste Kammer 36 zurückbewegen. Das
Band 98 sorgt während
der Ausstreckbewegung des Aktors für guten Hydraulikwiderstand
gegen den Ölstrom
und kann sich biegen, wodurch sich ein Spalt öffnet, damit sich das Öl während der
Entaktivierungsphase des Aktors 28 aus der ersten Fluidkammer 38 in
die zweite Fluidkammer 36 zurückbewegen kann.
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In
dem Beispiel gemäß 5 wird
die fortwährende
Wiederherstellung der Ausgangsposition des bewegbaren Ringelementes 92 und
des Kolbens 34 nach jedem Einspritzen durch die Rückstellkraft der
Feder 94 sichergestellt, die auf das Ringelement 92 und
das Schließelement 96 wirkt.