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Die Endung geht aus von einer Vorrichtung nach
der Gattung des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise
durch die
DE 101 36
186 A1 bekannt geworden.
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Die aus
DE 101 36 186 A1 bekannte
Vorrichtung umfasst ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
mit einer insbesondere piezoelektrischen Aktor-Einheit zur Betätigung einer
Ventilglied-Anordnung, die wenigstens einen ersten Kolben und einen zweiten
Kolben aufweist, zwischen denen eine Hydraulikkammer angeordnet
ist. Die Ventilglied-Anordnung betätigt ein Ventilschließglied,
das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Zwischen zweitem Kolben und
Ventilschließglied
ist ein Zwischenkolben angeordnet, der einen kleineren Durchmesser
als der zweite Kolben aufweist. Das dem Ventilschließglied zugewandte
Ende des Zwischenkolbens sowie ein der piezoelektrischen Aktor-Einheit
zugewandtes Ende des ersten Kolbens grenzen an einen Systemdruckbereich.
Ein Übergangsbereich
zwischen dem zweiten Kolben und dem Zwischenkolben ist in einem Bereich
angeordnet, dessen Druck kleiner als der des Systemdruckbereiches
ist.
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Weiterhin ist aus der
EP 0 864 743 A2 ein Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen
bekannt mit einem in einem Ventilkörper axial verschiebbaren Ventilglied,
das an seinem einen Ende eine Ventildichtfläche aufweist, mit der es zur
Steuerung eines Einspritzquerschnittes mit einer Ventilsitzfläche am Ventilkörper zusammenwirkt,
von der wenigstens eine Einspritzöffnung in den Brennraum der zu
versorgenden Brennkraftmaschine abführt, und mit einem das Ventilglied
axial betätigenden
elektrischen Stellglied, das über
einen hydraulischen Arbeitsraum auf das Ventilglied wirkt. Dabei
ist für
eine verbesserte Steuerung der Ventilgliedhubbewegung ein zweites
elektrisches Stellglied zur Betätigung
des Ventilgliedes vorgesehen, das unabhängig vom ersten elektrischen
Stellglied ansteuerbar ist.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für Brennkraftmaschinen
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den
Vorteil, dass eine alternative Variante eines CR-Injektors mit Piezosteller
geschaffen wird.
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Dadurch kann das Öffnen und Schließen des Einspritzventils
schneller erfolgen.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigt die einzige Figur die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit einem Einspritzventil und einem hydraulischen Koppler.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 wird
von einem Druckspeicher (Common Rail) 3 mit Kraftstoff
unter hohem Druck über eine
Hochdruckleitung 5 versorgt, von der aus Kraftstoff über eine
Einspritzleitung 6 zu einem Einspritzventil 8 gelangt.
Eine Brennkraftmaschine hat normalerweise mehrere derartige Einspritzventile,
und der Einfachheit halber ist lediglich eines dargestellt.
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Das Einspritzventil 8 weist
eine Ventilnadel (Ventilkolben, Düsennadel) 10 auf,
die mit einer konischen Ventildichtfläche 12 in ihrer Schließstellung Einspritzöffnungen 13,
durch die Kraftstoff ins Innere eines Verbrennungsraums des Verbrennungsmotors eingespritzt
werden soll, verschließt.
Der Kraftstoff gelangt in den Bereich der Düsennadel über einen ringförmigen Düsenraum 14,
von dem aus er über eine
als Druckschulter ausgebildete Steuerfläche 15 einen Druck
in Öffnungsrichtung
der Düsennadel auszuüben gestattet.
Wenn der genannte Druck eine Kraft in Öffnungsrichtung auf die Ventilnadel
ausübt, die
diesem Öffnen entgegen
wirkende Kräfte überwindet,
so öffnet
sich das Ventil.
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Zum Steuern des Öffnens und Schließens der
Einspritzöffnungen
dient ein Aktor 31. Dieser erzeugt in Abhängigkeit
von einer Ansteuerung an einem mechanischen Ausgang eine Auslenkung
und eine Kraft zum Betätigen
weiterer Elemente. Im Beispiel handelt es sich um einen elektrisch
betätigten Aktor.
Im Beispiel ist es ein Aktor, der ein piezoelektrisches Element
aufweist, nämlich
ein Piezoaktor. Der Aktor nimmt in Abhängigkeit von einer elektrischen
Ansteuerung in Vertikalrichtung der Zeichnung und somit in seiner
Längsrichtung
eine gelängte
Konfiguration oder eine verkürzte
Konfiguration ein. Im Beispiel ist ein Aktor mit einer derartigen
Konstruktion vorgesehen, der bei Bestromung (Anschluss an eine Gleichstromversorgung)
eine gelängte
Konfiguration einnimmt, ohne Bestromung eine verkürzte Konfiguration
einnimmt. Der Aktor bildet eine kapazitive Last und nimmt bei Dauerbestromung
keine Verlustleistung auf. Es kann vorteilhaft oder erforderlich
sein, den Piezoaktor durch eine Spannvorrichtung, z. B. Feder, so
vorzuspannen, dass im Aktor enthaltene piezoelektrische Elemente
stets auf Druck beansprucht sind. Dies ist den Fachleuten bekannt.
und deshalb wird hierauf im Folgenden nicht hingewiesen. Während das
obere Ende des Piezoaktors in einer in der Zeichnung nicht sichtbaren
Weise in der Einspritzvorrichtung verankert ist, dient das untere Ende
des Piezoaktors dazu, dessen Kraft und Bewegung letztendlich zum Öffnen und
Schließen
der Einspritzöffnungen
zu verwenden. Hierzu ist für
seine Ankopplung ein hydraulischer Koppler 35 vorgesehen,
der einen mit dem Piezoaktor gekoppelten Kolben 36 und
einen weiteren Kolben 37 aufweist. Im vorliegenden Anwendungsfall
ist im allgemeinen durch den Koppler eine Vergrößerung des Wegs des weiteren
Kolbens 37 im Vergleich zum Weg des Kolbens 36 (durch
passende Wahl der hydraulisch wirksamen Kolbenflächen) nötig. Die Konstruktion und Wirkungsweise
des hydraulischen Kopplers wird weiter unten beschrieben.
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Die Kolben 36 und 37 sind
im Beispiel im wesentlichen linear hintereinander angeordnet, im
Beispiel genau hintereinander. Ein seitlicher Versatz oder ein von
0 Grad verschiedener Winkel zwischen den Längsachsen der Kolben würde funktionell nichts ändern. Die
Art, in der sie miteinander gekoppelt sind, wird unten erläutert. Im
Kolben 36 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung
dieses Kolbens anzeigt, wenn der Aktor eine Bewegung in der Zeichnung
nach unten ausführt.
Im Kolben 37 ist ein Pfeil eingezeichnet, der die Bewegung
dieses Kolbens anzeigt, wenn der Kolben 36 die durch seinen Pfeil
bezeichnete Bewegung ausführt.
Durch Vergleich des Pfeil des Kolbens 37 mit der Richtung,
in der die Ventilnadel 10 zum Öffnen bzw. zum Schließen bewegt
werden muss, ist aus der Zeichnung unmittelbar ersichtlich, ob die
in der Zeichnung eingezeichnete Richtung der genannten Pfeile einem Öffnungsvorgang
oder einem Schließvorgang
entspricht.
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Der Aktor 31 ist mit dem
Kolben 36 durch eine Stange 61 mit einem Durchmesser
d5 fest verbunden. Der Kolben 37 ist mit dem von ihm zu
bewegenden Ventilnadel 10 durch eine Stange 63 mit
einem Durchmesser d1 fest verbunden. Der Kolben 36 hat
einen Durchmesser d4, der Kolben 37 hat einen Durchmesser
d2. Der lichte Durchmesser des Ventilsitzes bei anlegender Ventildichtfläche 12 der
Ventilnadel 10 ist d6.
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Zwischen den zylindrischen Außenflächen der
Kolben und einem diese aufnehmenden Gehäuse (in der vereinfachten Darstellung
der Figur nicht gezeigt) bestehen Führungsspalte 65 für den Kolben 36 und 67 für den Kolben 37.
Die Führungsspalte
dienen zum Füllen
des Kopplervolumens bzw. eines oder mehrerer Wandlerräume mit
Kraftstoff.
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Maßgeblich für die Funktion sind die den oben
genannten Durchmessern (für
kreisförmige Querschnitte)
entsprechenden Flächen
f1 bis f6. Kreisförmige
Querschnitte sind zwar für
die Herstellung zweckmäßig, die
Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
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Die einander zugewandten Endbereiche
der Kolben 36 und 37 greifen in einen mit der
Hochdruckleitung 5 verbundenen Füllraum 71 ein. Mit
ihrem jeweils anderen Endbereich greifen die Kolben 36 und 37 in
einen ersten Übersetzerraum 72 bzw.
einen zweiten Übersetzerraum 73 ein,
die über
einen Kanal 74 verbunden sind. Die Übersetzerräume und der Kanal 74 bilden
das Kopplervolumen, das über
die Führungsspalte 65 und 67 mit
Raildruck befüllt
wird. Durch eine Vorspannfeder (Druckfeder) 75 im Füllraum 71 wird
der Kolben 36 immer an den Aktor gedrückt und mit diesem in Kontakt
gehalten. Die Kolben 36 und 37 bewegen sich gleichsinnig, aber
wegen der gewünschten
Weg-Übersetzung
vom Aktor zum Steuerventil mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
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Der Aktor 31 (Piezosteller)
ist im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 8 bestromt
und ausgefahren (gelängt).
Dabei ist eine das untere Ende des Aktors mit Druck im Sinne einer
Verkürzung
des Aktors beaufschlagende Druckfeder gedehnt. Zum Öffnen des
Einspritzventils 8 wird der elektrische Strom zum Aktor 1 abgeschaltet
und der Aktor zieht sich zurück
(verkürzt
sich); dies wird durch die genannte Druckfeder und den CR-Druck
im Füllraum sowie
auch durch die Feder 75 unterstützt. Dadurch wird der Kolben 36 (erster Übersetzerkolben)
zurückgezogen.
In dem Übersetzerraum 72 ist
im Ruhezustand CR-Druck (= Druck des Druckspeichers bzw. Common
Rail) als Systemdruck. Im Übersetzerraum 72 steigt
durch das Zurückziehen
des Kolbens 36 der Druck über den CR-Druck hinaus und öffnet über den Kolben 37 (zweiter Übersetzerkolben)
das Einspritzventil 8. Die Übersetzung des Kopplers ist
(d4
2 – d5
2)/(d2
2 – d1
2). Es ist folgende
Dimensionierung zweckmäßig: d2
2 > d1
2 – d6
2 + d2
2 – d1
2.
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Von Vorteil ist, dass sich eine große Geschwindigkeit
der Düsennadel 10 durch
einen entsprechend kleinen Durchmesser d2 des Kolbens 37 erzielen
lässt;
man erhält
so einen sehr schnellen CR-Injektor.
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Die dargestellte Vorrichtung weist
noch weitere Merkmale auf. Zumindest in einem Bereich der den Aktor 31 mit
dem hydraulischen Koppler verbindenden Stange 61 ist in
einem Abstand von dem dem Aktor 31 am nächsten liegenden Raum des Kopplers ein
weiterer Füllraum 90 vorhanden,
der mit der Leitung 5 verbunden ist. Im Beispiel umgibt
der weitere Füllraum 90 den
Aktor 31 in dessen unterem Endbereich. Vorzugsweise umgibt
er den ganzen Aktor 31. Am unteren Endbereich des weiteren
Füllraums 90 stützt sich
eine den Aktor 31 auf Druck beanspruchende Feder 92 ab.
Ein Führungsspalt 94 der
Stange 61 ist für
eine zusätzliche
Füllung
des benachbarten Raums des Kopplers mit unter Druck stehendem Kraftstoff
dimensioniert. Ein Vorteil besteht in der zusätzlichen Befüllung des
Kopplers mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff.
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Bei Ausführungsformen der Erfindung
ist der weitere Füllraum 90 nicht
vorhanden oder ist nicht mit der Leitung 5 verbunden und
hat nicht die Funktion eines Füllraums.
In diesem Fall mag es zweckmäßig sein,
eine Bohrung, in der die Stange 61 in einem nicht gezeigten
Gehäuse
der ganzen Vorrichtung geführt
ist, für
einen möglichst
kleinen Abfluss von Kraftstoff aus dem Koppler zu dimensionieren.
Das untere Ende der Feder 92 ist an einer geeigneten Stelle
des Gehäuses
abgestützt.
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Die Erfindung erfasst auch Ausführungsformen,
bei denen der unter hohem Druck stehende Kraftstoff nicht von einem
Hochdruckspeicher zugeführt
wird, sondern von einer dem Einspritzventil zugeordneten Pumpe (z.B.
Pumpe-Düse-Einheit, Unit Injector),
die auch den Füllraum
speist.