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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 103 46 046
A1 ist eine Einspritzdüse
bekannt, die mit einer direkten Nadelsteuerung arbeitet. Das bedeutet,
dass eine Düsennadel
oder ein die Düsennadel
umfassender Nadelverband zumindest eine Druckstufe aufweist, die
mit einem Zuführpfad
hydraulisch gekoppelt ist, der wenigstens einem Spritzloch unter
Einspritzdruck stehenden Kraftstoff zuführt. Während über die wenigstens eine Druckstufe
hydraulische Öffnungskräfte in die
Düsennadel
bzw. in den Nadelverband einleitbar sind, können über eine an der Düsennadel
bzw. am Nadelverband ausgebildete Steuerfläche hydraulische Schließkräfte in die
Düsennadel
bzw. in den Nadelverband eingeleitet werden. Bei geschlossener Düsennadel,
also wenn das wenigstens eine Spritzloch gesperrt ist, überwiegen
die Schließkräfte. Zum Öffnen der
Düsennadel
wird der an der Steuerfläche
angreifende Druck abgesenkt, wodurch die Schließkräfte reduziert werden, so dass
die Öffnungskräfte überwiegen.
In der Folge hebt die Düsennadel
ab und öffnet
das wenigstens eine Spritzloch. Die Druckabsenkung an der Steuerfläche wird
durch eine Betätigung eines
Aktors und somit durch einen Hub eines mit dem Aktor antriebsverbundenen
Kopplerkolbens erreicht. Ein Hydraulikraum, der sowohl von einer Kopplerfläche des
Kopplerkolbens als auch von der Steuerfläche begrenzt ist, wird durch
den Hub des Kopplerkolbens vergrößert, wodurch
der darin herrschende Druck abfällt.
Eine derartige direkte Nadelsteuerung ermöglicht kurze Einspritzzeiten
sowie ein dynamisches Ansprechverhalten für die Einspritzdüse.
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Aus
der
DE 10 2005 026 514 ist
eine weitere Einspritzdüse
bekannt, die mit direkter Nadelsteuerung arbeitet. Bei dieser Einspritzdüse ist ein
im Kopplerkolben hubverstellbar gelagerter Ausweichkolben vorgesehen,
der eine mit der Kopplerfläche hydraulisch
gekoppelte Ausweichfläche
aufweist, der eine Speicherfläche
aufweist, die einen im Kopplerkolben ausgebildeten Speicherraum
begrenzt, und der in einem Ausgangszustand, in dem die Düsennadel
das wenigstens eine Spritzloch sperrt, an einem relativ zum Düsenkörper ortsfesten
Anschlag anliegt. Durch diese Bauweise ermöglicht die Einspritzdüse die Realisierung
von zwei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen,
die vom Nadelhub abhängig sind.
Bei einem kleinen Öffnungshub
der Düsennadel verbleibt
der Ausweichkolben an seinem Anschlag, so dass der Hub des Kopplerkolbens
nur die Kopplerfläche
bewegt. Ab einem vorbestimmten Öffnungshub
der Düsennadel
hebt der Ausweichkolben von seinem Anschlag ab. In der Folge wird
bei fortgesetztem Hub des Kopplerkolbens zusätzlich auch die Ausweichfläche des
Ausweichkolbens bewegt. Daraus resultiert ein größeres Übersetzungsverhältnis als
vor Erreichen des Öffnungshubs,
so dass die Düsennadel
in dieser zweiten Phase des Nadelhubs schneller öffnet und somit einen relativ
großen Öffnungshub
durchführen
kann. Um den zweistufigen oder zweiphasigen Nadelhub realisieren
zu können, ist
bei der bekannten Einspritzdüse
das Volumen des Speicherraums größer als
das Gesamtvolumen eines von der Kopplerfläche und der Ausweichfläche begrenzten
Kopplerraums und eines von der Steuerfläche begrenzten Steuerraums.
Das vergleichsweise große
Volumen des Speicherraums hat zur Folge, dass es bei bestimmten
Betriebszuständen
der Einspritzdüse
zu einem unerwünschten
instationären Verhalten
kommen kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den
Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass das Volumen des Speicherraums vergleichsweise
klein gewählt
werden kann. Insbesondere muss der Speicherraum nicht größer sein
als der Kopplerraum. Das Betriebsverhalten der Einspritzdüse kann
dadurch stabilisiert werden. Erreicht wird dies mit Hilfe eines
Vorspannkolbens, der mit einer Vorspannkraft belastet ist und damit
gegen den Ausgleichskolben drückt.
Auf diese Weise kann ein Druckabfall im Speicherraum, der bei einem Öffnungshub
des Aktors durch die Hubverstellung des Kopplerkolbens relativ zum
am Anschlag anliegenden Ausweichkolben erfolgt, durch die Vorspannkraft,
mit welcher der Vorspannkolben den Ausweichkolben gegen den Anschlag
andrückt,
ausgeglichen werden. In der zweiten Phase des Nadelhubs übersteigen
die an der Ausweichfläche
angreifenden hydraulischen Kräfte
die an der Speicherfläche
angreifenden hydraulischen Kräfte
und die ebenfalls daran angreifende Vorspannkraft des Vorspannkolbens.
In der Folge kann auch hier der Ausweichkolben von seinem Anschlag
abheben, um das größere Übersetzungsverhältnis zu
aktivieren, wodurch ein rasches Nadelöffnen mit einem relativ großen Nadelhub
erzielbar ist. Die erfindungsgemäße Einspritzdüse kann
somit ebenfalls während
einer ersten Phase des Nadelhubs ein erstes, relativ kleines Übersetzungsverhältnis realisieren,
mit dem die Düsennadel zur
Durchführung
kleiner Nadelhübe
ansteuerbar ist, um so exakte und kleine Anspritzmengen bei kurzen Einspritzzeiten
zu realisieren. Ebenso kann die erfindungsgemäße Einspritzdüse eine
zweite Phase für den
Nadelhub realisieren, bei dem ein zweites, vergleichsweise großes Übersetzungsverhältnis vorliegt,
mit dem die Düsennadel
so angesteuert werden kann, dass in vergleichsweise kurzen Zeiten
große Nadelhübe und somit
große
Einspritzmengen realisierbar sind. Von besonderer Bedeutung ist
dabei, dass das große
zweite Übersetzungsverhältnis dazu führt, dass
der Aktor nur einen relativ kleinen Hub realisieren muss und dementsprechend
vergleichsweise klein gebaut werden kann.
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Die
Verkleinerung des Volumens des Speicherraums kann zum Beispiel dazu
genutzt werden, den vom Ausweichkolben relativ zum Kopplerkolben realisierbaren
Hub auf ein vergleichsweise kleines Maß zu reduzieren. In der Folge
kann auch die Zunahme des Volumens des Kopplerraums beim Abheben
des Ausweichkolbens auf einen vergleichsweise kleinen Wert begrenzt
werden. Hierdurch wird bei abgehobenem Ausweichkolben die hydraulische
Kopplung zwischen Düsennadel
und Aktor vergleichsweise hart oder direkt, da das die hydraulische
Kopplung bewirkende Hydraulikvolumen entsprechend klein ist. Eine
harte oder direkte hydraulische Kopplung zwischen Düsennadel
und Aktor reduziert bei abgehobenem Ausweichkolben die Empfindlichkeit
des Nadelhubs gegenüber
Schwankungen im bereitgestellten Einspritzdruck. Insgesamt arbeitet
die erfindungsgemäße Einspritzdüse dadurch
stabiler und zuverlässiger.
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Vorzugsweise
ist im Kopplerkolben ein Vorspannraum ausgebildet, in den der Vorspannkolben mit
seiner Vorspannseite hineinragt. Dieser Vorspannraum kann mit einem
im Düsenkörper verlaufenden
Zuführpfad
hydraulisch gekoppelt sein, der im Betrieb der Einspritzdüse unter
Einspritzdruck stehenden Kraftstoff dem wenigstens einen Spritzloch zuführt. In
der Folge wird zumindest ein Teil der Vorspannkraft durch den an
der Vorspannseite des Vorspannkolbens angreifenden Einspritzdruck
hydraulisch erzeugt.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann zum Beispiel im Vorspannraum eine Vorspannfeder angeordnet sein,
die ihre Federkraft in den Kopplerkolben einleitet. Somit kann zumindest
ein Teil der Vorspannkraft mit Hilfe dieser Vorspannfeder erzeugt
werden.
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Weitere
wichtige und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ergeben
sich aus den Unteransprüche,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse sind
in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert, wobei
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
stark vereinfachte, prinzipielle Darstellung einer Einspritzdüse nach
der Erfindung im Längsschnitt,
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2 eine
Ansicht wie in 1, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend
den 1 und 2 umfasst eine erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 einen
Düsenkörper 2,
der zumindest ein Spritzloch 3 aufweist. Die Einspritzdüse 1 ist
für eine
Brennkraftmaschine vorgesehen, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug
angeordnet sein kann, und dient zum Einspritzen von Kraftstoff in
einen Einspritzraum 4, in den die Einspritzdüse 1 im
montierten Zustand zumindest im Bereich des wenigstens einen Spritzlochs 3 hineinragt.
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Die
Einspritzdüse 1 enthält eine
Düsennadel 5,
die Bestandteil eines Nadelverbands 6 sein kann und mit
deren Hilfe eine Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens
eine Spritzloch 3 gesteuert werden kann. Hierzu wirkt die
Düsennadel 5 mit
ihrer Nadelspitze 7 mit einem Nadelsitz 8 zusammen.
Sitzt die Düsennadel 5 in
ihrem Nadelsitz 8, ist das wenigstens eine Spritzloch 3 gesperrt,
d.h. das wenigstens eine Spritzloch 3 ist von einem Zuführpfad 9 getrennt, über den
unter Einspritzdruck stehender Kraftstoff bereit gestellt und dem
wenigstens einen Spritzloch 3 zugeführt wird. Besagter Zuführpfad 9 ist
durch das Innere des Düsenkörpers 2 geführt, so
dass die im Düsenkörper 2 angeordneten
Komponenten im Zuführpfad 9 quasi
im Kraftstoff „schwimmen". Grundsätzlich ist
jedoch auch eine andere Führung des
Zuführpfads 9 möglich.
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Die
Düsennadel 5 bzw.
der Nadelverband 6 ist im Düsenkörper 2 hubverstellbar
gelagert. Die eigentliche Lagerung der Düsennadel 5 bzw. des
Nadelverbands 6 im Düsenkörper 2 ist
hier zur Vereinfachung der Darstellung nicht wiedergegeben. An der Düsennadel 5 bzw.
am Nadelverband 6 ist eine Steuerraumdichthülse 10 in
axialer Richtung hubverstellbar gelagert. Die Steuerraumdichthülse 10 kommt dabei
an einem von der Nadelspitze 7 entfernten Ende des Nadelverbands 6 an
einer Zwischenplatte 11 axial zur Anlage, die einen Bestandteil
des Düsenkörpers 2 bildet.
Dabei trennt die Zwischenplatte 11 in der Einspritzdüse 1 einen
die Düsennadel 5 enthaltenden
Nadelbereich von einem einen Kopplerkolben 12 sowie einen
Aktor 13 enthaltenden Kopplerbereich. Mittels wenigstens
eines Verbindungskanals 14 ist der Zuführpfad 9 durch die
Zwischenplatte 11 hindurchgeführt. Die Steuerraumdichthülse 10 ist
mit Hilfe einer Feder 15 gegen die Zwischenplatte 11 anliegend
vorgespannt. Diese Feder 15 stützt sich dabei am Nadelverband 6 bzw.
an der Düsennadel 5, z.B. über eine
Stufe 16, ab und treibt dadurch die Düsennadel 5 gleichzeitig
in deren Schließrichtung
an. Im folgenden wird besagte Feder 15 daher auch als Schließdruckfeder 15 bezeichnet.
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Die
Düsennadel 5 bzw.
der Nadelverband 6 weist eine Steuerfläche 17 auf, und zwar
an einer von dem wenigstens einen Spritzloch 3 abgewandten Seite.
Die Steuerfläche 17 begrenzt
einen Steuerraum 18 axial, der außerdem gegenüber der
Steuerfläche 17 von
der Zwischenplatte 11 axial begrenzt ist. Radial ist der
Steuerraum 18 von der Steuerraumdichthülse 10 begrenzt bzw.
eingefasst. Der Steuerraum 18 kann über einen Steuerraumpfad 19 mit
dem Zuführpfad 9 hydraulisch
gekoppelt sein. Dieser Steuerraumpfad 19 kann beispielsweise
wie hier im Bereich der Lagerung zwischen Düsennadel 5 bzw. Nadelverband 6 und
Steuerraumdichthülse 10 ausgebildet
sein, z.B. als Lagerspiel oder als wenigstens eine Längsnut,
die in der Steuerdichthülse 10 und/oder
in der Düsennadel 5 bzw.
im Nadelverband 6 ausgebildet sein kann. Ebenso ist es
möglich,
den Steuerraumpfad 19 durch wenigstens eine Querbohrung
durch die Steuerraumdichthülse 10 zu
realisieren, die den Steuerraum 18 mit dem Zuführpfad 9 hydraulisch
verbindet. Der Steuerraumpfad 19 ist vorzugsweise gedrosselt.
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Der
Kopplerkolben 12 ist mit dem Aktor 13 antriebsgekoppelt.
Hierzu kann der Kopplerkolben 12 fest mit dem Aktor 13 verbunden
sein. Ebenso ist es grundsätzlich
möglich,
dass der Kopplerkolben 12 federbelastet axial gegen den
Aktor 13 vorgespannt ist. Die Antriebskopplung zwischen
Kopplerkolben 12 und Aktor 13 bewirkt, dass eine
Hubverstellung des Aktors 13, insbesondere zwangsläufig, eine
identische Hubverstellung des Kopplerkolbens 12 erzeugt. Der
Aktor 13 ist zweckmäßig als
Piezoaktuator ausgestaltet, der in bestromtem Zustand in Hubrichtung eine
größere Dimension
aufweist als in einem unbestromten Zustand. Der Kopplerkolben 12 ist
hubverstellbar im Düsenkörper 2 gelagert.
Eine entsprechende Lagerung ist hier zur Wahrung der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Am Kopplerkolben 12 ist eine Kopplerraumdichthülse 20 hubverstellbar
gelagert.
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Der
Kopplerkolben 12 weist eine Kopplerfläche 21 auf, die einen
Kopplerraum 22 axial begrenzt. Die Kopplerfläche 21 ist
ringförmig
ausgestaltet. Axial gegenüber
der Kopplerfläche 21 ist
der Kopplerraum 22 von der Zwischenplatte 11 axial
begrenzt. Desweiteren ist der Kopplerraum 22 radial durch
die Kopplerraumdichthülse 20 begrenzt.
Der Kopplerraum 22 ist durch einen Steuerpfad 23 mit
dem Steuerraum 18 hydraulisch gekoppelt. Der Steuerpfad 23 ist
hier exemplarisch in Form wenigstens einer Bohrung realisiert, welche
die Zwischenplatte 11 durchdringt. Der Kopplerraum 22 kann über einen
Kopplerraumpfad 24 mit dem Zuführpfad 9 hydraulisch
gekoppelt sein. Der Kopplerraumpfad 24 kann dabei radial
zwischen dem Kopplerkolben 12 und der Kopplerraumdichthülse 20 ausgebildet
sein, z.B. als Radialspiel oder als wenigstens eine Längsnut in
der Kopplerraumdichthülse
und/oder im Kopplerkolben 12. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, den
Kopplerraumpfad 24 durch wenigstens eine Querbohrung auszugestalten,
welche die Kopplerraumdichthülse 20 durchdringt
und die den Kopplerraum 22 mit dem Zuführpfad 9 verbindet.
Der Kopplerraumpfad 24 ist vorzugsweise gedrosselt.
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Die
Einspritzdüse 1 ist
außerdem
mit einem Ausweichkolben 25 ausgestattet, der im Kopplerkolben 12 hubverstellbar
gelagert ist. Der Ausweichkolben 25 ragt in den Kopplerraum 22 hinein
und weist dort eine Ausweichfläche 26 auf,
die ebenfalls den Kopplerraum 22 gegenüber der Zwischenplatte 11 begrenzt.
An der von der Ausweichfläche 26 abgewandten
Seite weist der Ausweichkolben 25 außerdem eine Speicherfläche 27 auf,
die einen Speicherraum 28 begrenzt, der ebenfalls im Kopplerkolben 12 ausgebildet
ist.
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Erfindungsgemäß weist
die Einspritzdüse 1 außerdem einen
Vorspannkolben 29 auf, der im Kopplerkolben 12 hubverstellbar
gelagert ist und der mit einer durch einen Pfeil angedeuteten Vorspannkraft 30 belastet
ist und mit dieser Vorspannkraft 30 den Ausweichkolben 25 in
Richtung Zwischenplatte 11 antreibt. Hierzu stützt sich
der Vorspannkolben 29 an der Speicherfläche 27 axial ab. Um
zumindest einen Teil der Vorspannkraft 30 in den Vorspannkolben 30 einleiten
zu können,
kann beispielsweise eine Vorspannfeder 31 vorgesehen sein,
die sich einerseits am Vorspannkolben 29 und andererseits
am Aktor 13 oder am Kopplerkolben 12 abstützt. Mit
Hilfe des Vorspannkolbens 29 ist der Ausweichkolben 25 gegen einen
Anschlag 32 axial vorgespannt, der bezüglich des Düsenkörpers 2 ortsfest ausgestaltet
ist. Im vorliegenden Fall ist der Anschlag 32 an der Zwischenplatte 11 ausgebildet.
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Die
Kopplerraumdichthülse 20 ist
mit einer weiteren Feder 33 axial gegen die Zwischenplatte 11 angepresst.
Diese weitere Feder 33 stützt sich dabei einerseits an
der Kopplerraumdichthülse 20 und
andererseits am Aktor 13 oder wie hier am Kopplerkolben 12,
z.B. an einem daran ausgebildeten Bund 34, ab. Durch die
gewählte
Anordnung treibt die weitere Feder 33 gleichzeitig den
Kopplerkolben 12 in dessen Öffnungsrichtung, also weg von
der Zwischenplatte 11 an, so dass besagte weitere Feder 33 im
folgenden auch als Öffnungsdruckfeder 33 bezeichnet wird.
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Das
Volumen des Speicherraums 28 ist bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 vorzugsweise
kleiner als das gemeinsame Volumen von Kopplerraum 22 und
Steuerraum 18. Insbesondere sind Speicherraum 28 und
Kopplerraum 22 etwa gleich groß. Obwohl bei den hier gezeigten
Ausführungsformen
Kopplerraum 22 und Steuerraum 18 separate Räume bilden,
die durch den Steuerpfad 23 miteinander verbunden sind,
ist auch eine andere Ausführungsform
möglich,
bei welcher Steuerraum 18 und Kopplerraum 22 in
einem gemeinsamen Raum zusammenfallen.
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In
den 1 und 2 ist neben dem Aktor 13 durch
einen Pfeil ein Aktorhub 35 symbolisiert, den der Aktor 13 bei
seiner Entstromung durchführt. Mit 36 bzw. 37 sind
Druckstufen bezeichnet, welche die Düsennadel 5 bzw. der
Nadelverband 6 aufweist. Diese Druckstufen 36, 37 sind
dem wenigstens Spritzloch 3 zugewandt und sind außerdem permanent
mit dem Zuführpfad 9 hydraulisch
gekoppelt. Über
die Druckstufen 36, 37 werden somit hydraulische Öffnungskräfte in die
Düsennadel 5 bzw.
in den Nadelverband 6 eingeleitet.
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Bei
in den Nadelsitz 8 eingefahrener Düsennadel 5 ist ein
Raum 38, von dem das wenigstens eine Spritzloch 3 abgeht,
vom Zuführpfad 9 getrennt. Dadurch
herrscht in besagtem Raum 38 ein reduzierter Druck, der
dementsprechend dann auch an einer Sitzfläche 39 anliegt, die
an der Nadelspitze 7 ausgebildet ist, die im Schließzustand
vom Nadelsitz 8 eingefasst ist und die den Raum 38 begrenzt.
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Der
Kopplerkolben 12 weist einen Quersteg 40 auf,
der den Speicherraum 28 von einem Vorspannraum 41 trennt.
In diesem Quersteg 40 ist der Vorspannkolben 29 hubverstellbar
gelagert. Dabei ragt der Vorspannkolben 29 mit einer Kontaktseite 42 in
den Speicherraum 28 hinein und liegt mit seiner Kontaktseite 42 an
der Speicherfläche 27,
also am Ausweichkolben 25, vorzugsweise konzentrisch, an. Desweiteren
ragt der Vorspannkolben 29 mit einer Vorspannseite 43 in
den Vorspannraum 41 hinein. An dieser Vorspannseite 43 ist
beispielsweise die Vorspannfeder 31 abgestützt. Besagte
Vorspannfeder 31 ist dabei im Vorspannraum 41 angeordnet.
Zweckmäßig ist
der Vorspannraum 41 an einer dem Vorspannkolben 29 gegenüberliegenden
Seite vom Aktor 13 begrenzt. Der Kopplerkolben 12 hat
hier die Gestalt eines Doppelhohlkolbens.
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Der
im Vorspannraum 41 herrschende hydraulische Druck greift
auch an der Vorspannseite 43 des Vorspannkolbens 29 an
und erzeugt dadurch zumindest einen Teil der Vorspannkraft 30.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen
setzt sich die Vorspannkraft 30 somit aus der Kraft der
Vorspannfeder 31 und aus dem Hydraulikdruck zusammen, der
im Vorspannraum 41 am Vorspannkolben 29 angreift.
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Der
Vorspannraum 41 ist mit dem Zuführpfad 9 hydraulisch
gekoppelt, so dass im Vorspannraum 41 der Einspritzdruck
herrscht. Erreicht wird dies mittels eines entsprechenden Vorspannpfads 44,
beispielsweise in Form wenigstens einer Querbohrung im Kopplerkolben 12,
die den Vorspannraum 41 mit der im Zuführpfad 9 angeordneten
Umgebung des Kopplerkolbens 12 hydraulisch verbindet. Der
Vorspannpfad 44 kann ungedrosselt sein.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Vorspannkolben 29 zylindrisch
ausgestaltet. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
ist der Vorspannkolben 29 an seiner Vorspannseite 43 mit einem
radial vorstehenden Bund 45 versehen, an dem sich die Vorspannfeder 31 abstützt. Gleichzeitig kann
der Bund 45 einen Axialanschlag für den Vorspannkolben 29 bilden.
Der Bund 45 kann ein integraler Bestandteil des Vorspannkolbens 29 sein. Ebenso
kann es sich um ein angebautes Bauteil handeln. Dementsprechend
stützt
sich dann die Vorspannfeder 31 über den Bund 45 indirekt
am Vorspannkolben 29 ab.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 arbeitet
wie folgt:
In dem in den 1 und 2 gezeigten
Ausgangszustand befindet sich die Düsennadel 5 im Nadelsitz 8.
Dementsprechend ist das wenigstens eine Spritzloch 3 gesperrt.
Der Aktor 13 ist bestromt und besitzt dadurch seine größte Ausdehnung.
Der Ausweichkolben 25 liegt am Anschlag 32 an.
Im Speicherraum 28, im Kopplerraum 22, im Steuerraum 18 und
im Vorspannraum 41 herrscht der selbe Druck wie im Zuführpfad 9,
also der Einspritzdruck.
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Zur
Durchführung
einer Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch 3 in den
Einspritzraum 4 wird der Aktor 13 entstromt, d.h., die
Bestromung des Aktors 13 wird unterbrochen oder reduziert.
Der Aktor 13 wird somit invers betrieben, in der Folge
muss der Aktor 13 zum Schließen des wenigstens einen Spritzlochs 3 bestromt
werden.
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Beim
Entstromen des Aktors 13 zieht sich dieser zusammen und
führt dabei
den Aktorhub 35 durch. Dieser Hubverstellung folgt der
Kopplerkolben 12, unterstützt durch die Öffnungsdruckfeder 33. Hierbei
nimmt das Volumen des Kopplerraums 22 zu, was mit einem
entsprechenden Druckabfall im Kopplerraum 22 einhergeht.
Da der Ausweichkolben 25 in dieser ersten Phase des Nadelhubs
aufgrund der Vorspannkraft 30 gegen seinen Anschlag 32 vorgespannt
daran anliegend bleibt, vergrößert sich
durch den Aktorhub 35 außerdem das Volumen des Speicherraums 28.
Mit der Zunahme des Speicherraumvolumens geht ein entsprechender
Druckabfall im Speicherraum 28 einher. Bei am Anschlag 32 verbleibendem
Ausweichkolben 35 kommt es zu einer Relativverstellung
des Vorspannkolbens 29 bezüglich des Kopplerkolbens 12,
da dieser am Ausweichkolben 25 anliegend verbleibt. Die
damit einhergehende Zunahme des Volumens des Vorspannraums 41 führt jedoch
nicht zu einem Druckabfall im Vorspannraum 41, da der Vorspannpfad 44 quasi
ungedrosselt ist und somit Kraftstoff hinreichend schnell nachfließen kann
und den Druckabfall im Vorspannraum 41 kompensieren bzw.
ausgleichen kann.
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Über die
hydraulische Kopplung zwischen Steuerraum 18 und Kopplerraum 22 pflanzt
sich der im Kopplerraum 22 entstehende Druckabfall unmittelbar
in den Steuerraum 18 fort. In der Folge nehmen die in Schließrichtung
an der Düsennadel 5 wirksamen
Kräfte
ab. Ab einem vorbestimmten Steuerdruck sind dann die an der Düsennadel 5 bzw.
am Nadelverband 6 angreifenden Öffnungskräfte größer als die wirksamen Schließkräfte. Dementsprechend hebt
die Düsennadel 5 aus
dem Nadelsitz 8 ab. Anschließend kommuniziert das wenigstens
eine Spritzloch 3 mit dem Zuführpfad 9. Der Einspritzvorgang beginnt.
Die an der Düsennadel 5 bzw.
am Nadelverband 6 angreifenden Öffnungskräfte werden beispielsweise hydraulisch über die
Druckstufen 36, 37 eingeleitet.
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Während dieser
ersten Phase der Öffnungsbewegung
verharrt der Ausweichkolben 25 an seinem Anschlag 32,
da die daran angreifende Vorspannkraft 30 den Druckabfall
im Speicherraum 28 kompensiert. Während dieser ersten Phase der Öffnungsbewegung
herrscht ein erstes Übersetzungsverhältnis zwischen
der Hubbewegung des Kopplerkolbens 12 und der Hubbewegung
der Düsennadel 5. Dieses
erste Übersetzungsverhältnis ist
zumindest anfangs definiert durch das Verhältnis der Steuerfläche 17 zur
Kopplerfläche 21.
Dieses erste Übersetzungsverhältnis ist
dabei vergleichsweise klein, so dass ein kleiner Hub des Kopplerkolbens 12 ebenfalls
einen vergleichsweise kleinen Hub der Düsennadel 5 bewirkt,
der jedoch schon größer sein
kann als der Hub des Kopplerkolbens 12. Falls nur eine kleine
Einspritzmenge realisiert werden soll, kann nun innerhalb dieser
ersten Phase der Aktor 13 wieder bestromt werden, um die
eingeleitete Öffnungsbewegung
zu stoppen und umzukehren. Die Schließbewegung ist dann unterstützt durch
die Schließdruckfeder 15.
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Wenn
jedoch eine größere Einspritzmenge realisiert
werden soll, wird die Entstromung des Aktors 13 länger aufrecht
erhalten, so dass sich der Kopplerkolben 12 weiter von
der Zwischenplatte 11 entfernen kann. Dementsprechend kann
auch die Düsennadel 5 weiter
von ihrem Sitzt 8 abheben. Mit dem Abheben der Düsennadel 5 aus
dem Nadelsitz kann sich im Raum 38 ein zunehmender Druck
aufbauen. Auf diese Weise nehmen die in Öffnungsrichtung am Nadelverband 6 angreifenden
Kräfte
stark zu, was die Öffnungsbewegung
der Düsennadel 5 zusätzlich beschleunigt.
Dies hat zur Folge, dass das Volumen des Steuerraums 18 schneller
abnimmt als das Volumen des Kopplerraums 22 zunimmt. In
der Folge kommt es im Steuerraum 18 sowie im Kopplerraum 22 zu
einem Druckanstieg. Dieser führt
dazu, dass am Ausweichkolben 25 ab einem, insbesondere vorbestimmten, Öffnungshub
der Düsennadel 5 die an
der Ausweichfläche 26 angreifenden
Kräfte
größer sind
als die an der Speicherfläche 27 angreifenden
Kräfte,
nämlich
die Vorspannkraft 30 des Vorspannkolbens 29 und
die Druckkraft des im Speicherraum 28 herrschenden Drucks.
Hierdurch wird die zweite Phase der Öffnungsbewegung eingeleitet.
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Während dieser
zweiten Phase der Öffnungsbewegung
hebt der Ausweichkolben 25 vom Anschlag 32 ab
und fährt
insbesondere in den Speicheraum 28 ein. Hierdurch ergibt
sich für
das Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Hub des Kopplerkolbens 12 und dem Hub der Düsennadel 5 ein
neuer Wert. Das neue, zweite Übersetzungsverhältnis definiert
sich durch das Verhältnis
der Steuerfläche 17 zur
Gesamtfläche
aus Kopplerfläche 21 und
Ausweichfläche 26.
Die Hubbewegung des Kopplerkolbens 12 zusammen mit der
Hubverstellung des Ausweichkolbens 25 erzeugt somit eine
relativ große Hubverstellung
der Düsennadel 5.
In der Folge ergibt sich für
die Düsennadel 5 eine
besonders hohe Öffnungsgeschwindigkeit,
wodurch außerdem
ein vergleichsweise großer Öffnungshub
realisierbar ist. Dadurch kann durch das große zweite Übersetzungsverhältnis gleichzeitig
der hierzu erforderliche Hub des Aktors 13 relativ klein
bleiben, so dass der Aktor 13 und somit die Einspritzdüse 1 vergleichsweise klein
bauen können.
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Bei
der Einspritzdüse 1 sind
somit Steuerfläche 17,
Kopplerfläche 21,
Ausweichfläche 26,
Speicherfläche 27,
Vorspannkraft 20, der maximal mögliche Aktorhub sowie der maximal
mögliche
Düsennadelhub
so aufeinander abgestimmt, dass sich bei der Hubverstellung des
Aktors 13 zum Öffnen
der Düsennadel 5 die
geschilderte zweiphasige oder zweistufige Hubverstellung für die Düsennadel 5 einstellt. Während der
ersten Phase oder ersten Stufe liegt der Ausweichkolben 25 an
seinem Anschlag 32 an und das Übersetzungsverhältnis ist
relativ klein. In der zweiten Phase oder zweiten Stufe entfernt
sich der Ausweichkolben 25 von seinem Anschlag 32 und
das zugehörige Übersetzungsverhältnis ist
relativ groß. Durch
die Einleitung der Vorspannkraft 30 in den Ausweichkolben 25 über den
Vorspannkolben 29 ist es möglich, den Speicherraum 28 vergleichsweise klein
zu dimensionieren. Hierdurch wird das Verhalten der Einspritzdüse 1 im
Betrieb stabilisiert. Die Einspritzdüse 1 arbeitet dadurch
mit erhöhter
Zuverlässigkeit
und mit erhöhter
Präzision.