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Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil und ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Steuerung eines Einspritzventils.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen
Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen
angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen
vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden.
Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen
zu senken. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig
von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Eine
entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung kann erreicht werden,
wenn der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Im Falle von
Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke
bis zu über 2000 Bar. Derart hohe Drücke stellen
hohe Anforderungen an die Konstruktion eines Einspritzventils. Gleichzeitig
werden hohe Anforderungen an die Aktoreinheit für das Einspritzventil gestellt.
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Die
DE 196 53 555 A1 offenbart
einen piezoelektrischen Aktor mit einem Gehäuse, in das
mindestens ein piezoelektrisches Element eingebracht ist, das von
einer Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei Mittel vorgesehen sind,
die das piezoelektrische Element seitlich stabilisieren, und Mittel
mit Federwirkung angeordnet sind, die das piezoelektrische Element
gegen seine Ausdehnungsrichtung vorspannen.
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Die
DE 102 45 109 offenbart
einen Injektor mit einem piezoelektrischen Aktorkörper,
dessen Mantelfläche unter Einhaltung eines Zwischenraums von
einem Injektorgehäuse umgeben und durch direkten Kontakt
mit einem inerten, elektrisch nicht leitenden Fluid gekühlt
ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil und ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Einspritzventils zu schaffen, durch
das beziehungsweise durch die ein zuverlässiger und präziser
Betrieb des Einspritzventils ermöglicht ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines
ersten Aspektes zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil
mit einer Düsenbaugruppe und einer Aktoreinheit. Die Düsenbaugruppe
weist auf einen Düsenkörper mit einer Düsenkörperausnehmung,
die mit einem Hochdruckkreis eines Fluids hydraulisch koppelbar
ist, und eine in der Düsenkörperausnehmung axial
beweglich angeordnete Düsennadel, die ausgebildet ist,
um in einer Schließposition einen Fluidfluss durch mindestens
eine Einspritzöffnung zu verhindern und ansonsten den Fluidfluss
freizugeben. Die Aktoreinheit weist auf ein hülsenförmiges
Gehäuse mit einer Längsachse, das eine Gehäuseausnehmung
aufweist, wobei das hülsenförmige Gehäuse
mechanisch fest mit dem Düsenkörper gekoppelt
ist und die Gehäuseausnehmung mit der Düsenkörperausnehmung hydraulisch
gekoppelt ist, derart, dass die Gehäuseausnehmung mit dem
Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch koppelbar ist, ein Deckelelement,
das fest mit einem von dem Düsenkörper abgewandten axialen
Ende des hülsenförmigen Gehäuses gekoppelt
ist, und einen Piezoaktuator, der in der Gehäuseausnehmung angeordnet
ist, zum Einwirken auf die Düsennadel ausgebildet ist und
an einem von der Düsennadel abgewandten axialen Ende einen
Kopfendabschnitt hat. Der Kopfendabschnitt des Piezoaktuators ist
direkt mit dem Deckelelement gekoppelt. Das Gehäuse ist
aus einem oder mehreren Materialien gebildet, die derart ausgebildet
sind, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Gehäuseabschnitts,
der den Piezoaktuator und/oder den Piezoaktuator und ein zu dem
Piezoaktuator axial angeordnetes und mit dem Piezoaktuator fest
gekoppeltes Ausgleichselement umgibt, im Wesentlichen dem des Piezoaktuators
oder dem des Piezoaktuators und dem Ausgleichselement entspricht.
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Der
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Aufbau des Einspritzventils
mit einer kleinen Anzahl von Bauteilen möglich ist. Damit
ist ein einfacher Aufbau des Einspritzventils möglich.
So kann insbesondere ein hydraulischer Kompensator zum Temperaturausgleich
entfallen. Durch eine gemeinsame Ausnehmung aus Gehäuseausnehmung
und Düsenkörperausnehmung kann ein relativ großes Fluidvolumen
in dem Injektor erreicht werden. Damit ist eine große Stabilität
der Einspritzvolumina insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen erreichbar.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse
aus einer Invar-Legierung gebildet.
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Unter
Invar-Legierungen versteht man eine Gruppe von Legierungen und Verbindungen,
die die Eigenschaft besitzen, in bestimmten Temperaturbereichen
sehr kleine positive bzw. zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu haben. Der Name resultiert aus der Invarianz der Dehnung bezüglich
einer Temperaturänderung. Invar-Legierungen haben eine
hohe mechanische Festigkeit und können geschweißt
werden. Eine häufig verwendete Invar-Legierung ist eine
FeNi-Legierung mit einem Nickelgehalt von 36% Nickel. Durch Legieren
mit 5% Kobalt kann der thermische Ausdehnungskoeffizient weiter
reduziert werden. Darüber hinaus sind viele weitere Legierungen
bekannt, bei denen ein Invar-Effekt auftritt.
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Gehäuse
aus einer Invar-Legierung, insbesondere Gehäuse für
einen Stellantrieb eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine,
haben den Vorteil, dass bei einer Änderung der Temperatur
nur eine geringe Längenänderung des Gehäuses
erfolgt. Bauteile, die sich im Inneren des Gehäuses befinden, und
die selbst keiner oder nur einer geringfügigen Längenänderung
unterliegen, haben damit üblicherweise keine oder nur geringe
negative Auswirkungen, beispielsweise mechanische Spannungen, Kräfte
oder Lägeänderungen gegenüber dem Gehäuse. Insbesondere
kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses
aus einer Invar-Legierung dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Piezoaktuators entsprechen, so dass keine oder nur geringe mechanische
Spannungen, Kräfte oder Lägeänderungen
zwischen dem Gehäuse und dem Piezoaktuator auftreten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Düsennadel
direkt mit dem Piezoaktuator gekoppelt, derart, dass die Düsennadel
und der Piezoaktuator relativ zueinander in einer gleichen Richtung
bewegbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Düsennadel
direkt mit dem Piezoaktuator ohne Zwischenschaltung einer Umlenkvorrichtung
gekoppelt sein kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in der
Gehäuseausnehmung ein Aktuatorgehäuse mit einem
Innenraum angeordnet, und der Piezoaktuator ist in dem Innenraum
angeordnet, und der Innenraum ist fluiddicht gegenüber
der Gehäuseausnehmung abgedichtet. Damit ist ein Schutz
des Piezoaktuators gegenüber aggressiven Fluiden durch
eine fluiddichte Unterbringung in dem Aktuatorgehäuse möglich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das
Aktuatorgehäuse einen Faltenbalg auf, der derart ausgebildet
ist, dass axiale Längenänderungen des Piezoaktuators
durch das Aktuatorgehäuse aufnehmbar sind. Dies hat den
Vorteil, dass bei einem fest mit dem Aktuatorgehäuse gekoppelten Piezoaktuator
axiale Längenänderungen des Piezoaktuators mittels
des Faltenbalgs unmittelbar von dem Aktuatorgehäuse aufgenommen
werden können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Faltenbalg
koaxial zwischen dem Piezoaktuator und dem Gehäuse angeordnet
und mit einem von dem Düsenkörper abgewandten
axialen Ende fest mit dem Deckelelement gekoppelt. Der Piezoaktuator
hat an einem dem Düsenkörper zugewandten axialen
Ende ein Bodenelement und der Faltenbalg ist mit dem dem Düsenkörper
zugewandten axialen Ende fest mit dem Bodenelement gekoppelt. Damit
ist eine einfache und kompakte fluiddichte Ausführung des
Aktuatorgehäuses mit Faltenbalg ohne zusätzliche
Bauteile möglich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Faltenbalg
axial zwischen dem Piezoaktuator und der Einspritzöffnung
angeordnet. Das Aktuatorgehäuse weist ein Rohrelement auf,
das koaxial zwischen dem Piezoaktuator und dem Gehäuse angeordnet
ist. Ein von dem Düsenkörper abgewandtes axiales
Ende des Rohrelements ist fest mit dem Deckelelement gekoppelt und
ein dem Düsenkörper zugewandtes axiales Ende des
Rohrelements ist fest mit einem dem Düsenkörper
zugewandten axialen Ende des Faltenbalgs gekoppelt. Dies hat den
Vorteil, dass die radialen Abmessungen des Faltenbalgs unabhängig
von den radialen Abmessungen des Piezoaktuators sein können.
Damit kann die radiale Erstreckung des Faltenbalgs kleiner als die radiale
Erstreckung des Piezoaktuators sein, wodurch ein kurzer Piezoaktuator
zum Einsatz kommen kann. Ein kurzer Piezoaktuator ermöglicht
einen geringen Energieaufwand und geringe thermische Lasten des
Piezoaktuators.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das
Aktuatorgehäuse eine Lochscheibe auf, und die Lochscheibe
ist direkt mit dem dem Düsenkörper zugewandten
axialen Ende des Rohrelements und direkt mit dem dem Düsenkörper
zugewandten axialen Ende des Faltenbalgs gekoppelt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die
Lochscheibe eine Ausnehmung auf und der Faltenbalg weist eine innere
Faltenbalgkammer auf. Das Bodenelement weist einen Stiftfortsatz auf,
der sich in der Ausnehmung und in der Faltenbalgkammer erstreckt.
Dies hat den Vorteil, dass der Stiftfortsatz gegenüber
dem Gehäuse eine besonders günsig angeordnete
Fläche zur Einmessung des Leerhubs der Aktoreinheit bereitstellt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das
Ausgleichselement den Stiftfortsatz auf, und der Stiftfortsatz weist
ein Material auf, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat
als Stahl. Derartige Materialien sind vorzugsweise Mn-Cu-Ni-legierungen,
wobei die Zusammensetzung Mn72Cu18Ni10 besonders bevorzugt ist.
Dies hat den Vorteil, dass das Gehäuse vorzugsweise aus einem
Stahl ausgebildet sein kann und dass der Ausgleich der Wärmedehnungen
des Gehäuses und des Piezoaktuators keine zusätzliche
Baulänge des Einspritzventils erfordert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Innenraum
des Aktuatorgehäuses wenigstens teilweise mit einem Fluid
gefüllt, und das Fluid ist aus einem Material, das ein
Silikon aufweist. Silikon ermöglicht eine mechanische Stabi lität
des Faltenbalgs auch bei höheren Fluiddrücken.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Silikon eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, und so eine gute Wärmeabfuhr von dem Piezoaktuator
ermöglicht ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Düsenkörper
und das Gehäuse lösbar miteinander gekoppelt.
Dies hat den Vorteil, dass die Düsenbaugruppe und Aktoreinheit
einfach miteinander montiert und wieder demontiert werden können. Bei
einem Defekt von einer der beiden Komponenten kann die defekte Komponente
einfach ausgetauscht werden. Es kann so erreicht werden, dass nur
ein geringer Wertschöpfungsverlust entsteht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Düsenkörper
und das Gehäuse mittels einer Schraubverbindung lösbar
miteinander gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache
Montage und Demontage des Düsenkörpers und des
Gehäuses möglich ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist axial
zwischen dem Düsenkörper und dem Gehäuse
ein Dichtelement angeordnet. Es kann so eine hohe Fluiddichtheit
zwischen den Kontaktflächen des Düsenkörpers
und des Gehäuses erreicht werden. Die axiale Anordnung
des Dichtelements zwischen dem Düsenkörper und
dem Gehäuse ermöglicht eine hohe Prozesssicherheit
bei der Montage des Dichtelements.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die
Düsennadel mindestens zwei Führungsabschnitte
mit jeweils einer flachen Ausnehmung auf, wobei die Führungsabschnitte
derart ausgebildet sind, dass die Düsennadel durch den
Düsenkörper in axialer Richtung führbar
ist. Damit ist eine sichere Führung der Düsennadel
im Düsenkörper bei einem hohen Fluid durchfluss
durch die Düsenkörperausnehmung möglich.
Des Weiteren ist eine gute Beweglichkeit der Düsennadel
auch bei einer Verschmutzung des Fluids, beispielsweise durch Partikel,
ermöglicht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der
Kopfendabschnitt des Piezoaktuators eine elektrische Anschlussleitung
auf, mittels der der Piezoaktuator mit einer Spannungsquelle elektrisch koppelbar
ist, und das Deckelelement weist eine Glasdurchführung
auf, und die elektrische Anschlussleitung ist in der Glasdurchführung
angeordnet. Mittels der Glasdurchführung kann eine fluiddichte
Durchführung der elektrischen Anschlussleitung des Piezoaktuators
durch das Deckelelement erreicht werden.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Vorrichtung
zur Steuerung eines Einspritzventils gemäß des
ersten Aspekts, das Mittel aufweist zum Ermitteln des Erreichens
der Schließposition der Düsennadel. Die Mittel zum
Ermitteln des Erreichens der Schließposition der Düsennadel
sind ausgebildet zum Bestimmen des zeitlichen Verlaufs von elektrischen
Größen an dem Piezoaktuator.
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Gemäß eines
dritten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren
zur Steuerung eines Einspritzventils gemäß des
ersten Aspekts, wobei das Erreichen der Schließposition
der Düsennadel ermittelt wird, indem ein zeitlicher Verlauf
von elektrischen Größen an dem Piezoaktuator bestimmt wird.
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Durch
die Bestimmung des zeitlichen Verlaufs von elektrischen Größen
an dem Piezoaktuator zum Erkennen der Schließposition der
Düsennadel kann die Schließposition der Düsennadel
sehr präzise bestimmt werden. Des Weiteren kann ein adaptiver
Re gelkreis zur Kompensation zeitlicher Veränderungen der
Dehnung des Piezoaktuators eingesetzt werden. Damit ist auch eine
hohe Langzeitstabilität des Betriebsverhaltens des Einspritzventils
erreichbar.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Einspritzventil im Längsschnitt,
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel des Einspritzventils im Längsschnitt,
und
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3 einen
Teilbereich des Einspritzventils im Längsschnitt.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen
ein Einspritzventil 10 mit einer Aktoreinheit 14 und
einer Düsenbaugruppe 60. Das Einspritzventil 10 wird
vorzugsweise genutzt zum Einsatz als Kraftstoffeinspritzventil für
eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Die Aktoreinheit 14 hat
ein hülsenförmiges Gehäuse 12 mit
einer Gehäuseausnehmung 13, in der ein Piezoaktuator 16 angeordnet
ist.
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Das
Gehäuse 12 besteht bevorzugt aus einer Invar-Legierung.
Besonders bevorzugt weist die Invar-Legierung einen Nickelanteil
von ca. 36% auf. Neben FeNi-Legierungen, die gegebenenfalls noch Legierungsanteile
an Kobalt aufweisen, kommen noch folgende Legierungen für
Invar in Betracht: FePt, FePd, FeMn, CoMn, FeNiPt, FeNiMn, CoMnFe,
CrFe, CrMn, CoCr, FeB, FeP, TiFe2, ZrFe2, RECo2 (RE=seltene Erden
außer Eu), FeC, Dy2 (FeCo) 17.
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Der
Piezoaktuator 16 hat mindestens ein Piezoelement 17,
das seine Länge in axialer Richtung ändert abhängig
von einem Steuersignal, das an den Piezoaktuator 16 angelegt
wird.
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Die
Düsenbaugruppe 60 umfasst einen Düsenkörper 30 mit
einer Längsachse A und einer Düsenkörperausnehmung 32,
die sich in axialer Richtung in dem Düsenkörper 30 erstreckt.
An einem freien Ende der Düsenkörperausnehmung 32 ist
ein Fluidaustritt 28 ausgebildet, der in geöffneter
oder geschlossener Position ist, abhängig von der axialen Position
einer Düsennadel 33.
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Das
Einspritzventil 10 hat weiter einen Hochdruckanschluss 20,
in dem ein Fluideintritt 26 ausgebildet ist. In dem Hochdruckanschluss 20 ist
weiter ein Verbindungskanal 27 ausgebildet, mittels dem der
Fluideintritt 26 mit der Gehäuseausnehmung 13 des
Gehäuses 12 und mit der Düsenkörperausnehmung 32 hydraulisch
gekoppelt ist.
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Über
eine nicht dargestellte Fluidleitung ist der Hochdruckanschluss 20 mit
dem Fluideintritt 26 mit einer Hochdruckkammer einer Brennkraftmaschine
gekoppelt, in der der Kraftstoff unter einem bestimmten Druck, zum
Beispiel unter einem Druck von ungefähr 200 bar gespeichert
ist.
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Der
Düsenkörper 30 hat einen Absatz 34 und die
Düsennadel 33 hat einen Absatz 35, wobei
beide Absätze 34, 35 als Auflage für
eine Feder 24 dienen, die zwischen dem Düsenkörper 30 und
der Düsennadel 33 angeordnet ist.
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Die
Düsennadel 33 ist direkt mit dem Piezoaktuator 16 ohne
Zwischenschaltung einer Umlenkvorrichtung gekoppelt. Die Düsennadel 33 und
der Piezoaktuator 16 bewegen sich damit relativ zueinander
in einer gleichen Richtung. Damit ist das Einspritzventil 10 als
ein nach außen öffnendes Ventil ausgebildet.
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Der
Piezoaktuator 16 hat an seinem der Düsenbaugruppe 60 abgewandten
Ende einen Kopfendabschnitt 42 mit einem Deckelelement 18,
das an das Piezoelement 17 grenzt. Die Gehäuseausnehmung 13 hat
eine innere Wand 15. An einem dem Düsenkörper 30 zugewandeten
axialen Ende hat der Piezoaktuator 16 ein Bodenelement 19.
Das Bodenelement 19 ist fest mit dem Faltenbalg 40 des
Aktuatorgehäuses 36 gekoppelt.
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Der
Kopfendabschnitt 42 des Piezoaktuators 16 umfasst
weiter eine elektrische Anschlussleitung 44 für
die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Piezoaktuator 16.
Der Piezoaktuator 16 ändert seine Länge
in axialer Richtung, wenn an ihn eine elektrische Spannung angelegt
wird. Durch die Änderung der Länge des Piezoaktuators 16 kann
eine Kraft auf die Düsennadel 33 ausgeübt
werden. Über die von dem Piezoaktuator 16 ausgeübte
Kraft kann sich die Düsennadel 33 in axialer Richtung
bewegen, um so einen Fluidstrom durch eine Einspritzöffnung 62 zu ermöglichen
oder zu verhindern.
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Die
Aktoreinheit 14 für das Einspritzventil 10 hat
weiter einen Anschlussstecker 56 mit einem Steckerkörper 57,
in dem ein Anschlussstift 58 angeordnet ist. Über
den Anschlussstecker 56 kann eine Spannung an den Anschlussstift 58 des
Anschlusssteckers 56 angelegt werden. Der Anschlussstift 58 des
Anschlusssteckers 56 und die elektrische Anschlussleitung 44 des
Piezoaktuators 16 bilden zusammen einen elektrischen An schluss
des Piezoaktuators 16. Da der Anschlussstift 58 des
Anschlusssteckers 56 mit der Anschlussleitung 44 des
Piezoaktuators 16 elektrisch gekoppelt ist, ist auf einfache Weise
eine Zufuhr von elektrischer Energie von außen an den Piezoaktuator 16 möglich.
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In
der Gehäuseausnehmung 13 ist ein Aktuatorgehäuse 36 angeordnet
mit einem Innenraum 38, in dem der Piezoaktuator 16 angeordnet
ist. Damit ist der Piezoaktuator 16 auf eine mechanisch
stabile Weise in dem Aktuatorgehäuse 36 untergebracht.
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Das
Aktuatorgehäuse 36 hat einen Faltenbalg 40,
der sich in Richtung der Längsachse A erstreckt und so
ausgebildet ist, dass mittels des Faltenbalgs 40 axiale
Längenänderungen des Piezoaktuators 16 unmittelbar
von dem fest mit dem Piezoaktuator 16 gekoppelten Aktuatorgehäuse 36 aufgenommen
werden können.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform des Einspritzventils 10 ist
der Faltenbalg 40 koaxial zwischen dem Piezoaktuator 16 und
dem Gehäuse 12 angeordnet. Der Faltenbalg 40 ist
mit einem von dem Düsenkörper 30 abgewandeten
axialen Ende fest mit dem Deckelelement 18 gekoppelt. Der
Faltenbalg 40 ist mit dem dem Düsenkörper 30 zugewandeten
axialen Ende fest mit dem Bodenelement 19 gekoppelt. An
seinem dem Düsenkörper 30 abgewandten
axialen Ende ist der Piezoaktuator 16 fest mit einer Glasdurchführung 45 gekoppelt.
Die elektrische Anschlussleitung 44 ist in der Glasdurchführung 45 angeordnet,
wodurch eine fluiddichte Durchführung der elektrischen
Anschlussleitung 44 des Piezoaktuators 16 durch
das Deckelelement 18 erreicht werden kann.
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In
der in 2 gezeigten Ausführungsform des Einspritzventils 10 ist
der Faltenbalg 40 axial zwischen dem Piezoaktuator 16 und
der Einspritzöffnung 62 angeordnet. Das Aktuatorgehäuse 36 hat ein
Rohrelement 46, das koaxial zwischen dem Piezoaktuator 16 und
dem Gehäuse 12 angeordnet ist. Das Rohrelement 46 erstreckt
sich mit seinem von dem Düsenkörper 30 abgewandeten
axialen Ende bis zu seinem dem Düsenkörper 30 zugewandeten axialen
Ende von dem Deckelelement 18 bis zu einer Lochscheibe 64.
Die Lochscheibe 64 ist mit dem dem Düsenkörper 30 zugewandten
axialen Ende des Rohrelements 46 und mit dem dem Düsenkörper
zugewandten axialen Ende des Faltenbalgs 40 fest gekoppelt.
Das von dem Düsenkörper 30 abgewandte Ende
des Rohrelements 46 ist fest mit dem Deckelelement 18 gekoppelt.
Der Faltenbalg 40 ist innerhalb des Rohrelements 46 angeordnet.
Es ist so möglich, dass die radialen Abmessungen des Faltenbalgs 40 unabhängig
von den radialen Abmessungen des Piezoaktuators 16 ausgebildet
sein können. Damit kann die radiale Erstreckung des Faltenbalgs 40 kleiner sein
als die radiale Erstreckung des Piezoaktuators 16. Somit
ist die hydraulisch wirksame Fläche in Richtung der Längsachse
A sehr klein, wodurch auch ein kurzer Piezoaktuator 16 in
dem Einspritzventil 10 zum Einsatz kommen kann. Dies hat
den Vorteil, dass ein geringerer Energieaufwand und damit eine geringere
thermische Last des Piezoaktuators 16 erreicht werden kann.
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Die
Lochscheibe 64 hat eine Ausnehmung 65 und der
Faltenbalg 40 hat eine innere Faltenbalgkammer 66.
In der Ausnehmung 65 der Lochscheibe 64 und in
der inneren Faltenbalgkammer 66 ist ein Stiftfortsatz 68 angeordnet.
Der Stiftfortsatz 68 ist fest, vorzugsweise einstückig,
mit dem Bodenelement 19 gekoppelt. Das Bodenelement 19 und
der Stiftfortsatz 68 bilden zusammen ein Ausgleichselement 70.
Das Ausgleichselement 70 kann der Kompensation von Längenänderungen
des Rohrelements 46 dienen, insbesondere dann, wenn das
Gehäuse 12 aus einem Material ausgebildet ist,
das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist
als der Piezoaktuator 16. Das Ausgleichselement 70 ist
dann bevorzugt derart ausgebildet, dass sein thermischer Ausdehnungskoeffizient
erheblich größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Gehäuses 12, und dass sein thermischer Ausdehnungskoeffizient
in Verbindung mit den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Piezoaktuators 16 gerade
so groß ist wie der thermische Ausdehnungskoeffizient des
Gehäuses 12. Damit kann erreicht werden, dass
die thermische Ausdehnung eines Gehäuseabschnitts 12a,
das den Piezoaktuator 16 und das Ausgleichselement 70 umschließt,
im Wesentlichen genauso groß ist wie die thermische Ausdehnung
des Piezoaktuators 16 mit dem Ausgleichselement 70 zusammen.
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Der
Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses 36 ist
vorzugsweise wenigstens teilweise mit einem Fluid gefüllt.
Das Fluid in den Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses 36 ist
vorzugsweise nicht leitend und chemisch innert. Besonders bevorzugt
ist, wenn das Fluid in den Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses
aus einem Material ist, das ein Silikon aufweist. Damit kann zum
einen sichergestellt werden, dass der Faltenbalg 40 auch
bei höheren Fluiddrücken eine gute mechanische
Stabilität erreicht.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform des Einspritzventils 10 kann
das Fluid in dem Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses 36 des
Weiteren einen Wärmefluss von dem Piezoaktuator 16 in
Richtung zu dem Gehäuse 12 ermöglichen
und so einen Wärmeabtransport in einer lateralen Richtung
aus dem Piezoaktuator 16 heraus erreichen.
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Zwischen
dem Düsenkörper 30 und dem Gehäuse 12 sind
Gewinde ausgebildet, mittels denen eine Schraubverbindung 50 zwischen dem
Düsenkörper 30 und dem Gehäuse 12 hergestellt
werden kann. Die Schraubverbindung 50 ermöglicht
eine einfache Demontage des Düsenkörpers 30 von
dem Gehäuse 12. Dies ist besonders vorteilhaft,
wenn entweder die Düsenbaugruppe 60 oder die Aktoreinheit 14 eine
defekte oder nicht passende Einheit aufweisen. Es ist dann möglicht,
die defekte oder nicht passende Düsenbaugruppe 60 oder
die defekte oder nicht passende Aktoreinheit 14 auszutauschen,
ohne das gesamte Einspritzventil 10 austauschen zu müssen. Dies
führt insbesondere zu niedrigen Kosten bei der Herstellung
des Einspritzventils 10.
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Zwischen
dem Düsenkörper 30 und dem Gehäuse 12 ist
bevorzugt ein Dichtelement 52 angeordnet, das eine axiale
Dichtung zwischen dem Düsenkörper 30 und
dem Gehäuse 12 ermöglicht. Es kann so
eine gute Fluiddichtheit zwischen den Kontaktflächen des
Düsenkörpers 30 und dem Gehäuse 12 erreicht
werden. Die axiale Anordnung des Dichtelements 52 zwischen
dem Düsenkörper 30 und dem Gehäuse 12 erlaubt
insbesondere eine hohe Prozesssicherheit bei der Montage des Dichtelements 52.
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Der
Düsenkörper 30 hat einen unteren Düsenkörperteil 30a und
einen oberen Düsenkörperteil 30b. Der
untere Düsenkörperteil 30a ist mit dem
oberen Düsenkörperteil 30b bevorzugt
kraftschlüssig verbunden, beispielsweise durch einen Presssitz. Für
die Abdichtung zwischen dem unteren Düsenkörperteil 30a und
dem oberen Düsenkörperteil 30b ist ein
weiteres Dichtelement 53 vorgesehen, so dass eine Abdichtung
in radialer Richtung ermöglicht ist.
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Die
Düsennadel 33 hat vorzugsweise zwei Führungsabschnitte 54 mit
jeweils einer flachen Ausnehmung 55. Die Führungsabschnitte 54 sind
so ausgebildet, dass die Düsennadel 33 durch den
Düsenkörper 30 in axialer Richtung führbar
ist. Damit ist eine sehr sichere Führung der Düsennadel 33 im
Düsenkörper 30 möglich. Gleichzeitig
ist durch die flachen Ausnehmungen 55 ein hoher Fluiddurchfluss
in Richtung zu dem Fluidaustritt 28 im Bereich der Einspritzöffnung 62 möglich.
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Im
Folgenden soll die Funktion des Einspritzventils 10 kurz
beschrieben werden:
Der Kraftstoff wird von dem Fluideintritt 26 durch
das Gehäuse 12 zu der Düsenkörperausnehmung 32 und schließlich
zu dem Fluidaustritt 28 geführt. Ein Fluidstrom
vom Fluideintritt 26 in de Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses 36 mit
dem Piezoaktuator 16 wird durch den Faltenbalg 40 beziehungsweise
das Rohrelement 46 und die Lochscheibe 64 verhindert.
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In
einer Schließposition der Düsennadel 33 verhindert
diese einen Fluidstrom durch den Fluidaustritt 28 im Düsenkörper 30.
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Durch
Anlegen einer Spannung an den Piezoaktuator 16 können
die Piezoelemente 17 ihre Länge ändern.
Durch die Längenänderung der Piezoelemente 17 kann
eine Kraft auf die Düsennadel 33 ausgeübt
werden. Die Düsennadel 33 kann damit in axialer
Richtung aus ihrer Schließposition bewegt werden. Außerhalb
der Schließposition der Düsennadel 33 besteht
eine Lücke zwischen dem Düsenkörper 30 und
der Düsennadel 33 an der Einspritzöffnung 62.
Außerhalb der Schließposition der Düsennadel 33 ermöglicht
die Düsennadel 33 einen Fluidstrom durch den Fluidaustritt 28 und
damit durch die Einspritzöffnung 62.
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Die
Feder 24 kann die Düsennadel 33 über den
Absatz 35 der Düsennadel 33 in Richtung
auf den Piezoaktuator 16 mit Kraft beaufschlagen. Liegt keine
Spannung an dem Piezoaktuator 16 an, so ist die Länge
des Piezoaktuators 16 reduziert. Die Feder 24 zwingt
die Düsennadel 33 zu einer Bewegung in axialer Richtung
in ihre Schließposition. Abhängig von dem Kräftegleichgewicht
zwischen der durch die Feder 24 auf die Düsennadel 33 ausgeübte
Kraft und der durch den Piezoaktuator 16 auf die Düsennadel 33 ausgeübte
Kraft ist die Düsennadel 33 in einer Schließposition
oder in einer Öffnungsposition.
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Soll
die Düsennadel 33 von einer Öffnungsposition
in eine Schließposition gebracht werden, so wird der Piezoaktuator 16 stromlos
gemacht, wobei eine Längenänderung des Piezoaktuators 16 ausgelöst
wird, indem sich der Piezoaktuator 16 zusammenzieht. Gleichzeitig
wird durch die von der Feder 24 auf die Düsennadel 33 ausgeübte
Kraft die Düsennadel 33 versuchen, in ihre Schließposition
zu gelangen. Da die Längenänderung des Piezoaktuators 16 phasenweise
zuerst schneller und dann langsamer erfolgt als die Bewegung der
Düsennadel 33 in ihre Schließposition,
wird auf dem Piezoaktuator 16 eine Kraftänderung
ausgeübt, wodurch ein elektrisches Signal an den Piezoaktuator 16 anliegen
kann. Aus dem zeitlichen Verlauf dieses elektrischen Signals kann
ermittelt werden, wann die Düsennadel 33 tatsächlich
ihre Schließposition erreicht. Die so erhaltene Information über
das Erreichen der Schließposition der Düsennadel 33 kann
in einem nächsten Öffnungsvorgang der Düsennadel 33 als
Information verwertet werden, derart, dass ein entsprechendes Signal
an dem Piezoaktuator 16 angelegt wird, und dieser so eine
an die ermittelte Schließposition der Düsennadel 33 angepasste
Längenänderung ausführen kann. Es ist
so eine adaptive Regelung für den Öffnungs- und
Schließvorgang der Düsennadel 33 mittels
des Piezoaktuators 16 möglich.
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Insbesondere
kann so ein adaptiver Regelkreis zur Kompensation zeitlicher Veränderungen
der Dehnung des Piezoaktuators 16 bereitgestellt werden.
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Im
Folgenden soll das Verfahren zur Messung des Aktuatorleerhubs des
Einspritzventils 10 gemäß der in 2 gezeigten
Ausführungsform dargestellt werden (3):
Vor
dem Zusammenbau der Aktoreinheit 14 und der Düsenbaugruppe 60 wird
die axiale Position einer ersten Planfläche 72 an
dem Stiftfortsatz 68 und einer zweiten Planfläche 74 an
dem Gehäuse 12 ermittelt. Der axiale Abstand S1
zwischen der ersten Planfläche 72 und der zweiten
Planfläche 74 wird bestimmt. In einem weiteren
Schritt wird die axiale Position einer dritten Planfläche 76 der
Düsennadel 33 und eine vierte Planfläche 78 des
Düsenkörpers 30 ermittelt. Der axiale
Abstand S2 zwischen der dritten Planfläche 76 und
der vierten Planfläche 78 wird bestimmt.
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Die
Abstände S1 der Aktoreinheit 14 und S2 der Düsenbaugruppe 60 werden
miteinander verglichen und jeweils eine Aktoreinheit 14 und
eine Düsenbaugruppe 60, die möglichst ähnliche
Werte der Abstände S1 und S2 aufweisen, werden miteinander gepaart.
Da die Planflächen 72, 74, 76, 78 für
eine Messung des Aktuatorleerhubs sehr leicht zugänglich
sind, kann der Aktuatorleerhub mit einer hohen Genauigkeit, im Bereich
von einigen Zehntel Mikrometer, bestimmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19653555
A1 [0004]
- - DE 10245109 [0005]