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Die
Erfindung betrifft ein Servoventil und ein Einspritzventil, das
geeignet ist zum Zumessen von Fluid, insbesondere von Kraftstoff.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei
ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen
zu senken. Ein anderer Ansatzpunkt ist, die von der Brennkraftmaschine
erzeugten Emissionen mittels von Abgasnachbehandlungssystemen in
unschädliche
Stoffe umzuwandeln. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig von
der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine entsprechend verbesserte
Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter
sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen
betragen die Kraftstoffdrücke
bis zu 2000 bar.
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Ferner
sind sogenannte Registerdüsen-Einspritzventile
bekannt geworden mit zwei Einspritzdüsen-Kreisen und diesen zugeordneten
ersten und zweiten Düsennadeln,
mittels derer ein stufenweises Öffnen
bzw. Schließen
der einzelnen Einspritzdüsen-Kreise möglich ist.
So ist aus der
EP 0
978 649 A2 ein derartiges Ventil bekannt. Das Ventil hat
ein Gehäuse,
in dem ein als Piezo-Aktuator ausgebildeter Ventilantrieb und ein
Düsenkörper angeordnet sind.
Der Düsenkörper hat
eine erste Reihe von Einspritzlöchern
und axial beabstandet dazu eine zweite Reihe von Einspritzlöchern. In
einer Ausnehmung des Düsenkör pers ist
eine Düsennadel
geführt,
die in ihrer Schließposition
den Kraftstofffluss sowohl durch die erste als auch die zweite Reihe
von Einspritzlöchern
unterbindet und in ihrer Offenposition zumindest den Kraftstofffluss
durch die erste Reihe von Einspritzlöchern freigibt.
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Die
Düsennadel
wirkt über
einen Mitnehmermechanismus auf einen Einsatzkörper ein, der eine innere Düsennadel
bildet. Die innere Düsennadel verhindert
in ihrer Schließposition
einen Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Einspritzlöchern und gibt
in den sonstigen Positionen den Kraftstofffluss durch die zweite
Reihe von Einspritzlöchern
frei. Der Piezo-Aktuator
wirkt über
ein Servoventil auf die Düsennadel
ein. Das Servoventil umfasst eine Ablaufbohrung, eine Ventilstange,
ein Schließglied,
eine Steuerkammer und einen Leckageraum. Durch ein entsprechend
gesteuertes Ausdehnen des Piezo-Aktuators
wird über
die Schließstange
das Schließglied von
seinem Dichtsitz weggedrückt.
Dies hat zur Folge, dass Kraftstoff aus der Steuerkammer abfließt. Durch
das damit verbundene Sinken des Drucks in der Steuerkammer öffnet oder
bewegt sich die Düsennadel
von ihrer Schließposition
hin zu ihrer Offenposition. Dies hat zur Folge, dass sie zunächst die erste
Reihe von Einspritzlöchern
freigibt und mit sinkendem Druck in der Steuerkammer dann über den Mitnehmermechanismus
die innere Düsennadel
von ihrer Schließposition
hin in ihre Offenposition bewegt wird und somit auch die zweite
Reihe der Einspritzlöcher
freigegeben wird. Die erste Reihe der Einspritzlöcher ist so ausgebildet, dass
ihr Querschnitt deutlich geringer ist als der Querschnitt der Einspritzlöcher der
zweiten Reihe. Dies hat zur Folge, dass der Kraftstoff, der durch
die erste Reihe von Einspritzlöchern
in den Brennraum der Brennkraftmaschine zugemessen wird, deutlich
feiner zerstäubt
wird. Dies ist insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine
von Vorteil, in dem eine geringere Kraft stoffmenge eingespritzt
wird und durch den geringeren Durchmesser der Einspritzlöcher dann
kleinere Kraftstofftropfen entstehen und somit die Rußbildung
verringert wird. Durch den deutlich größeren Durchmesser der zweiten
Reihe von Einspritzlöchern
kann dann im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet
werden, dass eine ausreichende Menge an Kraftstoff in den jeweiligen
Brennraum des Zylinders zugemessen wird.
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Aus
der
EP 1 063 421 A2 ist
ein Kraftstoffinjektor bekannt, der nach Außen öffnet und einen Düsenkörper, der
mit einer ersten Bohrung versehen ist, eine Ventilnadel, die in
der Bohrung verschiebbar ist und mit einem Sitz in Eingriff bringbar
ist, um die Zufuhr von Kraftstoff aus der Bohrung zu steuern, erste und
zweite Steuerkammern zur Aufnahme von unter Druck stehendem Kraftstoff
und Steuerventilmittel zum Steuern des Kraftstoffdrucks in der ersten
und der zweiten Steuerkammer umfasst. Die Ventilnadel ist in Antwort
auf eine Druckveränderung
in der ersten oder/und der zweiten Steuerkammer bewegbar. Des Weiteren
ist ein Servoventil offenbart mit einem ersten Ventilkörper, einem
zweiten Ventilkörper
und einer Dichthülse.
Dabei ist der Sitzbereich für
den zweiten Ventilkörper
in der Dichthülse
ausgebildet. Die Dichthülse
dient also in diesem Fall zum Ausgleich eventueller Exzentrizitäten zwischen
den Schließkörpern des
ersten und zweiten Ventilkörpers.
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Aus
der
DE 103 09 387
A1 ist ein Einspritzventil mit einer inneren und einer äußeren Düsennadel
und einem zweistufigen Servoventil bekannt. Ein Ventilelement weist
ein Durchgangsloch auf. Wenn das Ventilelement gegen einen Ventilsitz
aufgesetzt ist, wird eine Kraftstoffströmung von einer stromaufwärtigen Seite
von Kraftstoffeinspritzlöchern
in die Kraftstoffeinspritzlöcher
blockiert. Ein Stab ist in das Durch gangsloch eingesetzt und ein
Ventilelement ist relativ zu dem Stab hin- und her bewegbar. Wenn
das Ventilelement gegen den Ventilsitz aufgesetzt ist, ist ein Blockierabschnitt
des Stabes mit einem Lochsitz im Eingriff. Somit wird eine Strömung des
Kraftstoffs von dem Durchgangsloch in die Einspritzlöcher blockiert.
Eine Druckaufnahmefläche
des Ventilelements, die den Kraftstoffdruck von dem Hochdruck Kraftstoff
in eine Steuerkammer aufnimmt, ist um einen Betrag einer Querschnittsfläche des
Durchgangslochs verringert, so dass eine Kraft, die auf das Ventilelement
von dem Kraftstoff in der Steuerkammer in eine Aufsetzrichtung aufgebracht
wird, verringert ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, das
einfach ist und einfach ansteuerbar sein kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten
Aspekts aus durch ein Servoventil mit einem Ventilgehäuse, in
dem eine Ausnehmung ausgebildet ist. Das Ventilgehäuse (oben
einfügen)
kann einstückig
oder auch mehrstückig
ausgebildet sein. Es kann insbesondere durch eine Ventilplatte und
gegebenenfalls eine Zwischenplatte gebildet sein.
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Ferner
hat das Servoventil einen ersten Ventilkörper, der in der Ausnehmung
des Ventilgehäuses angeordnet
ist, sich in eine Ausnehmung eines zweiten Ventilkörpers hinein
erstreckt und der einen Schließkörper hat.
Der Schließkörper liegt
in einer Schließstellung
des ersten Ventilkörpers
dichtend an einem ersten Sitzbereich an, der in der Wandung der Ausnehmung
des Ventilgehäuses
ausgebildet ist. Außerhalb
der Schließstellung
gibt der Schließkörper einen
Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich und dem Schließkörper des
ersten Ventilkörpers
frei. Der erste Ventilkörper
ist so ausgebildet, dass Fluid durch die Ausnehmung des zweiten
Ventilkörpers
hin zu dem Bereich des ersten Sitzbereichs strömen kann. Ferner umfasst das
Servoventil einen zweiten Ventilkörper, der in der Ausnehmung
des Ventilgehäuses angeordnet
ist und der einen Schließkörper hat,
der in einer Schließstellung
des zweiten Ventilkörpers dichtend
an einem zweiten Sitzbereich anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung
des Ventilgehäuses ausgebildet
ist, und der außerhalb
der Schließstellung
einen Bereich zwischen dem zweiten Sitzbereich und dem Schließkörper freigibt.
Ferner ist eine Dichthülse
vorgesehen, die so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie in der
Schließstellung
des zweiten Ventilkörpers
einen freien Raum, der durch sie umschlossen wird und der mit der
Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers
hydraulisch gekoppelt ist, von einem Bereich der Ausnehmung des
Ventilgehäuses außerhalb
ihres radialen Umfangs hydraulisch entkoppelt.
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Das
erfindungsgemäße Servoventil
hat den Vorteil, dass ein Sitzdurchmesser des zweiten Schließkörpers im
wesentlichen unabhängig
von dem Sitzdurchmesser des Schließkörpers des ersten Ventilkörpers gewählt werden
kann. Unter dem jeweiligen Sitzdurchmesser ist derjenige Durchmesser des
jeweiligen Schließkörpers an
der Stelle zu verstehen, an der der jeweilige Schließkörper in
der Schließstellung
des jeweiligen Ventilkörpers
den jeweiligen Sitzbereich des Ventilkörpers kontaktiert. Die Kraft,
die notwendig ist, um den jeweiligen Ventilkörper von seiner Schließstellung
heraus zu bewegen hängt
ab von dem Sitzdurchmesser des Schließkörpers des jeweiligen Ventilkörpers. So
kann durch geeignetes Dimensionieren des Sitzdurchmessers des Schließkörpers des
zweiten Ventilkörpers
gewährleistet
werden, dass lediglich geringe Kräfte zum Betätigen des zweiten Ventilkörpers aus
seiner Schließstellung
heraus erforderlich sind. Dies ist insbesondere ein gewichtiger
Vorteil, wenn der erste und der zweite Ventilkörper nahezu gleichzeitig aus ihrer
jeweiligen Schließstellung
heraus bewegt werden sollen.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Servoventils ist, dass
die ersten und zweiten Sitzbereiche einfach eine hohe Steifigkeit
aufweisen können.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils ist die Dichthülse in der
Ausnehmung des Ventilgehäuses
geführt
und der zweite Ventilkörper ist
in der Dichthülse
geführt.
Auf diese Weise kann der zweite Ventilkörper kompakt ausgebildet sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils ist
der erste Ventilkörper
in der Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers geführt. Auf diese Weise ist insgesamt
eine besonders kompakte Ausbildung des Servoventils möglich. Wenn
dann auch noch der zweite Ventilkörper in der Dichthülse geführt ist
können
diese jeweiligen Führungen
axial überlappend
ausgebildet sein und so eine besonders kompakte Ausbildung des Servoventils
erreicht werden.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn eine Feder vorgesehen ist, die sich einerseits
auf einem Kragen des zweiten Ventilkörpers und andererseits auf
einer Auflagefläche
der Dichthülse
abstützt
und so einerseits auf den zweiten Ventilkörper eine Kraft in Richtung
seiner Schließstellung
ausübt
und andererseits auf die Dichthülse
eine Kraft ausübt,
die in Richtung einer Dichtkante der Dichthülse gerichtet ist. Auf diese
Weise hat die Feder vorteilhaft somit eine Doppelfunktion.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils sind
der erste und der zweite Ventilkörper
so ausgebildet und zueinander angeordnet, dass der zweite Ventilkörper mittels
des ersten Ventilkörpers
aus seiner Schließstellung
heraus bewegbar ist. Auf diese Weise kann das Servoventil besonders
einfach ausgebildet sein und es muss ihm lediglich ein Stellantrieb
zugeordnet sein.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der erste Ventilkörper einen
Bund hat, der in der Schließstellung
des ersten Ventilkörpers
mit einem vorgegebenen Spiel beabstandet ist zu einer Kontaktfläche des
zweiten Ventilkörpers.
Bei geeigneter Dimensionierung des Spiels kann so besonders einfach
der erste Ventilkörper
unabhängig
von dem zweiten Ventilkörper
aus seiner Schließstellung gebracht
werden und der zweite Ventilkörper
bei sich außerhalb
der Schließstellung
befindlichem ersten Ventilkörper
auch aus seiner Schließstellung
heraus bewegt werden mittels eines einzigen Stellantriebs, der vorgesehen
sein kann, um auf den ersten Ventilkörper einzuwirken.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils ist
eine weitere Feder vorgesehen, die sich einerseits auf einem Federteller
des ersten Ventilkörpers
und andererseits auf einem Federauflagebereich der Dichthülse abstützt und
so einerseits auf den zweiten Ventilkörper eine Kraft in Richtung seiner
Schließstellung
ausübt
und andererseits auf die Dichthülse
eine Kraft ausübt,
die in Richtung einer Dichtkante der Dichthülse gerichtet ist. So hat die weitere
Feder eine Doppelfunktion. Der Federteller kann auch nicht einstückig mit
dem ersten Ventilkörper
ausgebildet sein. Er ist jedoch mechanisch gekoppelt mit dem ersten
Ventilkörper.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils hat
der erste Ventilkörper
einen Zapfen der sich in die Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers hinein
erstreckt und der entlang seines Umfangs mit mindestens einer Eintiefung
verse hen ist. So kann einfach der Durchfluss von Fluid durch die Ausnehmung
des zweiten Ventilkörpers
gewährleistet
werden. Ferner kann aber ein freies Volumen innerhalb der Ausnehmung
des zweiten Ventilkörpers gering
gehalten werden und der erste Ventilkörper kann in den Bereich des
Zapfens geführt
sein. Die Eintiefung kann so zum Beispiel sehnenförmig ausgebildet
sein, was fertigungstechnisch besonders einfach herstellbar ist
durch einen Fräsvorgang.
Der Durchfluss von Fluid durch die Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers kann
auch durch eine Bohrung in dem ersten Ventilkörper gewährleistet werden, was fertigungstechnisch
jedoch gegebenenfalls einen höheren
Aufwand verursacht.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil
mit einem Körper
der eine Ausnehmung hat, eine äußere Düsennadel,
die in der ersten Ausnehmung angeordnet ist, die eine Ausnehmung
hat und die in einer Schließposition
einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch unterbindet und
diesen ansonsten frei gibt. Das Einspritzventil hat ferner eine
innere Düsennadel,
die in der Ausnehmung der äußeren Düsennadel angeordnet
ist und die in einer Schließposition
einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch unterbindet und
diesen ansonsten freigibt. Ferner umfasst das Einspritzventil das
Servoventil. Das Servoventil, der Körper und die innere und die äußere Düsennadel sind
so ausgebildet, dass abhängig
von der Stellung des ersten Ventilkörpers die Position der inneren
Düsennadel
einstellbar ist und dass abhängig
von der Stellung des zweiten Ventilkörpers die Position der äußeren Düsennadel
einstellbar ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Einspritzventil mit einem Servoventil
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2 eine
Vergrößerung des
Teilbereichs des Einspritzventils gemäß 1 in dem
Bereich, in dem das Servoventil angeordnet ist,
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3 eine
weitere Vergrößerung eines
weiteren Teilbereichs des Teilbereichs gemäß 2 des Einspritzventils
gemäß 1 und
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4 Teile
des Servoventils in einer alternativen Ausführungsform.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein
Einspritzventil hat ein Injektorgehäuse 1. In einer Ausnehmung
des Injektorgehäuses 1 ist
ein Stellantrieb angeordnet, der bevorzugt ein Piezo-Aktuator 4 ist.
Der Antrieb kann jedoch auch ein beliebiger anderer geeigneter Stellantrieb
sein, wie beispielsweise ein elektromagnetischer Stellantrieb. Ferner
ist in dem Injektorgehäuse 1 ein
Leckageraum 14 ausgebildet.
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Eine
Düsenbaugruppe
des Einspritzventils umfasst eine Ventilplatte 16, eine
Zwischenplatte 18, einen Nadelführungskörper 20 und einen
Düsenkörper 22.
Die Düsenbaugruppe
ist mittels einer Düsenspannmutter 23 mit
dem Injektorgehäuse 1 mechanisch
gekoppelt. Ein Körper
kann die Düsenbaugruppe,
Teile der Düsenbaugruppe
und/oder das Injektorgehäuse 1 und/oder
die Düsenspannmutter 23 umfassen.
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Der
Nadelführungskörper 20 hat
eine Ausnehmung 24, die sich axial in einer Ausnehmung 26 des
Düsenkörpers 22 fortsetzt.
Eine äußere Düsennadel 27 ist
in der Ausnehmung 24 des Nadel führungskörpers 20 und der Ausnehmung 26 des
Düsenkörpers 22 angeordnet.
Die äußere Düsennadel 27 hat
eine sie in axialer Richtung durchdringende Ausnehmung 28,
in der eine innere Düsennadel 29 angeordnet
ist. Die innere und äußere Düsennadel 27, 29 sind
bevorzugt koaxial zueinander angeordnet. Ferner ist eine erste Düsenfeder 30 vorgesehen, welche
eine Kraft auf die äußere Düsennadel 27 ausübt in einer
Schließrichtung
der äußeren Düsennadel 27 und
die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die äußere Düsennadel 27 in eine
Schließposition
drückt,
in der sie einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch 34 unterbindet.
Befindet sich die äußere Düsennadel
außerhalb
ihrer Schließposition,
so gibt sie den Fluidfluss durch das erste Einspritzloch 34 frei.
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Ferner
ist eine zweite Düsenfeder 32 (2) vorgesehen,
welche eine Kraft auf die innere Düsennadel 29 ausübt in einer
Schließrichtung
der inneren Düsennadel 29 und
die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die innere Düsennadel 29 in eine
Schließposition
drückt,
in der sie einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch 36 unterbindet. Befindet
sich die innere Düsennadel
außerhalb
ihrer Schließposition,
so gibt sie den Fluidfluss durch das zweite Einspritzloch 36 frei.
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Die
zweite Düsenfeder
ist in der Ausnehmung 28 der äußeren Düsennadel 27 angeordnet. Ferner
ist dort eine Hülse 40 angeordnet,
die durch die zweite Düsenfeder 32 gegen
die Zwischenplatte 18 gedrückt wird. Die Hülse 40 trennt
so einen ersten Steuerraum 48 ab, der an die Kontaktfläche 46 der
inneren Düsennadel 29 angrenzt,
von einem zweiten Steuerraum 50, der angrenzt an eine Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 und
der eine Ausnehmung 24 der Zwischenplatte 18 umfasst.
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Die
Position der inneren Düsennadel 29 wird bestimmt
durch eine Kräftebilanz
aus der durch die zweite Düsenfeder 32 auf
die innere Düsennadel 29 einwirkende
Kraft, die durch den Druck in dem ersten Steuerraum 48 auf
die innere Düsennadel 29 über die
Kontaktfläche 46 einwirkende
Kraft und einer Kraft, die hervorgerufen durch den Druck des Fluids über einen
Hochdruckabsatz 52 der inneren Düsennadel 29 auf diese
entgegen der Schließrichtung
einwirkt.
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Die
Position der äußeren Düsennadel 27 hängt ab von
der Kräftebilanz
der Kraft, die durch die erste Düsenfeder 30 hervorgerufen
wird, den in dem zweiten Steuerraum 50 herrschenden Druck,
der über
die Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 eine
Kraft einkoppelt, die schließend
auf die äußere Düsennadel 27 wirkt,
und einer Kraft, die durch den Fluiddruck in einem Bereich eines
Hochdruckabsatzes 56 der äußeren Düsennadel entgegengesetzt der
Schließrichtung
der äußeren Düsennadel 27 wirkt.
Das jeweilige freie Volumen im Bereich der Hochdruckabsätze 56, 52 ist
jeweils hydraulisch gekoppelt mit einer Hochdruckbohrung 58 des
Einspritzventils.
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Ein
Servoventil umfasst ein Ventilgehäuse, das je nach Ausführungsform
die Ventilplatte und gegebenenfalls die Zwischenplatte 18 umfasst.
Das Ventilgehäuse
kann alternativ auch einstückig
oder mehr als zweistückig
ausgebildet sein. In der Ventilplatte 16 ist eine Ausnehmung 62 ausgebildet.
Ein erster Ventilkörper 64 (3)
ist in der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 angeordnet.
Er hat einen Schließkörper 68,
der in einer Schließstellung
des ersten Ventilkörpers 64 dichtend
an einem ersten Sitzbereich 66 anliegt, der in der Wandung
der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 ausgebildet
ist, und der außerhalb
der Schließstellung
einen Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich 66 und dem
Schließkörper 68 des
ersten Ventilkörpers 64 freigibt.
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Ferner
ist in der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 ein
zweiter Ventilkörper 70 angeordnet,
der einen Schließkörper 74 hat,
der in einer Schließstellung
des zweiten Ventilkörpers 70 an
einem zweiten Sitzbereich 72 der Ventilplatte 16 anliegt.
Außerhalb der
Schließstellung
des zweiten Ventilkörpers 70 gibt der
Schließkörper 68 des
zweiten Ventilkörpers 70 einen
Bereich zwischen dem zweiten Sitzbereich 72 und dem Schließkörper 74 des
zweiten Ventilkörpers 70 frei.
Sowohl der Schließkörper 74 des
zweiten Ventilkörpers 70 als
auch der Schließkörper 68 des ersten
Ventilkörpers 64 können kegelförmig oder auch
sphärisch
ausgebildet sein. Eine sphärische Form
hat den Vorteil, dass eine axiale Führung des jeweiligen Ventilkörpers in
axialer Richtung kürzer ausgebildet
sein kann als im Falle der kegelförmigen Ausbildung des jeweiligen
Schließkörpers 68, 74.
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Der
zweite Ventilkörper 70 hat
eine Ausnehmung 76, die den zweiten Ventilkörper 70 vollständig durchdringt.
Der erste Ventilkörper 64 hat
einen Zapfen 78, der sich in die Ausnehmung 76 des
zweiten Ventilkörpers 70 hinein
erstreckt. Ferner hat der erste Ventilkörper 64 einen Federteller 80,
auf dem sich eine erste Feder 82 abstützt. Die erste Feder 82 stützt sich
andererseits auf der Zwischenplatte 18 ab und übt so, hervorgerufen
durch eine entsprechende Vorspannung der ersten Feder 82,
eine Kraft in Richtung der Schließstellung des ersten Ventilkörpers 64 auf
diesen aus.
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Der
erste Ventilkörper 64 hat
ferner einen Kontaktbereich 64, auf den der Piezo-Aktuator 4 einwirken
kann, entweder direkt oder über
einen Übertrager.
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Der
erste Ventilkörper 64 umfasst
ferner einen Bund 86, der in der Schließstellung des ersten Ventilkörpers 64 mit
einem vorgegebenen Spiel, also einem vorgegebenen Abstand, zu einer
Kontaktfläche 88 des
zweiten Ventilkörpers 70 angeordnet
ist. Wenn der Bund 86 in Anlage ist mit der Kontaktfläche 88 des
zweiten Ventilkörpers,
so ist der zweite Ventilkörper 70 mechanisch
mit dem Piezo-Aktuator 4 gekoppelt über den ersten Ventilkörper 64 und
kann somit seine axiale Position gesteuert durch den Piezo-Aktuator 4 verändern.
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Der
Zapfen 78 hat eine Eintiefung 90, die bevorzugt
sehnenförmig
ist. Bevorzugt hat der Zapfen 78 eine zylinderförmige Grundform.
Die Eintiefungen sind bevorzugt eingefräst. Dies kann fertigungstechnisch
sehr einfach erfolgen, wenn die mindestens eine um den Umfang des
Zapfens 78 verteilte Eintiefung 90 eine Sehnenform
hat. Sie kann jedoch eine beliebige von einer Sehne abweichende
Form haben beispielsweise sektorförmig oder eine beliebige gebogene
Form haben. Alternativ oder zusätzlich
kann der Zapfen 78 auch von mindestens einer Bohrung durchdrungen
sein. Durch die Bohrung oder auch die mindestens eine Eintiefung 90 ist
gewährleistet,
dass Fluid durch die Ausnehmung 76 des zweiten Ventilkörpers 70 hindurchströmen kann.
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Der
Zapfen 78 und somit der erste Ventilkörper 64 ist in der
Ausnehmung 76 des zweiten Ventilkörpers geführt. Alternativ kann der erste
Ventilkörper 64 auch
in dem Bereich seines Bundes 86 in der Ausnehmung 62 der
Ventilplatte 16 geführt
sein.
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Eine
Ausnehmung 92 ist in dem Bund 86 derart ausgebildet,
dass auch im Falle eines Anliegens des Bundes 86 an der
Kontaktfläche 88 des
zweiten Ventilkörpers 70 Fluid
durch die Ausnehmung 76 des zweiten Ventilkörpers 70 hindurchtreten
kann und zwar in dem freien Raum zwischen der mindestens einen Eintiefung 90 des
Zapfens 78 und der Wandung der Ausneh mung 76 des
zweiten Ventilkörpers und
weiter durch die Ausnehmung 92 radial nach außen. Besonders
einfach kann die Ausfräsung
der in der 3 dargestellten Form durch einen
Fräsvorgang
zusammen mit der Eintiefung 90 hergestellt werden. Bevorzugt
ist ferner eine Nut 94 vorgesehen, die sich unmittelbar
an den Bund 86 in dem Zapfen 78 anschließt. Durch
die Nut 94 kann einfach gewährleistet werden, dass im Falle
des Anliegens des Bundes an der Kontaktfläche 88 ein guter Kontakt zwischen
dem Bund und der Kontaktfläche
erfolgt.
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Der
zweite Ventilkörper 70 hat
einen Kragen 96, auf dem sich eine zweite Feder 98 mit
ihrem einem freien axialen Ende abstützt. Die zweite Feder 98 stützt sich
mit ihrem anderen freien axialen Ende ab auf eine Auflagefläche 100 einer
Dichthülse 102. Die
Auflagefläche 100 ist
bevorzugt als Absatz ausgebildet. Die geeignet vorgespannte zweite
Feder 98 übt
so eine Kraft auf den zweiten Ventilkörper 70 in Richtung
seiner Schließstellung
aus. Andererseits übt
sie auf die Dichthülse 102 eine
Kraft aus, die in Richtung einer Dichtkante 104 der Dichthülse gerichtet
ist und so die Dichthülse
auf die Zwischenplatte 18 presst.
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Der
zweite Ventilkörper 70 ragt
in die Dichthülse 102 hinein
und ist bevorzugt auch in der Dichthülse 102 geführt. Alternativ
kann der zweite Ventilkörper 70 auch
im Bereich seines Kragens 96 in der Ausnehmung 62 der
Ventilplatte 16 geführt
sein.
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Aus
der dem Schnitt der 3 ist es ersichtlich, dass die
Führung
des ersten Ventilkörpers 64, die
in der Ausnehmung 76 des zweiten Ventilkörpers 70 erfolgt,
axial überlappt
mit der Führung
des zweiten Ventilkörpers 70,
der in der Dichthülse 102 geführt ist.
Dadurch kann insgesamt die axiale Ausdehnung des Servoventils gering
gehalten werden. Die Dichthülse 102 ist
in der Ausnehmung 62 der Ventilplatte geführt. In
dem in der 3 dargestellten Schnitt weist
die Dichthülse 102 Dichthülseneintiefungen
auf, die dazu vorgesehen sind, dass Fluid zwischen der Dichthülse und
der Wandung der Ausnehmung 62 der Ventilplatte hindurchströmen kann.
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Ein
freier Raum innerhalb der Dichthülse 102 ist über einen
ersten Kanal 112 und eine Ablaufdrossel 108 mit
dem ersten Steuerraum 48 hydraulisch gekoppelt. Der erste
Steuerraum 48 ist über
eine erste Zulaufdrossel 106 hydraulisch gekoppelt mit
der Hochdruckbohrung 58. Ein freier Raum radial außerhalb
der Dichthülse 102 ist
mittels eines zweiten Kanals 114 mit dem zweiten Steuerraum 50 hydraulisch gekoppelt.
Der zweite Steuerraum 50 ist über eine zweite Zulaufdrossel 110 mit
der Hochdruckbohrung 58 hydraulisch gekoppelt.
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Die
Funktionsweise des Servoventils ist im folgenden ausgehend von einem
Zustand beschrieben, in dem sich sowohl der erste als auch der zweite Ventilkörper 64, 70 in
ihrer jeweiligen Schließstellung befinden.
Wird nun über
den Stellantrieb, also dem Piezo-Aktuator 4 eine zunehmende
Kraft in Richtung nach unten in der Bildebene übertragen, so bewegt sich der
erste Ventilkörper 64 heraus
aus seiner Schließstellung,
wenn die durch die Federkraft und den Hydraulikdruck hervorgerufenen
Kräfte
auf den ersten Ventilkörper
geringer sind als die durch den Piezo-Aktuator aufgebrachte Kraft.
Bewegt sich nun der erste Ventilkörper 64 heraus aus
seiner Schließstellung
so wird ein Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich 66 und
dem Schließkörper 68 des
ersten Ventilkörpers 64 freigegeben.
Dies hat zur Folge, dass Fluid aus dem ersten Steuerraum 46 über die Ablaufdrossel 108,
weiter durch den ersten Kanal 112 schließlich hin
zu dem freien Raum innerhalb der Dichthülse 102 durch diesen
hindurch und ferner weiter durch den Bereich zwischen der mindestens
einen Eintiefung 90 des Zapfens 78 und anschließend zwischen
dem Bund 68 und der Wandung der Ausnehmung 62 der
Ventilplatte 16 und weiter durch den Bereich zwischen dem
Schließkörper 68 des
ersten Ventilkörpers 64 und
der Wandung der Ausnehmung 62 der Ventilplatte hin zu dem
Leckageraum 14 strömen
kann.
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Mit
sinkendem Druck in dem ersten Steuerraum 48 sinkt auch
die Kraft, die über
die Kontaktfläche 46 der
inneren Düsennadel 29 in
Schließrichtung der
inneren Düsennadel 29 ausgeübt wird
und somit erfolgt schließlich
das Bewegen der inneren Düsennadel 29 heraus
aus ihrer Schließposition.
Verringert sich die über
den Piezo-Aktuator 4 übertragene
Kraft und somit sein Hub zu einem späteren Zeitpunkt wieder, so
bewegt sich der erste Ventilkörper 64 wieder zurück in seine
dichtende Anlage mit dem ersten Sitzbereich 66. Durch das über die
erste Zulaufdrossel 106 zufließende Fluid steigt dann der
Druck in dem ersten Steuerraum 48 wieder an, was letztlich wieder
zu einem Bewegen der inneren Düsennadel 29 zurück in ihre
Schließposition
führt.
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Mit
zunehmendem Hub des Piezo-Aktuators 4 wird dann das Spiel
zwischen dem Bund 86 und der Kontaktfläche 88 des zweiten
Ventilkörpers
aufgebraucht, bis schließlich
der Bund 86 an der Kontaktfläche 88 anliegt und
somit den weiteren Hub des Piezo-Aktuators 4 auf den zweiten
Ventilkörper 70 überträgt. Dadurch
wird dann mit weiter zunehmendem Hub auch der zweite Ventilkörper 70 aus
seiner Schließstellung
heraus bewegt und ein Bereich zwischen dem Schließkörper 74 des
zweiten Ventilkörpers
und dem zweiten Sitzbereich 72 freigegeben. Dies hat dann
zur Folge, dass Fluid aus dem zweiten Steuerraum 50 durch
den zweiten Kanal 114 weiter entlang des Bereichs zwischen
der Dichthülse 102 und
der Wandung der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 vorbei
an dem Bereich zwischen dem zweiten Sitzbereich 72 und
dem Schließkörper 74 des
zweiten Ven tilkörpers 70,
weiter vorbei an dem Bereich zwischen dem Bund 86 und der
Wandung der Ausnehmung 62 der Ventilplatte und ferner weiter
durch den Bereich zwischen dem ersten Ventilsitzbereich 66 und
dem Schließkörper 68 des
ersten Ventilkörpers 64 hin
zu dem Leckageraum 14 strömen kann. Dies hat dann zur
Folge, dass der Druck in dem zweiten Steuerraum 50 sinkt.
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Mit
sinkendem Druck in dem zweiten Steuerraum 50 verringert
sich auch die Kraft, die durch den Druck des Fluids in dem zweiten
Steuerraum 50 über die
Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 auf diese
in ihrer Schließrichtung
eingekoppelt wird. Dies führt
dann letztendlich zu einem Bewegen der äußeren Düsennadel 27 heraus
aus ihrer Schließposition. Wird
der Hub des Piezo-Aktuators 4 anschließend wieder verringert, so
bewegt sich der zweite Ventilkörper 70 wieder
zurück
in seine Schließstellung.
Es kann dann kein Fluid mehr aus dem zweiten Steuerraum in den Leckageraum 14 abfließen und
durch das über
die zweite Zulaufdrossel 110 zufließende Fluid steigt der Druck
in dem zweiten Steuerraum 50 wieder an, was schließlich zu
einem Zurückbewegen der äußeren Düsennadel 27 in
ihre Schließposition führt.
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Bevorzugt
ist der Sitzdurchmesser des Schließkörpers 74 des zweiten
Ventilkörpers 70 möglichst
klein gewählt
unter Berücksichtigung
der geforderten Eigenschaften des Servoventils also beispielsweise
seiner mechanischen Festigkeit und seiner Standhaftigkeit gegenüber hohen
Druckbeanspruchungen. Je kleiner der Ventilsitzdurchmesser des Schließkörpers 74 des
zweiten Ventilkörpers 70 ist,
desto geringer sind insbesondere die Spitzenkräfte, die durch den Piezo-Aktuator 4 aufzubringen
sind, um sowohl den ersten Ventilkörper 64 als auch den zweiten
Ventilkörper 70 sehr
schnell aufeinanderfolgend aus ihren jeweiligen Schließstellungen
zu bringen. Im Falle eines derartigen schnellen Betätigens der
Ventilkörper 64, 70 ist
für das
Herausbewegen des zweiten Ventilkörpers 70 aus seiner
Schließstellung
durch den Piezo-Aktuator 4 auch noch eine gegebenenfalls
sehr hohe durch das Fluid hervorgerufene Kraft aufzubringen, das
sich in dem freien Raum innerhalb der Dichthülse 102 befindet.
Diese Kraft muss bei der Auslegung des Piezo-Aktuators 4 berücksichtigt
werden und kann so durch geeignet geringe Dimensionierung des Sitzdurchmessers
des Schließkörpers 74 des
zweiten Ventilkörpers 70 verringert
werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Servoventils hat die Dichthülse 102 einen
Federauflagebereich 116, auf dem sich die erste Feder 82 abstützt. Die
erste Feder 82 drückt
bei geeigneter Vorspannung der ersten Feder 82 die Dichthülse 102 auf
die Zwischenplatte 18 und übt gleichzeitig wie auch in dem
ersten Ausführungsbeispiel
eine in Richtung der Schließstellung
gerichtete Kraft auf den ersten Ventilkörper 64 aus. Bei dieser
Ausführungsform
kann sich die zweite Feder 98 auch beispielsweise auf der
Zwischenplatte 18 abstützen
und somit kann dann die Auflagefläche 100 der Dichthülse entfallen,
was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss.
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Das
Servoventil kann auch in einer anderen Vorrichtung als dem Einspritzventil
angeordnet sein oder für
das dortige Anordnen vorgesehen sein.