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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Koppler
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Ein solcher Koppler ist durch
DE 199 46 833 A1 bekannt.
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Derartige Koppler werden insbesondere
in der Kraftfahrzeugtechnik bei Dieselmotoren verwendet, um die
von einem Piezo-Aktor erzeugte Kraft und Bewegung unabhängig von
Temperaturschwankungen spielfrei auf das Betätigungselement eines Ventils
zu übertragen.
Die Spielfreiheit zwischen Aktor und aktorseitigem Kolben sowie
zwischen dem Ventilelement und dem ventilseitigen Kolben wird beispielsweise
dadurch ermöglicht,
dass die beiden Kolben des Kopplers durch vorgespannte Federn gegen den
Aktor bzw. gegen das Ventilelement gepresst werden. Das Volumen
zwischen den beiden Kolben ist mit Kraftstoff gefüllt, dadurch
entsteht eine hydraulische Kopplung zwischen den Kolben. Ändert sich z.B.
in Folge von Temperaturänderungen
der Abstand zwischen Aktor und Ventilelement, so ändert sich
der Abstand zwischen den beiden Kopplerkolben in gleicher Weise.
Dadurch wird die Längenänderung
kompensiert und die spielfreie Kopplung bleibt erhalten. Die Änderung
des Kraftstoffvolumens im Koppler erfolgt durch Ein- oder Ausströmen von Kraftstoff
aus dem ebenfalls mit Kraftstoff gefüllten Raum, welcher den Koppler
umgibt.
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Die hier als erster Kolben beziehungsweise zweiter
Kolben bezeichneten Kolben werden in der Praxis in der Weise bezeichnet,
dass der aktorseitige Kolben als „Kolben" bezeichnet wird, und der ventilseitige
Kolben als „Ventilkolben" bezeichnet wird.
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Zum Betätigen des Ventils übt der Aktor
eine Kraft auf den ihm zugeordneten Kolben aus, und diese Kraft
wirkt auf den im genannten Hohlraum vorhandenen Kraftstoff, (auch
als Kopplervolumen bezeichnet). Der Druck, der dabei im Kopplervolumen aufgebaut
wird, bewirkt wiederum eine Kraft auf den ventilseitigen Kolben
und betätigt
damit das Ventilelement. Dieser Druck führt aber auch dazu, dass infolge
des nun vorhandenen Druckgefälles
zwischen dem Raum innerhalb und außerhalb des Kopplers eine geringe
Kraftstoffmenge über
die Führungsspalte
aus dem Hohlraum (Kopplervolumen) entweicht. Um die volle Funktionsfähigkeit
des Injektors (Einspritzvorrichtung für den Dieselkraftstoff oder
anderen Kraftstoff in einen Zylinder des Verbrennungsmotors) zu
gewährleisten,
muss die aus den Führungsspalten
beim Aufbauen des Drucks entwichene Kraftstoffmenge in den Pausen
zwischen zwei Einspritzvorgängen
innerhalb kurzer Zeit (normalerweise innerhalb der Zeit einer Nockenwellenumdrehung)
wieder vollständig
dem Kopplervolumen zugeführt
werden. Dieses Wiederbefüllen
erfolgt durch den Druck des den Koppler umgebenden Kraftstoffs,
der mindestens den Atmosphärendruck
aufweist, üblicherweise
aber durch zusätzliche
Maßnahmen
auf höheren
Werten gehalten wird (beispielsweise 10 bar). Um diesen Druck nutzen
zu können,
bewirkt die Vorspannkraft der Feder des ventilseitigen Kolbens eine Druckabsenkung
gegenüber dem
Umgebungsdruck des Kopplers, und zwar so lange, bis die entwichene Kraftstoffmenge
wieder eingeströmt
ist. Durch das Druckgefälle
zwischen dem Raum innerhalb und außerhalb des Kopplers entsteht
nun eine Strömung von
außen
nach innen durch die Führungsspalte
und Kraftstoff strömt
wieder in das Kopplervolumen ein.
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Beim Druckaufbau im Kopplervolumen
wird das Kopplergehäuse
infolge der hohen auftretenden Drücke leicht gedehnt, wodurch
sich die Höhe
der Führungsspalte
vergrößert. Diese
Vergrößerung der Höhe erleichtert
das schnelle Entweichen von Kraftstoff aus dem Kopplervolumen durch
die Führungsspalte
nach außen.
In den Pausen zwischen Einspritzvorgängen übt der Aktor dagegen keinen
Druck auf den ihm zugeordneten Kolben aus, folglich ist der Druck
innerhalb des Kraftstoffs des Kopplers verringert und die Führungsspalte
weisen wieder Ihre ursprüngliche
Geometrie mit nicht vergrößerter Spalthöhe auf.
Die Führungsspalte
setzen also dem Befüllen
des Kopplervolumens einen höheren
Widerstand entgegen als dem Entleeren. Dadurch ergibt sich ein noch
ungünstigeres
Verhältnis
zwischen Betätigungszeit
und notwendiger Pausenzeit des Kopplers beziehungsweise Ventils
beziehungsweise Einspritzvorgangs als es das Verhältnis der
Druckdifferenz beim Entleeren und Befüllen vermuten lässt.
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Aufgabe der Erfindung ist es das
Zeitintervall, das für
das Befüllen
des Kopplervolumens zwecks Rückführung der
beim vorherigen Druckaufbau durch die Führungsspalte entwichenen Kraftstoffmenge
benötigt
wird, im Verhältnis
zu verkürzen und/oder
den für
die Befüllung
erforderlichen Umgebungsdruck zu senken.
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Vorteile der
Erfindung
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Zur einfachen Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Koppler
gemäß Patentanspruch
1 vorgeschlagen. Erfindungsgemäße Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
enthalten. Es wird durch einfache geometrische Änderungen an einem oder beiden
Kolben erreicht, das ein Führungsspalt
oder mehrere Führungsspalte
sich beim Betätigen
des Aktors verengt anstatt erweitert. Dadurch, dass der in dem Hohlraum
herrschende Druck hinter die Innenseite des nach außen verformbar
ausgebildeten Bereichs der Seitenwand geführt wird, bewirkt dieser Druck
eine Verformung der genannten Seitenwand nach außen. Hierdurch wird der Führungsspalt bei
Erhöhung
des Drucks verkleinert.
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Dadurch setzen die Führungsspalte
dem Entleeren des Kopplervolumens einen deutlich höheren Widerstand
entgegen als bei den heutigen Kopplern, wohingegen der Widerstand
beim Wiederbefüllen
im Vergleich zu den heutigen Kopplern im Wesentlichen unverändert ist.
Folglich reduziert sich das während
der Betätigung
des Ventils durch den Aktor aus dem Kopplervolumen entweichende
Kraftstoffvolumen und daher reduziert sich auch die für das Wiederbefüllen erforderliche
Zeit. Alternativ kann die beschriebene Lösung auch genutzt werden, um
die heute übliche
Wiederbefüllzeit
bei deutlich geringerem Druck des Kraftstoffs, der das Kopplergehäuse umgibt,
zu erreichen. Ebenso ist ein Kompromiss zwischen verringertem Kraftstoffdruck
in der Umgebung des Kopplers und verringerter Befüllzeit möglich.
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Heutige Koppler weisen bereits gegenüber den
im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen zahlreiche weitere Merkmale
auf, die solche Koppler besonders nützlich für den beschriebenen Anwendungsfall
bei Verbrennungsmotoren machen. So ist im allgemeinen eine kleine
Baugröße wünschenswert,
sowie eine sehr zuverlässige,
preisgünstige Fertigung
mit hoher Genauigkeit bei großen
Stückzahlen,
was dazu führt,
dass der Querschnitt der Kolben im Allgemeinen kreisförmig ist
und somit die Führungsflächen im
Kopplergehäuse
für die
Kolben durch Bohren hergestellt werden können, so dass Drehen und Bohren
als Verfahren anwendbar sind. Es soll allerdings bemerkt werden,
dass durch spezielle Drehverfahren ein elliptischer Querschnitt
in ziemlich einfacher Weise erzielt werden kann.
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Schließlich sind bei derartigen bekannten Kopplern,
wie auch bevorzugt bei konkreten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Kopplern,
die beiden Kolben linear und gleichachsig hintereinander angeordnet,
und das zwischen diesen vorgesehene, die Kopplung bewirkende Volumen
an Kraftstoff ist möglichst
klein bemessen, weil der Kraftstoff eine Volumenelastizität aufweist,
die bei übermäßig großem Hohlraum
zu unerwünschten
Verzögerungen
der Ventilbetätigung
führen
könnte.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kopplers
sind in den 3-5 der schematischen Zeichnung
dargestellt und werden nachfolgend beschrieben und erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen herkömmlichen
Koppler mit zwei linear hintereinander angeordneten Kolben mit unterschiedlichem
Durchmesser,
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2a die
Einzelheit II in 1 vergrößert bei
betätigtem
Aktuator, also erhöhtem
Druck,
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2b die
in 2a gezeigte Anordnung bei
anschließend
nicht betätigtem
Aktuator, also wieder abgesenktem Druck (Wiederbefüllung durch
die Führungsspalte)
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3 eine
Darstellung im Längsschnitt
einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kopplers
mit einer Einsenkung in dem Kolben mit dem größeren Durchmesser, in die der
andere Kolben eintritt.
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4a den
Bereich IV in 3 vergrößert bei
betätigtem
Aktuator (erhöhtem
Druck),
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4b die
Anordnung der 4a bei
nichtbetätigtem
Aktuator und somit wieder abgefallenem Druck mit Wiederbefüllung durch
die Führungsspalte,
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5 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kopplers,
bei dem die in 3 und 4 gezeigten Maßnahmen
und zusätzlich
in jedem der beiden Kolben ein Einstich, der der Kontur der Außenwandung
des jeweiligen Kolbens folgt, vorhanden sind.
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In 1 weist
ein hydraulischer Koppler 1 ein Kopplergehäuse 3 auf,
in dem ein erster zylindrischer Kolben 5 und ein zweiter
zylindrischer Kolben 7 linear hintereinander verschiebbar
gelagert sind, wobei der erste Kolben 5 einen größeren Durchmesser
hat als der zweite Kolben 7 und in der Endansicht vom Kolben 7 her
dieser mit seiner Außenwandung radial
innerhalb des Querschnitts des Kolbens 5 liegt. Dem Kolben 5 ist
eine zylindrische Führungsfläche 6 und
dem Kolben 7 eine zylindrische Führungsfläche 8 des Kolbengehäuses 3 zugeordnet.
Zwischen den genannten Führungsflächen und
den zylindrischen Flächen
der Kolben bestehen funktional zwingend notwendige Führungsspalte.
(Vergleiche die Erläuterung
zu 2). Eine auf den
Kolben 6 von oben her einwirkende Kraft wird auf den Kolben 7 mittels
einer Flüssigkeit,
insbesondere Dieselkraftstoff, übertragen,
die einen Hohlraum 10 im Bereich zwischen den beiden Kolben
sowie die Führungsspalte
ausfüllt. Wegen
der unterschiedlichen Querschnittsfläche bewirkt der Koppler vom
Kolben 5 auf den Kolben 7 eine Kraftuntersetzung
mit Verschiebeweg-Übersetzung.
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Der in den 2a und 2b vergrößert dargestellte
Bereich II in 1 zeigt,
dass beim Antrieb des Kolbens 5 in Richtung auf den anderen
Kolben hin eine Erhöhung
des Drucks im Hohlraum 10 und in den mit diesem verbundenen
Führungsspalten 11 und 12 auftritt,
wobei dieser hohe Druck dazu führt, dass
das Kopplergehäuse 3 radial
gedehnt und dass folglich der Führungsspalt 11 im
Bereich seines unteren Endes in der Höhe (Dicke) vergrößert wird.
Bei durch Antrieb des Kolbens 5 erhöhtem Druck in dem Hohlraum 10 setzt
somit der Führungsspalt 11 einem Entweichen
des Treibstoffs (Strömungspfeil 11-a) aus
dem Hohlraum 10 durch den Führungsspalt 11 hindurch
nach außen
(oberes Ende des Kopplergehäuses
in 1) einen geringeren
Widerstand entgegen als den ursprünglichen Abmessungen der Führungsspalte
entspricht. Pro Zeiteinheit und Überdruckeinheit
entweicht also mehr Kraftstoff als bei Druckentlastung (1, 2b, Strömungspfeil 11-b) pro
gleicher Zeiteinheit und Unterdruckeinheit nachströmen kann,
denn bei Druckentlastung nimmt der Führungsspalt 11 praktisch
sofort wieder seine ursprüngliche
Form und die ursprünglichen
Abmessungen an, so dass wegen des nun gegenüber dem Hochdruckzustand verkleinerten
Spalthöhe
das Wiedereinströmen
von Treibstoff von außerhalb
des Kopplergehäuses,
das im betriebsbereitem Zustand von unter Druck stehendem Kraftstoff
umgeben ist, langsamer erfolgt als das Ausströmen multipliziert mit dem Verhältnis aus Überdruck bei
Betätigen
des Aktors und Unterdruck in der Betätigungspause. Es sind weitere
Strömungspfeile 12-a und 12-b gezeigt.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Im Gegensatz zu der soeben beschriebenen bekannten
Anordnung ist bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
das in 3 gezeigt ist, in
demjenigen Kolben 15, der den größeren Querschnitt hat, eine
Innensenkung 20 eingearbeitet, deren Durchmesser so bemessen
ist, dass der Kolben 17 mit dem kleineren Querschnitt in
sie eintreten kann, aber nicht an den Boden der Innensenkung anschlagen
kann, da der funktionsmäßig dem
Hohlraum 10 der 1 entsprechende
Hohlraum 10' mit Kraftstoff
gefüllt
ist. In den 4a und 4b ist die Einzelheit IV
der 3 vergrößert dargestellt.
Bei Druckaufbau infolge einer Bewegung des größeren Kolbens in Richtung auf
den anderen Kolben zu wirkt der Druck der im Hohlraum 10' befindlichen
Flüssigkeit (Kraftstoff)
auch auf die Innenseite des ringförmigen Wandabschnitts 25,
der durch die Mantelfläche
des Kolbens 15 und die zylindrische Innenfläche der
Einsenkung 20 begrenzt wird. Dadurch bewirkt dieser auf
die Innenseite dieses ringförmigen Wandabschnitts
wirkende Druck, dass sich dieser Wandabschnitt radial nach außen verformt
und dadurch den Führungsspalt 26 bei 27 verengt.
Somit ist der bei Erhöhung
des Drucks sich einem Ausströmen des
Treibstoffs (Strömungspfeil 27-a)
aus dem Hohlraum entgegenstellende Strömungswiderstand größer als
wenn der Aktor keinerlei Druck ausübt oder wenn der sich der große Kolben
nach oben zurück bewegt
(4b, Strömungspfeil 27-b),
bei welchem Zustand die Führungsspalte
wieder ihre ursprünglichen
Abmessungen angenommen haben. Somit ist das Ausströmen des
Treibstoffs aus dem Hohlraum gegenüber dem Stand der Technik erschwert,
bzw. verlangsamt, wohingegen das Wiedereinströmen des zuvor verdrängten Treibstoffs
bei Wegfall des Drucks gegenüber
dem Stand der Technik unverändert
erfolgt. Somit erfolgt die Wiederbefüllung des Hohlraums im Vergleich
zum Stand der Technik relativ schneller. Es sind auch dem nach unten
führenden Führungsspalt 28 zugeordnete
Strömungspfeile 28-a und 28-b eingezeichnet.
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Durch die Innensenkung entsteht ein
ringförmiger
Ansatz am Kolben. Infolge der Strömung im Führungsspalt entsteht beim Betätigen des
Aktors (Druckerhöhung
im Hohlraum) eine Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der
Außenseite
des ringförmigen
Ansatzes. Dadurch wird der ringförmige Ansatz
gedehnt, was wiederum die Druckdifferenz erhöht. Insgesamt wird die Höhe des Führungsspalts durch
diesen Mechanismus deutlich verringert. Eine Überschlagsrechnung ergibt,
dass z.B. bei einem ringförmigen
Ansatz mit Außendurchmesser
6 mm und Innendurchmesser 5,2 mm (also bei einer Wanddicke des ringförmigen Ansatzes
von 0,4mm) bei einem Innendruck von 100 bar der Ansatz im Durchmesser
um 2 μm
gedehnt wird. Bei einem geometrischen Führungsspiel von ca. 3 μm liegt diese
Dehnung in einem Bereich, welche den Leckage-Strom durch den Führungsspalt
hindurch erheblich verringert und somit die zum Wiederfüllen benötigte Zeit deutlich
reduziert.
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Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Merkmale
des Ausführungsbeispiels der 3 vorhanden, und zusätzlich ist
in dem Kolben 30 mit dem größeren Querschnitt in Verlängerung
der Innenseite des ringförmigen Wandabschnitts 25 ein
Einstich 32 vorhanden, durch den der nach außen leicht
verformbare Wandabschnitt 35 gegenüber 4 verlängert wird. Infolge des Einstichs 32 gelangt
der Treibstoff in dem hier mit dem Bezugszeichen 10'' bezeichneten Hohlraum auf einer
größeren Länge (in
Verschiebrichtung der Kolben betrachtet) an die Innenseite des ringförmigen Wandabschnitts 35 als
bei der Ausführungsform
nach 3. Dadurch kann
die Vergrößerung des
Strömungswiderstands
des Führungsspalts
zwischen dem Wandabschnitt 35 und der benachbarten Wandung
des Kopplergehäuses
vergrößert sein.
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Außerdem weist der im Querschnitt
kleinere Kolben 36 in 5 ausgehend
von seiner nach oben weisenden Stirnfläche in der Nähe seiner
zylindrischen Außenfläche ebenfalls
einen Einstich 38 auf, der die Außenfläche des Zylinders 36 nach
außen verformbar
ausbildet. Dadurch wird dann, wenn der Hohlraum 10'' unter Druck steht, der Führungsspalt, der
von dem Hohlraum 10'' aus entlang
des unteren Kolbens 36 zum unteren Ende des Kopplergehäuses führt, in
seiner Höhe
vergrößert, was
in 5 nicht zeichnerisch
dargestellt ist, aber bei Betrachtung der 4a und 4b ohne
weiteres verständlich
wird. So ist bei der in 5 gezeigten
Ausführungsform
zusätzlich
zum Erschweren des Ausströmens
von Treibstoff zum oberen Ende des Kopplers hin auch das Abströmen zum
unteren Ende des Kopplers hin erschwert; dagegen nehmen die Führungsspalte
bei Wegfall des Drucks wieder Ihre ursprüngliche Form und Ihre ursprünglichen
Abmessungen an, so dass hier gegenüber der 3 in verstärktem Masse das Wiederbefüllen des
Hohlraums 10'' gegenüber dem
Stand der Technik schneller erfolgt, weil ursprünglich weniger Treibstoff aus
dem Hohlraum 10'' abgeflossen
ist.
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Es kann ausreichen, wenn nicht ein
ununterbrochener ringförmiger
Einstich (oder Einschnitt) 35 oder 36 vorhanden
ist, sondern wenn sich dieser Einschnitt lediglich abschnittsweise
erstreckt, beispielsweise durch eine Reihe von Bohrungen gebildet
ist, die untereinander einen lichten Abstand haben, wo also das
Material des Kolbens nicht weggenommen ist. Dort, wo diese Bohrungen
vorhanden sind, kann sich die Außenseite des jeweiligen Kolbens
etwas nach außen
verformen, so dass auf eine derartige Weise ebenfalls eine Erhöhung des
Strömungswiderstands
bei im Hohlraum 10'' herrschenden
Druck vorhanden sein kann.
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Wenn die beiden Kolben des Koppler
gleichen Querschnitt haben oder sich ihr Querschnitt nur so geringfügig unterscheidet,
dass nicht der eine Kolben in eine Einsenkung des anderen Kolbens
eintauchen kann, so bleibt immer noch die Möglichkeit offen, durch Einstiche, ähnlich wie
in 4 gezeigt, ein Verformen
der Außenwand
des jeweiligen Kolbens im Bereich seines dem anderen Kolben zugewandten
Endes zu ermöglichen.
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Die Innensenkung 20 der 3 kann als sehr breiter
Einstich mit einem Innenradius von Null betrachtet werden. Bei einer
nicht dargestellten Ausführungsform
der Erfindung ist der Innenradius des Einstichs größer als
Null, und zwar so bemessen, dass der benachbarte Kolben mit einem
an ihm vorgesehenen ringförmigen
vorspringenden Wandteil in den Einstich eintritt.
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Ebenso besteht die Möglichkeit,
die beiden Kolben stirnseitig flach und nur mit den in 4 dargestellten, zusätzlichen
Einstichen an einem der beiden oder an beiden Kolben auszuführen, so
dass sich die Kolben mit einem lichten Abstand gegenüber liegen,
ohne dass der kleinere Kolben in eine Ansenkung des größeren eintaucht.