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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Vorspannvorrichtungen, die in Verbindung mit Aktoren verwendet werden, und insbesondere das Verteilen einer Steifigkeit einer Vorspannfeder um eine Längsmittelachse zum Verringern einer Ungleichmäßigkeit einer Federkonstante derselben.
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Hintergrund
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Eine Vielzahl an verschiedenen Aktorsystemen ist aus unterschiedlichen technischen Gebieten bekannt. Aktorsysteme reichen von relativ großen, langsamen und ungenauen Vorrichtungen bis zu relativ kleinen, schnell arbeitenden und hochgenauen Systemen wie den von Kraftstoffinjektoren und anderen Fluidsteuerungssystemen bekannten Systemen. In vielen Fällen ist es wünschenswert, einen Aktor hin zu einem bestimmten Zustand wie einer im Voraus festgelegten Position vorzuspannen. In Verbindung mit Kraftstoffinjektoren werden Vorspannfedern herkömmlicher Weise dazu verwendet, einen Aktor oder damit in Verbindung stehende Bauteile zu einer von mehreren möglichen Positionen hin vorzuspannen. Beispielsweise werden in Verbindung mit Steuerventilen und zugehörigen elektrischen Aktoren häufig Rückstellfedern zum Vorspannen des elektrischen Aktors hin zu einer Position, die einem bestimmten Fluidzustand eines Kraftstoffinjektors wie einen Ruhezustand entspricht, verwendet, wenn der Kraftstoffinjektor keinen Kraftstoff in einen Motorzylinder einspritzt. Da eine Genauigkeit, eine Zuverlässigkeit und eine Vorhersagbarkeit bei Aktorsystemen, insbesondere bei Kraftstoffinjektoraktorsystemen, immer stärker in den Fokus geraten, kommt dem Verhalten von Rückstellfedern und anderen Vorspannvorrichtungen eine immer größere Bedeutung zu.
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Eine andere verbreitete Anwendung von Vorspannvorrichtungen besteht in dem Bereitstellen einer Vorlast an bestimmten Arten von Aktoren wie Piezoaktoren. Wie andere herkömmlicher Weise in Kraftstoffinjektoren verwendete Aktorsysteme können Piezoaktoren zum Steuern der Position eines Steuerventils oder dergleichen aktiviert oder deaktiviert werden. Zum Ermöglichen einer Betätigung und zum Sicherstellen einer genauen, zuverlässigen und vorhersagbaren Leistung werden viele Piezoaktoren über eine Kompressionskraft vorbelastet. Piezoaktoren neigen dazu, einigermaßen empfindlich auf Variationen der Vorlast zu reagieren. Außerdem können sich, wenn sich Motorbedingungen wie eine Temperatur ändern, die Abmessungen und die Abstände von Piezoaktorbauteilen ändern. Der Betrag einer Vorbelastungskraft an in Kraftstoffinjektoren verwendeten Piezoaktoren kann aus diesen Gründen genau vorgeschrieben sein. Wie vorher bereits angedeutet, kann das Verhalten von Rückstellfedern und anderen Vorspannvorrichtungen eine wichtige Rolle beim Gewährleisten eines gewünschten Betriebs eines Aktors spielen. Man hat herausgefunden, dass Variationen in Bezug auf den Aufbau und die Gestalt einer Feder negative Auswirkungen auf die Fähigkeit einer Vorspannfeder, sich in bestimmten Aktorsystemen wie gewünscht zu verhalten, haben können. Im Falle von Piezoaktoren wird die Vorspannfeder möglicherweise nicht nur als eine Vorbelastungsvorrichtung, sondern auch als eine Rückstellfeder zum Zurückführen des Aktors in einen Zustand verwendet, den er normalerweise einnimmt, wenn er aberregt ist, was diese Probleme verstärkt.
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Das
US-Patent Nr. 7,025,292 für Mohr offenbart ein Beispiel für einen Kraftstoffinjektor mit einem über eine Vorspannfeder vorgespannten Ventil. Die bei Mohr verwendete Feder hat die Form einer zylindrischen Buchse mit ausgeschnittenen Bereichen zum Aufbringen einer Federwirkung auf die Buchse. Mohr kann bei bestimmten Anwendungen verwendet werden, würde jedoch bei anderen Anwendungen als nachteilig betrachtet werden, insbesondere bei einer Anwendung in bestimmten Piezoaktorsystemen.
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Zusammenfassung
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Ein Kraftstoffinjektor enthält einen Kraftstoffinjektorkörper, der einen Kraftstoffeinlass und mindestens einen Kraftstoffauslass festlegt. Ein Ventil, das einen ersten Ventilzustand und einen zweiten Ventilzustand aufweist, ist zum Steuern eines Fluidstroms in dem Kraftstoffinjektorkörper über das Schalten zwischen dem ersten Ventilzustand und dem zweiten Ventilzustand ausgebildet. Ein Aktor für das Ventil ist vorgesehen, der zwischen einer ersten Aktorposition, die dem ersten Ventilzustand entspricht, und einer zweiten Aktorposition, die dem zweiten Ventilzustand entspricht, bewegbar ist. Der Kraftstoffinjektor enthält ferner eine Vorspannfeder, die eine zylinderförmig gerollte Platte enthält, die ein erstes Federende und ein zweites Federende aufweist und eine Längsmittelachse festlegt, wobei die zylinderförmig gerollte Platte zum Ändern ihrer Länge zum Vorspannen des Aktors zu der ersten Aktorposition hin ausgebildet ist. Die Vorspannfeder weist ferner eine schraubenförmige Naht auf, die sich zwischen dem ersten Federende und dem zweiten Federende befindet und eine zum Verringern einer Ungleichmäßigkeit einer Federkonstante der zylinderförmig gerollten Platte zumindest teilweise durch das Verteilen einer Steifigkeit einer Schweißnaht um die Längsmittelachse angepasst ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Aktorsystems das Ändern eines elektrischen Energiezustands eines elektrischen Aktors für das elektrische Aktorsystem und das Bewegen eines mit dem elektrischen Aktor verbunden Steuerelements gegen eine Vorspannung einer Vorspannfeder ansprechend auf das Ändern eines elektrischen Energiezustands. Die Vorspannfeder enthält eine zylinderförmig gerollte Platte, die eine Längsmittelachse festlegt. Das Verfahren beinhaltet ferner das Verringern einer Ungleichmäßigkeit einer Federkonstante der zylinderförmig gerollten Platte während des Bewegens zumindest teilweise durch das Verteilen einer Steifigkeit der zylinderförmig gerollten Platte um die Längsmittelachse über eine schraubenförmige Naht der zylinderförmig gerollten Platte.
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Gemäß einem anderen Aspekt enthält eine Vorspannvorrichtung für einen Aktor eine Vorspannfeder, die eine zylinderförmig gerollte Platte enthält, die ein erstes Federende und ein zweites Federende aufweist und eine Längsmittelachse festlegt, wobei die zylinderförmig gerollte Platte zum Ändern ihrer Länge in einer Richtung parallel zu der Längsmittelachse zum Vorspannen des Aktors ausgebildet ist. Die zylinderförmig gerollte Platte weist ferner eine schraubenförmige Naht auf, die sich zwischen dem ersten Federende und dem zweiten Federende befindet und eine Form aufweist, die zum Verringern einer Ungleichmäßigkeit einer Federkonstante der Vorspannfeder zumindest teilweise durch das Verteilen einer Steifigkeit um die Längsmittelachse der zylinderförmig gerollten Platte angepasst ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht eines Kraftstoffinjektors gemäß einer Ausführungsform,
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2 ist eine perspektivische Ansicht einer Feder gemäß einer Ausführungsform, und
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Federkörpers einer Vorspannvorrichtung für einen Aktor gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung
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Bezug nehmend auf 1 ist ein Kraftstoffinjektor 1 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Der Kraftstoffinjektor 10 kann einen Kraftstoffinjektorkörper 12 mit einem ersten Ende 38 und einem zweiten Ende 56 und einer Mehrzahl von unterschiedlichen Körperbauteilen enthalten. Der Kraftstoffinjektorkörper 12 kann mindestens einen Kraftstoffeinlass 14 und mindestens einen Kraftstoffauslass 16 und einen Hochdruckkraftstoffkanal 46 wie einen Düsenzufuhrkanal festlegen, der den Kraftstoffeinlass 14 fluidmäßig mit dem Auslass 16 verbindet. Bei einer Ausführungsform kann der Kraftstoffeinlass 14 zum Verbinden mit einer (nicht gezeigten) Hochdruckfluidquelle wie einem Common Rail des herkömmlicher Weise in Verbindung mit Systemen mit einem Motor mit innerer Verbrennung verwendeten Typs ausgebildet sein. Es ist jedoch offensichtlich, dass der Kraftstoffinjektor 10 in Motorsystemen mit einem anderen Mechanismus als einem Common Rail zur Druckbeaufschlagung von Kraftstoff verwendet werden könnte, beispielsweise mit einer mit dem Kraftstoffinjektor 10 verbundenen Unit Pump. Außerdem könnten bei anderen Ausführungsformen bestimmte Aspekte der vorliegenden Offenbarung in einem anderen Kontext als bei Kraftstoffversorgungen implementiert werden, wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden wird.
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Der Kraftstoffinjektor 10 kann ferner ein Nadelventil 50 mit einer ersten Nadelventilposition, an der das Nadelventil 50 den mindestens einen Kraftstoffauslass 16 versperrt, und einer zweiten Nadelventilposition, an der das Nadelventil 50 den mindestens einen Kraftstoffauslass 16 nicht versperrt, enthalten. Das Nadelventil 50 kann ein Nadelventilelement 54 enthalten, das über eine Vorspannfeder 58 hin zu einer geschlossenen Position, an der es den Auslass 16 versperrt, vorgespannt wird. Das Ventilelement 54 kann ferner eine Steuerfläche 52 enthalten, die mit einem Fluiddruck eines Steuerkanals 48 beaufschlagt wird, der durch den Injektorkörper 12 festgelegt und fluidmäßig mit dem Kanal 46 verbunden ist. Der Kraftstoffinjektor 10 kann ferner eine Steuerventilanordnung 18 enthalten, die zum Steuern eines Betriebs des Nadelventils 50 durch eine Bewegung zwischen einem ersten Steuerventilzustand und einem zweiten Steuerventilzustand ausgebildet ist. Die Steuerventilanordnung 18 enthält ferner ein Steuerventilelement 42, das zum Steuern eines Fluidstroms in dem Kraftstoffinjektorkörper 12 zwischen einer ersten Steuerventilposition, die dem ersten Ventilzustand entspricht, und einer zweiten Steuerventilposition, die dem zweiten Steuerventilzustand entspricht, schaltet. Ein zweites Steuerventilelement 45 kann mit dem Steuerventilelement 42 verbunden sein. Wenn sich das Steuerventilelement 42 an der ersten Steuerventilposition befindet, kann die Steuerfläche 52 über den Steuerkanal 48 mit einem Druck eines über den Einlass 14 zugeführten Hochdruckkraftstoffs beaufschlagt werden, und wenn sich das Steuerventilelement 42 an der zweiten Steuerventilposition befindet, kann die Steuerfläche 52 mit einem Niederdruck eines durch den Kraftstoffinjektorkörper 12 festgelegten Niederdruckauslasses 44 beaufschlagt werden.
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Der Kraftstoffinjektorkörper 12 kann ferner einen Aktoraufbau 21 wie eine mit der Steuerventilanordnung 18 verbundene Anordnung mit einem elektrischen Aktor enthalten. Die Aktoranordnung 21 kann Teil eines Aktorsystems 23 sein und enthält ein Gehäuse 30 mit einem elektrischen Aktor 32 wie einem Piezoelement, das einen darin positionierten Piezostapel 33 enthält. Der Aktoraufbau 21 kann ferner eine Vorspannfeder 20 mit einem Federkörper 62 enthalten, und der elektrische Aktor 32 kann zumindest teilweise innerhalb der Vorspannfeder 20 positioniert sein. Die Aktoranordnung 21 kann weiter ein zum Steuern des Zustands eines anderen Elements des Kraftstoffinjektors 10, beispielsweise des Steuerventilelements 42, ausgebildetes Steuerelement 24 enthalten. Das Steuerelement 24 kann ein ebenfalls mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnetes Kontaktelement enthalten, das zum Steuern des Zustands eines zweiten Elements des Kraftstoffinjektors 10, beispielsweise des Steuerventilelements 42, über das Kontaktieren des zweiten Elements ausgebildet ist. Bei anderen Ausführungsformen könnte das Steuerelement 24 den Zustand eines anderen Elements des Kraftstoffinjektors 10 steuern, ohne dasselbe zu kontaktieren, beispielsweise durch das Variieren eines Fluiddrucks. Bei einer weiteren Ausführungsform könnte das Steuerelement 24 ein Ventilelement wie das Steuerventilelement 42 enthalten und einstückig mit demselben ausgebildet sein, das wiederum den Zustand noch eines anderen Elements, beispielsweise des Nadelventils 50, steuert. Es ist vorgesehen, dass ein Kontakt mit einem anderen Element zum Steuern des Zustands desselben jedoch eine Frage der praktischen Implementierung sein wird, und die Bezeichnung „Kontaktelement 24” wird im Folgenden verwendet, soll jedoch keine Einschränkung darstellen.
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Der Aktor 32 wird normalerweise über die Vorspannfeder 20 in einem zusammengedrückten Zustand gehalten und ist so ausgebildet, dass er ansprechend auf eine Änderung eines elektrischen Energiezustands des Aktors 32 zum Betätigen der Steuerventilanordnung 18 seine Länge ändert. Bei einer Ausführungsform kann der Aktor 32 ausgehend von einem aberregten Zustand zum darauf ansprechenden Verlängern und Bewegen des Kontaktelements 24 zum Kontaktieren des Steuerventilelements 42 erregt werden. Das Schalten des Aktors 32 zwischen einem erregten Zustand und einem aberregten Zustand kann auf bekannte Weise den Steuerkanal 48 über das Steuerelement 42 und das zweite Ventilelement 45 selektiv mit dem Kanal 46 oder dem Auslass 44 verbinden. Bei einer Ausführungsform kann das Kontaktelement 24 durch einen Zwischenraum 43, der durch das Kontaktelement 24 und das Steuerventilelement 42 festgelegt wird, von dem Steuerventilelement 42 getrennt sein, wenn sich der Aktor 32 in einem aberregten Zustand befindet. Das Kontaktieren des Steuerventilelements 42 über das Kontaktelement 24 bewegt das Steuerventilelement 42 zwischen der ersten und der zweiten Steuerventilposition, die im Vorhergehenden erwähnt wurden. Bei anderen Ausführungsformen könnte das Ändern des elektrischen Energiezustands eines Aktors 32 das Aberregen des Aktors 32 zum Ändern einer Länge des Aktors 32, das Einstellen des Aktors 32 von einem niedrigen elektrischen Energiezustand auf einen höheren elektrischen Energiezustand, etc. beinhalten. Zusätzlich dazu könnte bei anderen Ausführungsformen der Aktor 32 nicht über die Vorspannfeder 20 in einem zusammengedrückten Zustand gehalten werden, oder er könnte ein unterschiedlicher Typ eines Aktors sein. Die Vorspannfeder 20 könnte ebenfalls auf ein unterschiedliches Bauteil als den Aktor 20 einwirken, beispielsweise auf das Steuerventilelement 42 oder auf das Kontaktelement 24. Die vorliegende Offenbarung sollte daher so weit gefasst werden, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Systemen vorgesehen ist, die eine Vielzahl unterschiedlicher Bauteile und Anordnungen von Bauteilen aufweisen, wobei sich ein erstes Bauteil zum Beeinflussen der Position oder des Zustands eines anderen Bauteils bewegt.
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Die Aktoranordnung 21 kann ferner eine flexible Membran 28, die zum Bewegen mit dem Kontaktelement 24 verbunden ist, und einen O-Ring 26 enthalten, der eine fluidmäßige Dichtung zwischen der Vorspannfeder 20 und dem Gehäuse 30 herstellt. Wie vorher erwähnt, kann der Aktor 32 ein Piezoaktor sein, und die Vorspannfeder 20 kann den Aktor 32 zur Vorbelastung des Aktors 32 zusammendrücken. Dazu kann sich die Vorspannfeder 20 in einem unter Spannung stehenden Zustand befinden, und das Erregen des Aktors 32 kann den Aktor 32 gegen eine Kompressionsvorspannung der Vorspannfeder 20 verlängern. Das Verlängern des Aktors 32 gegen eine Kompressionsvorspannung der Vorspannfeder 20 kann wiederum als eine Bewegung des Kontaktelements 24 und daher des Steuerventilelements 42 gegen die Kompressionsvorspannung aufgefasst werden. Ferner ist offensichtlich, dass die Bewegung des Steuerventilelements 42 über einen Kontakt mit dem Kontaktelement 24 ein Kraftstoffeinspritztiming des Kraftstoffinjektors 10 steuern kann. Der Kraftstoffinjektorkörper 12 kann ferner beispielsweise eine mit einem Gewinde versehene Vorlaststeuerungsmutter 30 mit einem Außengewinde 39 zum Variieren der Spannung an der Vorspannfeder 20 und eine mit einem Gewinde versehene Verriegelungsmutter 40 zum Verriegeln der Vorspannfeder 20 in einem gegebenen Spannungszustand enthalten. Das relativ weitere Schrauben der Mutter 36 in die Vorspannfeder 20 über einen Eingriff des Gewindes 39 mit einem Innengewinde 70 der Vorspannfeder 20 kann die Vorspannfeder 20 zum Erhöhen einer Vorlast strecken, und umgekehrt. Ein Vorlastungssteuerungselement 34, das beispielsweise ein sich thermisch ausdehnendes oder thermisch zusammenziehendes Material enthält, kann zum Ausdehnen oder Zusammenziehen ansprechend auf Änderungen der Temperatur und dadurch Aufrechterhalten oder Steuern einer Vorlast an dem Aktor 32 benachbart zu dem Aktor 32 positioniert sein. Der allgemeine Aufbau und die Funktionsweise einer Vorbelastung und einer Steuerung einer Vorlast an einem Aktor über die Verwendung der Muttern 36 und 40 und des Vorlastungssteuerungselements 34 sind in der ebenfalls anhängigen US-Patenanmeldung Nr. 12/077640 desselben Anmelders, die am 20. März 2008 eingereicht wurde, genauer beschrieben.
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Bezug nehmend auf 2 ist eine Vorspannfeder 20 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Bei einer Ausführungsform kann die Vorspannfeder 20 eine Multifunktionsfeder enthalten, die als eine Funktion das Vorspannen des Aktors 32 aufweist und zusätzliche Funktionen wie das Einstellen einer Vorlast an dem Aktor 32 und das Übertragen einer Bewegung des Aktors 32 aufweist. Die Vorspannfeder 20 kann mehrere Längsfedersegmente enthalten, einschließlich eines ersten Federsegments 68, eines zweiten Federsegments 66 und eines dritten Federsegments 64. Bei einer Ausführungsform kann das Segment 64 das Innengewinde 70 enthalten, das zum Ineinandergreifen mit der Mutter 36 und der Mutter 40 zum Einstellen einer Spannung an der Vorspannfeder 20 und zum Anpassen oder Einstellen einer Vorlast an dem Aktor 32 auf eine gewünschte Vorlast wie vorher beschrieben ausgebildet ist.
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Das Segment 68 kann ein zum Übertragen einer Bewegung des Aktors 32 ausgebildeter Kolben sein oder einen solchen enthalten und enthält das Kontaktelement 24, das sich an demselben befindet. Das Segment 66 kann einen Federkörper 62 enthalten und ist zum Erzeugen der gesamten oder zumindest eines Teils der Federkraft der Vorspannfeder 20 ausgebildet. Der Federkörper 62 kann ein erstes Federende 72 und ein zweites Federende 74 enthalten. Bei einer Ausführungsform kann jedes der Segmente 64 und 68 jeweils an den Federenden 72 und 74 mit dem Segment 66 verschweißt oder auf irgendeine andere geeignete Weise verbunden sein. Es ist offensichtlich, dass hierin eine Vielzahl von Federkonfigurationen, beispielsweise multifunktionale und unifunktionale, vorgesehen sind und die Darstellung der 2 lediglich der Veranschaulichung dient. Ferner ist, auch wenn eine Multifunktionsvorspannfeder eine praktische Implementierung ist, die vorliegende Offenbarung dadurch nicht eingeschränkt.
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Ebenfalls Bezug nehmend auf 3, die eine perspektivische Ansicht des Federkörpers 62 der Vorspannfeder 20 zeigt, kann die Vorspannfeder 20 eine zylinderförmig gerollte Platte 65 wie ein gerolltes Metallplättchen enthalten, die den Federkörper 62 bildet. Die zylinderförmig gerollte Platte 65 und der Federkörper 62 sind bei einer Ausführungsform dasselbe Bauteil, und daher ist die vorliegende Beschreibung des Federkörpers 62 so zu verstehen, dass sie sich hierin ebenfalls auf Beschreibungen der zylinderförmig gerollten Platte 65 bezieht. Bei einer Ausführungsform kann der Federkörper 62 aus einem flachen Stahlplättchen oder dergleichen mit einer Form vor einem Rollen, die allgemein ein flaches Parallelogramm darstellt, gerollt sein. Der Federkörper 62 kann eine mehrere gerade Seitenränder enthalten, einschließlich eines ersten geraden Seitenrands 84 an dem ersten Federende 72, eines zweiten geraden Seitenrands 86 an dem zweiten Federende 74, eines dritten geraden Seitenrands 80 und eines vierten geraden Seitenrands 82. Der Ausdruck „Seite” ist hierin so zu verstehen, dass er sich darauf bezieht, dass die Ränder die flache Platte begrenzen, die zum Ausbilden des Federkörpers 62 gerollt wird.
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Bei einer Ausführungsform kann der Federkörper 62 eine gerade zylindrische Form, die eine Längsmittelachse A festlegt, und eine gleichmäßige Breite in einer Richtung senkrecht zu der Längsmittelachse A aufweisen. Der Federkörper 62 kann ferner einen Außendurchmesser 76 und einen Innendurchmesser 78 und eine gleichmäßige Dicke zwischen dem Außendurchmesser 76 und dem Innendurchmesser 78 aufweisen. Es ist offensichtlich, dass bei bestimmten Ausführungsformen der Federkörper 62 ungleichmäßig dick sein könnte, eine andere als eine gerade zylindrische Form oder eine ungleichmäßige Breite haben könnte. Im Allgemeinen gleichmäßige Formeigenschaften werden jedoch als eine praktische Implementierung angesehen. Der Federkörper 62 kann ferner eine Mehrzahl von Öffnungen 88 enthalten, die sich zwischen dem Innendurchmesser 78 und dem Außendurchmesser 76 erstrecken. Die Öffnungen 88 können in dem Federkörper 62 beispielsweise über eine maschinelle Bearbeitung oder ein Laserschneiden ausgebildet werden, bevor die Platte 65 zu einer zylindrischen Form gerollt wird, sie könnten jedoch bei anderen Ausführungsformen nach dem Rollen ausgebildet werden. Wenn man feststellt, dass der Federkörper 62 eine höhere Steifigkeit als erwünscht oder eine ungleichmäßige Steifigkeit aufweist, können, nachdem die zylinderförmig gerollte Platte 65 zu dem Federkörper 62 ausgebildet worden ist, darin Öffnungen 88 ausgebildet werden, so dass die gewünschten Eigenschaften erhalten werden. Die Öffnungen 88 können eine Form, eine Anordnung, eine Größe und eine Zahl aufweisen, die teilweise eine Federkonstante des Federkörpers 62 festlegen. Bei einer Ausführungsform können die Öffnungen 88 alle dieselbe Form haben, beispielsweise eine elliptische Form, eine Kreisform oder wie gezeigt eine längliche Form mit geraden Rändern und abgerundeten Enden, und gleichmäßig in dem Federkörper 62 verteilt sein. Bei anderen Ausführungsformen könnten die Öffnungen 88 zueinander unterschiedliche Formen aufweisen oder nicht gleichmäßig verteilt sein. Im Allgemeinen kann, wenn die Zahl der Öffnungen 88 mit einer gegebenen Größe größer ist, der Federkörper 62 eine relativ niedrigere Federkonstante aufweisen, und, wenn die Zahl der Öffnungen 88 mit einer gegebenen Größe kleiner ist, kann der Federkörper 62 eine relativ höhere Federkonstante aufweisen. Bei einer weiteren Ausführungsform können die Öffnungen 88 zum Anpassen der Steifigkeit des Federkörpers 62, beispielsweise zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Steifigkeit in der Längsrichtung oder in der radialen Richtung, selektiv in dem Federkörper 62 ausgebildet werden. Ferner können die Öffnungen 88 ebenfalls dazu verwendet werden, die Steifigkeit des Federkörpers 62 auf eine gewünschte Steifigkeit einzustellen. In beiden Fällen, dem Anpassen der Steifigkeit zum Erzielen einer größeren Gleichmäßigkeit oder dem Anpassen der Steifigkeit zum Erzielen einer gewünschten Steifigkeit, kann die Geometrie, einschließlich der Form oder der Anordnung, der Öffnungen 88, deren Dichte in dem Federkörper 62 oder deren Größe oder Anzahl dazu verwendet werden, bestimmte Bereiche des Federkörpers 62 relativ steifer oder relativ weniger steif zu machen. Die Öffnungen 88 können vor dem Rollen der Platte 65, nach dem Rollen der Platte 65 oder in beiden Fällen ausgebildet werden.
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Die Seitenränder 80 und 82 können an einer schraubenförmigen Schweißnaht 60 verbunden sein, die sich zwischen dem ersten Federende 72 und dem zweiten Federende 74 befindet. Wenngleich sie hierin als eine Schweißnaht 60 beschrieben ist, kann die Naht 60 zwischen den Umfangsrändern 80 und 82 ebenfalls durch irgendeine andere geeignete Verbindung ausgebildet werden. Die Schweißnaht 60 befindet sich in dem mittleren Segment 66 und ist auf besondere Weise ausgebildet, so dass sie sich auf die Federeigenschaften des Federkörpers 62 auswirkt, was im Folgenden beschrieben wird. Insbesondere weist die Schweißnaht 60 eine Form auf, die zum Verringern einer Ungleichmäßigkeit der Federkonstante des Federkörpers 62 zumindest teilweise durch das Verteilen einer Steifigkeit einer Schweißnaht um die Längsmittelachse A angepasst ist. Die Schweißnaht 60 kann eine Schraubenform aufweisen, was bedeutet, dass zumindest ein Teil der Schweißnaht 60 eine Schraubenform festlegt. Es ist offensichtlich, dass die Schweißnaht 60 keinen gleichmäßigen Schraubenwinkel bezüglich der Längsachse A haben muss. Mit anderen Worten, die relative Neigung der Schweißnaht 60 bezüglich einer vertikalen Achse, die der Längsachse A entspricht, könnte auf einer Länge der Schweißnaht 60 variieren. Beispielsweise könnte die Schweißnaht 60 eine Zickzackkonfiguration haben oder lediglich teilweise schraubenförmig sein und noch immer eine Schraubenform festlegen. Die Schweißnaht 60 könnte ferner vertikale oder horizontale Komponenten enthalten. Bei einer praktischen Implementierung kann die Schweißnaht 60 jedoch einen gleichmäßigen Schraubenwinkel von einem ersten Schraubenende 63 zu einem zweiten Schraubenende 61 aufweisen. Die Schweißnaht 60 kann ferner rings um den Schraubenkörper 62 angeordnet sein, und das Schraubenende 63 kann an dem Federende 74 enden, während das Schraubenende 61 an dem Federende 72 enden kann. Bei einer praktischen Implementierung kann die Schweißnaht 60 einen radialen Weg um die Längsmittelachse A aufweisen, der ein ganzzahliges Vielfaches von 360° ist, und kann im Wesentlichen gleich 360° sein.
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Wie vorher erwähnt, kann die Schweißnaht 60 zum Verringern einer Ungleichmäßigkeit der Federkonstante des Schraubenkörpers 62 ausgebildet sein. Bei einer Ausführungsform kann die Schweißnaht 60 eine radiale Ungleichmäßigkeit der Federkonstante zumindest teilweise durch das Verteilen einer Steifigkeit in radialer Richtung um den Federkörper 62 verringern. Der Federkörper 62 kann an der Schweißnaht 60 und in an die Schweißnaht 60 angrenzenden Bereichen relativ steifer als in anderen Bereichen sein, beispielsweise Bereichen in der Nähe der Öffnungen 88. Es wurde festgestellt, dass, wenn eine Feder wie der Federkörper 62 relativ steifere Bereiche und relativ weniger steife Bereiche enthält, sich die Feder unzuverlässig, unvorhersehbar und/oder ungleichmäßig verhalten kann. Wie vorher erwähnt, kann sich im Falle bestimmter Aktorsysteme, beispielsweise von Piezoaktorsystemen, eine Ungleichmäßigkeit des Federverhaltens negativ auf eine Leistung eines Systems auswirken, beispielsweise durch das Verringern der Genauigkeit eines Kraftstoffeinspritztimings. Die Schweißnaht 60 neigt dazu, auf Bereiche des Federkörpers 62 eine relativ größere Steifigkeit als eine mit anderen Bereichen des Federkörpers 62, wie denen in der Nähe der Öffnungen 88, verbundene Steifigkeit aufzubringen. Die Öffnungen 88 können daher einen ersten Steifigkeitskoeffizienten des Federkörpers 62 festlegen, während die Schweißnaht 60 einen zweiten, größeren Steifigkeitskoeffizienten des Federkörpers 62 festlegen kann. Durch Ausbilden der Schweißnaht 60 wie hierin beschrieben kann die relativ größere Steifigkeit, die damit verbunden ist, in radialer Richtung um den Schraubenkörper 62 verteilt werden. Bei einer praktischen Implementierung sind die Öffnungen 88 bezüglich der Schweißnaht 60 versetzt und schneiden die Schweißnaht 60 nicht, wenngleich Aufbauten, bei denen eine oder mehrere Öffnungen von der Schweißnaht 60 geschnitten werden, immer noch in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallen können. Beispielsweise könnten Öffnungen in dem Federkörper 62 ausgebildet sein, die die Schweißnaht 60 zum Verringern einer Steifigkeit oder zum Erhöhen einer Gleichmäßigkeit der Federkonstante des Federkörpers 62 schneiden. Bei bestimmten früheren Federn, die aus einer gerollten Platte ausgebildet waren, waren Schweißnähte in Längsrichtung ausgebildet und daher im Allgemeinen parallel zu einer Längsmittelachse der zugehörigen Feder ausgerichtet. Dieser Ansatz neigt dazu, Material mit einer relativ größeren Steifigkeit, d. h. die Schweißnaht, in einem begrenzten radialen Bereich der Feder zu konzentrieren. Wenn an eine Feder mit solch einem Aufbau eine Last angelegt wird, neigt die Feder dazu, sich in weniger steifen radialen Segmenten stärker auszudehnen oder zusammenzuziehen als in relativ steiferen radialen Segmenten, aufgrund einer radialen Ungleichmäßigkeit einer Federkonstante der Feder.
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Die vorliegende Offenbarung verwendet einen unterschiedlichen Ansatz, bei dem, anstatt die Steifigkeit zu konzentrieren, die mit der Schweißnaht 60 verbundene Steifigkeit in radialer Richtung um den Schraubenkörper 62 verteilt wird. Bei einer praktischen Implementierung wird ein gegebenes radiales Segment des Schraubenkörpers 62 dazu neigen, eine Federkonstante aufzuweisen, die im Wesentlichen gleich der irgendeines anderen radialen Segments sein wird. Zusätzlich zu einer radialen Gleichmäßigkeit kann ebenfalls eine lineare Gleichmäßigkeit des Federverhaltens verbessert werden. Für Fachleute ist offensichtlich, dass, wenn eine herkömmliche Feder zusammengedrückt oder auseinandergezogen wird, die zum Aufbringen einer zusätzlichen Kompression oder Ausdehnung benötigte Kraft dazu neigt, gemäß der Federkonstante zuzunehmen. Für bestimmte Aktorsysteme, beispielsweise Kraftstoffinjektorsysteme, kann es wünschenswert sein, Federn einzusetzen, bei denen die Änderung der Kraft, die zum weiteren Ausdehnen oder Zusammendrücken einer Feder erforderlich ist, in einem Arbeitsbereich für die bestimmte Feder relativ linear ist. Frühere Federn mit relativ steifen Abschnitten in bestimmten radialen Segmenten, beispielsweise einer Längsschweißnaht, neigten dazu, die für das Federverhalten erwünschte Linearität zu beeinträchtigen, zusätzlich dazu, dass sie sich in radialer Richtung nicht gleichmäßig verhielten.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Allgemein Bezug nehmend auf die Zeichnungen kann ein Kraftstoff, wie ein Dieselkraftstoff, mit einem relativ hohen Druck dem Einlass 14 und von dort dem Kanal 46 zugeführt werden. Hochdruckkraftstoff kann zum Aufbringen eines hohen Drucks auf die Schließhydraulikfläche 52 aus dem Kanal 46 in den Steuerkanal 48 strömen, was das Nadelventilelement 54 in einer geschlossenen Position hält und den Auslass 16 versperrt. Wie vorher erörtert, kann die Vorspannfeder 20 eine Kompressionsvorspannung auf den Aktor 32 ausüben. Wenn das Einleiten einer Kraftstoffeinspritzung erwünscht ist, kann der Aktor 32 erregt werden. Demzufolge wird der Aktor 32 dazu neigen, sich zu verlängern, wodurch das Kontaktelement 24 über den Zwischenraum 43 zum Kontaktieren des Ventilelements 42 bewegt wird und das Ventilelement 42 in der Darstellung der 1 nach unten bewegt wird. Das Ventilelement 42 kann wiederum das Ventilelement 45 in der Darstellung der 1 nach unten bewegen, zum fluidmäßigen Verbinden des Steuerkanals 48 mit dem Niederdruckauslass 44, was ermöglicht, dass der Fluiddruck von dem Kanal 46 auf das Nadelventilelement 54 wirkt und das Nadelventilelement 54 weg von seiner den Auslass 16 versperrenden Position anhebt. Es ist offensichtlich, dass der Steuerkanal 48 wie hierin beschrieben über Kanäle zwischen und innerhalb von Bauteilen des Kraftstoffinjektorkörpers 12 fluidmäßig mit dem Kanal 46 und mit dem Auslass 44 verbunden sein kann, die entweder zu klein sind, als dass sie ohne Weiteres in 1 dargestellt werden könnten, oder sich nicht in der gezeigten Schnittebene befinden. Wenn der Aktor 32 erregt wird, kann sich die Vorspannfeder 20 bezüglich ihrer Länge ändern, bei der dargestellten Ausführungsform beispielsweise durch Zunahme der Länge in einer Richtung parallel zu der Längsmittelachse A. Wenn der Aktor 32 aberregt wird, kann seine Länge aufgrund der Vorspannkraft der Vorspannfeder 20 abnehmen, was den Ventilbauteilen 42 und 45 ermöglicht, sich nach oben zu bewegen, und den Niederdruckauslass von dem Steuerkanal 48 trennt. Demzufolge kann in dem Steuerkanal 48 über den Fluiddruck von dem Kanal 46 ein hoher Druck wiederhergestellt werden, und der auf die Steuerfläche 52 wirkende Fluiddruck kann das Nadelventilelement 54 zurück an eine Position bewegen, an der es den Auslass 16 versperrt.
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Während einer Längenänderung des Federkörpers 62 durch eine Erregung und Aberregung des Aktors 32 wird der Federkörper 62 dazu neigen, sich zuverlässiger und vorhersehbarer als bei früheren Aufbauten ohne die Schweißnaht 60 zu verhalten, die wie hierin beschrieben ausgebildet ist. Es ist vorgesehen, dass dies eine verbesserte Leistungsfähigkeit in Bezug auf einen Betrieb des gesamten Systems, von dem der Aktor 32 ein Teil ist, liefert. Es ist ferner offensichtlich, dass, wenn der Aktor 32 aberregt wird, die über die Feder 20 auf den Aktor 32 ausgeübte Vorbelastungskraft dazu neigen wird, gleichmäßiger und vorhersehbarer zu sein, als diejenige, die bei bestimmten anderen Federkonstruktionen möglich oder zumindest praktikabel ist. Eine größere Gleichmäßigkeit der Federkonstante soll so eine verbesserte Leistungsfähigkeit während eines Betriebs eines Aktorsystems liefern, sowie eine Erleichterung in Bezug auf das Einstellen einer genauen Vorlast an einem Piezoelement, bevor es in Dienst gestellt wird. Für Fachleute ist ferner offensichtlich, dass viele neuere Fortschritte bei Motorbetriebsstrategien auf der Einspritzung von höchst genauen Kraftstoffmengen mit einem höchst genauen Timing aufbauen. Auch wenn Piezoaktoren sich als vielversprechend im Hinblick auf eine Anwendung bei Kraftstoffversorgungen zum Erreichen dieser und anderer Ziele herausgestellt haben, hat die relative Empfindlichkeit von Piezoaktoren gegenüber einer ungenauen Vorbelastung in einigen Fällen deren Verwendung in Motorsystemen verhindert, in denen sie ansonsten vorteilhaft verwendet werden könnten. Die relativ größere Gleichmäßigkeit der Federkonstante, die bei der vorliegenden Offenbarung zur Verfügung gestellt wird, soll die Verwendung von Piezoaktoren in einigen Fällen und mit bestimmten wünschenswerten Federtypen wie den hierin offenbarten ermöglichen, bei denen die Verwendung ansonsten nicht möglich wäre.
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Die vorliegende Beschreibung dient lediglich der Veranschaulichung und soll nicht so aufgefasst werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung auf irgendeine Weise einschränkt. Für Fachleute ist daher offensichtlich, dass an den vorliegend offenbarten Ausführungsformen verschiedene Modifikationen vorgenommen werden könnten, ohne von dem vollen und angemessenen Schutzbereich und dem Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einem Studium der beigefügten Zeichnungen und der angefügten Ansprüche offensichtlich werden.
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Zusammenfassung
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VORSPANNFEDER MIT VERTEILTER STEIFIGKEIT FÜR EIN AKTORSYSTEM UND KRAFTSTOFFINJEKTOR MIT DERSELBEN
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Ein Kraftstoffinjektor (10) enthält einen Kraftstoffinjektorkörper (12), der einen Kraftstoffeinlass (14) und mindestens einen Kraftstoffauslass (16) festlegt, ein Ventil (18, 42, 45), das einen ersten Ventilzustand und einen zweiten Ventilzustand aufweist, und einen Aktor (32) für das Ventil (18, 42, 45). Der Kraftstoffinjektor (10) enthält eine Vorspannfeder (20) mit einer zylinderförmig gerollten Platte (35), die ein erstes Federende (72) und ein zweites Federende (74) aufweist und eine Längsmittelachse festlegt. Die zylinderförmig gerollte Platte (35) ist zum Ändern ihrer Länge zum Vorspannen des Aktors (32) hin zu der ersten Aktorposition ausgebildet und enthält eine schraubenförmige Naht (60), die sich zwischen dem ersten Federende (72) und einem zweiten Federende (74) befindet und eine zum Verringern einer Ungleichmäßigkeit einer Federkonstante durch Verteilen einer Steifigkeit um die Längsmittelachse angepasste Form aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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