DE10037527A1 - Piezoelektrische Einspritzeinrichtung - Google Patents
Piezoelektrische EinspritzeinrichtungInfo
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Abstract
Eine piezoelektrische Einspritzeinrichtung hat eine Piezopumpenkammer (3), deren Druck gemäß einer Expandierbewegung und einer Kontraktionsbewegung eines Piezostapels (2) zunimmt und abnimmt, einen Arbeitskolben (5), der sich in einem Zylinder (15) im Ansprechen auf den Druck der Piezopumpenkammer gleitfähig bewegt, und ein Ventilelement (74), das durch den Arbeitskolben zum Steuern einer Verbindung zwischen einer Überlaufkammer (6), die mit einem Niederdruckkanal (14) in Verbindung steht, und einer Steuerkammer (7), die mit einem Hochdruckkanal (16) in Verbindung steht, angetrieben wird. DOLLAR A Der Arbeitskolben (5) ist mit einem Kanal (53) versehen, von dem ein Ende zu der Überlaufkammer (6) offen ist und von dem das andere Ende zu der Piezopumpenkammer (3) offen ist, und des weiteren ist ein Einwegeventil (9) in dem Kanal (53) vorgesehen, um ein Strömen des Fluids nur von der Überlaufkammer (6) zu der Piezopumpenkammer (3) zu ermöglichen. Während eines Prozesses, bei dem Kraftstoff in die Piezopumpenkammer (3) mit einem Betrag strömt, der dem Kraftstoff entspricht, der von der Piezopumpenkammer (3) zu einer Entlastungsnut (24) nach oben ausgetreten ist, kann die Luftblase in dem Kraftstoff abgeführt werden.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische
Einspritzeinrichtung, die bei einem Common Rail-Einspritzsystem
verwendet wird.
Herkömmlich ist als ein Kraftstoffeinspritzsystem ein Common
Rail-Einspritzsystem bekannt, bei dem mit einem hohen Druck
beaufschlagter Kraftstoff, der von einer Kraftstofflieferpumpe
geliefert wird, in einer Common Rail gespeichert wird. Gemäß
diesem System wird der Kraftstoffdruck in der Common Rail auf
einen Zielwert auf der Grundlage der Motorbetriebsbedingungen
geregelt und der mit einem hohen Druck beaufschlagte Kraftstoff
in der Common Rail wird von jeweiligen Einspritzeinrichtungen zu
den jeweiligen Zylindern bei jeweils vorbestimmten zeitlichen
Abstimmungen eingespritzt. Als Einspritzeinrichtung für diesen
Zweck gibt es beispielsweise eine piezoelektrische
Einspritzeinrichtung, bei der ein Gegendruck einer Düsennadel
durch ein piezobetätigtes Ventil gesteuert wird, wie dies in den
Patenten US 5 779 149 und JP-A-9-184 463 gezeigt ist.
Im allgemeinen hat die piezoelektrische Einspritzeinrichtung
eine Piezopumpenkammer für ein Umwandeln eines Expansions- und
Kontraktionshubs von einem Piezostapel in einen hydraulischen
Druck und einen Arbeitskolben, der gleitfähig in einem Zylinder
durch den hydraulischen Druck in der Piezopumpenkammer bewegt
wird. Die Bewegung des Arbeitskolbens bewirkt, dass ein in der
Steuerhydraulikkammer vorgesehenes Ventilelement über eine mit
dem Arbeitskolben einstückige Drückstange angetrieben wird. Die
Steuerhydraulikkammer ist beispielsweise mit einer Öffnung, die
mit einer Gegendruckkammer verbunden ist, einer mit einem
Ablaufkanal verbundenen Öffnung und einer mit der Common Rail
verbundenen Öffnung versehen. Wenn der Piezostapel einen
Kontraktionshub ausführt, wird das Ventilelement betätigt, um
die mit dem Ablaufkanal verbundene Öffnung zu schließen. Zu
diesem Zeitpunkt nimmt, da die Gegendruckkammer mit der Common
Rail über die Steuerhydraulikkammer verbunden ist, der
Gegendruck der Düsennadel zu, so dass ein Einspritzloch
geschlossen werden kann. Wenn der Piezostapel einen
Expansionshub ausführt und der Druck in der Piezopumpenkammer
zunimmt, bewirkt der Arbeitskolben, dass das Ventilelement
angetrieben wird, um die mit dem Ablaufkanal verbundene Öffnung
zu öffnen und die mit der Common Rail verbundene Öffnung zu
schließen. Als ein Ergebnis fällt der Druck in der
Gegendruckkammer ab, so dass die Düsennadel zum Einspritzen von
Kraftstoff angehoben werden kann.
Die herkömmliche piezoelektrische Einspritzeinrichtung hat
jedoch einen Nachteil dahingehend, dass ein Eindringen einer
Luftblase in die Piezopumpenkammer wahrscheinlich ein
Betriebfehlverhalten bewirkt. Beispielsweise ist der
herkömmliche Aufbau nicht mit einer Einrichtung zum Abführen der
Luftblase versehen, wenn die Luftblase in der Piezopumpenkammer
aufgrund von Veränderungen der Umgebungstemperatur, des
Umgebungsdrucks und dgl. ausgebildet wird. Demgemäß kann der
Expansions- und Kontraktionshub des Piezostapels nicht immer
genau zu dem Arbeitskolben übertragen werden. Des weiteren
besteht ein weiterer Nachteil dahingehend, dass beim erstmaligen
Starten des Motors vor dem Verkauf des Fahrzeugs das
Ventilelement nicht betätigt wird, da kein Kraftstoff in der
Piezopumpenkammer vorhanden ist. Daher muss der Kraftstoff
separat in die Piezopumpenkammer eingefüllt werden.
Um das vorstehend erwähnte Problem zu lösen, ist es die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische
Einspritzeinrichtung zu schaffen, die einen kompakten Aufbau mit
einer besseren Betriebseigenschaft dahingehend hat, dass eine in
der Piezopumpenkammer gebildete Luftblase beim Betätigen der
piezoelektrischen Einspritzeinrichtung mit Leichtigkeit
abgeführt wird und das beim erstmaligen Starten des Motors die
Luft in der Piezopumpenkammer mit Leichtigkeit entfernt werden
kann, so dass Kraftstoff eingefüllt wird.
Um diese Aufgabe zu lösen hat die piezoelektrischen
Einspritzeinrichtung eine Piezopumpenkammer, deren Druck gemäß
einer Expandierbewegung und einer Kontraktionsbewegung eines
Piezostapels zunimmt und abnimmt, einen Arbeitskolben, der sich
in einem Zylinder im Ansprechen auf den Druck der
Piezopumpenkammer gleitfähig bewegt, und ein Ventilelement, das
durch den Arbeitskolben zum Steuern einer Verbindung und einer
Unterbrechung der Verbindung zwischen einer Überlaufkammer, die
mit einem Niederdruckkanal in Verbindung steht, und einer
Steuerkammer, die mit einem Hochdruckkanal in Verbindung steht,
angetrieben wird. Ein Einspritzloch wird durch ein Verringern
und Erhöhen des Druckes in der Steuerkammer in Übereinstimmung
mit dem Betrieb des Ventilelements geöffnet und geschlossen.
Die piezoelektrische Einspritzeinrichtung der vorliegenden
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Einspritzeinrichtung einen Kanal hat, von dem ein Ende zu der
Überlaufkammer geöffnet ist, und von dem das andere Ende zu der
Piezopumpenkammer geöffnet ist, und sie des weiteren ein in dem
Kanal vorgesehenes Einwegeventil hat, um ein Strömen des Fluids
lediglich von der Überlaufkammer zu der Piezopumpenkammer zu
ermöglichen.
Gemäß dem Aufbau der herkömmlichen piezoelektrischen
Einspritzeinrichtung bewirkt die in der Piezopumpenkammer
während der Betätigung der Einspritzeinrichtung ausgebildete
Luftblase wahrscheinlich ein Betriebsfehlverhalten dahingehend,
dass der Expansions- und Kontraktionshub des Piezostapels nicht
genau zu dem Arbeitskolben übertragen werden kann. Wenn jedoch
gemäß dem Aufbau der vorliegenden Erfindung der Piezostapel sich
ausdehnt, tritt ein Abschnitt des Fluids in der
Piezopumpenkammer über einen kleinen Zwischenraum aus. Dann wird
der Druck in der Piezopumpenkammer um den ausgetretenen Betrag
verringert, wenn der Piezostapel 2 sich zusammenzieht. Demgemäß
strömt das Fluid in der Überlaufkammer zur Piezopumpenkammer
über den vorstehend erwähnten Kanal und das vorstehend erwähnte
Einwegeventil. Durch ein Wiederholen dieses Vorgangs kann die
Luftblase in der Piezopumpenkammer abgeführt werden, bevor ein
großes Volumen an einer Luftblase sich ansammelt, so dass das
Betriebsfehlverhalten verhindert werden kann.
Vorzugsweise sind der Kanal und das Einwegeventil in dem
Arbeitskolben vorgesehen. Eine einfache Änderung der
herkömmlichen Konstruktion ermöglicht ein Abführen der Luftblase
ohne ein Vergrößern der Einspritzeinrichtung.
Des weiteren ist ein Piezokolben vorzugsweise zwischen dem
Piezostapel und der Piezopumpenkammer vorgesehen, um die
Expandierbewegung und die Kontraktionsbewegung des Piezostapels
in eine Volumenänderung der Piezopumpenkammer umzuwandeln. Eine
Entlastungsnut, die mit dem Niederdruckkanal in Verbindung
steht, und ein Dichtelement, das sich zwischen der
Entlastungsnut und dem Piezostapel befindet, um einen
Außenumfang des Piezokolbens herum vorgesehen sind.
Die Entlastungsnut dient dem Erleichtern des Strömens des Fluids
von der Piezopumpenkammer zu dem Niederdruckkanal, so dass die
Luftblase noch schneller abgeführt werden kann.
Vorzugsweise nimmt das Ventilelement den Druck der Steuerkammer
in einer Richtung zum Unterbrechen der Verbindung zwischen der
Steuerkammer und der Überlaufkammer auf und andererseits wird
das Ventilelement durch eine Drängeinrichtung in eine Richtung
zum Ermöglichen der Verbindung zwischen der Steuerkammer und der
Überlaufkammer gedrängt. Somit ist die Verbindung zwischen der
Steuerkammer und der Überlaufkammer möglich, bis der Druck der
Steuerkammer zu einem vorbestimmten Druckwert angestiegen ist.
Beim Starten des Motors hält die Vorspanneinrichtung das
Ventilelement, um die Verbindung zwischen der Steuerkammer und
der Überlaufkammer zu ermöglichen, bis der Fluiddruck in dem
Hochdruckkanal einen vorbestimmten Druckwert erreicht hat, wobei
das Fluid in die Steuerkammer strömt. Zu diesem Zeitpunkt strömt
das Fluid von dem Hochdruckkanal zu der Überlaufkammer über die
Steuerkammer und des weiteren strömt ein Teil des Fluids in der
Überlaufkammer in die Piezopumpenkammer über den vorstehend
erwähnten Kanal und über das Einwegeventil. Da das Einwegeventil
in dem vorstehend erwähnten Kanal vorgesehen ist, strömt das
Fluid in der Piezopumpenkammer über den kleinen Zwischenraum
heraus, ohne zu der Überlaufkammer zurückzukehren. Bei dem
vorstehend erwähnten Prozess wird die Piezopumpenkammer von Luft
frei und wird mit Fluid gefüllt. Als ein Ergebnis ist ein
zusätzlicher Arbeitsschritt zum vorherigen Einfüllen von
Kraftstoff in die Piezopumpenkammer nicht erforderlich, so dass
die Arbeitseffektivität verbessert werden kann.
Wenn der vorbestimmte Druckwert so eingestellt ist, dass er
niedriger als der Einspritzdruck ist, wird ein Einspritzloch
nicht geöffnet und Kraftstoff wird nicht während der Zeitspanne
eingespritzt, während der Luftblase abgeführt wird selbst wenn
der Druck der Steuerkammer niedriger als der Umgebungsdruck ist.
Vorzugsweise ist eine Drossel zwischen der Überlaufkammer und
dem Niederdruckkanal vorgesehen. Wenn der Druck in der
Überlaufkammer aufgrund der Drossel höher wird, strömt das Fluid
mit Leichtigkeit zu der Piezopumpenkammer über den vorstehend
erwähnten Kanal, so dass die Luftblase gleichmäßig abgeführt
werden kann.
Die anderen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung und
die Verfahren zum Betreiben und die Funktion der zugehörigen
Teile werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung,
den beigefügte Ansprüchen und den Zeichnungen deutlich, die
sämtlich ein Teil dieser Anmeldung bilden.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsgesamtansicht von einer
piezoelektrischen Einspritzeinrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist
nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Eine
piezoelektrische Einspritzeinrichtung bei diesem
Ausführungsbeispiel wird beispielsweise als eine
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für ein Common Rail-
Einspritzsystem verwendet. Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ist
ein Piezostapel 2 in einem zylindrischen Element 22
untergebracht, das eine Abdeckung an seiner Oberseite hat. Das
zylindrische Element 22 ist an einem zylindrischen Gehäuse 11
der piezoelektrischen Einspritzeinrichtung 1 befestigt, indem
ein unterer Teil des zylindrischen Elements 22 in einen oberen
Teil des Gehäuses 11 eingeschraubt ist. Ein Ventilkörper 41, in
dem eine ein Ventilelement zum Einspritzen von Kraftstoff
bildende Düsennadel 4 enthalten ist, ist in den unteren Teil des
Gehäuses 11 eingeschraubt und darin befestigt. Der Piezostapel 2
ist eine in einer Form einer rechtwinkligen Säule ausgebildete
piezoelektrische Vorrichtung und hat die Eigenschaft, dass seine
Länge sich bei einer Anregung ausdehnt und bei einer Entregung
zusammenzieht. Der Piezostapel 2 wird durch eine (nicht
gezeigte) Außensteuereinrichtung über einen Draht 21 gesteuert,
der die Abdeckung des zylindrischen Elementes 22 durchdringt und
mit einem oberen Ende des Piezostapels 2 verbunden ist.
Das Gehäuse 11 ist in seinem Inneren mit einem Zylinder 11
versehen, in dem ein Piezokolben 23 gleitfähig untergebracht
ist, und eine Piezopumpenkammer 3 ist unterhalb des Piezokolbens
23 ausgebildet. Ein oberes Ende des Piezokolbens 23 gelangt mit
einem unteren Ende des Piezostapels 2 in Kontakt und ein
Ausdehnungsmoment und ein Zusammenziehmoment des Piezostapels 2
wird direkt zu dem Piezokolben 23 übertragen, so dass das
Volumen der Piezokammer 3 kontrahiert und ausgedehnt werden
kann. Eine Blattfeder 31 ist in der Piezopumpenkammer 3
vorgesehen, um den Piezostapel 2 über den Piezokolben 23 nach
oben, d. h. in einer Richtung, bei der der Piezostapel 2
kontrahiert wird, zu drängen.
Der Piezokolben 23 ist an seinem Außenumfang mit einer
Entlastungsnut 24 versehen, die mit einem
Niederdruckaufnahmekanal 14 über einen Kanal 13 in Verbindung
steht. Es ist ein 2 bis 10 µm großer Zwischenraum 26 zwischen der
Außenumfangsfläche des Piezokolbens 23 und der
Innenumfangsfläche des Zylinders 12 vorhanden. Wenn das Volumen
der Piezopumpenkammer 3 sich zusammenzieht oder kontrahiert,
strömt der durch den Zwischenraum 26 ausgetretene Kraftstoff zu
dem Ablaufkanal 14 über der Entlastungsnut 24 und den Kanal 13.
Die Konstruktion, bei der der Kraftstoff von der
Piezopumpenkammer 3 nach oben austritt ist dahingehend
vorteilhaft, dass die Luftblase, die wahrscheinlich an einem
oberen Teil der Piezopumpenkammer 3 stagniert, abgeführt wird.
Der Piezokolben 23 ist des weiteren an einer oberen Seite der
Entlastungsnut mit einer ringförmigen Nut versehen, in der ein
O-Ring 25, ein Dichtelement, zum Verhindern eines
Kraftstoffaustretens zu einer Seite des Piezostapels 2 enthalten
ist. Der Ablaufkanal 14 ist mit einem
Außenseitenkraftstoffbehälter über einen (nicht gezeigten) Kanal
verbunden.
Das Gehäuse 11 ist an einer unteren Seite des Zylinders 12 und
an der gleichen axialen Linie wie der Zylinder 12 mit einem
Zylinder 15 mit einem kleinen Durchmesser versehen, in dem ein
Arbeitskolben 5 gleitfähig untergebracht ist. Der Zylinder 15
mit dem kleinen Durchmesser ist an seinem unteren Abschnitt mit
einer Überlaufkammer versehen, die mit dem Ablaufkanal 14 über
eine Drossel 61 in Verbindung steht.
Eine Steuerhydraulikdruckkammer 7, die eine als ein
Dreiwegeventil wirkende Steuerkammer bildet, ist an einem
Abschnitt ausgebildet, an dem das Gehäuse 11 und der
Ventilkörper 41 einander gegenüberstehen. Die
Steuerhydraulikdruckkammer 7 ist mit drei Öffnungen versehen,
d. h. eine mit der Überlaufkammer 6 in Verbindung stehende
Öffnung 71, eine Öffnung 72 direkt unterhalb der Öffnung 71 und
eine zu einer Seite von ihr offene Öffnung 73. Die Öffnung 72
steht mit einem Hochdruckkanal 16 in Verbindung und die Öffnung
73 steht mit einer Gegendruckkammer 8 in Verbindung, die an
einer oberen Seite der Düsennadel 4 vorgesehen ist. Der
Arbeitskolben 5 hat eine Drückstange 51 mit einem geringen
Durchmesser, die nach unten außermittig von seinen unteren Ende
vorsteht. Die Druckstange 51 erstreckt sich derart, dass sie
durch die Öffnung 71 hindurchtritt und mit einem Kugelventil 74
in Kontakt steht, dass die Rolle eines Ventilelements in der
Steuerhydraulikdruckkammer 7 übernimmt. Das Kugelventil 74 dient
dem wahlweisen Öffnen und Schließen der Öffnung 71 oder der
Öffnung 72. Die Öffnung 73 ist immer geöffnet.
Der Hochdruckkanal 16 erstreckt sich in der nach oben und nach
unten gerichteten Richtung in dem Gehäuse 11 und dem
Ventilkörper 41 und ein unteres Ende des Kanals 16 ist zu einem
Kraftstoffsammelpunkt 81 offen, der um einen mittleren Abschnitt
der Düsennadel 4 herum vorgesehen ist. Ein oberes Ende des
Hochdruckkanals ist von einer Seite des Gehäuses 11 zu einer
Außenhochdruckquelle (beispielsweise ein Hochdruckspeicher in
der Common Rail) über einen (nicht gezeigten) Kanal verbunden.
Kraftstoff mit einem Druck von 20 bis 200 Mpa wird zu dem Kanal
16 während des Betriebs des Motors geliefert. Der
Kraftstoffdruck erteilt dem Kugelventil 74 eine nach oben
gerichtete Kraft (in der Richtung zum Schließen der Öffnung 71),
so dass das Kugelventil 74 den geschlossenen Kontakt mit der
Drückstange 51 halten kann. Wenn der Piezostapel 2 vollständig
expandiert ist, ist die Öffnung 72 durch die Drückstange 51
geschlossen, die eine nach unten gerichtete Kraft aufnimmt.
Andererseits wird die Öffnung 71 durch den Kraftstoffdruck
geschlossen, wenn der Piezostapel 2 vollständig kontrahiert ist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der
Arbeitskolben 5 in seinem Inneren mit einem Kanal 52 versehen,
der die Überlaufkammer 6 mit der Piezopumpenkammer 3 verbindet,
und mit einem Einwegeventil 9 versehen, dass lediglich ein
Strömen des Kraftstoffes von der Überlaufkammer 6 zu der
Piezopumpenkammer 3 ermöglicht. Das Einwegeventil 9 besteht aus
einem Ventilsitz 92 und einem Kugelventil 91. Der Ventilsitz 92
ist an einem Ende des Kanals 52 vorgesehen, das zu der
Piezopumpenkammer 3 offen ist. Das Kugelventil 91 ist in einer
Vertiefung gehalten, die an einem oberen Ende des Arbeitskolbens
5 vorgesehen ist und schließt den Ventilsitz 92, wenn es mit dem
Ventilsitz 92 in Kontakt gelangt. Das Kugelventil 91 wird in
eine Richtung zum Schließen des Ventilsitzes 92 durch eine Feder
93 gedrängt, die zwischen dem Kugelventil 91 und einem unteren
Ende des Piezokolbens 23 vorgesehen ist. Die Drängkraft der
Feder 93 ist so eingestellt, dass das Kugelventil 91 den
Ventilsitz 92 verlässt, wenn ein geringfügiger Druckunterschied
zwischen der Überlaufkammer 8 und der Piezopumpenkammer 3
auftritt. Als ein Ergebnis fließt der Kraftstoff von der
Überlaufkammer 8 zu der Piezopumpenkammer 3, so dass eine
Wirkung eines Abführens einer Luftblase verbessert werden kann.
Der Arbeitskolben 5 wird zu der Überlaufkammer 6 durch eine
Feder 53 gedrängt, die zwischen seinem oberen Ende und einem
unterem Ende des Piezokolbens 23 vorgesehen ist. Die Drängkraft
der Feder 53 ist so eingestellt, dass die Öffnung 71 durch das
Kugelventil 74 geschlossen ist, wenn der Druck des von dem
Hochdruckkanal 16 zu der Steuerhydraulikdruckkammer 7 strömenden
Kraftstoffes einen vorbestimmten Wert überschreitet. Bevor der
Kraftstoffdruck den vorbestimmten Wert erreicht, wird die
Verbindung zwischen der Steuerhydraulikdruckkammer 7 und der
Überlaufkammer 8 gehalten. Daher strömt beim allerersten Starten
des Motors der Kraftstoff zu der Überlaufkammer 16 über die
Öffnung 71 und danach wird die Piezopumpenkammer 3 mit dem durch
den Kanal 52 strömenden Kraftstoff gefüllt.
Der Ventilkörper 41 ist mit einem Zylinder 42 versehen, in dem
ein Befehlskolben 43 gleitfähig eingebaut ist. Eine
Gegendruckkammer 8, die an einem oberen Teil des Zylinders 42
vorgesehen ist, steht ständig mit der Steuerhydraulikdruckkammer
7 über die Öffnung 73 in Verbindung, so dass der Befehlskolben
43 in der nach oben und nach unten weisenden Richtung in dem
Zylinder 42 gemäß der Zunahme und Abnahme des Kraftstoffdruckes
in der Gegendruckkammer 8 sich bewegen kann. Der Befehlskolben
43 wird durch eine Feder 45 nach unten gedrängt, die in einem
Federraum 44 positioniert ist, der um einen unteren Teil von ihm
vorgesehen ist. Ein unteres Ende des Befehlskolbens 43 gelangt
mit der Düsennadel 4 in Kontakt, so dass der Druck in der
Gegendruckkammer 8 zu der Düsennadel 4 übertragen werden kann.
Die Feder 45 wird zwischen einem an dem Ende des Befehlskolbens
43 vorgesehenen Flansch und einer oberen Fläche des Federraums
44 gehalten. Der Federraum steht mit dem Ablaufkanal 14 in
Verbindung.
Der Durchmesser der Düsennadel 4 an ihrer oberen Hälfte ist
größer als der Durchmesser an ihrer unteren Hälfte. Ein
Absatzabschnitt 46 der Düsennadel 4 ist an der
Kraftstoffsammelfläche 81 so positioniert, dass die Düsennadel 4
den Kraftstoffdruck aufnehmen kann. Die Düsennadel 4 ist an
ihrem unteren Abschnitt mit einem Ventilelement versehen, das
ein Einspritzloch 82 an seinem Führungsende schließt. Wenn der
Druck in der Gegendruckkammer 8 abnimmt, wird das Ventilelement
durch den Druck an dem Kraftstoffsammelpunkt 81 angehoben, der
an dem Absatzabschnitt 46 wirkt, so dass das Einspritzloch 82
mit dem Kraftstoffsammelpunkt 81 über einen Kanal 83 in
Verbindung stehen kann, der um die untere Hälfte der Düsennadel
4 herum vorgesehen ist.
Nachstehend wird der Betrieb der vorstehend erwähnten
piezoelektrischen Einspritzeinrichtung 1 beschrieben. Zunächst
bewegt sich als Basisvorgang, wenn der Piezostapel 2 der
piezoelektrischen Einspritzeinrichtung 1 über den Draht angeregt
wird und expandiert, der Piezokolben 23 nach unten, um das
Volumen der Piezopumpenkammer 2 zu verringern. Demgemäß bewirkt
der hydraulische Druck in der Piezopumpenkammer 3 eine Bewegung
des Arbeitskolbens 5 nach unten, so dass die mit dem Kolben 5
einstückige Drückstange 51 das Kugelventil 74 anheben kann, das
zu diesem Zeitpunkt die Öffnung 71 schließt. Wenn das
Kugelventil 74 die Öffnung 71 verlässt und die Drückstange 5
sich weiter nach unten bewegt, schließt das Kugelventil 74 die
Öffnung 72. Daher wird die Verbindung der
Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit dem Hochdruckkanal 16
unterbrochen und statt dessen gelangt die
Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit der Überlaufkammer 6 in
Verbindung, die unter einem geringen Druck steht, so dass der
Druck in der Steuerhydraulikdruckkammer 7 sinken kann.
Gleichzeitig wird der Druck der Gegendruckkammer 8 gesenkt, die
mit der Steuerhydraulikdruckkammer 7 über die Öffnung 73 in
Verbindung steht.
Der Absatzabschnitt 46 an dem Kraftstoffsammelpunkt 81 nimmt
eine Ventilöffnungskraft auf, die in einer Richtung wirkt, in
der die Düsennadel 4 das Einspritzloch 82 verlässt. Wenn der
hydraulische Druck in der Gegendruckkammer 8, der den
Befehlskoben 42 nach unten drängt, verringert ist, überschreitet
die Ventilöffnungskraft die Summe von einer nach unten
gerichteten Drängkraft der Feder 45 und einer nach unten
gerichteten hydraulischen Druckkraft der Gegendruckkammer 8, so
dass die Düsennadel angehoben werden kann. Als ein Ergebnis wird
unter hohem Druck stehender Kraftstoff von dem Einspritzloch 82
eingespritzt, da der Kraftstoffsammelpunkt 81 mit dem
Einspritzloch 82 in Verbindung steht.
Dann wird, wenn der Piezostapel 2 entregt wird und kontrahiert,
der Piezokolben 23 durch die Drängkraft der Blattfeder 31
bewegt, um das Volumen der Piezopumpenkammer 3 zu erhöhen. Wenn
der Druck in der Piezopumpenkammer 3 abgenommen hat,
überschreitet der an dem Kugelventil 74 nach oben wirkende
hydraulische Druck die Summe von nach unten wirkenden
Drängkräften der Federn 53 und 93 und der hydraulischen
Druckkraft in der Piezopumpenkammer 3, die an dem Arbeitskolben
5 nach unten wirkt, so dass sich das Kugelventil 74 zusammen mit
der Drückstange 51 nach oben bewegen kann.
Daher strömt, wenn das Kugelventil 74 die Öffnung 72 verlässt
und die Öffnung 71 schließt, unter hohem Druck stehender
Kraftstoff in die Steuerhydraulikdruckkammer 7, so dass der
Druck in der Gegendruckkammer 8 erhöht werden kann, die mit der
Steuerhydraulikdruckkammer 7 über die Öffnung 73 in Verbindung
steht. Die Druckzunahme in der Gegendruckkammer 8 bewirkt eine
nach unten gerichtete Bewegung des Befehlskolbens 42 und der
Düsennadel 4, so dass die Verbindung zwischen dem
Kraftstoffsammelpunkt 81 und dem Einspritzloch 82 unterbrochen
wird, so dass das Kraftstoffeinspritzen anhalten kann.
Nachstehend wird eine Wirkungsweise dahingehend beschrieben,
dass in der Piezopumpenkammer 3 beim erstmaligen Starten des
Motors Luft ausgebracht und Kraftstoff eingefüllt wird. Beim
Starten des Motors dauert es 1 bis 25, um den Kraftstoffdruck in
dem Hochdruckkanal 16 von 0 bis zu einem vorbestimmten Druck von
bspw. 20 Mpa zu erhöhen. Während einer derartigen Zeitspanne
wird Kraftstoff nicht eingespritzt. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel ist die Drängkraft der Feder 53 für das
Vorspannen des Arbeitskolbens 5 so eingestellt, dass bis zum
Erreichen des Kraftstoffdruckes von bspw. 5 Mpa während der
Druckzunahme das Kugelventil 74 nicht die Öffnung 71 schließt,
die mit der Überlaufkammer 6 in Verbindung steht. Die Drängkraft
der Feder 53 ist außerdem so eingestellt, dass, wenn der
Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16 bspw. 1 Mpa
überschreitet, das Kugelventil 74 nicht die Öffnung 72 schließt,
die mit dem Hochdruckkanal 16 in Verbindung steht. Anders
ausgedrückt stehen die beiden Öffnungen 72 und 71 mit der
Steuerhydraulikdruckkammer 7 in Verbindung, solange der
Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16 zwischen 1 und 5 Mpa
liegt (bei dem in Fig. 1 gezeigten Zustand).
Bei dem vorstehend erwähnten Zustand strömt der Kraftstoff in
dem Hochdruckkanal 16 zu der Überlaufkammer 6 über die
Steuerhydraulikdruckkammer 7 und strömt danach zu dem
Ablaufkanal 14 über die Drossel 61. Zu diesem Zeitpunkt wird der
Kraftstoffdruck in der Überlaufkammer 6 höher als der
Kraftstoffdruck in dem Ablaufkanal 14 aufgrund der Düse 61. Dem
gemäß strömt ein Teil des Kraftstoffes in der Überlaufkammer 6
in die Piezopumpenkammer 3 über den Kanal 52 und über das
Einwegeventil 9 und strömt des weiteren zu dem Ablaufkanal 14
über den Zwischenraum 26 und die Entlastungsnut 24. Obwohl die
Drossel 61 dem Unterstützen des Strömens des Kraftstoffes zu der
Piezopumpenkammer 3 dient, bewirkt selbst bei nicht an der
Einspritzeinrichtung vorgesehener Drossel 61 ein
Druckunterschied aufgrund der Druckpulsation einer Strömung des
Kraftstoffs zu der Piezopumpenkammer 3 mit der gleichen Wirkung,
wie sie vorstehend erwähnt ist.
Wie dies vorstehend erwähnt ist, wird die Luft in der
Piezopumpenkammer 3 vollständig herausgebracht und die
Piezopumpenkammer 3 kann mit Kraftstoff gefüllt werden. Die
Drängkraft der Feder 45, die die Düsennadel 4 in der
Ventilschließrichtung vorspannt, ist so eingestellt, dass die
Düsennadel 4 in einem Ventilschließzustand sein kann, wenn der
Kraftstoffdruck an dem Kraftstoffsammelpunkt 81 einen Wert von
15 Mpa beträgt und der Kraftstoffdruck in der Gegendruckkammer 8
einen Wert von 0 Mpa beträgt. Daher findet, wenn die Luft
herausgebracht worden ist, wie dies vorstehend erwähnt ist
(bspw. wenn der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckkanal 16
geringer als 5 Mpa ist und die Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit
der Überlaufkammer 8 in Verbindung steht), ein unbeabsichtigtes
Kraftstoffeinspritzen niemals statt.
Da, wie dies vorstehend erwähnt ist, die Luft in der
Piezopumpenkammer 3 herausgebracht werden kann, und die
Piezopumpenkammer 3 schnell mit Kraftstoff beim erstmaligen
Starten des Motors gefüllt werden kann, ist es nicht
erforderlich, separat dazu einen Prozess zum Einfüllen von
Kraftstoff in die Piezopumpenkammer 3 vorzusehen, so dass die
Produktivität bei der Herstellung verbessert werden kann. Das
vorstehend erwähnte Luftausbringen bei der Piezopumpenkammer 3
kann beim Starten des Motors, unmittelbar bevor der Motor auf
den Markt gebracht wird, beim erneuten Starten des Motors,
nachdem der Kraftstoff ausgegangen ist, und beim erneuten
Starten des Motors, nachdem dieser eine längere Zeit nicht in
Funktion war, wirkungsvoll ausgeführt werden.
Des weiteren wird eine Funktion dahingehend beschrieben, dass
eine Luftblase während des Basisvorgangs abgeführt wird. Im
allgemeinen besteht in Übereinstimmung mit der Veränderung der
Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks während des
Basisvorgangs eine Möglichkeit dahingehend, dass eine kleine
Luftblase in der Piezopumpenkammer 3 gebildet wird. Wenn die
kleine Luftblase sich zu einem gewissen großen Volumen
ansammelt, wird es unwahrscheinlich, dass die Bewegung des
Piezokolbens 23 zu dem Arbeitskolben 5 übertragen wird. Gemäß
dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel dient der Kanal 53
und das Einwegeventil 9 dem Abführen der Luftblase. D. h., wenn
der Piezostapel 2 expandiert ist und die Piezopumpenkammer 3
unter hohem Druck steht, tritt eine sehr geringe Menge an
Kraftstoff in der Piezopumpenkammer 3 zu dem Ablaufkanal 14 über
den Zwischenraum 26 und die Entlastungsnut 24 aus. Dann wird
beim Kontrahieren des Piezostapels 2 der Druck in der
Piezopumpenkammer 3 um den zu dem Kanal 14 ausgetretenen Betrag
verringert und, wenn die Druckverringerung einen vorbestimmten
Wert erreicht hat, strömt der Kraftstoff in der Überlaufkammer 6
zu der Piezopumpenkammer 3 über den Kanal 53 und das
Einwegeventil 9. Durch ein Wiederholen dieses Vorgangs kann die
Luftblase in der Piezopumpenkammer 3 abgeführt werden, bevor die
Luftblase sich zu einem großen Volumen angesammelt hat, so dass
ein Betriebsfehlverhalten verhindert werden kann.
Da, wie dies vorstehend erwähnt ist, die Luft wirkungsvoll beim
Starten des Motors herausgebracht wird und die Luftblase
ebenfalls während des Betriebs abgeführt werden kann, ist es
nicht erforderlich, den Kraftstoff separat in die
Piezopumpenkammer 3 einzufüllen. Daher kann gemäß der
vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische
Einspritzeinrichtung 1 mit einem sehr einfachen Aufbau und einer
besseren Betriebseigenschaft erzielt werden. Des weiteren ist
die Einspritzeinrichtung 1 sehr kompakt, da der Kanal 53 und das
Einwegeventil 9 in dem Arbeitskolben 5 zum Abführen der Luft
einstückig sind. Da darüber hinaus die Drossel 61 zwischen der
Überlaufkammer 6 und dem Ablaufkanal 14 vorgesehen ist und eine
Entlastungsnut 24 um den Piezokolben 23 herum vorgesehen ist,
kann der Kraftstoff gleichmäßig von der Überlaufkammer 6 zu der
Piezopumpenkammer 3 strömen. Da darüber hinaus der Kraftstoff
von der Überlaufkammer 6 über den Kanal 53 und die
Piezopumpenkammer 3 zu der Entlastungsnut 24 nach oben strömt,
kann eine Luftblase, die wahrscheinlich an dem oberen Teil der
Piezopumpenkammer 3 stagniert, wirkungsvoll abgeführt werden.
Bei dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel kann anstelle
des Kugelventils 74 ein Schlotterventil als ein Ventilelement
zum Öffnen und Schließen der jeweiligen Öffnungen der
Steuerhydraulikdruckkammer 7 angewendet werden. Des weiteren
kann die Steuerhydraulikdruckkammer 7 mit einem Zweiwegeventil
anstelle des vorstehend erwähnten Dreiwegeventils versehen sein.
In diesem Fall kann die Gegendruckkammer 8 mit dem
Hochdruckkanal 16 über eine Blende ohne ein Vorsehen der Öffnung
72 in Verbindung stehen.
Des weiteren kann anstelle des Anordnens des Einwegeventlis 9 in
dem Arbeitskolbens 5 das Einwegeventil 9 unabhängig von dem
Arbeitskolben 5 vorgesehen sein.
Die piezoelektrische Einspritzeinrichtung hat die
Piezopumpenkammer 3, deren Druck gemäß einer Expandierbewegung
und einer Kontraktionsbewegung des Piezostapels 2 zunimmt und
abnimmt, den Arbeitskolben 5, der sich in dem Zylinder 15 im
Ansprechen auf den Druck der Piezopumpenkammer gleitfähig
bewegt, und das Ventilelement 74, das durch den Arbeitskolben
zum Steuern einer Verbindung zwischen der Überlaufkammer 6, die
mit dem Niederdruckkanal 14 in Verbindung steht, und der
Steuerkammer 7, die mit dem Hochdruckkanal 16 in Verbindung
steht, angetrieben wird.
Der Arbeitskolben 5 ist mit dem Kanal 53 versehen, von dem ein
Ende zu der Überlaufkammer 6 offen ist und von dem das andere
Ende zu der Piezopumpenkammer 3 offen ist, und des weiteren ist
das Einwegeventil 9 in dem Kanal 53 vorgesehen, um ein Strömen
des Fluids nur von der Überlaufkammer 6 zu der Piezopumpenkammer
3 zu ermöglichen. Während eines Prozesses, bei dem Kraftstoff in
die Piezopumpenkammer 3 mit einem Betrag strömt, der dem
Kraftstoff entspricht, der von der Piezopumpenkammer 3 zu einer
Entlastungsnut 24 nach oben ausgetreten ist, kann die Luftblase
in dem Kraftstoff abgeführt werden.
Claims (6)
1. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung mit
einer Piezopumpenkammer (3), deren Druck gemäß einer Expandierbewegung und einer Kontraktionsbewegung eines Piezostapels (2) zunimmt und abnimmt,
einem Arbeitskolben (5), der sich in einem Zylinder (15) im Ansprechen auf den Druck der Piezopumpenkammer gleitfähig bewegt, und
einem Ventilelement (74), das durch den Arbeitskolben zum Steuern einer Verbindung zwischen einer Überlaufkammer (6), die mit einem Niederdruckkanal (14) in Verbindung steht, und einer Steuerkammer (7), die mit einem Hochdruckkanal (16) in Verbindung steht, angetrieben wird, wobei ein Einspritzloch (82) durch ein Verringern und Erhöhen des Druckes in der Steuerkammer in Übereinstimmung mit dem Betrieb des Ventilelements geöffnet und geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die Einspritzeinrichtung einen Kanal (52) hat, von dem ein Ende zu der Überlaufkammer geöffnet ist, und von dem das andere Ende zu der Piezopumpenkammer geöffnet ist, und die des weiteren ein in dem Kanal (52) vorgesehenes Einwegeventil (9) hat, um ein Strömen des Fluids lediglich von der Überlaufkammer zu der Piezopumpenkammer zu ermöglichen.
einer Piezopumpenkammer (3), deren Druck gemäß einer Expandierbewegung und einer Kontraktionsbewegung eines Piezostapels (2) zunimmt und abnimmt,
einem Arbeitskolben (5), der sich in einem Zylinder (15) im Ansprechen auf den Druck der Piezopumpenkammer gleitfähig bewegt, und
einem Ventilelement (74), das durch den Arbeitskolben zum Steuern einer Verbindung zwischen einer Überlaufkammer (6), die mit einem Niederdruckkanal (14) in Verbindung steht, und einer Steuerkammer (7), die mit einem Hochdruckkanal (16) in Verbindung steht, angetrieben wird, wobei ein Einspritzloch (82) durch ein Verringern und Erhöhen des Druckes in der Steuerkammer in Übereinstimmung mit dem Betrieb des Ventilelements geöffnet und geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die Einspritzeinrichtung einen Kanal (52) hat, von dem ein Ende zu der Überlaufkammer geöffnet ist, und von dem das andere Ende zu der Piezopumpenkammer geöffnet ist, und die des weiteren ein in dem Kanal (52) vorgesehenes Einwegeventil (9) hat, um ein Strömen des Fluids lediglich von der Überlaufkammer zu der Piezopumpenkammer zu ermöglichen.
2. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1,
wobei
der Kanal (52) und das Einwegeventil (9) in dem
Arbeitskolben (5) vorgesehen sind.
3. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1
oder 2, wobei
ein Piezokolben (23) zwischen dem Piezostapel (2) und der Piezopumpenkammer (3) vorgesehen ist, um die Expandierbewegung und die Kontraktionsbewegung des Piezostapels (2) in eine Volumenänderung der Piezopumpenkammer umzuwandeln, und
eine Entlastungsnut (24), die mit dem Niederdruckkanal (14) in Verbindung steht, und ein Dichtelement (25), das sich zwischen der Entlastungsnut und dem Piezostapel befindet, um einen Außenumfang des Piezokolbens herum vorgesehen sind.
ein Piezokolben (23) zwischen dem Piezostapel (2) und der Piezopumpenkammer (3) vorgesehen ist, um die Expandierbewegung und die Kontraktionsbewegung des Piezostapels (2) in eine Volumenänderung der Piezopumpenkammer umzuwandeln, und
eine Entlastungsnut (24), die mit dem Niederdruckkanal (14) in Verbindung steht, und ein Dichtelement (25), das sich zwischen der Entlastungsnut und dem Piezostapel befindet, um einen Außenumfang des Piezokolbens herum vorgesehen sind.
4. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, wobei
das Ventilelement (74) den Druck der Steuerkammer (7) in
einer Richtung zum Unterbrechen der Verbindung zwischen der
Steuerkammer und der Überlaufkammer (6) aufnimmt und
andererseits das Ventilelement durch eine Drängeinrichtung (53)
in eine Richtung zum Ermöglichen der Verbindung zwischen der
Steuerkammer und der Überlaufkammer gedrängt wird, wodurch die
Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Überlaufkammer
möglich ist, bis der Druck der Steuerkammer zu einem
vorbestimmten Druckwert angestiegen ist.
5. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach Anspruch 4,
wobei
der vorbestimmte Druckwert niedriger als der Einspritzdruck
ist.
6. Piezoelektrische Einspritzeinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, wobei
eine Drossel (61) zwischen der Überlaufkammer (6) und dem
Niederdruckkanal (14) vorgesehen ist.
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