DE10136807A1

DE10136807A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE10136807A1
Application number: DE10136807A
Authority: DE
Inventors: Walter Maeurer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-13
Also published as: EP1432908B1; WO2003012282A1; EP1432908A1; US20040046060A1; DE50202148D1; KR20040026691A; JP2004522069A

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil, insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, weist einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (1) auf, der zwischen einem Ventilkörper (12) und einem Aktorkopf (15) angeordnet ist und mittels einer Ventilnadel einen Ventilschließkörper betätigt, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Eine Tonnenhülse (16), die zwischen zwei Durchmessern an ihren Enden im Längsschnitt konvex ausgeformt ist, dichtet den Aktor (1) gegenüber einem Brennstoffraum (14) ab und umschließt den Aktor (1), wobei die Tonnenhülse (16) an ihren Enden mit dem Ventilkörper (12) und dem Aktorkopf (15) kraftschlüssig verbunden ist und in einer Längsrichtung des Aktors (1) auf Zug vorgespannt ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Ein Brennstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 40 05 455 bekannt. Das Brennstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine weist zumindest eine Abspritzöffnung auf, die mit zumindest einer Zuführleitung für unter Druck stehenden Brennstoff verbunden ist. Eine Ventilnadel, die die Abspritzöffnung verschließt, oder freigibt, ist mit einem piezoelektrischen Aktor verbunden. Eine Federmembran dichtet einen ersten Raum, der von Brennstoff frei ist und den Aktor enthält, gegen einen zweiten Raum, der Brennstoff enthält. Die Federmembran erzeugt eine auf die Ventilnadel wirkende Schließkraft. Mit dieser Schließkraft ist der nicht betätigte Aktor belastet.

Nachteilig an diesem bekannten Stand der Technik ist, daß der Aktor zusätzlich zu der Schließkraft der Federmembran mit einer Druckkraft des Brennstoffs belastet wird. Durch diese Druckkraft wird der Aktor gestaucht und die Ausgangslänge des unbetätigten Aktors wird verringert. Es entsteht ein unzulässig großes Spiel auf dem Übertragungsweg zwischen Aktor und Ventilschließkörper. Beim Betätigen des Aktors geht ein Teil des Hubes zur Überwindung dies Spiels verloren.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß nur eine geringe Veränderung einer Vorspannkraft auftritt. Wenn auf die Oberfläche der konvex nach außen gewölbten Tonnenhülse ein erhöhter Brennstoffdruck wirkt, wird die Tonnenhülse zusammengedrückt und übt in ihrer Längsrichtung zwischen Ventilkörper und Aktorkopf eine aufspreizende Kraft aus. Der auf den Aktorkopf ebenfalls wirkende Brennstoffdruck stellt dem eine entgegengerichtete Kraft entgegen. In vorteilhaft einfacher Art und Weise kann somit verhindert werden, daß der Aktor durch einen ansteigenden Brennstoffdruck zusammengestaucht wird und sich die Ausgangslänge des Aktors unzulässig groß ändert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Vorteilhaft wird die Kontur der Tonnenhülse im Längsschnitt und die Elastizität des Material, aus dem die Tonnenhülse gefertigt ist, so aufeinander abgestimmt, daß die Oberfläche der Tonnenhülse bei Druckerhöhung des umgebenden Brennstoffs dasselbe Volumen wie der Aktorkopf überstreicht.

Die Konturlinie der Tonnenhülse ist in Bezug auf eine gedachte Mittellinie durch die Symmetrieachse der Tonnenhülse eine im Wesentlichen konvex nach außen gewölbte Linie. Durch die Anpassung der genannten Parameter Elastizität des Materials und die Form der Linie kann eine solche mechanische Übersetzung erzeugt werden, daß sich die Kräfte genau aufheben. Dies ist genau dann der Fall, wenn das durch das Zusammenpressen der Tonnenhülsenoberfläche gewonnene Volumen dem von dem Aktorkopf im selben Moment verdrängten Volumen entspricht. Vorteilhaft wird der Aktor bei einer Druckerhöhung nicht zusammengepreßt, da durch eine Erhöhung des Drucks keine zusätzliche Kraft auf den Aktor ausgeübt wird. Die Ausgangslänge des Aktors ist somit, da sich die Vorpannung des Aktors nicht ändert, vom Druck des Brennstoffs nicht abhängig.

In einer vorteilhaften Ausführung werden der Längsschnitt und die Elastizität der Tonnenhülse so aufeinander abgestimmt, daß die Längenänderung des Aktors der Dehnung des Ventilkörpers bei Druckerhöhung des Brennstoffs entspricht. Bei einer Erhöhung des Brennstoffdrucks kommt es auch zu einer Dehnung des Ventilkörpers. Dadurch kann es zu Fehlern auf dem Übertragungsweg der Öffnungskraft von dem Aktor zum Ventilschließkörper kommen, indem ein unzulässiges Spiel zwischen Übertragungsbauteilen auftritt. Dies kann durch eine günstige Wahl des Verhaltens der Tonnenhülse bei einer Druckänderung des Brennstoffs kompensiert werden. Je nach Wahl des Kraftübersetzungverhältnisses der auf die Oberfläche der Tonnenhülse ausgeübte Druckkraft des Brennstoffs im Verhältnis zu der auf den Aktorkopf ausgeübten Druckkraft kann bestimmt werden, in welche Richtung sich die Ausgangslänge des Aktors bei einer Druckveränderung des Brennstoffs anpaßt.

In einer günstigen Ausführungsform schließt sich an die Tonnenhülse eine in Längsrichtung komprimierbare zylinderförmige Federhülse an und liegt zwischen Tonnenhülse und Federhülse ein Stützring.

An dieser Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, daß in kostengünstiger Fertigung für verschiedene Aktoren das Dehnungskompensationsverhalten der Tonnenhülse in Verbindung mit dem Aktorkopf eingestellt werden kann, ohne daß jeweils eine spezielle Tonnenhülse nötig ist. Die Federhülse ist nicht radial komprimierbar, sondern lediglich in Längsrichtung komprimierbar. Eine Anpassung an verschiedene Aktorlängen ist leicht möglich. Durch den eingefügten Stützring wird vorteilhaft die Funktion von Federhülse und Tonnenhülse klar getrennt und eine ungewollte Kompression der Federhülse verhindert.

In einer günstigen Ausführungsform ist innerhalb der Tonnenhülse eine den Aktor umschließende Federhülse angeordnet und mit dem Ventilkörper und dem Aktorkopf kraftschlüssig verbunden.

Auch durch diese Ausführungsform ist es möglich, mit ein und derselben Tonnenhülse ein unterschiedliches Verhalten bei sich änderndem Brennstoffdruck zu erzeugen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen schematischen Detailschnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil nach dem Stand der Technik im Bereich des Aktors,
Fig. 2 einen schematischen Detailschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich des Aktors,
Fig. 3 einen schematischen Detailschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich des Aktors und
Fig. 4 einen schematischen Detailschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich des Aktors.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt einen Detailschnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil nach dem Stand der Technik im Bereich eines piezoelektrischen Aktors 1, der an einem Träger 2 angeordnet ist und durch eine Dichthülse 3 gegenüber dem umliegenden Brennstoff enthaltenden Raum abgedichtet wird. Träger 2 und Hülse 3 sind über eine Schweißnaht 4 verbunden. Der Aktor 1 wird über einen Aktorkopf 5 und eine Spiralfeder 6, die sich gegen eine Abschlußplatte 7 abstützt, in Richtung des Trägers 2 vorgespannt. Abschlußplatte 7 und Hülse 3 sind über eine ringförmige Schweißnaht 8 miteinander verbunden, die gegen den Brennstoff abdichtet. Der Aktorkopf 5 weist einen mit diesem einstückig ausgeformten Druckstempel 9 auf, der durch eine Ausnehmung in der Trägerplatte 7 hindurchgeführt ist. Ein Wellrohr 10, das über eine Schweißnaht 11 mit dem Druckstempel 9 verbunden ist, dient zur Abdichtung.
Wenn der Druck des umgebenden Brennstoffs sich erhöht, so wirkt auf eine Kreisscheibe mit einem ungefähren Durchmesser d als wirksamem Durchmesser die Druckkraft des Brennstoffs, die sich über dem Stempel 9 und dem Aktorkopf 5 auf den Aktor 1 überträgt. Diese Kraft wirkt zusätzlich zu der von der Spiralfeder 6 auf den Aktor 1 ausgeübten Vorspannkraft und drückt den Aktor 1 zusammen, der nur eine relativ geringe Steifigkeit besitzt. Dadurch kommt es nachteilig zu einer Verringerung der Ausgangslänge des Aktors 1. Dies kann bei einem für eine Benzineinspritzung ausgelegtem Brennstoffeinspritzventil bis zu 30% des Nennhubes betragen.
Fig. 2 zeigt demgegenüber einen schematischen Detailschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich eines piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktors 1. In einem Ventilkörper 12 ist ein Brennstoffzulauf 13 vorgesehen, der zu einem Brennstoffraum 14 führt. Der Aktor 1 ist mit dem Aktor 1 in der Fig. 1 nach dem Stand der Technik identisch. Der Aktor 1 ist zwischen dem Ventilkörper 12 und einem Aktorkopf 15 angeordnet. Eine Tonnenhülse 16 ist über eine Schweißnaht 17 mit dem Ventilkörper 12 verbunden und über eine weitere Schweißnaht 18 mit dem Aktorkopf 15 verbunden. Die Schweißnähte 17, 18 sowie der Aktorkopf 15 und die Tonnenhülse 16 dichten den Aktor 1, der sich in einem Aktorraum 19 befindet, gegenüber dem Brennstoffraum 14 ab. Über Anschlußkanäle 20 können elektrische Zuleitungen zu dem Aktor 1 geführt werden.
Wenn der Druck in dem Brennstoffraum 14 erhöht wird, wird die Tonnenhülse 16 zusammengedrückt und nähert sich mehr einer Zylinderform an. Dem wirkt jedoch die Kraft entgegen, die durch den Druck des Brennstoffs auf den Aktorkopf 15 ausgeübt wird. Gleichzeitig weist die Tonnenhülse 16 eine Vorspannung in Längsrichtung des Aktors 1 auf, so daß der Aktor 1 mit seinen beiden Enden jeweils an den Ventilkörper 12 und dem Aktorkopf 15 mit einer Vorspannungskraft, die aufeinander gerichtet ist, belastet wird, und an den Ventilkörper 12 und dem Ventilkopf 15 anliegt. Wenn das von der Oberfläche der Tonnenhülse 16 überstrichene Volumen gleich dem Volumen ist, das durch die Verlängerung der Tonnenhülse 16 und die daraus resultierende Bewegung des Aktorkopfs 15 überstrichen wird, so gleichen sich die Kräfte, die entstehen bei einer Druckerhöhung des Brennstoffs im Brennstoffraum 14 aus. Unabhängig von dem im Brennstoffraum 14 herrschenden Druck wird dann die Länge des Aktors 1 nur bestimmt durch die Vorspannung der Tonnenhülse 16. Die Länge des Aktors 1 und somit der mögliche Hub ist vollständig von dem in dem Brennstoffraum 14 herrschenden Druck entkoppelt. Weiterhin ist vorteilhaft der einfachere Aufbau mit weniger Bauteilen und die kürzere Baulänge der Einheit aus Tonnenhülse 16, Aktor 1 und Aktorkopf 15. Dies ist gut zu erkennen durch den Vergleich mit der Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich eines Aktors 1. Einander entsprechende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Aktor 1 ist zwischen dem Ventilkörper 12 und dem Aktorkopf 15 angeordnet. Die Tonnenhülse 16 ist mit der Schweißnaht 17 mit dem Ventilkörper 12 verbunden. Zusätzlich weist die vorliegende Ausführungsform eine Federhülse 22 auf, die zwischen Aktorkopf 15 und Tonnenhülse 16 angeordnet ist. Über eine Schweißnaht 23 ist die Federhülse 22 mit dem Aktorkopf 15 verbunden. Zwischen Tonnenhülse 16 und Federhülse 22 ist ein Stützring 24 angeordnet mit dem die Tonnenhülse 16 über eine Schweißnaht 25 verbunden ist und die Federhülse 22 über eine weitere Schweißnaht 26.
Die Federhülse 22 ist radial nicht komprimierbar, sondern nur in Längsrichtung. Dadurch kann in einfacher Art und Weise die Kennlinie der Längsausdehnung des Aktors 1 über dem Druck im Brennstoffraum 14 an einen speziellen Anwendungsfall angepaßt werden, ohne daß jeweils eine speziell angepaßte Tonnenhülse 16 oder ein speziell angepaßter Aktorkopf 15 nötig wird.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im Bereich eines Aktors 1. Der schematische Aufbau entspricht dabei dem der Ausführung in der Fig. 2. Zwischen dem Ventilkörper 12 und dem Aktorkopf 15 ist der Aktor 1 angeordnet. Die Tonnenhülse 16 ist mit der Schweißnaht 17 an dem Ventilkörper 12 und mit der Schweißnaht 18 an den Aktorkopf 15 befestigt. Über einen Brennstoffzulauf 13 kann der Brennstoff einem Brennstoffraum 14 zufließen. In dem Aktorraum 19 befindet sich eine Federhülse 27, die den Aktor 1 umschließt. Die Federhülse 27 ist über eine Schweißnaht 29 mit dem Ventilkörper 12 verbunden und über eine weitere Schweißnaht 28 mit dem Aktorkopf 15.
In vorteilhaft einfacher Art und Weise kann über die Federhülse 27 die Kennlinie der Längenveränderung des Aktors 1 bei einer Erhöhung des Drucks im Brennstoffraum 14 gesteuert werden. Da die Federhülse 27 in dem Aktorraum 19 liegt und nicht mit dem Brennstoff im Brennstoffraum 14 beaufschlagt wird, ist die äußere Geometrie der Federhülse 27 nicht relevant. Da die Federhülse 27 über die Schweißnaht 29 mit dem Ventilkörper 12 kraftschlüssig verbunden ist und ebenso über die Schweißnaht 28 mit dem Aktorkopf 15, kann auch eine Regelung dahingehend stattfinden, daß die Federhülse 27 eine zusätzliche Zugkraft ausübt. Dadurch ist in sehr kostengünstiger Art eine Einstellung des Druckverhaltens des Aktors 1 möglich, allein durch den Einbau einer angepaßten Federhülse 27.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann auch bei einer Vielzahl anderer Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen verwendet werden, insbesondere ist eine andere Abfolge von Federhülsen und Tonnenhülsen, oder eine mehrfache Abfolge von Federhülsen und Tonnenhülse hintereinander oder einander umschließend denkbar.

Claims

1. Brennstoffeinspritzventil, insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (1), der zwischen einem Ventilkörper (12) und einem Aktorkopf (15) angeordnet ist, und einem von dem Aktor (1) mittels einer Ventilnadel betätigbaren Ventilschließkörper, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tonnenhülse (16), die zwischen zwei Durchmessern an ihren Enden im Längsschnitt konvex ausgeformt ist, den Aktor (1) gegenüber einem Brennstoffraum (14) abdichtet und umschließt, wobei die Tonnenhülse (16) an ihren Enden mit dem Ventilkörper (12) und dem Aktorkopf (15) kraftschlüssig verbunden ist und in einer Längsrichtung des Aktors (1) auf Zug vorgespannt ist.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschnitt und die Elastizität der Tonnenhülse (16) so aufeinander abgestimmt sind, daß die Oberfläche der Tonnenhülse (16) bei Druckerhöhung des umgebenden Brennstoffs dasselbe Volumen wie der Aktorkopf (15) überstreicht.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschnitt und die Elastizität der Tonnenhülse (16) so aufeinander abgestimmt sind, daß die Längenänderung des Aktors (1) der Dehnung des Ventilkörpers (12) bei Druckerhöhung des Brennstoffs entspricht.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Tonnenhülse (16) eine in Längsrichtung komprimierbare zylinderförmige Federhülse (22) anschließt.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Tonnenhülse (16) und Federhülse (22) ein Stützring (24) angeordnet ist.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Tonnenhülsen (16) und Federhülsen (22) in Längsrichtung aufeinander abfolgen.

7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der Tonnenhülse (16) ein den Aktor (1) umschließendes Federelement befindet.

8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine Federhülse (27) ist.

9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Federhülse (27) mit dem Ventilkörper (12) und mit dem Aktorkopf (15) kraftschlüssig verbunden ist.