-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzventil nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Bekannt
ist ein CR-Injektor (oder eine Einspritzvorrichtung für Kraftstoff
zum Betrieb an einer Quelle mit hohem Kraftstoffdruck) der Firma
Delphi und der Anmelderin mit direkter Steuerung (= direkter Betätigung)
der Ventilnadel und inverser Ansteuerung eines die Ventilnadel betätigenden
Aktors. Die Ventilnadel verschließt je nach ihrer Stellung Einspritzöffnungen
des Injektors oder gibt diese frei. Als Aktor wird üblicherweise
ein Piezoaktor verwendet. Der Piezoaktor ist bei der bekannten Vorrichtung
in linearer Verlängerung
der Ventilnadel angeordnet und mit seinem der Ventilnadel abgewandten
Endbereich in der Vorrichtung fixiert (Aktorlager). Der der Ventilnadel
zugewandte Teil des Piezoaktors ist mit der Ventilnadel gekoppelt.
Die bekannten Piezoaktoren haben die Eigenschaft, dass sie bei Bestromung,
d. h. bei Zuführung
von Strom zu elektrischen Anschlüssen
des Piezoaktors, sich gegenüber
dem nicht bestromten Zustand verlängern. Bei den bekannten Vorrichtungen
ist von Nachteil, dass der Aktor invers angesteuert wird, das heißt dauernd
bestromt ist und daher im Schließzustand der Einspritzvorrichtung
der Piezoaktor dauernd mit elektrischem Strom versorgt werden muss.
Dies kann zur Zerstörung
des Aktors über
die Lebensdauer wegen Schädigung
des piezoelektrischen Materials führen.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Demgegenüber ist
bei der Erfindung gemäß Anspruch
1 von Vorteil, dass durch die Verlagerung der Verankerung oder Fixierung
des Aktors die elektrische Ansteuerung des Aktors so geändert werden kann,
dass dieser lediglich in denjenigen Zeiten, in denen die Einspritzvorrichtung
für die
Kraftstoffzufuhr geöffnet
ist, Strom benötigt,
im Sperrzustand der Einspritzvorrichtung dagegen stromlos ist. Die
Kraftübertragungsvorrichtung
kann eine feste mechanische Verbindung sein, oder, wie in Anspruch
2 vorgesehen, ein hydraulischer Wandler. Die Erfindung ist nicht
auf piezoelektrische Aktoren beschränkt.
-
Bei
der Ausführungsform
nach Anspruch 2 ist von Vorteil, dass eine Anpassung unterschiedlicher
Hubwege zwischen dem Aktor und der Ventilnadel durch geeignete Wahl
des Übersetzungsverhältnisses
eines hydraulischen Wandlers vorgenommen werden kann, wobei keine
Richtungsumkehr der Bewegung stattfindet. Der Wandler gestattet
auch, Fertigungstoleranzen bezüglich
des Abstands zwischen dem sich infolge der elektrischen Ansteuerung
in seiner Lage ändernden
Ende des Piezoaktors und dem dem Aktor zugewandten Ende der Ventilnadel
zu kompensieren, wenn, wie beim Ausführungsbeispiel vorgesehen,
der Wandler im Betrieb mit Kraftstoff unter hohem Druck gefüllt wird
und sich daher in seiner Länge
selbsttätig
anpassen kann.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
-
Zeichnung
-
Ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Einspritzventils
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachführenden
Beschreibung näher
erläutert.
-
Es
zeigt
die einzige Figur in einem vereinfachten Längsschnitt ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung
mit einem Piezoaktor und einem hydraulischen Wandler.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
-
Die
Einspritzvorrichtung 1 ist im wesentlichen aus zwei größeren Baugruppen 2 und 3 aufgebaut,
die nach ihrer Fertigstellung unter Zwischenlage einer Kanalplatte 4 miteinander
verbunden werden, im Beispiel mittels einer Montagehülse 5.
-
Die
untere Baugruppe 2 enthält
in einem Ventilgehäuse 8 im
wesentlichen eine Ventilnadel 10, die in ihrer Schließstellung
Einspritzöffnungen 12 verschließt. Radial
außerhalb
einer Dichtkante 14 liegt eine Druckschulter 16.
Der Öffnungsvorgang
der Ventilnadel 10 beginnt dann, wenn der auf die Druckschulter 16 wirkende
Kraftstoffdruck eine Kraft erzeugt, die größer ist, als eine die Ventilnadel 10 in Schließrichtung
beaufschlagende Kraft. Ein noch zu beschreibender (im Beispiel als
Piezoaktor ausgebildeter) Aktor 30 verhindert das Öffnen der
Ventilnadel 10, solange der Aktor nicht in Öffnungsrichtung
elektrisch angesteuert wird. In ihrem oberen Bereich ist die Ventilnadel 10 als
Kolben 18 ausgebildet, der in einer Führungshülse 19 gleitet, die
durch eine Feder 20 in Richtung auf die Kanalplatte 4 vorgespannt
ist, wo sie mittels einer Beißkante
(scharfkantige Ausbildung der Kante) abdichtend anliegt. Die Feder 20 stützt sich
an der Ventilnadel 10 ab und beaufschlagt diese in Schließrichtung.
-
Die
obere Baugruppe 3 weist ein oberes Gehäuse 28 auf, das in
einer zentrischen, zylindrischen Aussparung 29 den Aktor 30 enthält, genauer
dessen piezoelektrisch wirksamen Teile. Der Aktor 30 ist
in seiner Längsrichtung
zentrisch durchbohrt. Sein den Einspritzöffnungen 12 abgewandtes
Ende ist von einer Lageplatte 32 abgedeckt, die durchbohrt
ist, und eine Zugstange 33 ragt durch die Platte 32 nach
oben hindurch und ist dort gegen eine Verschiebung nach unten gesichert.
-
Das
untere Ende des Aktors 30 stützt sich auf einer im oberen
Gehäuseteil 28 verankerten Stützplatte 35 ab.
Die Zugstange 33 ragt durch die Stützplatte 35 hindurch
nach unten und ist dort mit einem Übertragerkolben 38 verbunden.
Dieser gleitet in einer Führungshülse 39,
die von einer Feder 40 gegen die Kanalplatte 4 gedrückt wird
und dort mittels einer Beißkante
abdichtend anliegt. Das obere Ende der genannten Feder 40 stützt sich
an der Stützplatte 35 ab.
Vorteilhaft ist zwischen dem Übertragerkolben 38 und
der Stützplatte 35 noch
eine den Übertragerkolben 38 nach
unten vorspannende Feder 42 vorgesehen, so dass die Zugstange 33 stets
zumindest etwas auf Zug beansprucht ist. Der Übertragerkolben 38 und
der Kolben 18 sind Elemente eines hydraulischen Wandlers 44.
-
Die
Kanaplatte 4 weist eine zentrische Bohrung 45 auf,
die zwei durch die Führungshülsen 19 und 39 und
die jeweiligen Stirnflächen
des Kolbens 18 und des Übertragerkolbens 38 gebildete
Wandlerräume 46 und 47 miteinander
verbindet, die somit einen gemeinsamen Wandlerraum bilden. In radial gleichem
Abstand von der zentrischen Bohrung 45 ist eine Mehrzahl
weiterer Bohrungen 50 vorgesehen, die Räume 51 und 52 unterhalb
und oberhalb der Kanalplatte 4 radial außerhalb
der Beißkanten
der entsprechenden Führungshülse 19 und 39 miteinander verbinden.
-
Da
im Beispiel der Öffnungshub
der Ventilnadel 10 größer sein
soll als der maximale Hub des Aktors 30, ist der Durchmesser
des Kolbens 18 kleiner als der Durchmesser des Übertragerkolbens 38,
so dass durch den hydraulischen Wandler 44 eine Geschwindigkeits-
und Wegübersetzung
zur Ventilnadel 10 hin erfolgt.
-
Die
Stromversorgung des Aktors 30 erfolgt über elektrische Anschlüsse 55,
die durch einen gegenüber
Kraftstoff abgedichteten Kanal nach außen geführt sind.
-
Aus
konstruktiven Gründen
vorteilhaft ist es, wie im Beispiel vorgesehen, für die Zufuhr
des Kraftstoffs die Aussparung 29 zu verwenden, in der
sich der Aktor 30 befindet. Der Kraftstoff gelangt von
einem Hochdruckspeicher 70 (Common Rail) über eine Hochdruckleitung 72 zu
der Aussparung 29 und von dort über nicht dargestellte Aussparungen
zwischen der Lagerplatte 32 und dem oberen Ende der Zugstange 33 in
den inneren durchbohrten Teil des Aktors, von dort in den Raum 52,
von dort über
die Bohrungen 50 in den Raum 51 und von dort zum
unteren Endbereich der Ventilnadel 10.
-
Um
zu verhindern, dass der als Piezoaktor ausgebildete Aktor 30 auf
Zug beansprucht werden kann, die Verbindung am oberen Ende der Zugstange 33 so
ausgebildet sein, dass sie lediglich Druckkräfte auf den Aktor 30 auszuüben gestattet,
in Gegenrichtung also gegenüber
der Platte 32 verschiebbar ist. Zweckmäßig ist jedoch, und dies ist
in nicht gezeigter Weise auch vorgesehen, dass die Zugstange 33 gegenüber der
Platte 32 unbeweglich befestigt ist. Daher ist eine nicht
gezeigte Vorspannfeder vorgesehen, die den Aktor 30 so
stark auf Druck beansprucht, dass diese Druckkraft nicht von anderen,
auf den Aktor 30 in entgegengesetzter Richtung einwirkenden
Kräften überwunden
werden kann. Zu den genannten Kräften
gehört
insbesondere die von der Druckschulter 16 in Folge des
Drucks des Kraftstoffs auf die geschlossene Ventilnadel 10 ausgeübte, nach oben
in Öffnungsrichtung
wirkende Kraft. Der Aktor selbst kann die genannte Druckkraft überwinden.
-
Sobald
der Aktor 30 zum Öffnen
der Ventilnadel 10 angesteuert wird, ihm also Strom zugeführt wird,
bewegt sich der Übertragerkolben 38 nach
oben und es vermindert sich der Druck in den Wandlerräumen 47 und 46.
Dadurch ist es dem Druck des Kraftstoffs im Bereich der Druckschulter 16 möglich, die Ventilnadel 10 in Öffnungsrichtung
anzuheben. Dabei muss bei der gezeigten Konstruktion auch die Kraft
der Feder 20 überwunden
werden.
-
Bei
der Erfindung ist das in der Einspritzvorrichtung starr fixierte
Ende des Aktors 30 der Ventilnadel 10 zugewandt,
und dasjenige Ende des Aktors, das die Betätigung der Ventilnadel 10 ausführt, ist
der Ventilnadel 10 abgewandt. Es wird somit eine vom Aktor 30 durch
dessen Ausdehnung in Längsrichtung erzeugte
Druckkraft über
die Zugstange 33 auf die Ventilnadel 10 als Zugkraft übertragen,
um die Ventilnadel zu öffnen.
-
Wegen
der zentrischen Anordnung der Zugstange 33 ist die Anordnung
raumsparend. Da die Einspritzvorrichtung keinerlei Steuermengen
benötigt,
weil eine Steuerkammer, wie sie für die bei anderen Einspritzventilen
erforderliche Hubsteuerung erforderlich ist, nicht benötigt wird,
und weil keinerlei bewegliche Teile der Vorrichtung in einen Bereich
ragen, dessen Umgebungsdruck erheblich niedriger ist als der Hochdruck
des Kraftstoffs, treten allenfalls minimale Leckageverluste, zum
Beispiel durch Montagefugen der Vorrichtung auf.