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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerventil einer Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
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Ein
derartiges Steuerventil dient bei einer Einspritzdüse dazu,
eine Verbindung zwischen einer Kraftstoff-Hochdruckseite der Einspritzdüse und einer
Kraftstoff-Niederdruckseite der Einspritzdüse zu steuern. Bei einer servogesteuerten
Einspritzdüse
ist bei geschlossener Düsennadel
ein Steuerkolben in einem Steuerraum mit dem Kraftstoff-Hochdruck beaufschlagt.
Durch Absenken des Drucks im Steuerraum werden die in Schließrichtung
auf den Steuerkolben einwirkenden Kräfte reduziert, so dass in der Folge Öffnungskräfte überwiegen
und die jeweilige Düsennadel öffnen kann.
Zweckmäßig kommuniziert dieser
Steuerraum mit der Hochdruckseite, während auf der Niederdruckseite
ein relativ niedriger Systemdruck herrscht. Durch eine entsprechende
Betätigung
des Steuerventils wird die Verbindung zwischen Hochdruckseite und
Niederdruckseite geöffnet,
wodurch sich der Druck im Steuerraum abbauen kann, was zum Öffnen der
jeweiligen Düsennadel
führt.
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Bei
einem Steuerventil der eingangs genannten Art kann zum Antreiben
eines die Verbindung zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite steuernden
Ventilglieds ein Piezoaktuator vorgesehen sein, der bei einer Bestromung
einen vordefinierten Hub ausführt.
Dieser Piezoaktuator ist hierzu in einem Aktuatorraum untergebracht,
in dem er seinen Stellhub ausführen
kann. Problematisch ist hierbei, dass der Piezoaktuator nicht mit
dem Kraftstoff in Kontakt kommen darf, um die Funktion des Piezoaktuators
nicht zu gefährden.
Um dies zu vermeiden, sind relativ aufwändige Abdichtungsmaßnahmen
erforderlich.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Steuerventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den gegenüber dem Vorteil, dass die erforderliche
Abdichtung des Piezoaktuators gegenüber dem Kraftstoff erheblich
vereinfacht ist. Durch die permanente Befüllung des Aktuatorraums mit
einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit, die
z.B. ein Öl
sein kann, lässt
sich zum einen eine gewünschte
hydraulische Antriebskopplung zwischen dem Piezoaktuator und dem
Ventilglied erzielen, wobei zum anderen gleichzeitig das Abdichtungsproblem
an einem vergleichsweise einfach zu handhabenden Ort realisiert
und insbesondere auf eine einzige Dichtung reduziert werden kann.
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Beim
erfindungsgemäßen Steuerventil
ist zur dichten Trennung zwischen der elektrisch isolierenden Flüssigkeit
und dem Kraftstoff ein flexibles Dichtelement vorgesehen, das einen
mit dem Ventilglied antriebsverbundenen Ventilstößel an einer vom Piezoaktuator
abgewandten Seite eines den Aktuatorraum axial dicht verschließenden Verschlusskörpers umschließt. Dieses
Dichtelement ist dann mit dem einen axialen Ende mit dem Ventilstößel und
mit dem anderen axialen Ende mit dem Verschlusskörper dicht verbunden. Durch
die erfindungsgemäße Bauweise
wird nur ein einziges Dichtelement zwischen Komponenten des Steuerventils
benötigt,
die relativ zueinander beweglich sind, um die Medientrennung zwischen
elektrisch isolierender Flüssigkeit und
Kraftstoff zu erzielen.
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Das
Dichtelement kann als Membran und/oder als Balg ausgestaltet sein,
d. h. insbesondere als Membranhülse,
als Membranbalg oder als Balgmembran. Derartige Dichtelemente haben
sich in anderen Bereichen der Technik bewährt und sind preiswert herstellbar.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ergeben
sich aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse sind
in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert, wobei sich
gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Komponenten beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
stark vereinfachten und prinzipiellen Längsschnitt durch ein Steuerventil
nach der Erfindung,
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2 eine
Ansicht wie in 1, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform.
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3 eine
Ansicht wie in 1, jedoch bei einer weiteren
Ausführungsform.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend
den 1 bis 3 enthält ein Steuerventil 1 in
einem Ventilkörper 2 einen
Aktuatorraum 3, in dem ein Piezoaktuator 4 angeordnet ist.
Das Steuerventil bildet dabei einen Bestandteil einer im übrigen nur
angedeuteten Einspritzdüse 5 für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
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Die
Einspritzdüse 5 umfasst
wenigstens eine Düsennadel 6,
mit deren Hilfe die Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens
ein Spritzloch 7 in einen Einspritzraum 8 steuerbar
ist. Die Düsennadel 6 wirkt hierzu
mit einem Nadelsitz 9 zusammen und kann dadurch das wenigstens
eine Spritzloch 7 von einer Kraftstoffversorgung 10 trennen
bzw. mit dieser verbinden. In dieser Kraftstoffversorgung 10 wird
im Betrieb der Brennkraftmaschine der einzuspritzende Kraftstoff
unter einem relativ hohen Einspritzdruck oder Hochdruck bereitgestellt.
Beim sogenannten „Common-Rail-Prinzip" sind die Kraftstoffversorgungen 10 von
mehreren Einspritzdüsen 5 der
Brennkraftmaschine an eine gemeinsame Kraftstoff-Hochdruckleitung
angeschlossen.
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Die
Düsennadel 6 bildet
in der Regel einen Bestandteil eines Nadelverbands 11,
der eine hubverstellbare Einheit darstellt. Dieser Nadelverband 11 umfasst
außerdem
einen Steuerkolben 12, der eine Steuerfläche 13 aufweist.
Diese Steuerfläche 13 ist
in einem Steuerraum 14 angeordnet bzw. begrenzt diesen
Steuerraum 14. Der im Steuerraum 14 herrschende
Druck beaufschlagt somit die Steuerfläche 13, wodurch in
diese eine in Schließrichtung
der Düsennadel 6 wirkende
Kraft in den Nadelverband 11 eingeleitet wird. Der Steuerraum 14 ist
ebenfalls an die Kraftstoffversorgung 10 angeschlossen,
und zwar über
eine Zulaufdrossel 15. Des Weiteren ist der Steuerraum 14 an
einen Hochdruckraum 16 des Steuerventils 1 angeschlossen,
und zwar über
eine Ablaufdrossel 17.
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Das
Steuerventil 1 umfasst ein Ventilglied 18, das
mit einem Ventilsitz 19 zusammenwirkt, um eine Verbindung 20 zwischen
einer Hochdruckseite der Einspritzdüse 5 und einer Niederdruckseite
der Einspritzdüse 5 zu
steuern. Die Hochdruckseite der Einspritzdüse 5 ist dabei der
Steuerraum 14 bzw. der Hochdruckraum 16. Im Unterschied
dazu ist die Niederdruckseite durch einen Rücklauf 21 gebildet,
in dem ein Systemdruck herrscht, der im Vergleich zum Kraftstoffhochdruck
relativ niedrig ist, beispielsweise im Bereich zwischen 5 bis 10
bar liegen kann.
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Das
Ventilglied 18 ist hier Bestandteil eines Ventilverbands 22,
der neben dem Ventilglied 18 wenigstens einen Ventilstößel 23 umfasst.
Dieser Ventilstößel 23 ist
an seinem einen Ende mit dem Ventilglied 18 antriebsverbunden.
Beispielsweise liegt der Ventilstößel 23 lose am Ventilglied 18 an.
Ebenso ist es möglich,
dass Ventilglied 18 und Ventilstößel 23 fest miteinander
verbunden sind oder aus einem Teil einstückig hergestellt sind. An seinem
vom Ventilglied 18 abgewandten anderen Ende ist der Ventilstößel 23 direkt
oder indirekt mit dem Piezoaktuator 4 antriebsverbunden.
Diese Antriebsverbindung wird bei den hier gezeigten Ausführungsformen
durch eine hydraulische Kopplung 24 realisiert, was insbesondere
eine Hubübersetzung
zwischen dem Hub des Piezoaktuators 4 und dem Hub des Ventilglieds 18 bzw.
des Ventilverbands 22 ermöglicht. Zum anderen reduziert
die hydraulische Kopplung 24 den Verschleiß.
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Der
Aktuatorraum 3 ist im Bereich seines dem Ventilglied 18 zugewandten
Endes mit einem Verschlusskörper 25 axial
und dicht verschlossen. Dieser Verschlusskörper 25 ist bezüglich des
Ventilkörpers 2 ortsfest
angeordnet. Zwischen dem Verschlusskörper 25 und dem Ventilkörper 2 ist
eine Dichtung 26 vorgesehen, die beispielsweise eine Radialdichtung
ist. Ebenso ist es möglich,
den Verschlusskörper 25 im
Ventilkörper 2 durch
eine umlaufende Schweißnaht
oder durch eine umlaufende Lötverbindung
zu fixieren und gleichzeitig abzudichten.
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Der
Ventilstößel 23 durchdringt
den Verschlusskörper 25 zentral.
Auf diese Weise ist der Ventilstößel 23 innerhalb
des Aktuatorraums 3 über die
hydraulische Kopplung 24 mit dem Piezoaktuator 4 antriebsverbunden,
während
er mit dem Ventilglied 18 außerhalb des Aktuatorraums 3 antriebsverbunden
ist.
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Erfindungsgemäß ist nun
ein flexibles Dichtelement 27 vorgesehen, das an der vom
Aktuatorraum 3 abgewandten Seite des Verschlusskörpers 25 angeordnet
ist. Dieses Dichtelement 27 ist einenends mit dem Verschlusskörper 25 und
anderenends mit dem Ventilstößel 23 dicht
verbunden. Das Dichtelement 27 ist dabei so angeordnet,
dass es den Ventilstößel 23 umfangsseitig
vollständig
umschließt.
Des Weiteren ist vorgesehen, den Aktuatorraum 3 mit einer
elektrisch isolierenden Flüssigkeit 28 zu
befüllen.
Die elektrisch isolierende Flüssigkeit 28 kann
beispielsweise ein geeignetes Öl
sein und dient zur Realisierung der hydraulischen Kopplung 24 zwischen
Piezoaktuator 4 und Ventilstößel 23. Zweckmäßig ist
ein Außenquerschnitt
des Piezoaktuators 4 kleiner als ein Innenquerschnitt des
Aktuatorraums 3, wodurch zwischen dem Piezoaktuator 4 und dem
Ventilkörper 2 ein
Isolationsvolumen 29 im Inneren des Aktuatorraums 3 ausgebildet
ist. Dieses Isolationsvolumen 29 ist dabei von der Flüssigkeit 28 ausgefüllt, was
zu einer in Umfangsrichtung vollständigen Umhüllung des Piezoaktuators 4 mit
der Flüssigkeit 28 führt. Des
Weiteren ist klar, dass der Ventilkörper 2 in dem den
Aktuatorraum 3 enthaltenden Abschnitt zumindest bis zur
Dichtung 26 flüssigkeitsdicht,
insbesondere einteilig, ausgestaltet ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Bauweise
ist das im Aktuatorraum 3 angeordnete Volumen der Flüssigkeit 28 nach
außen
hermetisch abgedichtet. Auf diese Weise kann ein Kontakt bzw. eine
Vermischung mit dem Kraftstoff verhindert werden.
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Das
Dichtelement 27 ist beispielsweise ein Balg oder eine Membran
oder eine Membranhülse. Ebenso
kann das Dichtelement 27 eine Mischform zwischen Membran
und Balg sein, also quasi ein Membranbalg oder eine Balgmembran.
Die dichte Verbindung zwischen Dichtelement 27 und Verschlusskörper 25 sowie
Ventilstößel 23 kann
beispielsweise dadurch erzielt werden, dass das Dichtelement 27 an
den Verschlusskörper 25 und/oder
an den Ventilstößel 23 angeschweißt oder
angelötet
ist. Beispielhaft sind in den Figuren entsprechende ringförmige Schweißnähte 30 dargestellt.
Das Dichtelement 27 besteht dann aus einem geeigneten metallischen
Werkstoff. Es ist klar, dass je nach Materialkombination und zu
erwartender Belastung auch andere dichtende Verbindungstechniken,
wie z. B. Kleben, in Frage kommen können.
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Zwischen
dem Ventilstößel 23 und
dem Dichtelement 27 ist hier ein Hohlraum 31 eingeschlossen. Des
Weiteren ist zwischen dem Ventilstößel 23 und dem Verschlusskörper 25 ein
Verbindungspfad 32 ausgebildet, über den der genannte Hohlraum 31 mit dem
Aktuatorraum 3 kommuniziert. Ein derartiger Verbindungspfad 32 kann
beispielsweise durch ein entsprechend dimensioniertes Radialspiel
zwischen Ventilstößel 23 und
Verschlusskörper 25 realisiert werden.
Ebenso können
innen am Verschlusskörper 25 oder
außen
am Ventilstößel 23 entsprechend
dimensionierte Axialnuten vorgesehen sein.
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Bei
den hier gezeigten Ausführungsformen ist
das Dichtelement 27 in einem Vorspannraum 33 angeordnet,
der mit dem Rücklauf 21,
also mit der Niederdruckseite, kommuniziert. Erreicht wird dies hier
dadurch, dass der Rücklauf 21 vom
Ventilsitz 19 durch den Vorspannraum 33 geführt ist.
Da das Dichtelement 27 flexibel ist, herrscht der Systemdruck
der Niederdruckseite auch in der Flüssigkeit 28. Auf diese
Weise kann eine gewisse Vorspannung oder Vorkomprimierung dieser
Flüssigkeit 28 erreicht
werden.
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Die
hydraulische Kopplung 24 arbeitet mit einem Ventilkolben 34,
den der Ventilstößel 23 bzw.
der Ventilverband 22 aufweist. Der Ventilkolben 34 kann ein
separates Bauteil bilden oder durch einen Abschnitt des Ventilstößels 23 gebildet
sein. Des Weiteren umfasst die hydraulische Kopplung 24 einen
Aktuatorkolben 35, der mit dem Piezoaktuator 4 (mechanisch)
antriebsverbunden ist. Beispielsweise ist der Aktuatorkolben 35 auf
geeignete Weise fest mit dem Piezoaktuator 4 verbunden.
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Bei
den Ausführungsformen
der 1 und 2 ist der Aktuatorkolben 35 hubverstellbar
im Aktuatorraum 3 gelagert. Des Weiteren enthält der Aktuatorkolben 35 an
einer dem Ventilglied 18 zugewandten Seite einen Ventilkolben-Zylinderraum 36, der über wenigstens
eine Bohrung 37 mit dem Aktuatorraum 3 kommuniziert.
In diesem Ventilkolben-Zylinderraum 36 ist der Ventilkolben 34 hubverstellbar gelagert.
Zusätzlich
kann im Ventilkolben-Zylinderraum 36 eine Vorspannfeder 38 angeordnet
sein, die sich axial einerseits am Aktuatorkolben 35 und
andererseits am Ventilkolben 34 abstützt.
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Die
Ausführungsform
gemäß 2 unterscheidet
sich von derjenigen gemäß 1 dadurch, dass
der Ventilstößel 23 bei
der Ausführungsform
gemäß 2 an
seinem am Ventilglied 18 abgestützten Ende einen Abstützkolben 39 aufweist.
Beispielsweise besitzt der Ventilstößel 23 an der vom
Piezoaktuator 4 abgewandten Seite des Verschlusskörpers 25 einen
radial abstehenden Kragen, nämlich
den Abstützkolben 39,
an dem das Dichtelement 27 dicht befestigt ist. Des Weiteren
ist bei dieser Ausführungsform
eine Öffnungsdruckfeder 40 vorgesehen, die
sich axial einenends am Ventilstößel 23,
also hier am Kragen bzw. am Abstützkolben 39 und
anderenends am Verschlusskörper 25 abstützt.
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Die
Ausführungsform
gemäß 3 unterscheidet
sich von derjenigen gemäß 2 im
wesentlichen durch eine andere Ausgestaltung der hydraulischen Kopplung 24 sowie
durch eine Modifikation des Rücklaufs 21 im
Bereich vom Ventilsitz 19 zum Vorspannraum 33.
Des Weiteren ist bei der Ausführungsform
gemäß 3 am
Verschlusskörper 25 ein
Aktuatorkolben-Zylinderraum 41 ausgebildet. Beispielsweise
weist der Verschlusskörper 25 hierzu einen
hülsenförmigen Fortsatz
auf, der in den Aktuatorraum 3 vorsteht. Im Aktuatorkolben-Zylinderraum 41.
ist der Aktuatorkolben 35 hubverstellbar gelagert. Ebenso
erfolgt im Aktuatorkolben-Zylinderraum 41 die hydraulische
Druckübertragung
zwischen dem Aktuatorkolben 35 und dem Ventilkolben 34,
der hier als Plunger und als Bestandteil des Ventilstößels 23 ausgebildet
ist.
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Obwohl
der Ventilstößel 23 bzw.
der Ventilkolben 34 bei der Ausführungsform gemäß 3 in den
Aktuatorkolben-Zylinderraum 41 hineinragt, ist klar, dass
dies bei einer anderen Ausführungsform nicht
der Fall sein muss. Beispielsweise ist der Ventilkolben 34 mehr
oder weniger tief im Verschlusskörper 25 versenkt
angeordnet. Bei der Ausführungsform
gemäß 3 ist
zusätzlich
eine Rückstellfeder 42 vorgesehen,
die sich einerseits am Piezoaktuator 4 und andererseits
am Verschlusskörper 25 abstützt.
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Außerdem kann
bei allen Varianten eine Schließdruckfeder 43 vorgesehen
sein, die beispielsweise im Hochdruckraum 16 angeordnet
ist und das Ventilglied 16 gegen den Ventilsitz 19 vorspannt.
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Das
erfindungsgemäße Steuerventil 1 arbeitet
wie folgt:
In einer in den 1 bis 3 gezeigten
Ausgangsposition befindet sich die Düsennadel 6 in ihrem
Nadelsitz 9 und sperrt die Verbindung der Kraftstoffversorgung 10 zu
dem wenigstens einen Spritzloch 7. Außerdem befindet sich das Ventilglied 18 in
seinem Ventilsitz 19 und sperrt dadurch die Verbindung 20 zwischen
dem Hochdruckraum 16 und dem Rücklauf 21. Des Weiteren
herrscht in der Kraftstoffversorgung 10 bis zum Nadelsitz 9 der
relativ hohe Einspritzdruck. Dieser Einspritzdruck herrscht folglich
auch im Steuerraum 14 sowie im Hochdruckraum 16.
Des Weiteren herrscht im Rücklauf 21 der
relativ niedrige Systemdruck. Der Systemdruck herrscht folglich dann
auch im Vorspannraum 33 und somit auch in der Flüssigkeit 28,
die im Aktuatorraum 3 eingeschlossen ist.
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Zum Öffnen der
Düsennadel 6 wird
nun der Piezoaktuator 4 bestromt, wodurch dieser seine
axiale Länge
vergrößert und
einen entsprechenden Hub durchführt.
Dementsprechend führt
der mit dem Piezoaktuator 4 antriebsverbundene Aktuatorkolben 35 denselben
Aktuatorhub durch. Über
die hydraulische Kopplung 24 wird dieser Aktuatorhub in
einen entsprechenden Ventilhub über-
oder untersetzt. Die Über-
oder Untersetzungswirkung kann dabei über eine entsprechende Dimensionierung
der hydraulisch miteinander zusammenwirkenden Komponenten der hydraulischen
Kopplung 24 gezielt vorgegeben werden.
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Durch
den Ventilhub hebt das Ventilglied 18 vom Ventilsitz 19 ab
und öffnet
dadurch die Verbindung 20. In der Folge kann sich der Hochdruckraum 16 in
den Rücklauf 21 entspannen,
was zu einem Druckabfall im Hochdruckraum 16 führt, der
sich in den Steuerraum 14 fortpflanzt, allerdings verzögert durch
die Ablaufdrossel 17. Sofern die Zulaufdrossel 15 eine
stärkere
Drosselwirkung als die Ablaufdrossel 17 besitzt, führt dies
zu einem Druckabfall im Steuerraum 14, wodurch die am Nadelverband 11 in Schließrichtung
wirksamen Kräfte
reduziert werden, bis die in Öffnungsrichtung
wirkenden Kräfte überwiegen.
In der Folge hebt die Düsennadel 6 vom
Nadelsitz 9 ab, wodurch das wenigstens eine Spritzloch 7 mit
der Kraftstoffversorgung 10 verbunden ist und die erwünschte Kraftstoffeinspritzung
stattfindet.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des Piezoaktuators 4 beendet.
Unterstützt
durch die Schließdruckfeder 43 und
die Rückstellfeder 42,
fährt der
Aktuatorkolben 35 in seine Ausgangsstellung zurück. Folglich
wird auch der Ventilstößel 23 bzw.
der Ventilverband 22 in die Schließposition des Ventilglieds zurückverstellt.
Sobald die Verbindung 20 wieder durch das Ventilglied 18 gesperrt
ist, kann sich über
die Kraftstoffversorgung 10 im Steuerraum 14 wieder
der Einspritzdruck aufbauen, was die Schließkräfte im Nadelverband 11 so
weit erhöht,
bis die Düsennadel 6 wieder
in ihren Nadelsitz 9 einfährt und die Verbindung des
wenigstens einen Spritzlochs 7 zur Kraftstoffzuführung 10 trennt.
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- 1
- Steuerventil
- 2
- Ventilkörper
- 3
- Aktuatorraum
- 4
- Piezoaktuator
- 5
- Einspritzdüse
- 6
- Düsennadel
- 7
- Spritzloch
- 8
- Einspritzraum
- 9
- Nadelsitz
- 10
- Kraftstoffversorgung
- 11
- Nadelverband
- 12
- Steuerkolben
- 13
- Steuerfläche
- 14
- Steuerraum
- 15
- Zulaufdrossel
- 16
- Hochdruckraum
- 17
- Ablaufdrossel
- 18
- Ventilglied
- 19
- Ventilsitz
- 20
- Verbindung
- 21
- Rücklauf
- 22
- Ventilverband
- 23
- Ventilstößel
- 24
- hydraulische
Kopplung
- 25
- Verschlusskörper
- 26
- Dichtung
- 27
- Dichtelement
- 28
- elektrisch
isolierende Flüssigkeit
- 29
- Isolationsvolumen
- 30
- Schweißverbindung
- 31
- Hohlraum
- 32
- Verbindungspfad
- 33
- Vorspannraum
- 34
- Ventilkolben
- 35
- Aktuatorkolben
- 36
- Ventilkolben-Zylinderraum
- 37
- Bohrung
- 38
- Vorspannfeder
- 39
- Abstützkolben
- 40
- Öffnungsdruckfeder
- 41
- Aktuatorkolben-Zylinderraum
- 42
- Rückstellfeder
- 43
- Schließdruckfeder