DE102005003453B4

DE102005003453B4 - Antrieb, insbesondere Piezoantrieb, für ein Kraftstoff-Einspritzventil

Info

Publication number: DE102005003453B4
Application number: DE102005003453A
Authority: DE
Inventors: Jürgen LOMMER
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2025-01-26
Also published as: DE102005003453A1

Abstract

Antrieb für ein Kraftstoff-Einspritzventil mit einem Aktor (2), einem die Mantelfläche (11) des Aktors (2) hülsenförmig umschließenden Gehäuse (3), und mit einem flüssigen Kühlmittel (4) zur Kühlung des Antriebs, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdampfungskühlung vorgesehen ist, wobei innerhalb des Antriebs ein geschlossener Raum (1, 6, 7, 9, 10) gebildet ist, der das Kühlmittel (4) enthält und der einen Verdampfungsbereich umfasst, in dem das Kühlmittel (4) durch die vom Aktor (2) abgegebene Wärme verdampft, sowie einen Kondensationsbereich, in dem der Kühlmitteldampf wieder kondensiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für ein Kraftstoff-Einspritzventil mit einem Aktor, einem die Mantelfläche des Aktors hülsenförmig umschließenden Gehäuse, und mit einem flüssigen Kühlmittel zur Kühlung des Antriebs.
Bei der Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme eingesetzt, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken und schnellen Schaltgeschwindigkeiten gearbeitet wird. Bei diesen Systemen wird der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen Druckspeicher gefördert, von dem aus die Einspritzventile, auch Injektoren genannt, an den einzelnen Zylindern versorgt werden. Die Steuerung des Öffnens und Schließens der Einspritzventile erfolgt dabei jeweils über einen Antrieb mit elektrisch angesteuertem Aktor, wobei sich vor allem der Einsatz von piezoelektrischen Aktoren zum Erzielen ausreichend kurzer Schaltzeiten als vorteilhaft erwiesen hat.
Der Piezoaktor wirkt dabei in der Regel nicht direkt auf die Düsennadel des Einspritzventils ein, sondern indirekt, über ein Steuer- oder Servoventil, das hydraulisch den Druck steuert, der auf die Düsennadel ausgeübt wird. Der Stellantrieb des Einspritzventils umfasst typischerweise den Piezoaktor, das Servoventil und ein Gehäuse mit einem Aktorraum, in dem der Aktor angeordnet ist. Für eine präzise Funktionsweise muss der sich zwischen dem Piezoaktor und dem jeweiligen Stellglied ergebende Leerhub sehr genau vorjustiert werden.
Aus US 2003/0 122 448 A1 ist ein mikroelektrischer mechanischer Generator bekannt, der ein Gehäuse aufweist mit einer Wärmequelle, einer Wärmesenke und einer Flüssigkeit in einem Gehäuseteil. Elektrische Energie wird erzeugt, sobald eine Deformation eines Gehäuseteils stattfindet, das ein piezoelektrisches Element aufweist.
Aus DE 10 2004 049 703 A1 (nachveröffentlicht) ist ein Kraftstoffinjektor mit einer Kühleinrichtung bekannt, wobei ein flüssiges metallisches Kühlmittel für den Wärmetransport der Wärme vom Aktor zur Umgebung des Aktors vorhanden ist.
Aus DE 10 2004 051 405 A1 (nachveröffentlicht) ist ein Piezoaktor für ein Einspritzventil mit einem Gehäuse bekannt, wobei zwischen eine Innenwand des Injektorgehäuses und einer Außenwand des Aktors ein Raum ausgebildet ist, der mit einer wärmeleitenden Flüssigkeit gefüllt ist. Weiterhin sind Bewegungsmittel am Aktor vorgesehen, mit denen die Flüssigkeit bei einer bidirektionalen Betätigung des Aktors in Bewegung gesetzt wird.
Aus JP 2004 150 276 A ist ein Injektor mit einem Injektorgehäuse bekannt, mit einer Kühlummantelung auf der Außenfläche des Gehäuses. Dadurch wir die Hitze des Injektorgehäuses absorbiert. Die Kühlummantelung ist im Bereich des piezoelektrischen Aktors angeordnet.
Aus der DE 199 09 451 A1 ist ein Injektor mit einem gattungsgemäßen Antrieb bekannt, bei dem der Aktor des Antriebs als Piezo-Mehrlagenaktor ausgebildet ist. Um eine Überhitzung des Antriebs zu verhindern, muss dieser gekühlt werden, wobei eine aktive Kühlung durch ein den Aktor umströmendes flüssiges Kühlmittel, insbesondere Kraftstoff, vorgeschlagen wird. Im bekannten Antrieb ist die Mantelfläche des Aktors unter Einhaltung eines Zwischenraumes von einem Gehäuse, dem Injektorgehäuse, umgeben und das Kühlmittel durchströmt diesen Zwischenraum. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, wird die Mantelfläche des Aktors durch eine elastische, gut wärmeleitfähige Elektroisolationsschicht elektrisch gegenüber dem Kühlmittelstrom isoliert. Der bekannte Antrieb erfordert jedoch neben dem konstruktiven Aufwand einen relativ hohen Platzverbrauch, um einen ausreichend effizienten Kühlmittelstrom zu ermöglichen.
Bei Kraftstoffeinspritzsystemen der neueren Generation entsteht bedingt durch die steigenden Anforderungen an die Zahl der Einspritzungen pro Zyklus und die hohe Energieaufnahme der Aktoren immer mehr Wärme im Aktor. Ohne effiziente aktive Kühlung kann sich das System so stark erwärmen, dass der Antrieb sich selbst zerstört und es zu einem Totalausfall des Systems kommt.
Problematisch an einer lokalen Überhitzung im Antrieb bzw. an einer unzureichenden, ungleichmäßigen Wärmeabführung ist weiterhin, dass ein definierter Leerhub in Frage gestellt ist. Der Leerhub ist erforderlich, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen dem Material des Aktors und dem das Gehäuses ausgleichen zu können. Treten hingegen im Aktorraum erhebliche Temperaturunterschiede auf, so werden die Verhält nisse hinsichtlich der Wärmeausdehnungsdifferenz der Materialien bzw. Komponenten undefiniert. Durch die auf die Temperaturverteilung im Aktor zurückgehende unterschiedliche Ausdehnung der Antriebskomponenten kommt es also zu Schwankungen des eingestellten Leerhubs des Einspritzsystems. Um das System optimal betreiben zu können, sollte der Leerhub jedoch möglichst konstant bleiben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei geringem baulichen Aufwand sowohl eine effiziente aktive Kühlung des Antriebs zur Verfügung zu stellen als auch die Temperatur der Bauteile im Antrieb auf ein möglichst gleichmäßiges Niveau zu bringen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Antrieb für ein Kraftstoff-Einspritzventil gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist zur Kühlung des Antriebs eine Verdampfungskühlung vorgesehen, wobei innerhalb des Antriebs ein geschlossener Raum gebildet ist, der das Kühlmittel enthält und der einen Verdampfungsbereich umfasst, in dem das Kühlmittel durch die vom Aktor abgegebene Wärme verdampft, sowie einen Kondensationsbereich, in dem der Kühlmitteldampf wieder kondensiert.
Nach einem Grundgedanken der Erfindung wird also der Effekt der Verdampfungskühlung zum Kühlen eines Aktors eines Kraftstoffeinspritzventils ausgenutzt. Dabei befinden sich beide Phasen des Kühlfluids in einem geschlossenen, im Wesentlichen axial ausgerichteten Hohlraumsystem des Antriebs und der Kreislauf zwischen Verdampfen und Kondensieren läuft räumlich zwischen einem wärmeren Verdampfungsort, dem die Verduns tungskälte entzogen wird, und einem oberhalb davon angeordneten, kälteren Kondensationsbereich ab. Ein weiterer Effekt dieser Verdampfungskühlung ist, dass sich im geschlossenen Raum des Antriebs, in dem der Verdampfungs-/Kondensationsprozess stattfindet, und in dessen Umgebung eine relativ gleichmäßige Temperatur einstellt. Voraussetzung ist, dass die Kondensationswärme am kühleren Kondensationsbereich genügend abgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß kann das Gehäuse beispielsweise durch ein Aktorgehäuse gebildet sein, das wenigstens teilweise in ein Ventilgehäuse eingeschoben und mit diesem über Befestigungsmittel lösbar verbunden ist. Das Gehäuse kann auch einstückig mit dem Ventilgehäuse ausgebildet sein. Entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten eröffnen sich flexible Möglichkeiten, den geschlossenen Raum im Bereich des Antriebs zu realisieren.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht dabei darin, dass die Mantelfläche des Aktors unter Einhaltung eines Zwischenraums von dem Gehäuse umgeben ist, und dass der geschlossene Raum mindestens einen Teil des Zwischenraums umfasst. Vorteilhaft ist insbesondere, wenn das Kühlfluid im Zwischenraum verdampft und dadurch sowohl der Mantelfläche des Aktors wie der Innenwand des Gehäuses gleichmäßig Wärme entzieht.
Alternativ oder zusätzlich kann im Material des Gehäuses mindestens eine axiale Bohrung vorgesehen sein, die sich seitlich zum Aktor mindestens über einen Teil der Aktorlänge hinweg erstreckt, wobei der geschlossene Raum die mindestens eine Bohrung umfasst. Durch in der Gehäusehülse verteilte axiale Bohrungen, die im Wesentlichen den Verdampfungsbereich des geschlossenen Raumes erweitern, erhöht sich die Effizienz und Gleichmäßigkeit der Kühlung im gesamten Antrieb. Dies ist besonders dann der Fall, wenn der geschlossene Raum mindestens eine Verbindungsbohrung umfasst, die im Material des Gehäuses vorgesehen ist und die die mindestens eine axiale Bohrung mit dem Zwischenraum verbindet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung von mindestens einer der erwähnten Ausführungsformen der Erfindung ist es vorteilhaft, dass der Aktor an einer Kopfplatte einseitig axial abgestützt ist, und dass – zur Bildung eines erweiterten Kondensationsbereiches – die mindestens eine axiale Bohrung und/oder die mindestens eine Verbindungsbohrung und/oder eine mit dem geschlossenen Raum verbundene, vom Zwischenraum in die Kopfplatte führende Bohrung jeweils axial bis in einen Bereich jenseits des kopfplattenseitigen Endes des Aktors weitergeführt ist.
Diese Art der Bildung eines erweiterten Kondensationsbereiches bringt auch eine konkrete Möglichkeit mit sich, um den Kondensationsbereich des geschlossenen Raumes auf einfache Weise an oder benachbart zu einer kühleren oder gekühlten Stelle des Gehäuses oder der Kopfplatte anzuordnen und somit die Effizienz der Kühlung zu verstärken.
Bei einer besonders effizienten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Verdampfungskühlung in Form einer Siedekühlung vorgesehen, wobei das flüssige Kühlmittel einen Siedepunkt aufweist, der im Betriebstemperaturbereich des Aktors liegt. Da die Betriebstemperatur eines Piezoaktors etwa im Bereich von 80–120°C liegt, kann vorteilhaft Wasser als Kühlfluid verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktor als Piezo-Mehrlagenaktor ausgebildet und zwischen einer fest mit dem Gehäuse verbundenen Kopfplatte und einer gegenüberliegenden, im Gehäuse frei beweglichen Bodenplatte angeordnet. Der Kühlmitteldampf steigt vom Verdampfungsbereich am bodenplattenseitigen Ende des geschlossenen Raumes zum Kondensationsbereich am kopfplattenseitigen Ende des geschlossenen Raumes auf und fließt nach der Kondensation in umgekehrter Richtung wieder zurück.
Vorzugsweise können Alkoholverbindungen eingesetzt werden, die im Bereich zwischen 80° und 130°C verdampfen. Insbesondere eignet sich Propanol.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt in Form eines schematischen Längsschnitts einen Abschnitt eines Einspritzventils mit erfindungsgemäßem Antrieb.
Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch den mittleren Bereich des Einspritzventils, wobei wesentliche Komponenten des Piezoantriebs dargestellt sind. Der piezoelektrische Aktor 2 kann als Aktoreinheit ausgeführt und beispielsweise mit einer (nicht dargestellten) Rohrfeder vorgespannt und, zumindest in bestimmten Bereichen seiner Mantelfläche 11, mit einer elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden Beschichtung versehen sein. Im seinem oberen Bereich ist der Aktor 2 über eine Kopfplatte 8, an der er sich einseitig axial abstützt, fest mit dem Gehäuse 3 verbunden. Das metallische Gehäuse 3 ist im in der Figur dargestellten Ventilabschnitt hülsenförmig ausgebildet, so dass es in seinem Innenbereich, dem Aktorraum, den Aktor 2 aufnehmen kann. Gegenüberliegend zur Kopfplatte 8 ist eine Bodenplatte 12 vorgesehen, an die der Aktor 2 angrenzt, und die im Gehäuse 3 axial beweglich angeordnet ist. Unterhalb der Bodenplatte 12 können in der Figur nicht dargestellte mechanische und/oder hydraulische Übertragungselemente, insbesondere ein Servoventil, vorgesehen sein, die mit der Düsennadel des Einspritzventils in Wirkverbindung stehen. Der Leerhub des Injektors entspricht im Wesentlichen der Differenz zwischen der Auslenkung des Aktors in dessen Ruhezustand und der Auslenkung des Aktors, bei der das Einspritzventil sich gerade zu öffnen beginnt. Das Einspritzventil weist in seinem oberen, hier ebenfalls nicht dargestellten, Bereich einen Steueranschluss auf, der den Aktor 2 über Steuerleitungen mit einem Signalgenerator bzw. dem Kfz-Steuergerät verbindet.
Zwischen der Aktoreinheit 2 und dem Gehäuse 3 befindet sich ein Zwischenraum 1 der, beispielhalber, mit einem Kühlfluid 4 bis zur Hälfte gefüllt ist. Auf der beweglichen Seite des Aktors 2 wird der Zwischenraum 1 mit Hilfe eines Dichtelements 5 abgedichtet. Durch das Verdampfen des Kühlfluids 4, das sich im Zwischenraum 1 zwischen Aktor 2 und (Injektor)Gehäuse 3 und/oder in speziellen, um den Aktorraum herum verteilten axialen Bohrungen 6 im Gehäuse 3 befindet, wird dem jeweiligen Verdampfungsort bzw. seiner Umgebung eine große Menge Wärmeenergie entzogen.
Das verdampfte Kühlfluid 4 steigt im Aktorraum, genauer: im Zwischenraum 1 und/oder in den speziellen Bohrungen 6 nach oben und kondensiert dort im kühleren oberen Bereich des Antriebs, bzw. der Kühlmitteldampf kann durch Verbindungsbohrungen 7, die im Material des Gehäuses 3 vorgesehen ist und die die mindestens eine axiale Bohrung 6 mit dem Zwischenraum 1 verbinden, weiter nach oben steigen und dort an einer kühleren Stelle bzw. benachbart zu einer speziell gekühlten Stelle 13 des Antriebs bzw. des Einspritzventils wieder kondensieren. An dieser Stelle 13 wird die Kondensationswärme frei. Das verflüssigte Kühlfluid 4 fließt wieder nach unten und kann erneut verdampfen und Wärme abführen.
Zur Bildung eines geschlossenen Raumes 1, 6, 7, 9 und 10 mit erweitertem bzw. kühlerem Kondensationsbereich ist es günstig, die mindestens eine axiale Bohrung 6 und/oder die mindestens eine Verbindungsbohrung 7 und/oder eine mit dem geschlossenen Raum verbundene, vom Zwischenraum 1 in die Kopfplatte 8 führende Bohrung 10 jeweils axial bis in einen Bereich jenseits des kopfplattenseitigen Endes des Aktors 2 weiterzuführen. In der Figur ist, neben der Kopfplattenbohrung 10, insbesondere die zur axialen Bohrung 6 bzw. zur Verbindungsbohrung 7 gehörige Erweiterungsbohrung 9 dargestellt.

Claims

Antrieb für ein Kraftstoff-Einspritzventil mit einem Aktor (2), einem die Mantelfläche (11) des Aktors (2) hülsenförmig umschließenden Gehäuse (3), und mit einem flüssigen Kühlmittel (4) zur Kühlung des Antriebs, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdampfungskühlung vorgesehen ist, wobei innerhalb des Antriebs ein geschlossener Raum (1, 6, 7, 9, 10) gebildet ist, der das Kühlmittel (4) enthält und der einen Verdampfungsbereich umfasst, in dem das Kühlmittel (4) durch die vom Aktor (2) abgegebene Wärme verdampft, sowie einen Kondensationsbereich, in dem der Kühlmitteldampf wieder kondensiert.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (11) des Aktors (2) unter Einhaltung eines Zwischenraums (1) von dem Gehäuse (3) umgeben ist, und dass der geschlossene Raum (1, 6, 7, 9, 10) mindestens einen Teil des Zwischenraums (1) umfasst.
Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Material des Gehäuses (3) mindestens eine axiale Bohrung (6) vorgesehen ist, die sich seitlich zum Aktor (2) mindestens über einen Teil der Aktorlänge hinweg erstreckt, und dass der geschlossene Raum (1, 6, 7, 9, 10) die mindestens eine Bohrung (6) umfasst.
Antrieb nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Raum (1, 6, 7, 9, 10) mindestens eine Verbindungsbohrung (7) umfasst, die im Material des Gehäuses (3) vorgesehen ist und die die mindestens eine axiale Bohrung (6) mit dem Zwischenraum (1) verbindet.
Antrieb nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (2) an einer Kopfplatte (8) einseitig axial abgestützt ist, und dass – zur Bildung eines erweiterten Kondensationsbereiches – die mindestens eine axiale Bohrung (6) und/oder die mindestens eine Verbindungsbohrung (7) und/oder eine mit dem geschlossenen Raum (1, 6, 7, 9, 10) verbundene, vom Zwischenraum (1) in die Kopfplatte (8) führende Bohrung (10) jeweils axial bis in einen Bereich jenseits des kopfplattenseitigen Endes des Aktors (2) weitergeführt ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsbereich des geschlossenen Raumes (1, 6, 7, 9, 10) an oder benachbart zu einer kühleren oder gekühlten Stelle (13) des Gehäuses (3) oder der Kopfplatte (8) vorgesehen ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kühlmittel (4) einen Siedepunkt aufweist, der im Betriebstemperaturbereich des Aktors (2) liegt.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (2) als Piezo-Mehrlagenaktor ausgebildet und zwischen einer fest mit dem Gehäuse (3) verbundenen Kopfplatte (8) und einer gegenüberliegenden, im Gehäuse (3) axial beweglichen Bodenplatte (12) angeordnet ist, und dass der Kühlmitteldampf vom Verdampfungsbereich am bodenplattenseitigen Ende des geschlossenen Raumes (1, 6, 7, 9, 10) zum Kondensationsbereich am kopfplattenseitigen Ende des geschlossenen Raumes (1, 6, 7, 9, 10) aufsteigt und nach der Kondensation in umgekehrter Richtung wieder zurückfließt.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel eine Alkoholverbindung, insbesondere Propanol angeordnet ist.