DE102006037040B4

DE102006037040B4 - Brennstoffeinspritzventil mit Zündung

Info

Publication number: DE102006037040B4
Application number: DE200610037040
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Oliver Hennig; Günter Dr. Lugert; Randolf Mock; Christian Tump
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2026-08-09
Also published as: DE102006037040A1; WO2008017576A1

Abstract

Brennstoffeinspritzventil mit Zündung, insbesondere Einspritzventil für eine Brennstoffeinspritzanlage einer Verbrennungsmaschine, mit einem Piezoaktuator (7), der über eine Ventilnadel (6) einen Ventilschließkörper (8) betätigt, durch den der Brennstoffaustritt regelbar ist, sowie zumindest einer zu einer Brennraumseite hin orientierten ersten Zündelektrode (12) und einer Spule (2, 22) eines Zündschwingkreises, die mit der ersten Zündelektrode (12) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2, 22) konzentrisch um den Piezoaktuator (7) herum angeordnet ist und diesen umschließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündung.
Die Verringerung des Fahrzeuggewichts spielt neben der Optimierung des Verbrennungsvorgangs eine wichtige Rolle, um sowohl den Kraftstoffverbrauch als auch den Abgasausstoß von Kraftfahrzeugen zu verringern. Dies gilt insbesondere auch für Verbrennungskraftmaschinen selbst, die in den vergangenen Jahrzehnten bezogen auf die von ihnen erzeugte Antriebsleistung erheblich kompakter und damit auch leichter wurden.
Die Verkleinerung der Abmessungen einer Vebrennungskraftmaschine erfordert auch eine Verkleinerung aller im und am Motor eingesetzten Komponenten wie Brennstoffeinspritzventile, Zündkerzen usw. Einer weiteren Verkleinerung der Abmessungen der Komponenten ist jedoch eine Grenze gesetzt, die durch die jeweilige Funktion des Bauteils gegeben ist. Zum Beispiel erlauben die erheblichen Kräfte, die beim Schaltvorgang eines piezoelektrischen Einspritzventils auftreten, keine wesentliche Verringerung der Wandstarke des Außengehäuses.
Ein Lösungsansatz besteht in der Zusammenlegung von mehreren Funktionen in eine Komponente. So können die Funktionen von Zündkerze und Injektor in ein gemeinsames Gehäuse integriert werden.
Aus der DE 103 37 630 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil mit einem in einem Gehäuse angeordneten Piezoaktuator, der einen zylindrischen Ventilkörper gegen die Wirkung einer Feder bewegt und damit einen Kraftstoffaustritt steuert, und mit einer integrierten Zündkerze bekannt. Der Ventilkörper ist hohl und nimmt die Hochspannungselektrode der Zündkerze auf, die zumindest annähernd mit dem Ventilkörper bündig abschließt. Ein Zündtransformator mit Primär- und Sekundärwicklung ist im Gehäuse angeordnet. Die Zündkerze erzeugt im Bereich einer Kraftstoffaustrittsöffnung zwischen einer Hochspannungs- und einer Masseelektrode einen Zündfunken.
In einer Ausführungsform sitzen die Primär- und Sekundärwicklung auf einem Spulenkörper, der zwischen dem Piezoaktuator und dem Ventilkörper angeordnet ist.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die Primär- und Sekundärwicklung zusätzliche Baulänge beanspruchen.
Auch Ottokraftstoffmotoren spritzen in immer größerer Anzahl direkt in den Brennraum ein und/oder nutzen Schichtladungsverfahren. Bei diesen ist eine größere Flexibilität hinsichtlich der Brenndauer, der Energie des Zündfunkens sowie der möglichen Abfolge von Zündfunken kurz hintereinander erwünscht. Eine bekannte Zündmöglichkeit, die diese Merkmale bietet, ist die Hochfrequenzplasmazündung, wie sie beispielsweise in der DE 10 2004 058 925 A1 beschrieben wird. Dabei wird ein Schwingkreis, bestehend aus einer Spule als Induktivität und einer Kapazität durch eine Hochfrequenzquelle resonant angeregt, bis an den die Kapazität darstellenden Elektroden ein Hochfrequenzplasma zündet.
Dabei muss der Schwingkreis unmittelbar in räumlicher Nähe zu den Elektroden einer Zündvorrichtung angeordnet werden, da bereits die geringe Kapazität der zueinander isolierten Elektroden ausreicht und ein weiterer Abstand eine unerwünscht große Kapazität der erforderlichen längeren Zuleitungen mit sich bringt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündung anzugeben, das eine Hochfrequenzplasmazündung ermöglicht, dabei in seinem Aufbau kompakt ist und keine wesentlich größeren Maße als ein reines Brennstoffeinspritzventil aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhaft ist bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils bei einer Verbrennungskraftmaschine nur eine Durchführung durch den Motorblock in den Brennraum notwendig. Die Verbrennungskraftmaschine kann also entweder kompakter gebaut oder aber durch eine zweite Durchführung eine weitere Komponente, etwa ein Brennraumdrucksensor, eingesetzt werden. Die Spule kann konzentrisch um den Piezoaktuator angeordnet werden, da diese keinen Kern, z. B. aus Weicheisen benötigt. Die hohe Hysterese eines Kerns wäre bei dem Hochfrequenzschwingkreis eher störend. Diese Anordnung der Spule ist daher erst bei einer Hochfrequenzplasmazündung möglich. Auch reicht die kurze Zuleitung zu der ersten Elektrode als Kapazität aus. Als Folge ist ein sehr kompakter Aufbau möglich, der kaum mehr Bauraum beansprucht, als ein herkömmliches Brennstoffeinspritventil.
In günstiger Ausführungsform ist die erste Zündelektrode durch die hohle Ventilnadel und den hohlen Ventilkörper hindurchgeführt.
Dadurch kann z. B. eine zentrale Zündelektrode in der Ventilnadel angeordnet werden. Die Zündenergie der Plasmaentladung steht dann genau an der Stelle zur Verfügung, an der der Brennstoff aus dem Brennstoffeinspritventil austritt. Damit kann die Zündung des Treibstoffs mit einem Minimum an elektrischer Energie erfolgen. Es müssen nicht mehr so hohe Anforderungen an die Güte des elektrischen Resonators gestellt werden. Als Folge wird der Abbrand der Zünd-Elektrode, der aufgrund der extrem hohen Temperaturen der Plasmaentladung überaus groß ist, auf ein akzeptables Maß verringert. Bei Magergemischverbrennungskraftmaschinen bzw. Schichtladungsverbrennungskraftmaschinen kann auch leichter im Bereich der Zündung ein zündfähiges Gemisch erreicht werden bzw. durch eine zusätzliche Einspritzung erst gebildet werden.
In vorteilhafter Ausführung weist die Ventilnadel und der Ventilkörper eine sie umschließende Isolationsschicht auf, die aus Keramik bestehen kann.
Durch die elektrisch isolierende Keramik, die zugleich temperaturbeständig und mechanisch widerstandsfähig ist, kann der Zündfunke von der Spitze der ersten Zündelektrode durch den Austrittsbereich des Brennstoffs hindurch zu einem Gehäuse des Brennstoffeinspritventils und/oder zur Masse der Verbrennungskraftmaschine gelenkt werden.
In vorteilhafter Ausführung wird eine Einheit aus dem Piezoaktuator, einem Piezoaktuatorgehäuse sowie der Ventilnadel und dem Ventilkörper durch einen Isolierkörper gegenüber dem Brennstoffeinspritzventil abgestützt und isoliert.
Der Piezoaktuator wird von einem Piezoaktuatorgehäuse, zumeist gebildet von einer Rohrfeder, umgeben. An der einen Seite des Piezoaktuators ist dieser mit der Ventilnadel und an der anderen Seite mit einem hydraulischen Kompensator verbunden. Wird diese Einheit gegenüber dem hydraulischen Kompensator isoliert und ist auch die Ventilnadel isoliert, so kann der ersten Zündelektrode der Zündfunke durch eine geeignete elektrische Verbindung leicht zugeführt werden.
Vorteilhaft ist die Spule über einen auf der Seite des Isolierkörpers mit dem Piezoaktuatorgehäuse verbundenen Draht mit der ersten Zündelektrode verbunden.
Dadurch wird der Draht nicht bzw. nur geringfügig durch die mechanischen Bewegungen beim Betätigen des Brennstoffeinspritventils belastet.
In vorteilhafter Ausführung wird die Zündspannung auf die erste Zündelektrode von der Spule über ein kapazitives Koppelelement berührungslos einkoppelt, wobei die Spule mit der ersten Zündelektrode über diese elektrisch verbunden ist.
Die hochfrequente elektrische Energie wird rein kapazitiv in den metallischen Kern der Ventilnadel eingekoppelt. Damit kann die unter Umständen problematische Drahtverbindung im Inneren des Brennstoffeinspritzventils entfallen.
Ein Gehäuse des Brennstoffeinspritzventils kann als zweite Zündelektrode dienen.
Der Weg von der Spitze der ersten Zündelektroden bis zum Außenrand des Gehäuses dient dann als Funkenstrecke.
In günstiger Ausführungsform weist das Brennstoffeinspritzventil ein doppelwandiges Gehäuse auf, wobei zwischen einer Innenwand und einer Außenwand der Brennstoff zu einem von dem Ventilkörper verschließbaren Dichtsitz zugeführt wird, und die Spule zwischen der Innenwand und der Außenwand angeordnet ist.
Die Spule ist dann im von Brennstoff durchströmten Zwischenraum zwischen Innen- und Außenwand des Gehäuses des Brennstoffeinspritventils angeordnet. Dies erlaubt zum einen eine kompaktere Bauweise, zum anderen wird der durchströmende Brennstoff durch die spiralförmige Wicklung der Spule auf eine spiralförmige Bahn gezwungen. Dies verbessert aufgrund des Dralls die thermische Ankopplung des Fluids an die umgebenden Wände und verbessert somit die Kühlung des Brennstoffeinspritzventils.
Alternativ kann die Spule innerhalb der Innenwand angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mithilfe von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Schnittansicht eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels und
3 eine schematische Schnittansicht eines dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines ersten erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritventils 1, in das ein Hochfrequenzplasmazündsystem integriert ist. Eine Spule 2 ist innerhalb einer Innenwand 3 eines Gehäuses 4 und um eine das Piezoaktuatorgehäuse bildende Rohrfeder 5 eines Piezoaktuators 7 herum angeordnet. Eine Ventilnadel 6 ist mit dem Piezoaktuator 7 verbunden und weist einen Ventilkörper 8 auf, der mit einer an einem Hals 9 des Gehäuses 4 angeordneten Dichtsitzfläche 10 einen Dichtsitz 11 bildet. Die Ventilnadel 6 besteht aus einem äußeren Teil, der aus elektrisch isolierender Keramik 13 besteht, und einer ersten Zündelektrode 12, die die Zündspannung in den Bereich des nicht dargestellten Brennraums führt. Die Rohrfeder 5 des Piezoaktuators 7 ist über einen Isolierkörper 14 mit einem hydraulischen Kompensator 15 verbunden. Über eine Brennstoffzufuhr 16 wird Brennstoff in einen Zwischenraum zwischen der Innenwand 3 des Gehäuses 4 und einer Außenwand 16 des Gehäuses 4 geleitet und schließlich dem Dichtsitz 11 zugeführt. Die Spule 2 als Teil eines Hochfrequenzschwingkreises gibt ihre elektrische Spannung über einen Draht 17 an eine Deckelplatte 18 der Rohrfeder 5 des Piezoaktuators 7 ab, die sich bei Betätigung des Piezoaktuators 7 nicht oder zumindest nur geringfügig mechanisch bewegt. Über die Rohrfeder 5 ist somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Spule 2 und der ersten Zündelektrode 12 in der Ventilnadel 6 hergestellt. Die Spule 2 ist über eine elektrische Zuleitung 20 mit einer nicht dargestellten Hochfrequenzspannungsquelle verbunden.
Wenn an den Piezoaktuator 7 eine Spannung angelegt wird, vergrößert sich die Länge des Piezoaktuators 7 und die Ventilnadel 6 hebt den Ventilkörper 8 aus dem Dichtsitz 11, so dass über die Brennstoffzufuhr 19 und den Zwischenraum zwischen Innenwand 3 sowie Außenwand 16 des Gehäuses 4 Brennstoff zu dem Dichtsitz 11 strömt und von dort in einen nicht dargestellten Brennraum eingespritzt wird. Dabei gleicht der hydraulische Kompensator 15 Längenunterschiede des Gehäuses 4 aufgrund der Wärme aus. Über die elektrische Zuleitung 20 wird ein Schwingkreis, der aus der Induktivität der Spule 2 und der Kapazität der ersten Zündelektrode 12 gegenüber dem Hals 9 des Gehäuses 4 besteht, angeregt. Dadurch kommt es zur Zündung eines hochfrequenten Plasmafunkens zwischen der ersten Zündelelektrode 12 und dem als zweite Zündelektrode dienenden Hals 9.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritventils 21, in das ein Hochfrequenzplasmazündsystem integriert ist. Dabei sind in der 1 entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Eine Spule 22 ist im Zwischenraum zwischen der Innenwand 3 und der Außenwand 16 des Gehäuses 4 angeordnet und über die elektrische Zuleitung 20 mit einer nicht dargestellten Hochfrequenzspannungsquelle verbunden. Die Ventilnadel 6 mit dem Ventilkörper 8 ist mit dem Piezoaktuator 7 und der Rohrfeder 5 verbunden. Die Dichtsitzfläche 10 an dem Hals 9 des Gehäuses 4 bildet mit dem Ventilkörper 8 den Dichtsitz 11. Die Ventilnadel 6 hat eine äußere, elektrisch isolierende Keramik 13 und nimmt die erste Zündelektrode 12 auf. Die Rohrfeder 5 des Piezoaktuators 7 liegt über den Isolierkörper 14 an dem hydraulischen Kompensator 15 an. Über eine Brennstoffzufuhr 16 wird Brennstoff in einen Zwischenraum zwischen der Innenwand 3 des Gehäuses 4 und der Außenwand 16 des Gehäuses 4 geleitet und schließlich dem Dichtsitz 11 zugeführt. Die Spule 22 als Teil eines Hochfrequenzschwingkreises gibt ihre elektrische Spannung über einen Draht 23 an die Deckelplatte 18 der Rohrfeder 5 des Piezoaktuators 7 ab.
Die Spule 22 in dem von Brennstoff durchströmten Zwischenraum zwischen Innenwand 3 und Außenwand 16 des Gehäuses 4 des Brennstoffeinspritventils 21 erlaubt eine kompaktere Bauweise und der durchströmende Brennstoff wird durch die spiralförmige Wicklung der Spule 22 auf eine spiralförmige Bahn gezwungen. Dies verbessert aufgrund des Dralls die thermische Ankopplung des Fluids an die umgebenden Wände 3, 16 und verbessert somit die Kühlung des Brennstoffeinspritzventils.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritventils 24 mit integrierter Hochfrequenzplasmazündung. Dabei sind den vorherigen Figuren entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die zwischen der Innenwand 3 und der Außenwand 16 des Gehäuses 4 angeordnete Spule 22 ist mit der elektrischen Zuleitung 20 verbunden. Die Ventilnadel 6 mit dem Ventilkörper 8 ist mit dem Piezoaktuator 7 und der Rohrfeder 5 verbunden, hat eine äußere, elektrisch isolierende Keramik 13 und nimmt die erste Zündelektrode 12 auf. Die Dichtsitzfläche 10 an dem Hals 9 des Gehäuses 4 bildet mit dem Ventilkörper 8 den Dichtsitz 11. Die Rohrfeder 5 des Piezoaktuators 7 liegt über den Isolierkörper 14 an dem hydraulischen Kompensator 15 an. Anstatt mit einem Draht eine elektrisch leitende Verbindung zu der ersten Zündelektrode 12 herzustellen, ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste Zündelektrode 12 von einem kapazitiven Koppelelement 25 umgeben, das mit der Spule 22 verbunden ist.
Wenn eine hochfrequente Spannung über die elektrische Zuleitung 20 zugeführt wird, wird die Zündenergie kapazitiv auf die erste Zündelektrode 12 übertragen. Es kann daher nicht zu einem Brechen eines Drahtes aufgrund von vielfachen Wechselbelastungen oder Vibrationen kommen.

1: Brennstoffeinspritventil
2: Spule
3: Innenwand
4: Gehäuse
5: Rohrfeder
6: Ventilnadel
7: Piezoaktuator
8: Ventilkörper
9: Hals
10: Dichtsitzfläche
11: Dichtsitz
12: erste Zündelektrode
13: Keramik
14: Isolierkörper
15: hydraulischer Kompensator
16: Außenwand
17: Draht
18: Deckelplatte
19: Brennstoffzufuhr
20: elektrische Zuleitung
21: Brennstoffeinspritventil
22: Spule
23: Draht
24: Brennstoffeinspritventil
25: Koppelelement

Claims

Brennstoffeinspritzventil mit Zündung, insbesondere Einspritzventil für eine Brennstoffeinspritzanlage einer Verbrennungsmaschine, mit einem Piezoaktuator (7), der über eine Ventilnadel (6) einen Ventilschließkörper (8) betätigt, durch den der Brennstoffaustritt regelbar ist, sowie zumindest einer zu einer Brennraumseite hin orientierten ersten Zündelektrode (12) und einer Spule (2, 22) eines Zündschwingkreises, die mit der ersten Zündelektrode (12) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2, 22) konzentrisch um den Piezoaktuator (7) herum angeordnet ist und diesen umschließt.
Brennstoffeinspritzventil mit Zündung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zündelektrode (12) durch die Ventilnadel (6) und den Ventilkörper (8) hindurchgeführt ist.
Brennstoffeinspritzventil mit Zündung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (6) und der Ventilkörper (8) eine sie umschließende Isolationsschicht aufweisen.
Brennstoffeinspritzventil mit Zündung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht aus Keramik (13) besteht.
Brennstoffeinspritzventil mit Zündung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit aus dem Piezoaktuator (7), einem Piezoaktuatorgehäuse sowie der Ventilnadel (6) und dem Ventilkörper durch einen Isolierkörper (14) gegenüber dem Brennstoffeinspritzventil abgestützt und isoliert wird.
Brennstoffeinspritzventil mit Zündung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) über einen auf der Seite des Isolierkörpers (14) mit dem Piezoaktuatorgehäuse verbundenen Draht (17, 23) mit der ersten Zündelektrode (12) verbunden ist.
Brennstoffeinspritzventil mit Zündung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule über ein kapazitives Koppelelement (25) berührungslos die Zündspannung auf die erste Zündelektrode (12) einkoppelt und mit dieser elektrisch verbunden ist.
Brennstoffeinspritzventil mit Zündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (4) des Brennstoffeinspritzventils als zweite Zündelektrode dient.
Brennstoffeinspritzventil mit Zündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffeinspritzventil ein doppelwandiges Gehäuse aufweist, wobei zwischen einer Innenwand (3) und einer Außenwand (16) der Brennstoff zu einem von dem Ventilkörper (8) verschließbaren Dichtsitz (11) zugeführt wird, und die Spule (22) zwischen Innenwand (3) und der Außenwand (16) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzventil mit Zündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffeinspritzventil ein doppelwandiges Gehäuse (4) aufweist, wobei zwischen einer Innenwand (3) und einer Außenwand (16) der Brennstoff zu einem von dem Ventilkörper (8) verschließbaren Dichtsitz (11) zugeführt wird, und die Spule (2) innerhalb der Innenwand (3) angeordnet ist.