DE102009026532A1

DE102009026532A1 - Einspritzventil für ein Fluid

Info

Publication number: DE102009026532A1
Application number: DE200910026532
Authority: DE
Inventors: Ralf Kromer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Es wird ein Einspritzventil für ein Fluid, insbesondere für Kraftstoff, angegeben, das eine eine Ventilnadel zum Öffnen und Schließen einer Fluid-Abspritzöffnung steuernde Betätigungsvorrichtung mit einem piezoelektrischen Aktor und einem daran axial anliegenden hydraulischen Koppler (19) aufweist, wobei der hydraulische Koppler (19) einen Kolben (22) und ein Kopplergehäuse (23) mit einer zylindrischen Kolbenführung (24) und einem flüssigkeitsgefüllten Kopplerspalt (25) besitzt. Zur Schaffung einer kardanischen Lagerung in der Betätigungsvorrichtung, die Toleranzen in der Parallelität aneinanderliegender Flächen von Betätigungsvorrichtung, Ventilnadel und sonstigen Bauteilen des Einspritzventils ausgleicht, ist die Kolbenführung (24) nach Art eines Sacklochs mit einem Lochgrund (26) und der Kolben (22) mit einem in der Kolbenführung (24) gleitenden Kugelkopf (221) versehen. Der Kopplerspalt (25) ist vom Lochgrund (26) und dem Kugelkopf (221) begrenzt, und Kolben (22) und Kopplergehäuse (23) sind durch eine beide übergreifende und an beiden flüssigkeitsdicht festgelegte, hülsenartige Membran (27) miteinander verbunden. Die elastische Membran (27) begrenzt einen flüssigkeitsgefüllten Ausgleichsraum (28), der über einen im Kolben (22) verlaufenden, eine Drosselstelle (30) enthaltenden Kanal (29) mit dem Kopplerspalt (25) in Verbindung steht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Einspritzventil für ein Fluid, insbesondere für Kraftstoff, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekanntes Kraftstoffeinspritzventil ( DE 103 55 645 A1 ) weist ein Ventilgehäuse auf, in dessen eines Ende ein mit einer Abspritzöffnung für das Fluid versehener Düsenkörper und in dessen anderes Ende ein Anschlussstück eingesetzt ist. Im Ventilgehäuse ist eine Betätigungsvorrichtung für eine Ventilnadel zum Öffnen und Schließen der Abspritzöffnung angeordnet, die über einen am Anschlussstück angeordneten elektrischen Stecker mit Strom versorgt werden kann. Die Betätigungsvorrichtung umfasst einen piezoelektrischen Aktor und einen hydraulischen Koppler, wobei sich der Aktor am Anschlussstück abstützt und eine Ventilschließfeder die nach außen öffnende Ventilnadel gegen den hydraulischen Koppler andrückt.
Ein bekannter hydraulischer Koppler ( DE 103 19 599 A1 ) für ein Kraftstoff-Einspritzventil besteht im wesentlichen aus einem Ventilkolben und einem Übersetzerkolben, die beide in einem Kopplergehäuse geführt sind. Zwischen dem Ventilkolben und dem Übersetzerkolben ist ein mit Kraftstoff gefüllter Kopplerspalt vorhanden. Dieser Kopplerspalt dient zur Kompensation von aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktors und der metallischen Bauteile des Einspritzventils auftretenden Längenänderungen. Mit dem Ventilkolben betätigt der hydraulische Koppler die Ventilnadel, während der Übersetzerkolben über einen Vorsprung an dem piezoelektrischen Aktor anliegt. Der Übersetzerkolben wird über einen auf Druck vorgespannten Hohlkörper gegen den piezoelektrischen Aktor gepresst, so dass letzterer mit ei ner Druckvorspannung beaufschlagt ist. Dabei stützt sich der Hohlkörper mit seinem einen Ende an einem Absatz des Kopplergehäuses und mit seinem anderen Ende an einer den Vorsprung tragenden Einstellscheibe ab.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung von Kolben und Kopplergehäuse im Koppler selbst eine kardanische Lagerung geschaffen ist, die Toleranzen in der Parallelität aneinanderliegenden Flächen von Betätigungsvorrichtung, Ventilnadel und sonstigen Bauteilen des Einspritzventils durch die kugelförmige Geometrie des Kolbens ausgleicht und damit eine schädliche, einseitige Belastung des piezoelektrischen Aktors zuverlässig verhindert. Dabei tritt in der kardanischen Lagerung keine hohe Flächenpressung auf, da die axiale Betätigungskraft beim Laden des piezoelektrischen Aktors über die im Kopplerspalt eingeschlossene Flüssigkeit und nicht durch Linienberührung, wie bei einer üblichen, mechanischen, kardanischen Lagerung, übertragen wird. Die elastische, hülsenartige Membran, die vorzugsweise als Wellrohr ausgeführt ist, macht den Winkelversatz des Kolbens gegenüber dem Kopplergehäuse mit, so dass die an die Betätigungsvorrichtung angrenzenden Bauteilflächen parallel an den stirnseitigen, ebenen Kopplerflächen anliegen. Bei der Entladung des piezoelektrischen Aktors, die zu einem Verkürzen des zuvor beim Laden gelängten piezoelektrischen Aktors führt, wird durch die im Ausgleichsraum, im Kanal mit Drossel und im Kopplerspalt vorhandene Flüssigkeit ein Auseinanderziehen der kardanischen Lagerung verhindert.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Einspritzventils möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der den Kopplerspalt begrenzende Lochgrund der sacklochartigen Kolbenführung konkav ausgebildet, vorzugsweise in Form einer Halbkugelschale mit einem dem Durchmesser des Kugelkopfs des Kolbens entsprechenden Durchmesser. Durch diese konstruktive Maßnahmen wird das zur Füllung des Kopplerspalts erforderliche Flüssigkeitsvolumen klein gehalten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Betätigungsvorrichtung in einem die Abspritzöffnung aufweisenden Ventilgehäuse angeordnet, das am von der Abspritzöffnung abgekehrten Gehäuseende von einem Anschlussstück abgeschlossen ist. Kolben und Kopplergehäuse liegen am piezoelektrischen Aktor und am Anschlussstück spiellos an oder sind mit Aktor und Anschlussstück fest verbunden bzw. einstückig ausgebildet. Durch die feste Verbindung zwischen Betätigungsvorrichtung aus Koppler und piezoelektrischem Aktor einerseits und den an der Betätigungsvorrichtung angrenzenden Bauteilen des Einspritzventils andererseits beschleunigt die elastische Membran beim Entladen des piezoelektrischen Aktors und der damit verbundenen Verkürzung des Aktors das Wiederauffüllen des Kopplerspalts mit Flüssigkeit aus dem Ausgleichsraum, die zuvor beim Laden des piezoelektrischen Aktors und der damit verbundenen Aktorlängung aus dem sich dabei verkleinernden Kopplerspalt über die Drossel ausgeschoben worden ist. Der Kolben kann mit dem piezoelektrischen Aktor und das Kopplergehäuse mit dem Anschlussstück oder umgekehrt fest oder einstückig verbunden sein. Alternativ kann der Koppler auch zwischen Ventilnadel und piezoelektrischem Aktor angeordnet sein, wobei der Kolben mit der Ventilnadel und das Kopplergehäuse mit dem piezoelektrischen Aktor oder umgekehrt fest oder einstückig verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Einspritzventils mit einer Betätigungsvorrichtung für eine Ventilnadel, bestehend aus piezoelektrischem Aktor und hydraulischem Koppler,
2 einen Längsschnitt des hydraulischen Kopplers in 1 in vergrößerter Darstellung.
Das in 1 im wesentlichen im Längsschnitt dargestellte Einspritzventil für ein Fluid wird bevorzugt als Kraftstoffeinspritzventil zum Einbau in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Das Einspritzventil weist ein hohlzylindri sches Ventilgehäuse 11 auf, in dessen einem Stirnende ein Düsenkörper 12 mit einer Abspritzöffnung 13 angeordnet ist, die von einer nach außen öffnenden Ventilnadel 14 mit Schließkopf geschlossen oder freigegeben wird. Die von einer Rückstellfeder 15 in Ventilschließstellung gehaltene Ventilnadel 14 wird zum Öffnen und Schließen der Abspritzöffnung 13 von einer Betätigungsvorrichtung 16 gesteuert, die einerseits an einem Anschlussstück 17, das in das abspritzöffnungsferne Ende des Ventilgehäuses 11 eingesetzt ist, und andererseits an der Ventilnadel 14 unter Federvorspannung der Rückstellfeder 15 anliegt. Die Betätigungsvorrichtung 16 umfasst einen piezoelektrischen Aktor 18 und einen hydraulischen Koppler 19 zum Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen piezoelektrischem Aktor 18 und metallischen Bauteilen des Einspritzventils, insbesondere des Ventilgehäuses 11. Der piezoelektrische Aktor 18 bekannter Bauart, der beispielsweise ein solcher sein kann, wie er in der DE 103 19 599 A1 beschrieben ist, weist ein Piezomodul 181 aus einer Vielzahl von aneinanderliegenden piezoelektrischen Elementen auf, das zwischen einem Abschlusskörper 182 und einer Abschlussplatte 183 mittels eines als Feder ausgebildeten Hohlkörpers 184 eingespannt ist. Das Piezomodul 181 ist über ein Kontaktblech 20 mit einem auf dem Anschlussstück 17 angeordneten elektrischen Anschlussstecker 21 verbunden. Beim Laden des piezoelektrischen Aktors 18 durch Bestromung des Anschlusssteckers 21 längt sich das Piezomodul 181 und damit der piezoelektrische Aktor 18 und hebt die Ventilnadel 14 mit ihrem Schließkopf gegen die Kraft der Rückstellfeder 15 von der Abspritzöffnung 13 ab. Das Einspritzventil ist geöffnet. Fällt die Bestromung des Anschlusssteckers 21 weg, so entlädt sich das Piezomodul 181 und der piezoelektrische Aktor 18 verkürzt sich wieder auf seine ursprüngliche Länge, wodurch die Rückstellfeder 15 die Ventilnadel 14 mit deren Schließkopf wieder auf die Abspritzöffnung 13 aufsetzt. Das Einspritzventil ist geschlossen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegen piezoelektrischer Aktor 18 und hydraulischer Koppler 19 axial derart aneinander, dass der hydraulische Koppler 19 sich an dem Anschlussstück 17 und der piezoelektrische Aktor 18 sich an der Ventilnadel 14 abstützt. Alternativ ist eine Vertauschung der Anordnung von piezoelektrischem Aktor 18 und hydraulischem Koppler 19 möglich, so dass der hydraulische Koppler 19 direkt auf die Ventilnadel 14 wirkt und der piezoelektrische Aktor 18 sich an dem Anschlussstück 17 abstützt.
Der in 2 vergrößert im Längsschnitt dargestellte hydraulische Koppler 19 weist einen Kolben 22 und ein Kopplergehäuse 23 mit einer zylindrischen Kolbenführung 24 und einen mit Flüssigkeit, vorzugsweise Öl, gefüllten Kopplerspalt 25 auf. Die zylindrische Kolbenführung 24 im Kopplergehäuse 23 ist nach Art eines Sacklochs mit einem Lochgrund 26 versehen, und der Kolben 22 weist einen in der zylindrischen Kolbenführung 24 gleitenden Kugelkopf 221 auf. Kolben 22 und Kopplergehäuse 23 sind durch eine beide übergreifende und an beiden flüssigkeitsdicht festgelegte, hülsenartige, elastische Membran 27 miteinander verbunden, wobei die Membran 27 einen mit der Flüssigkeit, vorzugsweise Öl, gefüllten Ausgleichsraum 28 begrenzt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die hülsenförmige Membran 27 von einem flexiblen Wellrohr gebildet und der flüssigkeitsgefüllte Ausgleichsraum 28 als umlaufende Ringnut ausgebildet, die je zum Teil im Kolben 22 und Kopplergehäuse 23 eingearbeitet ist. Der Kopplerspalt 25 ist am Lochgrund 26 der Kolbenführung 24 angeordnet und vom Lochgrund 26 und dem Kugelkopf 221 begrenzt. Der Kopplerspalt 25 steht über einen Kanal 29, in dem eine Drosselstelle 30 ausgebildet ist, mit dem Ausgleichsraum 28 in Flüssigkeitsaustauschverbindung. Um das Flüssigkeitsvolumen im Kopplerspalt 25 und im Ausgleichsraum 28 klein zu halten, ist der Lochgrund 26 konkav ausgebildet, und zwar vorzugsweise in Form einer Halbkugelschale mit einem dem Durchmesser des Kugelkopfs 221 des Kolbens 22 entsprechenden Durchmesser. Der im Kolben 22 verlaufende Kanal 29 weist einen radial verlaufenden Kanalabschnitt 291, der in der Ringnut mündet, und einen axial verlaufenden Kanalabschnitt 292 auf, der im Kopplerspalt 25 mündet. Die Drosselstelle 30 ist an der Mündung des axial verlaufenden Kanalabschnitts 292 angeordnet. Das von der Drosselstelle abgekehrte Ende des axial verlaufenden Kanalabschnitts 292 geht in eine am Kolben 22 von außen zugängliche Füllbohrung 31 über. Die Mündung des axial verlaufenden Kanalabschnitts 292 in die Füllbohrung 31 ist nach Befüllen von Ausgleichsraum 28, Kanal 29 und Kopplerspalt 25 mit Flüssigkeit von einem hier als Kugel ausgebildeten Dichtungselement 32 flüssigkeitsdicht verschlossen.
Wie aus 2 hervorgeht liegen Kolben 22 und Kopplergehäuse 23 am piezoelektrischen Aktor 18, genauer gesagt am Anschlusskörper 182 des piezoelektrischen Aktors 18, und am Anschlussstück 17 mit voneinander abgekehrten, ebenen Stirnflächen spiellos an. Alternativ können Kolben 22 und Kopplergehäuse 23 auch mit dem piezoelektrischen Aktor 18 und dem Anschlussstück 17 fest verbunden oder mit diesen einstückig ausgeführt sein.
Die Funktion des hydraulischen Kopplers 19 bei der Betätigung des Einspritzventils ist wie folgt:
Wird der piezoelektrische Aktor 18 durch Bestromung des Anschlusssteckers 20 geladen, verlängert sich das Piezomodul 181. Durch diese Verlängerung wird die Ventilnadel 14 gegen die Kraft der Rückstellfeder 15 verschoben und der Schließkopf der Ventilnadel 14 hebt von der Abspritzöffnung 13 ab. Das Einspritzventil ist geöffnet. Während das Einspritzventil geöffnet ist, drückt die Rückstellfeder 15 über den piezoelektrischen Aktor 18 auf den Kolben 22 des hydraulischen Kopplers 19. Der Kolben 22 stützt sich über die im Kopplerspalt 25 vorhandene Flüssigkeit am Kopplergehäuse 23 ab. Die sich im Kopplerspalt 25 befindliche Flüssigkeit wird durch diese Kraft über die Drosselstelle 30 (oder durch den Spalt zwischen Kugelkopf 221 und Kolbenführung 24) langsam aus dem Kopplerspalt 25 gedrückt. Somit verkürzt sich der Koppler 19. Fällt die Bestromung am Anschlussstecker 21 weg, so entlädt sich das Piezomodul 181 des piezoelektrischen Aktors 18 und verkürzt sich wieder. Infolge des sich verkürzenden piezoelektrischen Aktors 18 drückt die Rückstellfeder 15 den Schließkopf der Ventilnadel 14 wieder auf die Abspritzöffnung 13. Das Einspritzventil ist geschlossen. Dadurch, dass sich der Koppler 19 während der Zeit, in der das Einspritzventil offen war – wie vorstehend beschrieben – verkürzt hat, stehen Ventilnadel 14, piezoelektrischer Aktor 18 und hydraulischer Koppler 19 gegenüber dem Zustand vor dem Laden des piezoelektrischen Aktors 18 unter Zugspannung. Diese Zugspannung unterstützt die Membran 27 beim Zurückdrücken der Flüssigkeit aus dem Ausgleichsraum 28 über die Drosselstelle 30 in den Kopplerspalt 22, der damit wieder befüllt wird. Der hydraulische Koppler 19 nimmt wieder seine ursprüngliche axiale Länge an, die er vor dem Laden des piezoelektrischen Aktors 18 besaß.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10355645 A1 [0002]
- DE 10319599 A1 [0003, 0011]

Claims

Einspritzventil für ein Fluid, insbesondere für Kraftstoff, mit einer eine Ventilnadel (14) zum Öffnen und Schließen einer Fluid-Abspritzöffnung (13) steuernden Betätigungsvorrichtung (16), die einen piezoelektrischen Aktor (18) und einen daran axial anliegenden hydraulischen Koppler (19) aufweist, der einen Kolben (22) und ein Kopplergehäuse (23) mit einer zylindrischen Kolbenführung (24) und einem flüssigkeitsgefüllten Kopplerspalt (25) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenführung (24) nach Art eines Sacklochs mit einem Lochgrund (26) versehen ist und der Koben (22) einen in der Kolbenführung (24) gleitenden Kugelkopf (221) aufweist, dass der Kopplerspalt (25) vom Lochgrund (26) in der Kolbenführung (24) und dem Kugelkopf (221) begrenzt ist, dass Kolben (22) und Kopplergehäuse (23) durch eine beide übergreifende und an beiden flüssigkeitsdicht festgelegte, hülsenartige Membran (27) miteinander verbunden sind und dass die Membran (27) einen flüssigkeitsgefüllten Ausgleichsraum (28) begrenzt, der über einen im Kolben (22) verlaufenden, eine Drosselstelle (30) enthaltenden Kanal (29) mit dem Kopplerspalt (25) in Verbindung steht.
Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (29) eine radial verlaufenden Kanalabschnitt (291) und einen axial verlaufenden Kanalabschnitt (292) aufweist und die Drosselstelle (30) in der Mündung des axial verlaufenden Kanalabschnitts (292) zum Kopplerspalt (25) angeordnet ist.
Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der axial verlaufende Kanalabschnitt (292) an seinem von der Drosselstelle (30) abgekehrten Ende in eine am Kolben (22) zugängliche Füllbohrung (31) übergeht und durch ein in die Füllbohrung (31) eingebrachtes, vorzugsweise als Kugel ausgebildetes Dichtungselement (32) abgeschlossen ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kopplerspalt (25) begrenzende Lochgrund (26) in der Kolbenführung (24) konkav ausgebildet ist.
Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochgrund (26) die Form einer Halbkugelschale mit einem dem Durchmesser des Kugelkopfs (221) des Kolbens (22) entsprechenden Durchmesser aufweist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hülsenförmige Membran (27) von einem flexiblen Wellrohr gebildet ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (16) in einem die Abspritzöffnung (13) aufweisenden Ventilgehäuse (11) angeordnet ist, das an seinem von der Abspritzöffnung (13) abgekehrten Gehäuseende von einem Anschlussstück (17) abgeschlossen ist, und dass Kolben (22) und Kopplergehäuse (23) am piezoelektrischen Aktor (18) und am Anschlussstück (17) spiellos anliegen oder mit Aktor (18) und Anschlussstück (17) fest verbunden, vorzugsweise einstückig ausgebildet, sind.
Einspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kolben (22) und piezoelektrischer Aktor (18) einerseits und Kopplergehäuse (23) und Anschlussstück (17) andererseits aneinanderliegen oder fest miteinander, vorzugsweise einstückig, verbunden sind.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsraum (28) als umlaufende Ringnut ausgebildet ist, die je zum Teil in Kolben (22) und Kopplergehäuse (23) eingearbeitet ist, und dass der radial verlaufende Kanalabschnitt (291) die Ringnut mit dem axial verlaufenden Kanalabschnitt (292) verbindet.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kopplerspalt (25), Kanal (29) und Ausgleichsraum (28) vorhandene Flüssigkeit ein Öl ist.