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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Beispielsweise ist ein Brennstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs aus der
DE 195 34 445 C2 bekannt. Das dort beschriebene Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen umfaßt eine in einem Düsenkörper axial bewegliche Düsennadel, welche durch ein piezoelektrisches Stellglied betätigbar ist und durch eine Druckfeder in Schließstellung gehalten wird. Die Brennstoffzufuhr erfolgt dabei von einer externen Quelle mit frei einstellbarem Druck. Die Düsennadel weist eine Zentralbohrung auf, wobei das Stellglied die Düsennadel konzentrisch umgibt und mittels einer Dichtfläche gegen den Brennstoffdruck abgedichtet ist.
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Nachteilig an dem aus der
DE 195 34 445 C2 bekannten Einspritzventil ist insbesondere, daß der Hub des Piezoaktors durch den Einfluß des Brennstoffdrucks trotz der Dichtflächen um bis zu 30% des Nennhubs variieren kann.
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Ein in der
DE 199 46 603 A1 gezeigtes Brennstoffeinspritzventil weist einen von einer Aktorabdichtung gegen einen Brennstoff abgedichteten piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor und einen von dem Aktor betätigbaren Ventilschließkörper auf, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei umfasst die Aktorabdichtung ein zuflußseitiges Dichtelement und ein abspritzseitiges Dichtelement, die elastisch verformbar ausgeführt und mit einer Betätigungshülse kraftschlüssig verbunden sind. Der Aktor wirkt über die Betätigungshülse auf den Ventilschließkörper ein, wobei sich die durch den Brennstoffdruck des Brennstoffes erzeugten, über die Betätigungshülse auf den Aktor einwirkenden Kräfte zumindest teilweise kompensieren.
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Die in der
DE 199 40 056 A1 gezeigte Dosiervorrichtung weist auf ein Gehäuse mit einer Dosieröffnung, die mittels einer Verschiebung einer Ventilnadel steuerbar ist, einen in axialer Richtung längenveränderbaren elektromechanischen Aktor, der innerhalb einer druckbefüllbaren Arbeitskammer des Gehäuses angebracht ist, und der an seiner einen Stirnseite mit der Ventilnadel und an seiner anderen Stirnseite mit einem axialverschiebbaren Hydraulikkolben verbunden ist, eine Hydraulikkammer, die durch eine erste Passung zwischen Hydraulikkolben und Gehäuse mit der Arbeitskammer gedrosselt hydraulisch verbunden ist, wobei die erste Passung so ausgelegt ist, dass bei einer schnellen Längenänderung des Aktors der Hydraulikkolben relativ zum Gehäuse feststeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikkammer durch die erste Passung hindurch über die Arbeitskammer druckbefüllbar ist.
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Das in der
DE 199 28 916 A1 gezeigte Brennstoffeinspritzventil weist einen in einem Aktorraum eines Ventilgehäuses des Brennstoffeinspritzventils angeordneten piezoelektrischen oder magnetostruktiven Aktor auf, wobei der Aktorraum durch eine Abdichtung gegen einen Brennstoff abgedichtet ist. Ein von dem Aktor betätigbarer Ventilschließkörper, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, übernimmt die eigentliche Ventilfunktion. Dabei weist die Abdichtung einen Dichtkörper und ein mit dem Dichtkörper durch eine erste umlaufende Schweißnaht verbundenes, elastisch verformbares und bandförmiges Dichtelement auf, das mit dem Ventilgehäuse durch eine zweite umlaufende Schweißnaht verbunden ist.
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Weiterhin ist von Nachteil, daß bedingt durch die Länge der Ventilnadel Schwingungen in dieser induziert werden, welche zu einem unkontrollierbarem Prellverhalten führen können.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß der Aktor so gekapselt ist, daß die auf ihn wirkende hydraulische Kraft durch den Brennstoffdruck ungefähr Null ist. Dies wird durch eine Anordnung von zwei mit Faltenbälgen verbundenen Stempeln erreicht, deren effektive Flächen so bemessen sind, daß sich die darauf wirkenden Kräfte aufheben.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich. Insbesondere ist von Vorteil, daß durch die Anpassung der wirksamen Flächen der Stempel und Faltenbälge in einfacher Weise auch eine Kompensation der druckbedingten Längenänderungen der übrigen Bauteile des Brennstoffeinspritzventils wie z. B. des Gehäuses erzielt werden kann.
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Weiterhin ist von Vorteil, daß der Aktor in einfacher Weise mittels einer Feder, welche zwischen einem mit dem Aktor in Wirkverbindung stehenden Betätigungsstempel und einer mit dem Gehäuse des Brennstoffeinspritzventils verbundenen Hülse eingespannt ist, vorgespannt werden kann.
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Die Weite eines Spaltes vor der Ventilnadel ist ebenfalls durch die Flächenverhältnisse einstellbar, so daß ungewollte Öffnungen des Brennstoffeinspritzventils vermieden werden können.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils, und
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2 eine schematische Darstellung der Kräfte, welche auf den abströmseitigen Stempel des in 1 dargestellten erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils wirken.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Ein in 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt einen ersten Gehäuseteil 2, welcher einen Hydraulikanschluß 3 für die Zufuhr des Brennstoffs umfaßt. In einem zweiten Gehäuseteil 4 ist eine erste Hülse 5 angeordnet, in welcher ein Aktor 6 angeordnet ist. Der Aktor 6 ist im Ausführungsbeispiel als piezoelektrischer Aktor 6 ausgebildet. Der Aktor 6 stützt sich zulaufseitig an einem Lager 7 ab. Die erste Hülse 5 ist zulaufseitig durch einen ersten Stempel 8 abgeschlossen, welcher einen ersten Faltenbalg 9 durchgreift. Der erste Faltenbalg 9 ist mit einem Verbindungsbauteil 10 verschweißt, welches die Gehäuseteile 2 und 4 verbindet. Das Lager 7 des Aktors 6 und das Verbindungsbauteil 10 sind dabei einstückig ausgebildet oder miteinander verbunden, so daß die erste Hülse 5 verschiebbar in dem Brennstoffeinspritzventil 1 angeordnet ist.
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Abströmseitig stützt sich der Aktor 6 an einem zweiten Stempel 11 ab. Dieser durchgreift einen zweiten Faltenbalg 12, der mit einer zweiten Hülse 13 verschweißt ist. Die zweite Hülse 13 wird dabei von der ersten Hülse 5 mit dem Aktor 6 durchgriffen. Die zweite Hülse 13 stützt sich zuströmseitig an dem Verbindungsbauteil 10 ab und ist mit diesem verschweißt.
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Zwischen einer Schulter 14 des zweiten Stempels 11 und einer Schulter 15 der zweiten Hülse 13 ist eine Feder 16 eingespannt, welche den Aktor 6 mit einer Vorspannung beaufschlagt.
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In dem Verbindungsbauteil 10 ist zumindest ein Brennstoffkanal 17 ausgebildet, welcher dem Brennstoff den ungedrosselten Durchtritt aus dem ersten Gehäuseteil 2 in das zweite Gehäuseteil 4 zu einer Ventilgruppe 18 ermöglicht. Im Ausführungsbeispiel sind zwei Brennstoffkanäle 17 dargestellt. Durch den so gebildeten ringspaltförmigen Ventilinnenraum 28 kann eine effektive Kühlung des Aktors 6 erzielt werden.
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Abströmseitig des zweiten Stempels 11 ist ein Flansch 19 ausgebildet, welcher im geschlossenen Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 durch einen Spalt 20 von dem zweiten Stempel 11 beabstandet ist. Der Flansch 19 steht über eine Schweißnaht 21 kraftschlüssig mit einer Ventilnadel 22 in Wirkverbindung. Die Ventilnadel 22 ist in einem Düsenkörper 23 geführt. Der Düsenkörper 23 ist mit dem zweiten Gehäuseteil 4 über eine Schweißnaht 24 verbunden. Zwischen dem Flansch 19 und dem Düsenkörper 23 ist eine Schließfeder 25 angeordnet. Die Schließfeder 25 beaufschlagt den Flansch 19 und damit die Ventilnadel 22 mit einer Schließkraft, welche das Brennstoffeinspritzventil 1 in nicht erregtem Zustand des Aktors 6 geschlossen hält. Dadurch wird ein mit der Ventilnadel 22 verbundener Ventilschließkörper 26 an einer an dem Düsenkörper 23 ausgebildete Ventilsitzfläche 27 in dichtender Anlage gehalten.
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Bei Erregung des Aktors 6 dehnt sich der Aktor 6 in einer Abströmrichtung des Brennstoffs gegen die Kraft der Feder 16 aus. Dadurch wird der zweite Stempel 11 ebenfalls in Abströmrichtung des Brennstoffs bewegt. Der Spalt 20 zwischen dem zweiten Stempel 11 und dem mit der Ventilnadel 22 in Wirkverbindung stehenden Flansch 19 wird geschlossen. Bei einer weiteren Ausdehnung des Aktors 6 wird der Flansch 19 und die mit diesem verschweißte Ventilnadel 22 entgegen der Kraft der Schließfeder 25 ebenfalls in Abströmrichtung des Brennstoffs bewegt. Dadurch hebt der Ventilschließkörper 26 von der Ventilsitzfläche 27 ab und Brennstoff wird in den nicht näher dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Wird der den Aktor 6 erregende elektrische Strom, welcher über eine nicht weiter dargestellte elektrische Leitung zugeführt wird, abgeschaltet, zieht sich der Aktor 6 zusammen. Bei Entlastung der Ventilnadel 22 durch den zweiten Stempel 11 bewegt die Schließfeder 25 den Flansch 19 entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffs, so daß der mit der Ventilnadel 22 verbundene Ventilschließkörper 26 wieder auf der Ventilsitzfläche 27 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 dadurch geschlossen wird. Durch die Kraft der Feder 16 wird weiterhin der zweite Stempel 11, ebenfalls entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffs bewegt, wodurch der zweite Stempel 11 in seine Ausgangsstellung zurückkehrt. Zwischen dem zweiten Stempel 11 und der Ventilnadel 22 ist wieder der Spalt 20 ausgebildet.
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Bedingt durch den Brennstoffdruck im Innenraum 28 des Brennstoffeinspritzventils 1 werden Bauteile, welche dem Brennstoffdruck ausgesetzt sind, gestaucht. Um zu verhindern, daß einerseits der Aktor 6 durch den anliegenden Druck gestaucht wird und andererseits der zwischen dem zweiten Stempel 11 und dem Flansch 19 der Ventilnadel 22 ausgebildete Spalt 20 unzulässig verkleinert wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Aktor 6 kraftfrei bis auf die Vorspannung durch die Feder 16 zu halten, indem die erste Hülse 5 durch den ersten Stempel 8 und den ersten Faltenbalg 9 dem Brennstoffdruck eine definierte Fläche entgegensetzt. Eine entsprechende Wahl der Fläche des zweiten Stempels 11 und des zweiten Faltenbalgs 12 ermöglicht die Entlastung des erstens Stempels 8 durch eine gleich große hydraulische Kraft. Dadurch ist der Aktor 6 frei vom Brennstoffdruck.
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Weiterhin kann der Aktor 6 jedoch auch durch eine definierte Kraft beaufschlagt werden, um druckbedingte Längenänderungen der übrigen Bauteile des Brennstoffeinspritzventils 1 zu kompensieren. Insbesondere kann dadurch die axiale Weite des Spalts 20 so bemessen werden, daß der Öffnungshub der Ventilnadel 22 unabhängig vom Brennstoffdruck ist.
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Die Ventilnadel 22 wird erst durch den zweiten Stempel 11 betätigt, wenn dem Aktor 6 eine elektrische Spannung über eine elektrische Leitung zugeführt wird. Durch diese Maßnahme werden Druckschwingungen des Brennstoffs und Schwingungen des Aktors 6 entkoppelt, so daß keine unerwünschten Öffnungsimpulse auftreten. Auf andere aufwendige Druckkompensationstechniken, wie zum Beispiel einen hydraulischen Koppler, kann daher verzichtet werden. Der Spalt 20 ist dabei außerdem so dimensioniert, daß Längenänderungen thermischer Art des Aktors nicht zu Fehlfunktionen des Brennstoffeinspritzventils 1 führen können.
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Zur Verdeutlichung des oben beschriebenen Sachverhalts des kraftfreien Aktors 6 kann die in 2 dargestellte schematische Darstellung der auf den zweiten Stempel 11 wirkenden Kräfte dienen.
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Dabei bezeichnet FA die resultierende Kraft auf den Aktor 6, wobei FA = FF + (FB2 – FB1) ist. Die Kraft FF wird durch die Feder 16 erzeugt, welche den Aktor 6 mit einer Vorspannung beaufschlagt. Die Kraft FB2 wirkt vom zweiten Faltenbalg 12 auf den zweiten Stempel 11 und nimmt gemäß FB2 = pBr.·Aeff, zweiter Balg .
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linear mit dem Brennstoffdruck zu. Vom ersten Faltenbalg 9 wird über die erste Hülse 5 die Kraft FB1 = pBr.·Aeff, erster Balg auf den zweiten Stempel 11 eingeleitet. Auch diese Kraft steigt linear mit dem Brennstoffdruck an. pBr. ist der Brennstoffdruck. Aeff, erster Balg bzw. Aeff, zweiter Balg ist die dem Brennstoffdruck ausgesetzte Fläche des ersten bzw. zweiten Faltenbalgs. Werden die Faltenbalge 9 und 12 so ausgelegt, daß ihre druckwirksame Fläche gleich ist, bleibt als resultierende Kraft auf den Aktor 6 nur die Kraft FF der Feder 16 übrig.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und zum Beispiel auch durch eine umgekehrte Anordnung des Aktors 6 für nach innen öffnende Brennstoffeinspritzventile 1 oder für andere Aktoren 6, beispielsweise magnetostriktive Aktoren 6, anwendbar.
