DE19548526A1

DE19548526A1 - Einspritzventil

Info

Publication number: DE19548526A1
Application number: DE1995148526
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Ing Huber; Hubert Hutter
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1997-07-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere zur Verwendung für mit Common-Rail-Systemen ausgerüstete Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Anforderungen nach vermindertem Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig vermindertem Schadstoffgehalt im Abgas, die in den letzten Jahren zunehmend strenger wurden, können nur mit fortschrittlichen Einspritzsystemen erfüllt werden.

Herkömmliche Einspritzventile für Ottomotoren (Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 21. Auflage, Düsseldorf, VDI-Verlag, S. 439) weisen eine in einer mit unter Druck stehen dem, abzuspritzendem Kraftstoff beaufschlagte Arbeitskammer auf, die mit einem Ventil sitz ausgebildet ist, der von einem nach außen öffnenden Ventilglied durchdrungen ist, das federnd in Schließrichtung vorgespannt ist. Erreicht der Druck in der Arbeitskammer einen vorbestimmten Wert, so öffnet das Ventilglied, gelangt in Schwingungen und spritzt kontinuierlich Kraftstoff ab. Die Steuerbarkeit solcher Einspritzventile ist verhältnismäßig träge, da die Abspritzmenge lediglich von in der Arbeitskammer herrschendem Druck hängt.

Bei nicht kontinuierlich abspritzenden Einspritzventilen liegt ein nach innen öffnendes Ventilglied an einem Ventilsitz an. Das Ventilglied ist mit einem Magnetanker verbunden, der bei Erregung einer Magnetwicklung von dieser angezogen wird und das Ventil öffnet. Das Druckniveau, bis zu dem solche nicht kontinuierlich arbeitende Einspritzventile verwendbar sind, reicht bis zu einigen 10 bar. Die Steuerbarkeit ist wegen der Einflüsse von Induktion und Wirbelströmen verhältnismäßig träge.

Für Dieselmotoren werden Einspritzdüsen mit nach innen öffnendem Ventilglied einge setzt, das bei Überschreiten eines bestimmten Arbeitsdrucks gegen die Kraft einer Schließfeder öffnet. Solche Einspritzdüsen erfordern aufwendige Druckversorgungssysteme, da die Einspritzdüsen vom pulsierenden Druck geöffnet werden.

In neuerer Zeit werden sogenannte Common-Rail-Einspritzsysteme diskutiert (Fortschrittsberichte zum 15. Wiener Motorensymprosium des VDI-Verlags, Reihe 12/Nr. 205 (1994), S. 36 bis 53). Unter dem Begriff "Common-rail" werden Systeme zusammengefaßt, bei denen der Einspritzdruck von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge weitgehend unabhängig sein kann und die mit einem höheren mittleren Einspritzdruck arbeiten (einige hundert bis über tausend bar). Ein wesentliches Merkmal der Common-Rail-Systeme liegt in der Kopplung von Druckerzeugung und Einspritzung mittels eines unter hohem Druck stehendem Speichervolumens, das sich aus dem Volumen einer mit der Einspritzdüse eines Mehrzylindermotors verbundenen gemeinsamen Hochdruckleitung (Common-Rail) sowie den Zuleitungen und den in den Einspritzventilen selbst zur Verfügung stehenden Volumina zusammensetzt. Der Einspritzvorgang wird durch ein in das Einspritzventil integriertes Magnetventil gesteuert. Dazu weist das Einspritzventil ein mit einem Aktuatorkolben versehenes, nach innen öffnendes Ventilglied auf, das im geschlossenen Zustand des Einspritzventils an einem Sitz anliegt und stromoberhalb seines Sitzes einen mit der Hochdruckleitung des Common-Rail-Systems verbundenen Düsenraum begrenzt. Ein Arbeitsraum des Aktuatorkolbens ist über eine Zulaufleitung mit der Hochdruckleitung verbunden, wobei die wirksame Fläche des Aktuatorkolbens größer ist als die im Düsenraum wirksame Fläche des Ventilglieds. Vom Arbeitsraum führt eine Rücklaufleitung durch eine Rücklauföffnung des Magnetventils. Das Einspritzventil ist in seinem Gesamtaufbau verhältnismäßig kompliziert und ist, bedingt durch das elektromagnetische Ventil, nur verhältnismäßig träge und insbesondere im Hub nur ungenau steuerbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in seinem Aufbau einfaches, präzise zu steuerndes und für hohe Drucke geeignetes Einspritzventil zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Die für das erfindungsgemäße Einspritzventil eingesetzte mechanische Wandlervorrichtung ist beispielsweise eine magnetostrektive oder eine piezoelektrische Vorrichtung. Mit einem solchen elektromechanischen Wandler läßt sich das den Wandler beaufschlagende elektrische Signal praktisch trägheitslos in eine mechanische Bewegung umwandeln, die hinsichtlich Amplitude und zeitlichem Ablauf präzise steuerbar ist. Solche elektromechanische Wandler entfalten außerordentlich hohe Kräfte, so daß das von dem in der Arbeitskammer herrschenden Druck normalerweise in Schließstellung gedrängte Ventilglied bei Aktivierung des elektromechanischen Wandlers sicher geöffnet wird.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ein spritzventils gerichtet.

Das erfindungsgemäße Einspritzventil ist sowohl für Ottomotoren als auch für Dieselmotoren geeignet. Die Abspritzmenge ist mit Hilfe der Ansteuerung des elektromechanischen Wandlers annähernd proportional zum in der Arbeitskammer herrschenden Druck einstellbar. Der Einspritzzeitpunkt ist, ebenfalls durch Ansteuerung des elektromechanischen Wandlers präzise vorgebbar, wobei je Arbeitstakt eine oder mehrere Einspritzungen möglich sind. Das Einspritzventil kann für Ottomotoren und für Dieselmotoren verwendet werden und ist für Drucke von einigen bar bis über 1000 bar geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 ein Hydraulikschema des erfindungsgemäßen Einspritzventils,

Fig. 2 eine Gesamtschnittansicht des Einspritzventils und

Fig. 3 ein Ausschnitt des Einspritzventils gemäß Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 weist ein Einspritzventil innerhalb eines Gehäuses 2 eine Arbeitskammer 4 auf, die über eine Zuleitung 6 mit unter Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt ist. Durch die Arbeitskammer 4 hindurch ragt ein Ventilkörper 8, der in einem kegelig bzw. konisch ausgebildeten Ventilglied 10 endet, das von außen an einem in einer Abspritzöff nung der Arbeitskammer 4 ausgebildeten Ventilsitz 12 anliegt.

Zu seinem vom Ventilglied 10 abgewandten Ende hin ist der Ventilkörper 8 mit größer werdendem Durchmesser ausgebildet und endet in einem Aktuatorkolben 14, der eine Gehäuseöffnung unter Abdichtung durchdringt. Die von dem Kraftstoff in der Arbeits kammer 4 beaufschlagte Fläche des Aktuatorkolbens 14 ist größer als die von dem Kraft stoff beaufschlagte Fläche des Ventilgliedes 10 (Durchmesser D gemäß Fig. 1 größer als Durchmesser d).

Der Ventilkörper 8 wird von einer Feder 16 in Schließstellung des durch das Ventilglied 10 und den Ventilsitz 12 gebildeten Ventils gedrängt. Zur Betätigung des Ventilkörpers 8 in Öffnungsrichtung (Doppelpfeil gemäß Fig. 1) ist ein Piezoaktuator 18 vorgesehen.

Da nicht unmittelbar zur Erfindung gehörig sind das Druckversorgungssystem, aus dem der unter Druck stehende Kraftstoff der Arbeitskammer 4 zugeführt wird, sowie ein elektronisches Steuergerät für den Piezoaktuator 16 nicht dargestellt.

Die Funktion der anhand der Fig. 1 beschriebenen Anordnung ist folgende:
Der in der Arbeitskammer 4 herrschende Kraftstoffdruck drängt den Ventilkörper 8 in Schließstellung. Bei Aktivierung des Piezoaktuators 18 durch Anlegen einer elektrischen Spannung drängt der Piezoaktuator 18 den Ventilkörper 8 gemäß Fig. 1 nach unten, wodurch sich unter zusätzlicher Überwindung der Kraft der Feder 16 das Ventil öffnet. Durch zweckentsprechende Ansteuerung des Piezoaktuators 18 können der Öffnungszeitpunkt, die Öffnungszeitdauer und der Öffnungshub weitgehend frei bestimmt werden. Bei Beendigung der Erregung des Piezoaktuators 18 drängt der weiterhin in der Arbeitskammer 4 herrschende Druck den Ventilkörper 8 zurück in Schließstellung, wobei diese Bewegung in Schließstellung durch die optional vorhandene Feder 16 zusätzlich unterstützt wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das gesamte Einspritzventil.

Das Gehäuse 2 ist bei 20 mit einem weiteren Gehäuseteil 22 verschraubt, der den Piezoaktuator 18 aufnimmt und eine in die Zuleitung 6 mündende Anschlußleitung 24 aufweist. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet einen Kabelkanal 26, dessen Funktion anhand der Fig. 3 im folgenden erläutert wird.

In eine zentrale Durchgangsöffnung des Gehäuseteils 22 ist der Piezoaktuator 18 eingesetzt und mittels eines eingeschraubten Druckstössels 26 mechanisch vorgespannt. Nicht dargestellt sind elektrische Anschlüsse für den Piezoaktuator 18.

Fig. 3 zeigt den in Fig. 2 strichpunktiert umrahmten Ausschnitt in vergrößertem Maßstab.

Danach weist das Gehäuse 2 ein Gewinde 28 auf, mit dem das gesamte Einspritzventil in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine einschraubbar ist. Das Gehäuse 2 weist eine abgestufte Durchgangsbohrung auf, in die ein Rohrbauteil 30 unter Passung eingesetzt ist, an dessen unterem Ende der Ventilsitz 12 (Fig. 1) ausgebildet ist. In das Rohrbauteil 30 wird von unten ein mit dem Ventilglied 10 (Fig. 1) ausgebildeter Ventilschaft 32 einge schoben, der an seinem oberen Ende mit einem Aktuatorkolben 34 verschraubt ist. Zur Sicherung des Aktuatorkolbens 34 am Ventilschaft 32 dienen seitliche Gewindelöcher 36, in die Stiftschrauben einschraubbar sind.

Vor dem Verschrauben des Aktuatorkolbens 34 mit dem Ventilschaft 32, die beide den Ventilkörper 8 (Fig. 1) bilden, werden in das Gehäuse ein Dichtring 38, die Schraubenfe der 16 und ein Anschlagring 40 eingebracht. Auf den Aktuatorkolben 34 wird dann ein unter Passung im Gehäuse 2 aufgenommenes Führungsteil 42 aufgeschoben, in welchem der Aktuatorkolben 34 geführt ist.

Die Arbeitskammer gemäß Fig. 4 ist innerhalb des Führungsteils 42 unterhalb des Aktuatorkolbens 34 und in dem Zwischenraum zwischen dem Ventilschaft 32 und in dem Zwischenraum zwischen dem Ventilschaft 32 und dem Rohrbauteil 30 ausgebildet. Zum Anschluß der Arbeitskammer 4 an unter Druck stehendem Kraftstoff dient die Zuleitung 6, die in die Anschlußleitung 24 übergeht.

Der Aktuatorkolben 34 ist mittels eines Dichtrings 44 gegen das Führungsteil 42 abgedichtet. Zur Betätigung des Aktuatorkolbens 44 ist im Gehäuseteil 22 ein Stössel 46 mit insgesamt T-förmigem Querschnitt vorgesehen, der sich über eine Feder 48 an dem Führungsteil 42 abstützt. Die Feder 48 dient zur Vorspannung des in dem Gehäuseteil 22 aufgenommenen Piezoaktuators 18. Solche Piezoaktuatoren sind an sich bekannt und sind aufgebaut wie Kondensatoren, deren Dielektrikum aus piezoelektrischem Material, bei spielsweise Blei-zirkonat-titanat-keramik besteht. Moderne Aktuatoren arbeiten mit Feldstärken bis zu 2000 V/mm und erreichen relative Längenänderungen von bis zu 1,5 Promille. Im dargestellten Beispiel läßt sich mit einer Länge des Piezoaktuators 18 von etwa 100 mm somit ein definierter Hub von über 0,1 mm erzielen, was für eine analoge Veränderung des Öffnungsquerschnitts des Ventils in Abhängigkeit von der an dem Piezoaktuator liegenden Spannung vollständig ausreicht.

Durch den Kabelkanal 25 ist eine elektrische Leitung 50 geführt, mittels der ein in dem Führungsteil 42 dem Aktuatorkolben 34 benachbarter Sensor 52 elektrisch angeschlossen ist, der den Hub des Aktuatorkolbens 34 und damit die Öffnung des durch die Bauteile 10 und 12 gebildeten Ventils erfaßt. Ein solcher Sensor, der kapazitiv, induktiv, rein mecha nisch oder optisch arbeiten kann, ist in seinem Aufbau insgesamt bekannt und wird daher nicht im einzelnen beschrieben.

Bei Anlegen einer Spannung an den Piezoaktuator 18 dehnt sich dieser aus, daß der Stössel 46 unter Überwindung der Kraft der Feder 48 in Anlage an den Aktuatorkolben 34 kommt und das Ventil öffnet. Bei Beendigung der Spannungsbeaufschlagung des Piezoaktuators schließt das Ventil. Es versteht sich, daß die Bewegung des Ventils nur begrenzt erfolgen kann, indem beispielsweise der Dichtungsring 38 und/oder ein anderes Anschlagteil geeignet ausgebildet werden.

Claims

1. Einspritzventil, insbesondere zur Verwendung für mit Common-Rail-Systemen ausgerüsteten Brennkraftmaschinen, mit
einem hin und her beweglichen Ventilkörper (8), der eine mit unter Druck stehendem, abzuspritzendem Kraftstoff beaufschlagten Arbeitskammer (4) durchdringt, an einem Ende mit einem Ventilglied (10) zur dichtenden Anlage an einem Ventilsitz (12) ausgebildet ist und am anderen Ende einen die Wand der Arbeitskammer durchdringenden Aktuatorkolben (14) aufweist,
wobei die wirksame, dem Druck in der Arbeitskammer ausgesetzte Fläche des Aktuatorkolbens größer ist als die wirksame Fläche des Ventilgliedes, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventilglied (10) den Ventilsitz (12) durchdringt und von außen her an diesem anliegt, so daß das Ventilglied durch den Druck in der Arbeitskammer in Anlage an den Ventilsitz gedrängt wird, und
daß zum Öffnen des Ventils (10, 12) eine elektromechanische Wandlervorrichtung (18) vorgesehen ist, die im aktivierten Zustand den Ventilkörper (8) in eine Richtung bewegt, in der sich das Ventilglied vom Ventilsitz abhebt.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanische Wandlervorrichtung ein Piezoaktuator (18) ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoaktuator stabförmig ist, mit mechanischer Vorspannung in das Gehäuse (2, 22) des Einspritzventils eingebaut ist und den Ventilkörper (8) über einen Stössel (46) unter Zwischenanordnung einer Dichtung (44) betätigt.

4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (16) vorgesehen ist, die den Ventilkörper (8) in Schließrichtung des Ventils (10, 12) drängt.

5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (10) in Form eines Kegels mit kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist.

6. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuatorkolben (14) mit einem Schaft (32) des Ventilkörpers (8) verschraubt ist.

7. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (52) vorgesehen ist, der die Stellung des Ventilkörpers (8) erfaßt.