DE19619319A1

DE19619319A1 - Piezoelektrische-Kraftstoff- Einspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE19619319A1
Application number: DE1996119319
Authority: DE
Inventors: Ruediger Ufermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 1997-11-20

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange gebenen Art.

Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen haben eine große Verbreitung er fahren und werden in vielfältigen Technologien eingesetzt.

Einspritzvorrichtungen der eingangs genannten Art arbeiten mit piezoelektrischen, magneto striktiven oder elektrostriktiven Aktoren als Antriebselemente, die auf einen Kolben oder eine Membran einwirken, so daß die erforderliche Teil- oder Gesamtkraftstoffmenge abgespritzt werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kleinbauende, kostengünstige, verschleißarme Vorrichtung mit guten dynamischen Eigenschaften, ins besondere auch bei hohen Betriebsfrequenzen, mit exakt steuerbarer und reproduzierbarer Abspritzung von Kraftstoffteilmengen für Brennkraftmaschinen unter Einsatz eines Steuerorgans der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die von diesem Anspruch abhängigen Ansprü che gekennzeichnet.

In folgendem wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbin dung mit vier Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1. den schematischen Aufbau der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, bei das das Antriebselement (12), welches vorteilhafterweise als Piezoringstapel oder Multilayerstack-Ringstapel ausgeführt sein kann, zwischen dem Federelementwiderlager (11) und dem Kugelscheibenlager (17) eingebracht ist. Zur Einstellung der optimalen Vorspannung des Antriebselements (12) kann unter Betriebsbedingun gen der Justierzylinder (22) über das Rohrinnengewinde (20) und das Justierzylindergewinde (21) welches vorteilhafterweise als Mikrogewinde ausgeführt ist, mit der erforderlichen Kraft gegen das Antriebselement (12) gedrückt werden . . Nach dessen Aktivierung wird die Ringmembran (7), die mit ihrem Durchmesser so ausgelegt ist, daß hiermit aufgrund des maximal zu erwartenden Aktorhubs, der bei einer Aktorlänge von 10 cm maximal ca. 0,1 mm bis ca. 0,15 mm beträgt, die unter allen Last bedingungen geforderten Kraftstoffteilmengen mit entsprechendem Druck und Zerstäubungsgrad, we gen der aktorbedingten Dynamik und Steuerungsmöglichkeit reproduzierbar über den Teller (1) abge spritzt werden können. Vorteilhafterweise wird der Druckraum (7) auch beim Zurückfahren der Ringmembran (8) unter Druck mit der jeweils abgespritzten Kraftstoffteilmenge wiederaufgefüllt, da beim Abspritzen bereits über die Überströmkanäle (32) die Saugkammer (36) vorgefüllt wird.

Fig. 2 eine Ausführungsform, bei der durch eine hermetisch dichte Verbindung der Ringmembran (47) mit dem Gehäuse (6) und dem Federelementwiderlager (46) die erforderliche Saug- und Druckwir kung durch das Antriebselement (49) und das Federelement (48) auf den Druckraum (45) ausgeübt werden kann.

Fig. 3 eine Ausführungsform, bei der der hermetisch dichte und mit Drucköl gefüllte Transformati onsraum (54) auf den Stößel (50) einwirkt, der über die Tellerfeder (53) hermetisch dicht mit dem Gehäuse (6) verbunden ist, wobei der unter Druck stehende Kraftstoff über die Kraftstoffzuflußlei tung (62) in den Kraftstoffraum (52) geleitet wird, um über die Kraftstoffabflußleitung (51) wieder abzufließen. Um die temperaturbedingte Längung des Antriebselementes (60) zu kompensieren, ist der mit einem Werkstoff aus negativem Temperaturkoeffizienten gefüllte Kompensationsraum (57) kraft schlüssig über den Drucklagerzylinder (56) mit dem Antriebselement (60) gekoppelt, wobei diese auch ringförmig ausgebildet sein können.

Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der das im Transformationsraum (69) befindliche Drucköl gegen die Ringmembran (66) drückt, die mit dem Stößel (63) und dem Federelementwiderlager (68) herme tisch dicht verbunden ist. Bei Druckausübung hebt sich der Stößel (63) von seinem Sitz (71), so daß die geforderten Kraftstoffteilmengen abgespritzt werden können.

Bezugszeichenliste

1 Teller
2 Sitz
3 Schraubzylinder
4 Stößel
5 Federgehäuse
6 Gehäuse
7 Druckraum
8 Ringmembran
9 Ringdichtung
10 Leckölringkanal
11 Federelementwiderlager
12 Antriebselement
13 Gehäusebohrung
14 Federelement
15 Kolbenstange
16 Kolbenstangendurchbohrung
17 Kugelscheibenlager
18 Leckölringkanal
19 Ringdichtung
20 Innengewinde
21 Justierzylindergewinde
22 Justierzylinder
23 Saugkanal
24 Anschlußstutzengewinde
25 Leckölkanal
26 Ventilkugel
27 Ventilfeder
28 Kolbenstangenzylinder
29 Formschlüssige Verbindung
30 Kolbenstangenende
31 Kugelscheibendurchbohrung
32 Überströmkanal
33 Kolbenstangenmembranführungszylinder
34 Kolbenstangendurchbohrung
35 Leckölkanal
36 Saugkammer
37 Saugkammerwandung
38 Membranfassung
39 Dichtungskegel
40 Tellerfeder
41 Widerlager
42 Ventilkugel
43 Federscheibe
44 Ventilfeder
45 Druckraum
46 Federelementwiderlager
47 Ringmembran
48 Federelement
49 Antriebselement
50 Stößel
51 Kraftstoffabflußleitung
52 Kraftstoffraum
53 Tellerfeder
54 Transformationsraum
55 Federelement
56 Drucklagerzylinder
57 Kompensationsraum
58 Justierzylinder
59 Kugelscheibenlager
50 Antriebselement
61 Federelementwiderlager
62 Kraftstoffzuflußleitung
63 Stößel
64 Kraftstoffraum
65 Ringdichtung
66 Ringmembran
67 Bohrung
68 Federelementwiderlager
69 Transformationsraum
70 Gehäusebohrung
71 Sitz

Claims

1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zur Abspritzung von Kraftstoffteilmengen mittels in einem rotationssymmetrischen Pumpengehäuse aus Metall, nichtferromagnetischen Metallen, Keramik, Kunststoff oder Verbundwerkstoffen bzw. deren Kombinationen dadurch gekennzeichnet, daß die in der Gehäusebohrung (13) des Gehäuses (6) eingebrachten Federelemente (14, 48, 55) auf der einen Gehäuseseite die mit ihnen homogen oder formschlüssig verbundenen Federelementewiderlager (11, 45, 61, 68) aufweisen und auf der anderen Seite mit dem Gehäuse (6) eine formschlüssige Verbin dung (29) eingehen, wobei die Federelemente (14, 48, 55) das Innengewinde (20) aufweisen, in wel ches das Justierzylindergewinde (21) mit den Justierzylindern (22, 58) und den Kugelscheibenlagern (17, 59), womit die Vorspannung der Antriebselemente (12, 49, 60) unter Betriebsbedingungen ju stierbar ist, eingreift.

2. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (14) als Rohrfeder oder Faltenbalg ausgeführt ist.

3. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (15) durch ein Faltenbalgrohr mit einer oder mehreren Faltungen ersetzt wird und hermetisch dicht mit dem Justierzylinder (22) verbunden ist, wobei die Ringdichtung (119), die Leckölringnut (18) und der Leckölkanal (25) wegfallen können.

4. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, die Antriebselemente (12, 49) als Piezoringstapel oder mehreren, einzeln oder auch insgesamt ansteu erbaren, Piezo-Multilayerstack Ringelementen bestehen kann, bzw. als magnetostriktive oder elek trostriktive Rohraktoren ausgebildet sein können.

5. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (60) als Piezostapel oder mehreren, einzeln oder auch insgesamt, ansteuerba ren Piezo-Multilayerstack Elementen bestehen kann, bzw. als magnetostriktive bzw. elektrostriktive Aktoren ausgebildet sein können.

6. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Justierzylinder (22) den achsialsymmetrisch geführten Saugkanal (23) , den Kolbenstangen zylinder (28) mit dem Leckölringkanal (18) und eine oder mehrere beidseitig zum Leckölringkanal (18) plazierten Ringdichtungen (19) enthält.

7. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der homogen und axialsymmetrisch mit dem Federelementwiderlager (11) verbundene Kolben stangenmembranführungszylinder (33), welcher die mit der Ringmembran (8) und mit der Ringdich tung (9) versehene Kolbenstangendurchbohrung (34) dichtend durchläuft, einen oder mehrere Über strömkanäle (32), die von der Kolbenstangendurchbohrung (16) in die Saugkammer (36) münden, den Dichtungskegel (39) und die hermetisch dicht mit ihr verbundene Ringmembran (8), die über die Membranfassung (38) mit dem Gehäuse (6) hermetisch dicht abschließt und in den Druckraum (7) und die Saugkammer (36) teilt, wobei die Ventilkugel (42) durch die Federscheibe (43) dichtend gegen den Dichtungskegel (39) gedrückt wird.

8. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die homogen und achsialsymmetrisch mit dem Federelementwiderlager (11) verbundene Kolben stange (15) die Kolbenstangendurchbohrung (16) aufweist und dichtend im Kolbenstangenzylinder (28) läuft, der die Ventilkugel (26) und die Ventilfeder (27) enthält und daß der Leckölringkanal (10) über den Leckölkanal (35) mit dem Leckölringkanal (18) und über den Leckölkanal (25) mit dem Saugkanal (23) verbunden ist.

9. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelementwiderlager (46) homogen mit dem Federelement (48) verbunden ist und mit ihm und dem Gehäuse (6) hermetisch dicht über die Ringmembran (47) verbunden wird, so daß auf den Druckraum (45) Druck ausgeübt werden kann.

10. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (50) über die Tellerfeder (53) mit dem Gehäuse (6) hermetisch dicht verbunden ist, so daß die über den Transformationsraum (54) wirkenden Kräfte wegtransformatorisch auf den Stößel (50) einwirken können, oder daß der Stößel (50) dichtend den unteren Teil des Kraftstoffraumes (52) durchläuft und mit einer abspritzseitigen konzentrischen Bohrung versehen ist, die bis kurz vor den oberen Rand des Kraftstoffraumes (52) läuft und mit einer Querdurchbohrung versehen ist, die bei nichtaktivem Antriebselement (60) dichtend von diesem umschlossen wird und nur bei aktivem An triebselement (60) in den Kraftstoffraum (52) hineinragt, wobei das Ventilsitzende fehlen kann.

11. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Justierzylinder (58) den Drucklagerzylinder (56) axial frei beweglich führt und so auf den Kompensationsraum (57) einwirken kann, daß die ihn ausfüllenden Werkstoffe mit gleichem oder unterschiedlichem negativem oder positivem Temperaturkoeffizienten, die thermisch bedingte Längenänderung des Antriebselementes (60) bzw. des Gesamtstellsystems kompensiert.

12. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff mit negativem oder positivem Temperaturkoeffizienten in die Flächen des Transfor mationsraumes (54) eingearbeitet wird oder daß diese in die aktorseitigen Federelementwiderlager (61, 68) eingebracht werden.

13. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (63) in der Bohrung (67) über die Ringmembran (66), die auch als Tellerfeder ge arbeitet sein kann, hermetisch dicht mit dem Federelementwiderlager (70) verbunden ist, wobei er die Gehäusebohrung (70) führend durchläuft, die mit der Ringdichtung (65) versehen ist, oder daß der Stößel (63) mit einer abspritzseitigen konzentrischen Bohrung versehen ist, die an ihrem Ende mit einer Querdurchbohrung versehen ist, die in ihrer oberen Ausdehnung kurz vor dem Kraftstoffraum (64) dichtend endet und nur bei aktivem Antriebselement in den Kraftstoffraum (64) hineinragt.

14. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der aktiven Flächen der Saugkammer (36) und der Kolbenstange (15) gleich oder größer sind als die aktive Fläche des Druckraumes (7).

15. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmembran (8) als Tellerfeder ausgeführt ist, so daß das Federelement (14) entfallen kann.

16. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (40) das Federelement (14) ersetzt.

17. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (7) und die Saugkammer (36) Entlüftungsvorrichtungen aufweisen.

18. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmembran (8) durch einen Kolben ersetzt wird, der in einer achsialkonzentrischen Boh rung, die von dem Druckraum (7) und der Saugkammer (36) gebildet wird, läuft.

19. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (40) und die Ventilkugel (42) integraler Bestandteil des Kolbenstangenmembran führungsstücks (33) oder der Kolbenstange (15) sind.

20. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmembran (8), den Kolbenstangenmembranführungszylinder (33), die Kolbenstange (15), das Federelementwiderlager (11) und das Federelement (14) als ein homogenes Teil ausgebil det sind.

21. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die im Druckraum (7) auf dem Widerlager (41) aufliegende Tellerfeder (40) an ihrem Rand wellenförmig gearbeitet ist oder mit Durchbohrungen versehen ist.

22. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkugel (26) und die Ventilfeder (27) größer als das Lumen des Kolbenstangenzylinders (28) sind und nicht das Kolbenstangenende (30) als Widerlager nutzen, sondern in einer größeren Bohrung des Justierzylinders (22) eingebracht sind und diesen auch als Widerlager nutzen.

23. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Leckölringkanäle (10, 18) jeweils rechts- und linksseitig mit einer oder mehreren Ringdichtun gen (9, 19) versehen sind.

24. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfedern gegen Zugfedern oder Tellerfedern, bzw. umgekehrt, getauscht werden.

25. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugkammerwandung (37) an der nichtaktiven Ringmembran (8) anliegt und daß der Über strömkanal (32) in einen Ringkanal mündet.

26. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) im Verlauf der Gehäusebohrung (13) mit Öffnungen in Form von Schlitzen oder Bohrungen versehen wird, wodurch auch die Aktoranschlüsse geführt werden können.

27. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelscheibenlager (17) durch eine Gewindehülse im Innengewinde (20) gegen das An triebselement (12) gedrückt wird und der Justierzylinder (22) mit der Funktion einer Kontermuffer gegen diese Gewindehülse geschraubt wird.

28. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Justierzylinder (22) über das Justierzylindergewinde (21) gegenüber der Rückwand des Ge häuses (6) über das Anschlußstutzengewinde (24) durch eine Kontermutter fixiert werden kann.

29. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (15) achsialsymmetrisch, bei fehlendem Federelementwiderlager (11), Kugel scheibenlager (17), Antriebselement (12) und Federelement (14), von einem mit dem Gehäuse (6) formschlüssig verbundenen Elektromagneten umgeben ist, der seine Zugkraft in Richtung Ringmem bran (8) auf einen formschlüssig mit der Kolbenstange (15) verbundenen Eisenteller wirken läßt.

30. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Signalcharakteristik der Antriebselemente (12, 49, 60), oder eines jeweiligen sepa raten Sensors zur Druck- und Temperaturmessung im Druckraum (7, 45) und im Transformations raum (54) eingesetzt wird, wobei diese Signale zur Drucksteuerung über eine in den Transformations raum (54, 69) eingreifende raumändernde mechanische oder elektromechanische Aktorik genutzt wer den.

31. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur der Antriebselemente (12, 49, 60) durch auf sie im Wärmekontakt stehende Peltier-Elemente geregelt wird.

32. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die zuvor aufgeführten Vorrichtungen als Absteuer- und Absperrventile eingesetzt werden.

33. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die zuvor aufgeführten Vorrichtungen als Pumpen eingesetzt werden.