DE19702066A1 - Piezoelektrischer Injektor für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Piezoelektrischer Injektor für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen

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Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Injektor für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen nach den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Bei piezoelektrischen Injektoren entspricht die thermische Aus­ dehnung von Gehäuseteilen des Piezo-Aktuators etwa dem Arbeits­ hub des Piezo-Aktuators. Demgegenüber ist die thermische Aus­ dehnung von Piezomaterialien jedoch annähernd null. Es werden daher bekanntlich hydraulische Kompensationsglieder oder Gehäu­ sekombinationen aus Werkstoffen unterschiedlicher thermischer Ausdehnung benutzt.
Aus der MTZ Motortechnische Zeitschrift 56 (1995) 3, S. 142-148, Bild 8 ist ein piezoelektrischer Injektor mit einem stabförmi­ gen Piezo-Aktuator bekannt, der im ausgedehnten, also geladenen Zustand, eine sitzlochgebohrte Einspritzdüse schließt. Der hier dauernd anstehende Hochdruck wird bei Entladung des Aktuators von der Düsennadel zugemessen. Durch Tellerfedern ist die Vor­ spannung des Systems einstellbar. Die Vorspannkraft muß so groß sein, daß die Düse mit geladenem Aktuator gegen den vollen Kraftstoffdruck abdichtet.
Die geringe Wärmedehnung der Piezokeramik wird durch eine Kom­ bination von CFK (Chlorfluorkohlenwasserstoffe) und Metall im Injektorgehäuse teilweise kompensiert.
Bei derartigen piezoelektrischen Injektoren ist die Bewegungs­ richtung des Piezo-Aktuators bei Bestromung gegenüber üblichen Magnetventilen entgegengesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den piezoelektrischen Injektor der gattungsgemäßen Art zu verbessern, und zwar im Hinblick auf eine einfachere Bauweise, bei der das Ventilgehäu­ se aus Materialien, wie Stahl oder Aluminium, bestehen kann, ohne daß thermische Ausdehnungen dieses Materials einen ungün­ stigen Einfluß auf die Genauigkeit der Ventilhübe ausüben.
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
In den Unteransprüchen sind noch vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Durch die besondere Anordnung und Zuordnung des Betätigungstei­ les im piezoelektrischen Injektor sowie durch die Bewegungsum­ kehr des Piezo-Aktuators bei Bestromung ist eine einfache Bau­ ausführung möglich, die trotz des weiteren Einsatzes der beim Ventilgehäuse üblicherweise verwendeten Materialien, wie Stahl oder Aluminium, keine Funktionsbeeinträchtigung der exakten Ventilhübe bewirkt.
Die bei thermischen Belastungen unvermeidbar auftretenden Län­ genausdehnungen üben somit keinen negativen Einfluß auf die einwandfreie Schließfunktion des Ventiles aus.
Außerdem tritt bei einem elektrischen Defekt am Injektor keine Düsen-Leckage auf, die besonders bei Hochdrucksystemen nach dem Common-Rail-Prinzip zu Motorzerstörungen durch die nicht mehr schließende Düse führen kann, die in Abhängigkeit von der Stel­ lung des mit einem Steuerkolben auf der Rückseite der Düsenna­ del zusammenwirkenden Verschlußstückes am piezoelektrischen In­ jektor öffnet oder schließt.
Der gleiche Länge und gleiches Keramikmaterial aufweisende Druckstift und Piezo-Aktuator können auch aus einem keramikähn­ lichen Material bestehen, z. B. Invar.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
Ein piezoelektrischer Injektor 1 für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Hochdrucksysteme in der Ausführung als Common-Rail-Systeme, besteht aus einem in einem Ventilgehäuse 2 angeordneten federbelasteten Piezo- Aktuator 3.
Der Piezo-Aktuator 3 ist aus ringförmigen Piezoelementen 4 auf­ gebaut, die übereinandergeschichtet einen durchgehenden zentra­ len Hohlraum 5 bilden und somit Platz für ein Betätigungsteil 6 schaffen. Dieses Betätigungsteil 6 setzt sich aus einem Druck­ stift 7 und aus einem Kopfteil 8 zusammen, von denen das außen­ bundähnliche Kopfteil 8 auf dem Piezo-Aktuator 3 aufliegt und der Druckstift 7 den Piezo-Aktuator 3 auf ganzer Länge durch­ setzt.
Zwischen dem Piezo-Aktuator 3 und einem deckelähnlichen Ab­ schluß 9 am Ventilgehäuse 2 befindet sich eine vorgespannte Druckfeder 10, die sich auf dem Kopfteil 8 des Betätigungstei­ les 6 abstützt und einerseits den Piezo-Aktuator 3 auf die Ge­ häusefläche 11 eines eingezogenen Gehäuseteiles 12 am unteren Ende des Ventilgehäuses 2 und andererseits den mit der Gehäuse­ fläche 11 bündig abschließenden Druckstift 7 auf ein Verschluß­ stück 13 drückt.
Piezo-Aktuator 3 und Druckstift 7 weisen gleiche Länge und gleiches Keramikmaterial auf.
Das Verschlußstück 13 ist durch eine Ventilkugel 14 gebildet, die auf einem kegelförmigen Ventilsitz 15 aufliegt. Der Ventil­ sitz 15 steht über eine Bohrung 16 in dem Gehäuseteil 12 des Injektors 1 mit einem Druckraum 17 oberhalb eines Steuerkolbens 18 in Verbindung, welcher über einen Kanal 19 und eine Zulauf­ drossel 20 mit Hochdruck aus einer nicht näher dargestellten und als Hochdruckspeicher für alle Injektoren wirkenden Versor­ gungsleitung (Rail) beaufschlagt wird.
Die Ventilkugel 15 ist durch eine etwa der halben Kugelform an­ gepaßte Ausnehmung 21 lagegesichert.
Zwischen dem deckelähnlichen Abschluß 9 des Ventilgehäuses 2 und dem Kopteil 7 des Betätigungsteiles 6 befindet sich eine Distanzscheibe 22, über die die Federvorspannung eingestellt werden kann.
Im Bereich des eingezogenen Gehäuseteiles 12 verlaufen die zum Piezo-Aktuator 3 führenden Spannungsführungen (nicht darge­ stellt), die mit den äußeren Anschlüssen 23, 24 leitend verbun­ den sind.
Gegebenenfalls kann der aus ringförmigen Piezoelementen 4 be­ stehende Piezo-Aktuator 3 aus zwei hochragenden, mit Abstand nebeneinanderliegenden Aktuatoren bestehen (nicht dargestellt), zwischen denen der Druckstift 7 verläuft, der die gleiche Länge wie die beiden Aktuatoren hat. Der Druckstift kann anstelle ei­ nes außenbundähnlichen Kopfteiles durch eine Brücke mit den Ak­ tuatoren verbunden sein.
Außerdem kann zwischen dem Piezo-Aktuator 4 und der Gehäuseflä­ che 11 des eingezogenen Gehäuseteiles 12 eine nicht näher dar­ gestellte Distanzscheibe eingesetzt sein, mit der die Druck­ spannung des Druckstiftes 7 im geschlossenen Zustand einstell­ bar ist.
Wirkungsweise des piezoelektrischen Injektors:
Durch ein Spannungssignal wird sich der vorgespannte Piezo- Aktuator 3 gegen die Kraft der Druckfeder 10 ausdehnen bzw. verlängern. Dadurch wird über den in seiner Länge unveränderten Druckstift 8 die Ventilkugel 14 geöffnet und der Druckraum 17 über dem Steuerkolben 18 entlastet. Der Steuerkolben 18 kann sich nach oben bewegen und eine Düsennadel (nicht dargestellt) von ihrem Ventilsitz freigeben. Entscheidend für die Bewegung der Ventilkugel mit dem Kugelhub x ist die Relativbewegung zwi­ schen Piezo-Aktuator 3 und Druckstift 7 im Bereich der Gehäuse­ fläche 11 des radial eingezogenen Gehäuseteiles 12. Die bei Temperaturänderungen auftretenden Wärmedehnungen des langge­ streckten Ventilgehäuses üben überhaupt keinen Einfluß aus.
Somit sind durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen - unabhängig von jeglichen Temperatureinflüssen - exakte Ventilhübe möglich, darüber hinaus ist bei Schließlage der Ventilkugel ein einwand­ freier Dichtsitz gewährleistet.
Außerdem kann durch die Höhe des Ansteuersignales der Ventilhub gesteuert werden, so daß eine variable Ablaufdrossel realisier­ bar wäre.

Claims (7)

1. Piezoelektrischer Injektor für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem unter Federvorspannung im Ventilgehäuse geführten Piezo-Aktuator, der über ein Betäti­ gungsteil ein Verschlußstück auf seinen Ventilsitz drückt, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsteil (6) aus einem den Piezo-Aktuator (3) durchsetzenden Druckstift (7) mit auf dem Piezo-Aktuator (3) aufliegendem Kopfteil (8) besteht, daß Druckstift (7) und Pie­ zo-Aktuator (3) zumindest annähernd gleiche Länge und gleiches Keramikmaterial oder in Bezug auf die Wärmeausdehnung kera­ mikähnliches Material aufweisen und daß das Verschlußstück (13) durch den bei geladenem Zustand ausgedehnten Piezo- Aktuator (3) von seinem Ventilsitz (15) abhebbar ist.
2. Piezoelektrischer Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Aktuator (3) aus ringförmigen Piezo-Elementen (4) aufgebaut ist, in denen der Druckstift (7) des Betätigungstei­ les (6) konzentrisch angeordnet ist.
3. Piezoelektrischer Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Aktuator (3) aus zwei kleinen nebeneinanderlie­ genden Aktuatoren besteht, zwischen denen sich der Druckstift gleicher Länge erstreckt, wobei die Ankoppelung des Druckstif­ tes über eine die beiden Aktuatoren verbindenden Brücke er­ folgt.
4. Piezoelektrischer Injektor nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Aktuator (3) auf der unteren Gehäusefläche (11) eines eingezogenen Gehäuseteiles (12) des Ventilgehäuses (12) aufliegt und der Druckstift (7) des Betätigungsteiles (6) im Bereich dieser Gehäusefläche (11) mit dem Piezo-Aktuator (3) in Schließlage des Verschlußstückes (13) bündig abschließt.
5. Piezoelektrischer Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (13) als Ventilkugel (14) ausgebildet ist, die in einer etwa der halben Kugelform angepaßten Ausneh­ mung (21) im Druckstift (7) lagegesichert ist.
6. Piezoelektrischer Injektor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der auf dem Piezo-Aktuator (3) aufliegende Kopfteil (8) des Betätigungsteiles (6) und der obere deckelartige Abschluß (9) des Ventilgehäuses (2) Abstützkörper für eine Druckfeder (10) bilden.
7. Piezoelektrischer Injektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem deckelartigen Abschluß (9) und dem obenliegen­ den Federende der Druckfeder (10) eine definierte Distanzschei­ be (22) eingesetzt ist.
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