DE19824916C1 - Einspritzventil - Google Patents

Abstract

Bei einem Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzsysteme sind ein Injektorgehäuse, in welchem mehrere in axialer Richtung hintereinanderliegende Piezos angeordnet sind, ein mit dem Injektorgehäuse verbundenes Ventilgehäuse und eine verschiebbare Ventilverschließeinrichtung vorgesehen, wobei die Piezos bei Beaufschlagung mit einer Steuerspannung einen Stößel der Ventilverschließeinrichtung zur Freigabe von Kraftstoffeinspritzlöchern verschieben. Für diese Piezos sind Phase Switcher Materialien vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für Kraft­ stoffeinspritzsysteme mit einem Injektorgehäuse, in welchem mehrere in axialer Richtung hintereinander liegende Piezos angeordnet sind, und einem mit dem Injektorgehäuse verbundenen Ventilgehäuse, in dem eine Ventilverschließeinrichtung verschiebbar angeordnet ist, wobei sich bei Beaufschlagung der Piezos mit ei­ ner Steuerspannung ein Stößel der Ventilverschließein­ richtung zur Freigabe von Kraftstoffeinspritzöffnungen gegenüber dem Ventilgehäuse verschiebt.

Aus der DE 195 00 706 A1 ist ein Einspritzventil für Brennkraftmaschinen bekannt, wobei zur Umsetzung des Stellweges eines piezoelektrischen Aktors für einen vergrößerten Hub eine Stößel- bzw. eine Ventilnadel der Verschließeinrichtung eine hydraulische Wegver­ stärkung vorgesehen ist. Die hydraulische Wegverstär­ kung ist erforderlich, um die geringe Dehnung bei An­ legen einer Schwellspannung an die Piezos soweit zu verstärken, daß eine ausreichende Verschiebung des Stößels zur Freigabe der Einspritzöffnungen erreicht wird. Dies bedeutet jedoch, daß das Einspritzventil entsprechend aufwendig aufgebaut sein muß.

Die DE 196 16 695 C1 beschreibt ein Verfahren zur Her­ stellung eines Piezoaktors monolithischer Vielschicht­ bauweise, wobei ein monolithischer Piezoaktor aus ei­ ner stöchiometrischen PZT-Keramik mit niedriger A- Platz-Dotierung vorgeschlagen wird, der eine verbes­ serte mechanische Festigkeit bei guten piezoelektri­ schen Eigenschaften zeigt. Das Herstellverfahren soll hierbei, unabhängig von einer B-Platz-Dotierung, in der Keramik zu optimalen Korngrößen und optimalen pie­ zoelektrischen Eigenschaften führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welchem ohne die Notwendigkeit hydraulischer oder mechanischer Übersetzungshilfen ein ausreichender Verstellweg zur Freigabe von Ein­ spritzöffnungen geschaffen wird, wobei im Bedarfsfalle auch die Einspritzmenge gegenüber dem Öffnungsweg der Einspritzlöcher variierbar sein soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

In überraschender Weise hat sich herausgestellt, daß Phase Switcher Materialien für Einspritzventile sehr gut geeignet sind. So zeigen die Phase Switcher Mate­ rialien in dem relevanten Belastungsbereich z. B. eine annähernd vierfache Dehnung, was bedeutet, daß man eine größere Verschiebung des Stößels und/oder eine geringere Bauhöhe des Einspritzventiles erreichen kann. Insbesondere ist es im Bedarfsfalle nicht mehr notwendig, mechanische oder hydraulische Übersetzungs­ hilfen zur Verstärkung des Verstellweges einzusetzen.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, daß die Phase Swit­ cher Materialien größere Kräfte übertragen können, so daß darüber hinaus geringere Maße für die Piezos ver­ wendet werden können. Im Allgemeinen sind die Piezos als Scheiben ausgebildet, womit entsprechend geringere Scheibendurchmesser erreichbar sind.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfin­ dung lassen sich die Phase Switcher Piezos für Ver­ schließeinrichtungen verwenden, bei denen unterschied­ liche Öffnungsquerschnitte der Einspritzlöcher und/­ oder sogenannte Registerdüsen verwendet werden, insbe­ sondere bei denen wenigstens zwei Reihen von axial hintereinanderliegenden Einspritzöffnungen vorgesehen sind.

Die Erfinder haben nämlich festgestellt, daß die Phase Switcher Materialien bei Anlegen einer Schwellspannung im Unterschied zu normalen Piezokeramiken mit deren linearem Verhalten praktisch eine sprunghafte Dehnung zeigen. Mit anderen Worten, bis zu einer bestimmten Schwellspannung reagieren die Phase Switcher Materia­ lien nicht und erst nach Überschreiten einer bestimm­ ten Spannung erfolgt in Form einer Sprungfunktion beim Übergang von der antiferroelektrischen in die ferro­ elektrische Phase eine Volumendehnung, wobei dann bei einer weiteren Erhöhung der Spannung diese Dehnung nur noch geringfügig zunimmt. Diese Eigenschaft wird nun bei Einsatz von mehreren axial hintereinanderliegenden Platten oder Scheiben von Phase Switcher Piezos derart verwendet, daß durch Variation der Dicke der einzelnen Piezoschichten bzw. -scheiben ein Dehnungsverhalten in Abhängigkeit von der Spannung in einem gewünschten vorgegebenen Sinne erreicht werden kann.

Bei einem Einsatz in einer Registerdüse bedeutet dies konkret, daß einzelne Registeröffnungen gezielt mit einer bestimmten Spannung angesteuert werden können. Bei Verwendung unterschiedlich dicker Piezoscheiben schalten diese dann jeweils entsprechend der Feldstär­ ke des elektrischen Feldes stets bei der gleichen Feldstärke, d. h. bei unterschiedlich angelegter Span­ nung, so daß man die unterschiedlich dicken Scheiben nacheinander zur Dehnung bringen kann. Mit anderen Worten: in einem bestimmten Spannungsbereich wird von der Registerdüse z. B. nur die erste Einspritzlochreihe geöffnet, während in einem zweiten Spannungsbereich eine zweite Lochreihe und z. B. in einem dritten Span­ nungsbereich eine dritte Lochreihe geöffnet wird. Ebenso lassen sich mit den Phase Switcher Materialien unterschiedliche Öffnungsquerschnitte der Einspritzlö­ cher zur Variation der Einspritzmenge entsprechend ansteuern.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbei­ spiel.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Einspritzventil mit einer Verschließein­ richtung (teilweise im Schnitt); und

Fig. 2 eine Grafik zur Darstellung der Dehnung von Piezos.

Grundsätzlich ist das Einspritzventil des Ausführungs­ beispieles von bekannter Bauart (siehe z. B. DE 195 00 706 A1), weshalb nachfolgend nur zum Verständnis der vordere und der hintere Bereich des Einspritzventils mit den Piezos und der Verschließeinrichtung im Schnitt dargestellt ist.

In einem Injektorgehäuse 1 befinden sich in axialer Richtung hintereinander mehrere Piezos 2 aus Phase Switcher Materialien. Die Phase Switcher Materialien sind in nicht näher dargestellter Weise mit einem Stö­ ßel 3 einer Ventilverschließeinrichtung 4 verbunden. Die Piezos 2 sind in Scheibenform ausgebildet, die unterschiedliche Dicken aufweisen können, damit unter­ schiedliche Aktivierungsspannungen erzeugt werden.

Der Stößel 3 ist an seinem vorderen Ende mit einem Ventilglied 5 versehen, das einen Ventilsitz in Ver­ bindung mit einem den Stößel 3 umgebenden Ventilgehäu­ se 6 bildet. In dem Ventilsitz befinden sich in axia­ ler Richtung hintereinander wenigstens zwei Reihen von Einspritzöffnungen 7.

Legt man nun an die Piezoscheiben 2, die als Stapelak­ toren oder Multilayer-Aktoren ausgebildet sein können, Schwellspannungen an, so kommt es zu Volumendehnungen und damit zu einer Verschiebung des Stößels 3 derart, daß die Einspritzöffnungen 7 freikommen, so daß Kraft­ stoff, der sich unter Hochdruck in einem Spaltraum 8 zwischen dem Ventilgehäuse 6 und dem Stößel 3 befin­ det, in einen nicht dargestellten Brennraum einge­ spritzt werden kann. Die Dehnung der Phase Switcher Piezos erfolgt dabei durch ein Umschalten zwischen einem antiferroelektrischen Zustand in einen ferro­ elektrischen Zustand.

Die chemische Basis phasenschaltender Keramik bildet wie bei herkömmlichen Piezoaktoren das Blei-Zirkonat- Titanat (PZT). Durch die Modifizierung dieses Werk­ stoffes mit den Elementen Zinn (Sn) und Niob (Nb) bzw. Lanthan (La) lassen sich antiferroelektrische Phasen innerhalb technisch relevanter Temperaturbereiche sta­ bilisieren. Durch ein elektrisches Feld kann eine an­ tiferroelektrische in eine ferroelektrische Phase überführt werden. Diese Phasenumwandlung ist mit einer Volumendehnung verbunden und bildet im vorliegenden Falle die Grundlage zur Anwendung bei Einspritzventi­ len. In Abhängigkeit von den beteiligten Substitu­ tionselementen bezeichnet man die phasenschaltenden Keramiken als PLZST oder PNZST.

In Fig. 2 ist in einer vereinfachten Graphik das Deh­ nungsverhalten von normalen Piezos und von Phase Swit­ cher Piezos dargestellt. Die Ordinate betrifft die Dehnung und die Abszisse bezeichnet die elektrische Spannung. Das Hubverhalten eines Standard-Piezos ist mit der gestrichelten Linie 9 und das Hubverhalten eines Phase Switcher Piezos mit der durchgezogenen Linie 10 dargestellt. Wie ersichtlich, beginnt bei einem normalen Standard-Piezo die Dehnung entsprechend einem linearen Verlauf praktisch schon mit Anlegen einer Schwellspannung, führt bis zu einem maximalen Dehnungspunkt 11 bei 4000 V/mm und kehrt dann in einer Hysterese-Kurve wieder auf 0 zurück.

Das Hubverhalten eines Phase Switcher Piezos hingegen zeigt bis zu einer Schwellspannung von ca. 3400 Volt keinerlei Dehnung. In dem Spannungsbereich von 3400 V/mm erfolgt eine Sprungfunktion mit einem starken Anstieg bis zu einem Dehnungspunkt 12 bei einer Schwellspannung von 4000 V/mm. In einer Hysterese- Kurve geht die Dehnung bei Entfernung der Schwellspan­ nung wieder auf 0 zurück. Die in der Fig. 2 darge­ stellte Kurve bezieht sich auf Normaldruck. Unter Druckbelastung tritt der Faktor 4 bezüglich besserer Dehnung auf.

Selbstverständlich ist es im Bedarfsfalle jedoch auch möglich, trotz der deutlich verbesserten Dehnung, von Phase Switcher Piezos noch eine mechanisch oder hy­ draulische Verstärkung für die Stößelverschiebung vor­ zusehen.

Ebenso läßt sich die Erfindung selbstverständlich auch für sich nach innen öffnende Düsennadeln bzw. Stößel verwenden. In diesem Falle ist lediglich eine Einrich­ tung zur Richtungsumkehr der von den Phase Switcher Piezos erzeugten Dehnung vorzusehen.

Claims (4)

1. Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzsysteme mit einem Injektorgehäuse, in welchem mehrere in axia­ ler Richtung hintereinander liegende Piezos ange­ ordnet sind, und einem mit dem Injektorgehäuse verbundenen Ventilgehäuse, in dem eine Ventilver­ schließeinrichtung verschiebbar angeordnet ist, wobei sich bei Beaufschlagung der Piezos mit einer Steuerspannung ein Stößel der Ventilverschließein­ richtung zur Freigabe von Kraftstoffeinspritzöff­ nungen gegenüber dem Ventilgehäuse verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien für die Piezos Elementaroxide von Blei, Zirkon, Zinn und Titan vorgesehen sind, die mit Niob bzw. Lanthan modifiziert sind.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die modifizierten Piezos (2) für eine Ventilver­ schließeinrichtung vorgesehen sind, deren Ein­ spritzöffnungen (7) unterschiedliche Öffnungsquer­ schnitte aufweisen.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die modifizierten Piezos (2) in Verbindung mit einer Verschließeinrichtung vorgesehen sind, die wenigstens zwei Reihen von axial hintereinander liegenden Einspritzöffnungen (7) aufweist.

4. Einspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die modifizierten Piezos als Scheiben (2) mit un­ terschiedlicher Dicke ausgebildet sind.