DE19849203A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents
BrennstoffeinspritzventilInfo
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Abstract
Ein Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen hat einen Ventilschließkörper (2), der mit einem Ventilsitzkörper (4) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und einen piezoelektrischen Aktor (12) zur Betätigung des Ventilschließkörpers (2). Der piezoelektrische Aktor (12) umfaßt Piezo-Schichten (21) und eine oder mehrere Temperaturkompensations-Schichten (20). DOLLAR A Die Temperaturkompensations-Schichten (20) haben einen Temperaturausdehnungs-Koeffizienten, dessen Vorzeichen dem Temperaturausdehnungs-Koeffizienten der Piezo-Schichten (21) entgegengesetzt ist.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits aus der
DE 195 38 791 A1 ein Brennstoffeinspritzventil für
Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt,
bei welchem ein Ventilschließkörper durch einen
piezoelektrischen Aktor betätigt wird. Der piezoelektrische
Aktor ist aus mehreren Piezo-Schichten aus einem
piezoelektrischen Material aufgebaut. Zwischen den Piezo-
Schichten befinden sich Elektroden, um die Piezo-Schichten
mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen und somit
eine Dehnung des piezoelektrischen Aktors zu bewirken, die
zur Betätigung des Ventilschließkörpers genutzt wird.
Problematisch bei der Verwendung von piezoelektrischen
Aktoren ist grundsätzlich deren Temperaturausdehnung.
Piezoelektrische Werkstoffe haben im Gegensatz zu üblichen
Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl oder Kunststoffen,
einen negativen Temperaturausdehnungs-Koeffizienten. Dies
bedingt, daß sich der piezoelektrische Aktor mit zunehmender
Temperatur kontrahiert, während sich das umgebende Gehäuse
ausdehnt. Die unterschiedlichen Temperaturausdehnungs-
Koeffizienten des piezoelektrischen Aktors einerseits und
des Gehäuses andererseits bewirken einen
temperaturabhängigen Ventilhub, wenn dies nicht durch
geeignete Maßnahmen kompensiert wird.
In der DE 195 38 791 A1 wird zur Temperaturkompensation
vorgeschlagen, das Ventilgehäuse zweiteilig aus zwei
unterschiedlichen Werkstoffen zu gestalten. Beispielsweise
wird vorgeschlagen, das eine Gehäuseteil aus Stahl und das
andere Gehäuseteil aus Invar zu fertigen. Durch geeignete
Längenwahl des ersten Gehäuseteils aus Stahl und des zweiten
Gehäuseteils aus Invar soll erreicht werden, daß die sich
insgesamt ergebende Wärmedehnung des Gehäuses an die
Wärmedehnung des piezoelektrischen Aktors angepaßt ist und
sich somit der piezoelektrische Aktor und das den
piezoelektrischen Aktor umgebende Gehäuse in gleicher Weise
temperaturabhängig dehnen bzw. kontrahieren.
Nachteilig bei dieser Lösung sind jedoch die aufwendige
Fertigung des Ventilgehäuses und die relativ großen Kosten
für den Werkstoff des zweiten Gehäuseteils, der vorzugsweise
aus Invar besteht. Ferner ist zu bedenken, daß das
Ventilgehäuse und der Aktor eine unterschiedliche Temperatur
aufweisen können. So kann sich der piezoelektrische Aktor
aufgrund seiner Verlustwärme insbesondere bei einer häufigen
Betätigung des Brennstoffeinspritzventils aufheizen und
seine Temperatur nur langsam an das Ventilgehäuse
übertragen. Andererseits wird die Temperatur des
Ventilgehäuses durch die Abwärme der Brennkraftmaschine
beeinflußt, an welcher das Brennstoffeinspritzventil
montiert ist. Diese Art der Temperaturkompensation ist daher
nicht befriedigend.
Beispielsweise aus der DE 195 19 192 C1 ist es bekannt,
zwischen dem piezoelektrischen Aktor und der den
Ventilschließkörper betätigenden Ventilnadel einen
hydraulischen Hubtransformator vorzusehen. Eine
Temperaturkompensation ergibt sich dann dadurch, daß der
Hubtransformator nur auf relativ schnelle Bewegungsvorgänge,
die zur beabsichtigten Öffnung des
Brennstoffeinspritzventils führen, reagiert, während bei
einer relativ langsamen, temperaturabhängigen Ausdehnung
bzw. Kontraktion des piezoelektrischen Aktors die
hydraulische Flüssigkeit über Führungsspalte entweichen
kann. Nachteilig bei dieser Bauart ist jedoch der relativ
hohe Aufwand für den hydraulischen Hubtransformator.
Weitere bekannte Temperaturkompensationen bestehen in einer
Zwangstemperierung des piezoelektrischen Aktors mittels
eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, das in einem
Kreislauf auf einer konstanten Temperatur gehalten wird oder
in der Serienanordnung des piezoelektrischen Aktors mit
einem temperaturkompensierenden Ausgleichsstück, das
beispielsweise zwischen dem piezoelektrischen Aktor und
einer den Ventilschließkörper betätigenden Ventilnadel
angeordnet ist. Während die erstgenannte Lösung relativ
aufwendig ist, hat die Verwendung eines in Serie
angeordneten Ausgleichsstücks den Nachteil, daß der
piezoelektrische Aktor und das Ausgleichsstück, wie bereits
erläutert, nicht notwendigerweise der gleichen Temperatur
bzw. dem gleichen Temperaturverlauf unterworfen sind und die
Temperaturkompensation daher relativ ungenau ist.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit dem
kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, daß das Brennstoffeinspritzventil eine
wesentlich verbesserte Temperaturkompensation des
piezoelektrischen Aktors aufweist. Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, unmittelbar in dem piezoelektrischen Aktor
eine oder mehrere Temperaturkompensationsschichten
vorzusehen, die einen Temperaturausdehnungs-Koeffizienten
haben, dessen Vorzeichen dem Temperaturausdehnungs-
Koeffizienten der Piezo-Schichten entgegengesetzt ist. Durch
eine geeignete Wahl der Anzahl und der Schichtdicken der
Temperaturkompensations-Schichten kann eine exakte
Temperaturkompensation erreicht werden.
Durch die Einbettung der Temperaturkompensations-Schichten
in die Piezo-Schichten des piezoelektrischen Aktors wird
sichergestellt, daß die Temperaturkompensations-Schichten
der gleichen Temperatur bzw. dem gleichen Temperaturverlauf
unterworfen sind wie die Piezo-Schichten des Aktors.
Insbesondere besteht ein großflächiger Kontakt zwischen den
Piezo-Schichten und den Temperaturkompensations-Schichten,
so daß eine schnelle Angleichung der Temperatur der
Temperaturkompensations-Schichten an die Temperatur der
Piezo-Schichten erfolgt. Dies ist wichtig, da die
Verlustwärme des piezoelektrischen Aktors bei einer
Variation der Betätigungsfrequenz des Brennstoff
einspritzventils infolge einer Drehzahlveränderung der
Brennkraftmaschine erheblichen Schwankungen unterworfen sein
kann. Aufgrund des großflächigen Kontakts der
temperaturkompensierenden Schichten zu den Piezo-Schichten
und der engen Nachbarschaft zu den Piezo-Schichten wird
erreicht, daß die von den Temperaturkompensations-Schichten
hervorgerufene Temperaturkompensation diesen Schwankungen
schnell folgen kann. Auch eine Veränderung der Temperatur
des Aktors durch eine schwankende Abwärme der
Brennkraftmaschine kann mit der erfindungsgemäßen Lösung
rasch kompensiert werden. Eine aufwendige Zwangstemperierung
des piezoelektrischen Aktors ist nicht erforderlich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im
Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils
möglich.
In besonders vorteilhafter Weise können die
Temperaturkompensations-Schichten gleichzeitig als
Elektroden zur Ansteuerung der Piezo-Schichten dienen, wenn
die Temperaturkompensations-Schichten aus einem metallischen
Material bestehen.
Durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs wird
erreicht, daß der piezoelektrische Aktor in hohem Maße
temperaturkompensiert ist. Gleichwohl ist das den Aktor
umgebende Ventilgehäuse, das in der Regel aus einem Metall
oder einem Kunststoffmaterial besteht, dennoch einer
Temperaturausdehnung unterworfen, was zu einer
temperaturabhängigen Lageverschiebung des Ventilsitzkörpers
gegenüber dem mit dem Aktor verbundenen Ventilschließkörper
führen kann. Um dies zu vermeiden, ist in vorteilhafter
Weise eine vorzugsweise aus einem keramischen Material
bestehende Ausgleichshülse vorgesehen, die entweder den
piezoelektrischen Aktor umgibt oder ihrerseits von dem
piezoelektrischen Aktor umgeben wird. Der piezoelektrische
Aktor stützt sich entweder über die Ausgleichshülse an dem
Ventilgehäuse ab oder betätigt über die Ausgleichshülse und
gegebenenfalls über eine Ventilnadel den
Ventilschließkörper. Wenn die Ausgleichshülse die gleiche
axiale Länge wie der piezoelektrische Aktor hat, so hat die
Temperatur des Ventilgehäuses keinerlei Einfluß auf die
axiale Lage des Ventilschließkörpers gegenüber der axialen
Lage des Ventilsitzkörpers, d. h. es wird eine Kompensation
der Temperatur des Ventilgehäuses erreicht.
Entsprechend einer ersten vorteilhaften konstruktiven Lösung
ist der piezoelektrische Aktor an einem ersten Ende über
eine Ventilnadel mit dem Ventilschließkörper verbunden und
die Ausgleichshülse liegt an einem ersten Ende an dem
Ventilgehäuse an. Ein beispielsweise plattenförmiges
Verbindungselement ist mittels einer Feder an einem zweiten
Ende der Ausgleichshülse und an einem zweiten Ende des
piezoelektrischen Aktors in Anlage gehalten. Entsprechend
einer alternativen zweiten vorteilhaften konstruktiven
Lösung stützt sich der piezoelektrische Aktor an einem
ersten Ende an dem Ventilgehäuse ab und die Ausgleichshülse
ist an einem ersten Ende über eine Ventilnadel mit dem
Ventilschließkörper verbunden. Dabei ist auch hier ein
vorzugsweise plattenförmiges Verbindungselement mittels
einer Feder an dem zweiten Ende der Ausgleichshülse und
einem zweiten Ende des piezoelektrischen Aktors in Anlage
gehalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
Fig. 2 den Ausschnitt II in Fig. 1 in einer geschnittenen,
detailierten Darstellung;
Fig. 3 den Ausschnitt II in Fig. 1 in einer geschnittenen,
detaillierten Darstellung entsprechend einem
gegenüber Fig. 2 variierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes
Brennstoffeinspritzventil entsprechend einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Einspritzventils ist in Fig. 1 geschnitten dargestellt. Das
allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete
Brennstoffeinspritzventil dient zum Einspritzen von
Brennstoff insbesondere bei einer fremdgezündeten,
gemischverdichteten Brennkraftmaschine.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 hat einen mit einer
Ventilnadel 3 einstückig ausgebildeten Ventilschließkörper
2, der zusammen mit einem Ventilsitzkörper 4 einen Dichtsitz
bildet. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
des Brennstoffeinspritzventils 1 handelt es sich um ein nach
außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1. Eine
Ventilsitzfläche 5 ist deshalb an der Außenseite des
Ventilsitzkörpers 4 angeordnet.
Der Ventilsitzkörper 4 ist in eine axiale Längsbohrung 6
eines Ventilgehäuses 7 eingesetzt und beispielsweise durch
Schweißen mit dem Ventilgehäuse 7 dicht verbunden. Die
Zufuhr von Brennstoff erfolgt über eine Brennstoff-
Einlaßöffnung 8 in dem Ventilgehäuse 7 und wird über einen
Federaufnahmeraum 9 dem von dem Ventilschließkörper 2 und
dem Ventilsitzkörper 4 gebildeten Dichtsitz zugeführt. In
dem durch die axiale Längsbohrung 6 des Ventilgehäuses 7
gebildeten Federaufnahmeraum 9 ist eine Rückstellfeder 10
angeordnet, die sich zwischen dem Ventilsitzkörper 4 und
einem Flansch 11 der Ventilnadel 3 erstreckt. Die
Rückstellfeder 10 überträgt auf die Ventilnadel 3 eine
Rückstellkraft in Schließrichtung des Brennstoff
einspritzventils 1.
Die Betätigung der Ventilnadel 3 und des
Ventilschließkörpers 2 erfolgt über einen piezoelektrischen
Aktor 12, dessen erstes Ende 13 an einer Stirnfläche 14 des
Flansches 11 der Ventilnadel 3 bündig anliegt. Bei einer
elektrischen Erregung des piezoelektrischen Aktors 12 dehnt
sich dieser in seiner axialen Längsrichtung aus und
verschiebt die Ventilnadel 3 und den mit der Ventilnadel 3
einstückig ausgebildeten Ventilschließkörper 2 in Fig. 1
nach unten, so daß das Brennstoffeinspritzventil 1 öffnet.
Nach Abschalten der elektrischen Erregungsspannung zieht
sich der piezoelektrische Aktor 12 wieder zusammen, so daß
der Ventilschließkörper 2 durch die Rückstellfeder 10 in
seine Schließstellung zurückgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht in dem
Schichtaufbau des piezoelektrischen Aktors 12. Zur besseren
Verdeutlichung der Erfindung ist ein erstes
Ausführungsbeispiel des Schichtaufbaus des piezoelektrischen
Aktors 12 in Fig. 2 vergrößert dargestellt.
Der piezoelektrische Aktor 12 besteht aus mehreren gestapelt
angeordneten Piezo-Schichten 21 aus einem piezoelektrischen
Material. Auf die Piezo-Schichten 21 sind in üblicher Weise
Elektroden beispielsweise durch Aufsputtern oder Aufdampfen
aufgebracht, so daß die Piezo-Schichten 21 mit einer
elektrischen Spannung so beaufschlagt werden können, daß
sich in den Piezo-Schichten 21 ein elektrisches Feld in
Richtung der axialen Längsachse 22 des
Brennstoffeinspritzventils 1 einstellt, welches eine Dehnung
des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt.
Bekanntermaßen hängt jedoch die Dehnung bzw. Kontraktion der
Piezo-Schichten 21 nicht nur von der angelegten elektrischen
Feldstärke sondern auch wesentlich von der Temperatur ab.
Piezoelektrische Materialien haben im Gegensatz zu
gewöhnlichen Werkstoffen einen negativen
Temperaturausdehnungs-Koeffizienten (α < 0), d. h.
piezoelektrische Materialien ziehen sich mit zunehmender
Temperatur zunehmend zusammen. Um einen durch
Temperaturschwankungen hervorgerufenen unbeabsichtigten
Ventilhub zu verhindern, ist diese temperaturabhängige
Dehnung der Piezo-Schichten 21 zu kompensieren.
Erfindungsgemäß sind deshalb zumindest eine, vorzugsweise
jedoch mehrere Temperaturkompensations-Schichten 20 zwischen
den Piezo-Schichten 21 angeordnet. Die
Temperaturkompensations-Schichten 20 haben einen
Temperaturausdehnungs-Koeffizienten, dessen Vorzeichen dem
Temperaturausdehnungs-Koeffizienten der Piezo-Schichten 21
entgegengesetzt ist, d. h. die Temperaturkompensations-
Schichten 20 bestehen aus einem Material mit einem positiven
Temperaturausdehnungs-Koeffizienten (α < 0), wenn die Piezo-
Schichten 21, wie üblich, einen negativen
Temperaturausdehnungs-Koeffizienten (α < 0) haben. Durch
eine geeignete Wahl der Anzahl der Temperaturkompensations-
Schichten 20 und der Schichtdicke der
Temperaturkompensations-Schichten 20 kann erreicht werden,
daß die Summe der Kontraktionen bzw. Dehnungen sämtlicher
Temperaturkompensations-Schichten 20 dem Betrag nach der
Summe der Dehnungen bzw. Kontraktionen sämtlicher Piezo-
Schichten 21 entspricht, dem Vorzeichen nach jedoch
entgegengerichtet ist. Auf diese Weise wird eine
wirkungsvolle Temperaturkompensation erreicht.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in
dem piezoelektrischen Aktor 12 jeweils alternierend eine
Piezo-Schicht 21 und eine Temperaturkompensations-Schicht 20
sandwichartig angeordnet. Fig. 3 zeigt als ein vergrößerter
Ausschnitt II in Fig. 1 einen piezoelektrischen Aktor 12 mit
einem alternativen Schichtaufbau, bei welchem jeweils eine
Temperaturkompensations-Schicht 20 zwischen mehreren Piezo-
Schichten 21 angeordnet ist.
Als Material für die Temperaturkompensations-Schichten 20
eignet sich vorzugsweise ein Werkstoff mit einem großen
positiven Temperaturausdehnungs-Koeffizienten,
beispielsweise Aluminium, Kupfer oder ein geeignetes
Kunststoffmaterial. Vorteilhaft sind auch Werkstoffe mit
einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer geringen
Wärmekapazität, so daß sich die Temperatur der
Temperaturkompensations-Schichten 20 schnell an die
Temperatur der Piezo-Schichten 21 angleicht.
Wenn die Temperaturkompensations-Schichten 20 aus einem
metallischen Werkstoff bestehen, können die
Temperaturkompensations-Schichten 20 vorteilhaft
gleichzeitig als Elektroden für die Piezo-Schichten 21
dienen.
Da die Temperaturkompensations-Schichten 20 in enger
Nachbarschaft zu den Piezo-Schichten 21 angeordnet sind, ist
eine schnelle Angleichung der Temperatur der
Temperaturkompensations-Schichten 20 an die Temperatur der
Piezo-Schichten 21 sichergestellt, so daß die
Temperaturkompensation keiner wesentlichen Verzögerung
unterworfen ist.
Durch die beschriebene erfindungsgemäße Maßnahme wird eine
wirksame Temperaturkompensation des piezoelektrischen Aktors
12 erzielt, so daß der resultierende Temperaturausdehnungs-
Koeffizient des piezoelektrischen Aktors 12 zumindest
annähernd Null ist. Wenn sich der piezoelektrische Aktor 12
jedoch unmittelbar an einem festen Bauteil des
Ventilgehäuses 7 abstützen würde, könnte durch die
temperaturabhängige Ausdehnung bzw. Kontraktion der den
Aktor 12 umgebenden Bereiche des Ventilgehäuses 7 dennoch
eine unbeabsichtigte relative Verschiebung des
Ventilsitzkörpers 4 in bezug auf den Ventilschließkörper 2
erfolgen, die zu einer unbeabsichtigten Ventilöffnung führen
könnte. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, auch die
Wärmeausdehnung des Ventilgehäuses 7 zu kompensieren. Dazu
ist eine Ausgleichshülse 23 vorgesehen, die den
piezoelektrischen Aktor 12 umgibt. Die Ausgleichshülse 23
stützt sich mit einem ersten Ende 24 an einer Stufe 25 des
Ventilgehäuses 7 ab. Das erste Ende 13 des piezoelektrischen
Aktors 12 wirkt über die Ventilnadel 3, wie bereits
beschrieben, auf den Ventilschließkörper 2 ein. Das dem
ersten Ende 24 gegenüberliegende zweite Ende 26 der
Ausgleichshülse 23 und das dem ersten Ende 13
gegenüberliegende zweite Ende 27 des piezoelektrischen
Aktors 12 sind über ein Verbindungselement 28 miteinander
verbunden, das im Ausführungsbeispiel plattenförmig
ausgebildet ist. Das Verbindungselement 28 ist in dem
Ventilgehäuse 7 in axialer Richtung bewegbar und wird
mittels einer im Ausführungsbeispiel als Tellerfeder
ausgebildeten Feder 29 sowohl an dem zweiten Ende 26 der
Ausgleichshülse 23 als auch an dem zweiten Ende 27 des
piezoelektrischen Aktors 12 in Anlage gehalten. Das
Ventilgehäuse 7 ist durch eine Endplatte 30 abgeschlossen,
an welcher sich die Feder 29 abstützt und die mit dem
Hauptkörper 31 des Ventilgehäuses 7 beispielsweise durch
Schweißen verbunden sein kann.
Die Ausgleichshülse 23 hat die gleiche axiale Länge wie der
piezoelektrische Aktor 12 und besteht aus einem Werkstoff
mit einem äußerst geringen Temperaturausdehnungs-
Koeffizienten, vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff
bzw. einem Glaswerkstoff. Da der piezoelektrische Aktor 12,
wie beschrieben, temperaturkompensiert ist, sind sowohl die
Ausgleichshülse 23 als auch der piezoelektrische Aktor 12 im
wesentlichen keiner temperaturabhängigen Längenausdehnung
unterworfen. Das Verbindungselement 28 befindet sich deshalb
unabhängig von der Betriebstemperatur des
Brennstoffeinspritzventils 1 bezüglich der Stufe 25 des
Ventilgehäuses 7 stets in der gleichen axialen Position und
zwar unabhängig von einer möglichen temperaturabhängigen
Längenausdehnung, der die die Ausgleichshülse 23 und den
piezoelektrischen Aktor 12 umgebenden Bereiche des
Ventilgehäuses 7 unterworfen sind. Eine temperaturabhängige
Dehnung dieser Bereiche des Ventilgehäuses 7 bewirkt deshalb
keine relative axiale Verschiebung des Ventilsitzkörpers 7
gegenüber dem Ventilschließkörper 2. Wenn die Ventilnadel 3
und der Abschnitt zwischen der Stufe 25 und dem
Ventilsitzkörper 4 des Ventilgehäuses 7 aus dem gleichen
Material bestehen, bewirkt eine Temperaturänderung in diesem
Bereich ebenfalls keine relative Lageveränderung des
Ventilschließkörpers 2 gegenüber dem Ventilsitzkörper 4, so
daß das Brennstoffeinspritzventil 1 insgesamt wirksam
temperaturkompensiert ist.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1. Bei dem in
Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die
Temperaturkompensation bei einem nach innen öffnenden
Brennstoffeinspritzventil 1 realisiert. Um die Zuordnung zu
erleichtern, sind bereits beschriebene Elemente mit
übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, so daß sich
insoweit eine wiederholende Beschreibung erübrigt.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der
piezoelektrische Aktor 12 hülsenförmig ausgebildet. Er hat
jedoch den gleichen Schichtaufbau, wie dies in den Fig. 2
und 3 verdeutlicht ist, d. h. zwischen den Piezo-Schichten 21
sind Temperaturkompensations-Schichten 20 so angeordnet, daß
der piezoelektrische Aktor 12 temperaturkompensiert ist. Der
effektive Temperaturausdehnungs-Koeffizient des Aktors 12
ist daher im wesentlichen gleich Null. Auch bei dem in Fig.
4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine vorzugsweise
aus einem keramischen Werkstoff ausgebildete Ausgleichshülse
23 vorgesehen, die von dem piezoelektrischen Aktor 12
umgeben ist. Die Brennstoffeinlaßöffnung 8 ist an einem
Brennstoffeinlaß-Stutzen 40 an dem dem Ventilsitzkörper 4
gegenüberliegendem Ende des Brennstoffeinspritzventils 1
ausgebildet. Die Zuleitung des Brennstoffs zu dem Dichtsitz
erfolgt über eine Axialbohrung 41 des Brennstoffeinlaß-
Stutzens 40, eine Ausnehmung 42 in dem plattenförmigen
Verbindungselement 28, eine axiale Längsausnehmung 43 in der
Ausgleichshülse 23, Durchlaßbohrungen 44 in dem Flansch 11
der Ventilnadel 3 und den Federaufnahmeraum 9. In dem
Federaufnahmeraum 9 ist eine Mitnahmefeder 45 vorgesehen.
In Fig. 4 ist ferner ein Anschlußstecker 46 dargestellt, der
zur elektrischen Kontaktierung des piezoelektrischen Aktors
12 dient. Der Anschlußstecker 46 kann beispielsweise als
Kunststoffspritzgußteil ausgebildet sein.
Bei einer elektrischen Betätigung des piezoelektrischen
Aktors 12 stützt sich dieser an seinem ersten Ende 13 an der
Stufe 25 des Ventilgehäuses 7 ab und verschiebt das
plattenförmige Verbindungselement 28 in Fig. 4 gegen die
Feder 29 nach oben. Durch die Mitnahmefeder 45 wird der
Flansch 11 der Ventilnadel 3 in Anlage an dem ersten Ende 24
der Ausgleichshülse 23 gehalten. Gleichzeitig wird das
zweite Ende 26 der Ausgleichshülse 23 stets in Anlage an dem
plattenförmigen Verbindungselement 28 gehalten. Die
Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt deshalb
ein Anheben des Ventilschließkörpers 2 und somit ein Öffnen
des Brennstoffeinspritzventils 1. Dabei ist wesentlich, daß
die Federkraft der Feder 29 größer ist als die Federkraft
der Mitnahmefeder 45. Beim Abschalten der elektrischen
Erregungsspannung zieht sich der piezoelektrische Aktor 12
wieder zusammen, so daß die Feder 29 über das plattenförmige
Verbindungselement 28, die Ausgleichshülse 23 und die
Ventilnadel 3 den Ventilschließkörper 2 wieder in Anlage an
den Ventilsitzkörper 4 bringt und somit das
Brennstoffeinspritzventil 1 schließt.
Da die Ausgleichshülse 23 die gleiche axiale Länge wie der
piezoelektrische Aktor 12 hat und sowohl der
piezoelektrische Aktor 12 als auch die Ausgleichshülse 23
einen äußerst geringen Temperaturausdehnungs-Koeffizienten
haben, ist der Ventilhub nahezu temperaturunabhängig.
Insbesondere hat der den piezoelektrischen Aktor 12 und die
Ausgleichshülse 23 umgebende Bereich des Ventilgehäuses 7
keinen Einfluß auf den Ventilhub, da dessen Wärmedehnung
durch die Feder 29 ausgeglichen wird.
Zwischen dem Aktor 12 und der Ausgleichshülse 23 kann sowohl
bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 als auch bei dem
Ausführungsbeispiel der Fig. 4 eine Wärmeleitpaste zur
verbesserten Wärmekopplung der Ausgleichshülse 23 und des
Aktors 12 eingebracht werden.
Anstatt mit der Mitnahmefeder 45 kann die bündige Anlage des
Flansches 11 der Ventilnadel 3 an dem ersten Ende 24 der
Ausgleichshülse 23 und die bündige Anlage des zweiten Endes
26 des Ausgleichshülse 23 an dem plattenförmigen
Verbindungselement 28 auch beispielsweise durch Verkleben
oder Verpressen realisiert werden.
Da das Brennstoffeinspritzventil 1 entsprechend dem in Fig.
4 dargestellten Ausführungsbeispiel von dem Brennstoff
zentral durchströmt wird, können rotationssymmetrische
Bauteile zum Einsatz kommen, was eine kostengünstige
Fertigung ermöglicht. Das von dem Brennstoff zentral
durchströmte Brennstoffeinspritzventil 1 erfordert keine
seitliche Brennstoffeinlaßöffnung 8. Daher ist der Einbau an
einer Brennkraftmaschine unter Verwendung von üblicher
hydraulischer Anschlußtechnik vereinfacht. Da keine
verschleißbehafteten Teile zum Einsatz kommen, ergibt sich
eine lange Lebensdauer des erfindungsgemäßen Brennstoff
einspritzventils 1.
Claims (13)
1. Brennstoffeinspritzventil (1) für Brennstoff
einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen mit einem
Ventilschließkörper (2), der mit einem Ventilsitzkörper (4)
zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und einem
piezoelektrischen Aktor (12) zur Betätigung des
Ventilschließkörpers (2), der aus mehreren Piezo-Schichten
(21) aus einem piezoelektrischen Material mit einem
bestimmten Temperaturausdehnungs-Koeffizienten (α < 0)
besteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß der piezoelektrische Aktor (12) zusätzlich zu den Piezo-
Schichten (21) eine oder mehrere Temperaturkompensations-
Schichten (20) aufweist, die einen Temperaturausdehnungs-
Koeffizienten (α < 0) haben, dessen Vorzeichen dem
Temperaturausdehnungs-Koeffizienten (α < 0) der Piezo-
Schichten (21) entgegengesetzt ist.
2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichtdicken der Temperaturkompensations-Schichten
(20) so bemessen sind, daß der piezoelektrische Aktor (12)
keine oder zumindest eine möglichst kleine Längenänderung in
Abhängigkeit von einer Temperaturänderung aufweist.
3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils alternierend eine Piezo-Schicht (21) und eine
Temperaturkompensations-Schicht (20) in dem piezo
elektrischen Aktor (12) sandwichartig angeordnet ist.
4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils eine Temperaturkompensations-Schicht (20)
zwischen mehreren Piezo-Schichten (21) in dem
piezoelektrischen Aktor (12) angeordnet ist.
5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturkompensations-Schichten (20) aus einem
Material mit einem großen Temperaturausdehnungs-
Koeffizienten, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder einem
Kunststoff, bestehen.
6. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturkompensations-Schichten (20) aus einem
metallischen Material bestehen und gleichzeitig als
Elektroden für die Piezo-Schichten (21) dienen.
7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der piezoelektrische Aktor (12) von einer
Ausgleichshülse (23) umgeben ist, die aus einem Material mit
einem niedrigen Temperaturausdehnungs-Koeffizienten besteht,
wobei die Ausgleichshülse (23) die axiale Lage des
piezoelektrischen Aktors (12) in einem Ventilgehäuse (7)
festlegt.
8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der piezoelektrische Aktor (12) an einem ersten Ende (13) über eine Ventilnadel (3) mit dem Ventilschließkörper (2) verbunden ist,
daß die Ausgleichshülse (23) an einem ersten Ende (24) an dem Ventilgehäuse (7) anliegt, und
daß ein Verbindungselement (28) mittels einer Feder (29) an einem zweiten Ende (26) der Ausgleichshülse (23) und einem zweiten Ende (27) des piezoelektrischen Aktors (12) in Anlage gehalten ist.
daß der piezoelektrische Aktor (12) an einem ersten Ende (13) über eine Ventilnadel (3) mit dem Ventilschließkörper (2) verbunden ist,
daß die Ausgleichshülse (23) an einem ersten Ende (24) an dem Ventilgehäuse (7) anliegt, und
daß ein Verbindungselement (28) mittels einer Feder (29) an einem zweiten Ende (26) der Ausgleichshülse (23) und einem zweiten Ende (27) des piezoelektrischen Aktors (12) in Anlage gehalten ist.
9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der piezoelektrische Aktor (12) hülsenförmig ausgebildet
ist und eine Ausgleichshülse (23) umgibt, die aus einem
Material mit einem niedrigen Temperaturausdehnungs-
Koeffizienten besteht, wobei die Ausgleichshülse (23) den
piezoelektrischen Aktor (12) mit dem Ventilschließkörper (2)
verbindet.
10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der piezoelektrische Aktor (12) sich an einem ersten Ende (13) an einem Ventilgehäuse (7) abstützt,
daß die Ausgleichshülse (23) an einem ersten Ende (24) über eine Ventilnadel (3) mit dem Ventilschließkörper (2) verbunden ist, und
daß ein Verbindungselement (28) mittels einer Feder (29) an einem zweiten Ende (26) der Ausgleichshülse (23) und einem zweiten Ende (27) des piezoelektrischen Aktors (12) in Anlage gehalten ist.
daß der piezoelektrische Aktor (12) sich an einem ersten Ende (13) an einem Ventilgehäuse (7) abstützt,
daß die Ausgleichshülse (23) an einem ersten Ende (24) über eine Ventilnadel (3) mit dem Ventilschließkörper (2) verbunden ist, und
daß ein Verbindungselement (28) mittels einer Feder (29) an einem zweiten Ende (26) der Ausgleichshülse (23) und einem zweiten Ende (27) des piezoelektrischen Aktors (12) in Anlage gehalten ist.
11. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß von dem Brennstoffeinspritzventil (1) abzuspritzender
Brennstoff die Ausgleichshülse (23) durchströmt.
12. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis
11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgleichshülse (23) aus einem keramischen Material
besteht.
13. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis
12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgleichshülse (23) die gleiche axiale Länge wie
der piezoelektrische Aktor (12) hat.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8141 | Disposal/no request for examination |