DE19849933C2 - Stellanordnung, insbesondere zur mechanischen Ansteuerung eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stellanordnung, insbesondere zur mechanischen Ansteuerung ei­ nes Einspritzventils einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus DE 43 06 072 C2 ist ein Einspritzventil bekannt, das ei­ nen Übertragungskolben aufweist, der mit seiner Stirnfläche in die Hydraulikkammer eines Hubübersetzers ragt. Der Über­ tragungskolben weist ballige Seitenflächen auf, an denen der Übertragungskolben in einer Führungsbohrung geführt ist.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 690 223 A2 sowie aus der nachveröffentlichten DE 197 57 659 C1 ist ein Ein­ spritzventil für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Betätigung des die Kraftstoffzufuhr bestimmenden Stellglieds über einen piezoelektrischen Aktor erfolgt, der aus einer Vielzahl piezokeramischer Schichten besteht, die stapelförmig übereinander angeordnet sind und einen sogenannten "Stack" bilden, der bei Anlegen einer elektrischen Spannung seine Länge ändert und damit eine Stellbewegung erzeugt.

Die Kraftübertragung vom Aktor auf das Stellglied des Ein­ spritzventils erfolgt hierbei jedoch nicht direkt, sondern mittels eines kolbenförmigen Übertragungselements, das zwi­ schen dem Aktor und dem Stellglied angeordnet ist und durch eine Führungsbuchse geführt wird, wobei die Stirnseiten des Übertragungselements ballig ausgeformt sind.

Dies bietet zwar den Vorteil, daß die Richtung der Kraftüber­ leitung vom Aktor auf das Stellglied auch bei einem seitli­ chen Verkanten des Übertragungselements weitgehend unverän­ dert bleibt, jedoch ändert sich in diesem Fall die Auslenkung des Stellglieds, da die Stirnflächen von Aktor und Übertra­ gungselement bzw. von Stellglied und Übertragungselement dann jeweils an den Außenrändern aufeinanderstoßen, was aufgrund der Schrägstellung des Übertragungselements den axialen Platzbedarf erhöht und damit einen Stellfehler verursacht.

Darüber hinaus muß die mechanische Passung zwischen der Füh­ rungsbuchse und dem Übertragungselement ein relativ großes Spiel aufweisen, damit bei einem seitlichen Verkanten des Ü­ bertragungselements keine zu großen mechanischen Spannungen erzeugt werden. Dieses Spiel verringert jedoch die mechani­ sche Präzision der Führung des Übertragungselements.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrun­ de, eine Stellanordnung für ein Einspritzventil der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem ein seitliches Verkan­ ten des Übertragungselements nicht zu einer Änderung der Aus­ lenkung des Stellglieds und zu keinen übermäßig großen mecha­ nischen Spannungen führt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt die allgemeine technische Lehre ein, den Krümmungsradius der balligen Stirnflächen des Übertra­ gungselements in Abhängigkeit von der Länge des Übertragungs­ elements so zu bemessen, daß der Steilfehler bei einem seit­ lichen Verkanten des Übertragungselements minimal ist. Die Erfindung geht hierbei von der überraschenden Erkenntnis aus, daß sich der Berührungspunkt der Stirnflächen von Aktor und Übertragungselement bzw. von Stellglied und Übertragungsele­ ment in axialer Richtung nicht verschiebt, wenn der Krüm­ mungsradius der balligen Stirnflächen einen bestimmten Wert hat, wobei dieser Wert durch die Länge des Übertragungsele­ ments vorgegeben ist.

Vorzugsweise beträgt der Krümmungsradius der balligen Stirn­ flächen rund 50% der Länge des Übertragungselements, jedoch sind auch Werte im Bereich von 40% bis 60% der Länge des Übertragungselements vorteilhaft.

In einer Variante der Erfindung sind die Stirnflächen des Ak­ tors und/oder des Stellglieds an den Kontaktstellen mit dem Übertragungselement zusätzlich konkav ausgeformt, um eine großflächige Kraftüberleitung vom Aktor auf das Übertragung­ selement bzw. vom Übertragungselement auf das Stellglied zu bewirken. Dies ist besonders vorteilhaft, da so die Flächen­ pressungen an den Kontaktstellen verringert werden, was zu einer längeren Lebensdauer führt bzw. die Anforderungen an die Materialqualität verringert.

Bei dieser Variante der Erfindung ist es besonders vorteil­ haft, für die Krümmungsradien der balligen bzw. konkaven Stirnflächen denselben Wert vorzusehen, wodurch das Übertra­ gungselement mit seinen Enden quasi gelenkpfannenartig in den Stirnflächen von Aktor bzw. Stellglied geführt wird.

Gemäß einer anderen Variante der Erfindung sind die Seiten­ flächen des Übertragungselements zumindest im Bereich der Führungsbuchse ballig ausgeformt, um auch bei einem seitli­ chen Verkanten des Stellglieds in der Führungsbuchse eine ex­ akte Führung des Stellglieds in der Führungsbuchse ohne zu­ sätzliche mechanische Spannungen zwischen Stellglied und Füh­ rungsbuchse sicherzustellen.

Der Krümmungsradius der balligen Seitenflächen des Übertra­ gungselements ist deshalb vorzugsweise im wesentlichen gleich dem Innenradius der Führungsbuchse in diesem Bereich, um un­ abhängig von der räumlichen Lage des Übertragungselements re­ lativ zur Führungsbuchse stets dieselbe mechanische Passung­ stoleranz beizubehalten. Dies schließt selbstverständlich die Möglichkeit ein, den Krümmungsradius geringfügig gegenüber diesem Wert abzuändern, um beispielsweise eine Spielpassung zwischen Führungsbuchse und Übertragungselement herzustellen.

Die vorstehend beschriebenen Varianten der Erfindung haben als gemeinsames erfinderisches Merkmal, daß die Außenflächen des Übertragungselements in besonderer Weise ballig ausgebil­ det sind, um ein seitliches Verkanten des Übertragungsele­ ments zu ermöglichen, ohne einen Stellfehler zu erzeugen oder mechanische Spannungen zu verursachen.

Die Stellanordnung läßt sich - wie vorstehend erläutert - be­ sonders vorteilhaft in Einspritzanlagen von Brennkraftmaschi­ nen verwenden, insbesondere bei Common-Rail-Einspritzanlagen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Verwendung beschränkt, sondern läßt sich überall dort einsetzen, wo eine Stellkraft von einem Aktor mittels eines Übertragungselements auf ein Stellglied übertragen wird.

Es ist weiterhin zu bemerken, daß als Aktor anstelle des ein­ gangs erwähnten piezoelektrischen Aktors auch andere Typen von Aktoren verwendet werden können, von denen beispielsweise elektromagnetische Antriebe zu nennen sind, von denen sich insbesondere Solenoiden eignen.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Er­ findung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: eine Stellanordnung als Teil eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine im Querschnitt sowie

Fig. 2: einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Stellanordnung als Teil eines ansonsten herkömmlichen Einspritzventils einer Brennkraftmaschine, wie es in der bereits eingangs erwähnten europäischen Patentan­ meldung EP 0 690 223 A2 detailliert beschrieben ist. Hin­ sichtlich der Einzelheiten des Aufbaus eines Einspritzventils wird deshalb auf die vorstehend genannte europäische Pa­ tentanmeldung verwiesen, um nachfolgend auf die Details der Stellanordnung eingehen zu können. Die Beschreibung der Stel­ lanordnung im Zusammenhang mit einem herkömmlichen Einspritz­ ventil dient jedoch lediglich zur Verdeutlichung der Erfin­ dung und bezweckt keine Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung.

Als Antriebselement weist die Stellanordnung einen piezoelek­ trischen Aktor 1 auf, der in einem oberen Gehäuseteil 2 ange­ ordnet ist und aus einer Vielzahl piezokeramischer, kreisför­ miger Platten besteht, die stapelförmig übereinander angeord­ net sind und einen sogenannten "Stack" bilden, der bei Anle­ gen einer elektrischen Spannung seine Länge ändert und damit eine lineare Stellbewegung erzeugt. Die elektrische Ansteue­ rung des piezoelektrischen Aktors 1 erfolgt hierbei durch ei­ ne Steuerelektronik, die in der Zeichnung zur Wahrung der Übersichtlichkeit weggelassen ist.

Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Typs des Antriebse­ lements nicht auf den vorstehend erwähnten piezoelektrischen Aktor 1 beschränkt, sondern beispielsweise auch mit einem So­ lenoid realisierbar. Entscheidend ist bei diesem Ausführungs­ beispiel lediglich, daß das Antriebselement eine im wesentli­ chen lineare Stellbewegung erzeugt.

Der Aktor 1 dient hierbei zur mechanischen Ansteuerung einer als Stellglied 3 wirkenden Düsennadel, wobei die Ansteuerung indirekt über ein Servoventil 4, einen Steuerkolben 5, ein Übertragungselement 6 sowie einen Druckbolzen 7 erfolgt.

Das Servoventil 4 besteht im wesentlichen aus einer Ventilku­ gel 13, die am oberen Ende eines Arbeitsraums angeordnet ist und von dem Aktor 1 axial verschoben werden kann, um eine von dem Arbeitsraum abzweigende Leckageleitung 8 entweder freizu­ geben oder zu verschließen. Darüber hinaus ist der Arbeits­ raum mit einer Hochdruckleitung 9 verbunden, so daß der Druck im Arbeitsraum von der Stellung der Ventilkugel 13 abhängig ist. In ihrer oberen Endstellung verschließt die Ventilkugel 13 die Leckageleitung 8, so daß der Druck im Arbeitsraum im wesentlichen dem Druck der Hochdruckleitung 9 entspricht, was zu einer Abwärtsbewegung des Steuerkolbens 5 führt. In ihrer unteren Endstellung gibt die Ventilkugel 13 dagegen die Leckageleitung 8 frei, so daß Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum entweichen kann, was zu einem Druckabfall im Arbeitsraum und dementsprechend zu einer Aufwärtsbewegung des Steuerkolbens 5 führt.

Zwischen der Ventilkugel 13 und dem Steuerkolben 5 ist zu­ sätzlich eine Drosselscheibe 10 angeordnet, die an einer Stelle des Arbeitsraums eine Querschnittsverengung bewirkt, durch die Dynamik der Bewegung des Steuerkolbens 5 beeinflußt wird.

Zur mechanischen Halterung des Steuerkolbens 5 ist ein Füh­ rungsring 11 vorgesehen, der eine in axialer Richtung verlau­ fende zylindrische Bohrung zur Aufnahme des Steuerkolbens 5 aufweist. Der Führungsring 11 wird von einem mittleren Gehäu­ seteil 12 umfaßt und liegt mit seiner unteren Stirnfläche auf einem Vorsprung in dem mittleren Gehäuseteil 12 auf, wodurch der Führungsring 11 in dem mittleren Gehäuseteil axial fi­ xiert wird.

Zur Weiterleitung der Stellbewegung des Steuerkolbens 5 auf die Düsennadel 3 des Einspritzventils ist das kolbenförmige Übertragungselement 6 vorgesehen, das einen zylindrischen Querschnitt aufweist und in einer zentrisch angeordneten zy­ lindrischen Bohrung in dem mittleren Gehäuseteil 12 in axia­ ler Richtung frei verschiebbar ist. Der Außendurchmesser des Übertragungselements 6 ist im wesentlichen gleich dem Innen­ durchmesser der Bohrung in dem Führungsring 11, so daß das Übertragungselement 6 und der Führungsring 11 eine Spielpas­ sung bilden, wodurch das Übertragungselement 6 an der Ober­ seite geführt wird.

An seiner Unterseite wird das Übertragungselement 6 durch ei­ ne Führungsbuchse geführt, die im wesentlichen aus einer Ver­ engung der Bohrung in dem mittleren Gehäuseteil 12 besteht, wobei der Innendurchmesser der Führungsbuchse 11 im wesentli­ chen gleich dem Außendurchmesser des Übertragungselements 6 ist, so daß das Übertragungselement 6 und die Führungsbuchse ebenfalls eine Spielpassung bilden.

Das Übertragungselement 6 wird also sowohl an seiner Obersei­ te als auch an seiner Unterseite geführt, was aus verschiede­ nen Gründen wichtig ist. Zum einen wird dadurch ein seitli­ ches Ausknicken des Übertragungselements 6 bei einer Betäti­ gung des Aktors 1 verhindert. Zum anderen läßt sich die Stellbewegung des Steuerkolbens 5 so weitgehend spielfrei auf den Druckbolzen 7 übertragen. Darüber hinaus erfolgt die Krafteinleitung von dem Steuerkolben 5 auf den Druckbolzen 7 auf diese Weise zentrisch.

Aufgrund von fertigungsbedingten Toleranzen können Fluch­ tungsfehler zwischen der Bohrung in dem Führungsring 11 und der Führungsbuchse am unteren Ende des mittleren Gehäuseteils 12 auftreten, die zu einem seitlichen Verkanten des Übertra­ gungselements 6 führen. Der Innendurchmesser der durchgehen­ den Bohrung in dem mittleren Gehäuseteil 12 ist deshalb deut­ lich größer als der Außendurchmesser des Übertragungselements 6, damit das Übertragungselement 6 auch bei einem seitlichen Verkanten nicht an der Innenwand des mittleren Gehäuseteils 12 anstößt, was zu mechanischen Spannungen und damit zu einem Bauteilversagen oder zumindest zu einer Verringerung der Le­ bensdauer führen würde. Durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung der Stellanordnung lassen sich also die Anfor­ derungen an die Fertigungsqualität verringern, da kleine Fluchtungsfehler durch ein entsprechendes seitliches Verkan­ ten des Übertragungselements 6 ausgeglichen werden. Die Stel­ lanordnung ist deshalb bei gleicher Qualität deutlich kosten­ günstiger als herkömmliche Stellanordnungen dieser Art.

Darüber hinaus sind die Stirnflächen des Übertragungselements 6 ballig (konvex) ausgebildet, um bei einem seitlichen Ver­ kanten des Übertragungselements 6 Funktionsstörungen der Stellanordnung zu vermeiden, wie nachfolgend beschrieben wird.

Zum einen wird durch die ballige Form der Stirnflächen er­ reicht, daß die Stirnflächen von Steuerkolben 5 und Übertra­ gungselement 6 bzw. von Druckbolzen 7 und Übertragungselement 6 bei einem seitlichen Verkanten des Übertragungselements 6 aufeinander abrollen, so daß die Größe der Kontaktfläche und damit die Flächenpressung an der Kontaktstelle weitgehend un­ verändert bleibt. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Anord­ nung mit ebenen Stirnflächen führt ein seitliches Verkanten des Übertragungselements 6 also nicht zu einer örtlichen Ü­ berhöhung der Flächenpressung an der Kontaktstelle mit einer entsprechend verringerten Lebensdauer.

Zum anderen bietet die ballige Ausformung der Stirnflächen des Übertragungselements 6 den Vorteil, daß ein seitliches Verkanten des Übertragungselements 6 keinen oder nur wenig Einfluß auf die Auslenkung der Düsennadel 3 hat. Wird das un­ tere Ende des Übertragungselements 6 beispielsweise aufgrund von fertigungsbedingten Fluchtungsfehlern nach rechts ausge­ lenkt, so liegt die Kontaktfläche zwischen dem Steuerkolben 5 und dem Übertragungselement 6 nicht mehr zentrisch, sondern wandert nach rechts aus, wobei die Stirnfläche des Übertra­ gungselements 6 durch das seitliche Verkanten auf der rechten Seite hochgekippt wird. Der Krümmungsradius der balligen Stirnflächen ist vorzugsweise so bemessen, daß das Hochkippen der Stirnfläche des Übertragungselements 6 im Bereich der Kontaktstelle durch die Krümmung der Stirnfläche exakt kom­ pensiert wird, so daß ein seitliches Verkanten des Übertra­ gungselements 6 keinen Einfluß auf die Auslenkung des Stell­ glieds hat. Der hierzu erforderliche Krümmungsradius r der Stirnflächen ist von der Länge l des Übertragungselements 6 abhängig und liegt im Bereich von 0,4 l bis 0,6 l. Vorzugs­ weise liegt der Krümmungsradius bei r ≈ 0,5 l. Es ist hierbei zu bemerken, daß die Krümmung der Stirnflächen in den Zeichnungen zur Verdeutlichung überhöht dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Teilausschnitt der in Fig. 1 dargestellten Stellanordnung im Bereich der Kontakt­ stelle zwischen dem Steuerkolben 5 und dem Übertragungsele­ ment 6.

Aus dieser Darstellung ist zunächst deutlich ersichtlich, daß die obere Stirnfläche des Übertragungselements 6 ballig aus­ gebildet ist, damit bei einem seitlichen Verkanten des Über­ tragungselements 6 keine oder nur geringe Stellfehler auftre­ ten, wie vorstehend detailliert beschrieben wurde. Auch hier­ bei ist die Krümmung der Stirnfläche wiederum überhöht darge­ stellt. Die axiale Bewegung des Druckbolzens 7 bei seitlichem Verkanten des Übertragungselements 6 entspricht dem Stellfeh­ ler.

Darüber hinaus verdeutlicht diese Darstellung, daß der Außen­ durchmesser des Übertragungselements 6 deutlich kleiner ist als der Innendurchmesser der Bohrung in dem mittleren Gehäu­ seteil 12, so daß durch fertigungsbedingte Toleranzen verur­ sachte Fluchtungsfehler zwischen der Bohrung in dem Führungs­ ring 11 und der Führungsbuchse am unteren Ende des mittleren Gehäuseteils 12 durch ein seitliches Verkanten des Übertra­ gungselements 6 ausgeglichen werden können, ohne daß das Übertragungselement 6 an der Innenwand des mittleren Gehäuse­ teils 12 anstößt und dadurch mechanische Spannungen erzeugt.

Schließlich zeigt diese Darstellung, daß auch die Seitenflä­ chen des Übertragungselements 6 im Bereich der oberen Führung durch den Führungsring 11 ballig ausgeführt sind, um unabhän­ gig von einem seitlichen Verkanten des Übertragungselements 6 eine gleichmäßig gute Führung zu erreichen.

Der Krümmungsradius der sphärischen Seitenflächen ist deshalb im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Bohrung in dem Führungsring 11, so daß das Übertragungselement 6 frei schwenken kann, ohne die Qualität der Führung zu beeinflus­ sen. Der Krümmungsradius der sphärischen Seitenflächen kann jedoch in Abhängigkeit von dem Innenradius der Bohrung auch andere Werte annehmen, so beispielsweise das doppelte, das vierfache, das achtfache oder das zehnfache des Innendurch­ messers der Bohrung oder Zwischenwerte in diesem Intervall.

Auch das untere Ende des Übertragungselements 6 weist ent­ sprechend geformte sphärische Seitenflächen auf, um ein seit­ liches Verkanten des Übertragungselements 6 in der Führungs­ buchse zu ermöglichen, ohne mechanische Spannungen zwischen dem Übertragungselement 6 und der Führungsbuchse zu erzeugen oder die Qualität der Führung zu verändern.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gear­ teten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (6)

1. Stellanordnung, insbesondere zur mechanischen Ansteue­ rung eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine, mit einem Aktor (1) zur Erzeugung der erforderlichen Stellbewe­ gung,
einem anzusteuernden Stellglied (3) sowie
einem zwischen dem Aktor (1) und dem Stellglied (3) angeord­ neten Übertragungselement (6) zur Übertragung der Stellbewe­ gung des Aktors (1) auf das Stellglied (3), wobei mindestens eine Stirnfläche des Übertragungselements (6) ballig ausge­ führt ist,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Krümmungsradius der balligen Stirnfläche des Über­ tragungselements (6) abhängt von der Länge des Übertra­ gungselement (6) und so bemessen ist, daß der Krümmungsra­ dius der balligen Stirnfläche des Übertragungselements (6) zwischen 40% und 60% der Länge des Übertragungselements (6) liegt,
• - daß das Übertragungselement (6) an seinen Enden seitlich in einer Führungsbuchse (11) geführt ist und
• - daß das Übertragungselement (6) im Bereich der Führungs­ buchse (11) ballig geformte Seitenflächen aufweist.

2. Stellanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stirnflächen des Über­ tragungselements (6) ballig geformt sind und denselben Krüm­ mungsradius aufweisen.

3. Stellanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Stirnfläche eines oberhalb des Übertragungselements (6) ange­ ordneten Steuerkolbens (5) an der Kontaktstelle mit dem Über­ tragungselement (6) und/oder die obere Stirnfläche eines un­ terhalb des Übertragungselements (6) angeordneten Druckbol­ zens (7) an der Kontaktstelle mit dem Übertragungselement (6) konkav geformt ist.

4. Stellanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der bal­ ligen Stirnfläche des Übertragungselements (6) im wesentli­ chen gleich dem Krümmungsradius der konvexen Stirnfläche des Steuerkolbens (5) oder des Druckbolzens (7) ist.

5. Stellanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Krümmungs­ radius der Seitenflächen des Übertragungselements (6) gleich dem Innenradius der Führungsbuchse (11) ist.

6. Stellanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertra­ gungselement (6) an beiden Enden in jeweils einer Führungs­ buchse (11) geführt wird und zwischen den beiden Führungs­ buchsen (11) in einer axialen Bohrung in einem Gehäuseteil (12) verläuft, wobei der Innendurchmesser der axialen Bohrung in dem mittleren Gehäuseteil (12) deutlich größer ist als der Außendurchmesser des Übertragungselements (6) zwischen dessen balligen Seitenflächen.