DE19943253A1

DE19943253A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE19943253A1
Application number: DE1999143253
Authority: DE
Inventors: Norbert Keim
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-15
Also published as: WO2001020158A1

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere ein Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, weist einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (32) und einen von dem Aktor (32) betätigbaren Ventilschließkörper (6) auf, der mit einer Ventilsitzfläche (5) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei wirkt der Aktor (32) über ein Hebelelement (25) auf den Ventilschließkörper (6) ein. Der Ventilschließkörper (6) ist zumindest mittelbar mit einer elastisch verbiegbaren Biegeplatte (26) des Hebelelementes (25) verbunden, und das Hebelelement (25) weist zumindest zwei gegenüberliegende, einander zugewandte Seitenflächen (29, 30) auf, an denen zwei voneinander abgewandte Stirnflächen (31, 33) des Aktors (32) angreifen, wobei eine Betätigungsrichtung (35) des Aktors (32) zumindest annähernd senkrecht zu einer Bewegungsrichtung (45) des Ventilschließkörpers (6) orientiert ist und bei einer Betätigung des Aktors (32) ein Biegemoment auf die Biegeplatte (26) einwirkt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE 38 00 203 C2 ist ein Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruches bekannt. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil weist einen piezoelektrischen Aktor auf, der aus mehreren plattenförmigen, in einer Bewegungsrichtung einer Ventilnadel gestapelten Aktorelementen besteht. Dabei sind die Aktorelemente so gestapelt, daß sie sich bei einer Betätigung des Aktors konvex bzw. konkav gegeneinander verbiegen, wodurch ein Aktorhub des Aktors erzeugt wird. Die plattenförmigen Aktorelemente des Aktors weisen eine mittige Aussparung auf, durch die sich eine Ventilnadel erstreckt, wobei die Ventilnadel auf der dem Dichtsitz abgewandten Seite des Aktors mittels einer Übertragungsplatte mit einer Stirnseite des Aktors kraftschlüssig verbunden ist, so daß bei einer Betätigung des Aktors der Aktorhub des Aktors in einen Ventilnadelhub der Ventilnadel umgesetzt wird.

Das aus der DE 38 00 203 C2 bekannte Brennstoffeinspritz ventil hat den Nachteil, daß die Stapelelemente des Aktors eine Biegebeanspruchung erfahren, was sich ungünstig auf die Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils auswirkt. Außerdem ist die Fertigung des Stapelaktors aufwendig, was unter anderem auf die spezielle Stapelfolge und die Durchbohrung der Stapelelemente des Aktors zurückzuführen ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß sich bei einer kompakten Bauform eine große Stellkraft und ein großer Ventilhub erreichen lassen. Außerdem ist der Aktor in vorteilhafter Weise zwischen zwei Seitenflächen des Hebelelementes eingespannt, wobei sich bei einer Betätigung des Aktors keine Biegebeanspruchung des Aktors ergibt, was sich günstig auf die Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils auswirkt.

Ein weiterer Vorteil ist, daß sich die Erfindung für eine große Anzahl von Piezoaktoren eignet, so daß die Erfindung universell zur Anwendung kommen kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Vorteilhaft ist es, daß das Hebelelement eine erste Seitenplatte und eine zweite Seitenplatte umfaßt, die mit der Biegeplatte einen zumindest annähernd senkrechten Winkel einschließen und an denen die Seitenflächen ausgebildet sind. Dadurch ist eine einfache Ausführungsform des Hebelelementes gegeben.

Vorteilhaft ist es, daß ein Hubverhältnis eines Aktorhubes des Aktors zu einem Hub des Ventilschließkörpers durch ein Verhältnis eines mittleren Abstandes des Aktors von der Biegeplatte zu einem mittleren Abstand der Seitenflächen vorgegeben ist. Dadurch lassen sich die für einen Aktor gegebenen Kenngrößen wie Aktorhub und Aktorkraft in einen gewünschten Ventilhub der Ventilnadel und in eine gewünschte Betätigungskraft der Ventilnadel umsetzen.

In vorteilhafter Weise stützt sich zumindest eine Kante des Hebelelementes bei einer Betätigung des Aktors an einer Auflagefläche ab. Dadurch ist eine günstige Hubübersetzung gegeben.

Vorteilhaft ist es, daß zum Einstellen des auf die Biegeplatte bei einem Aktorhub des Aktors einwirkenden Biegemomentes bei einem mittleren Abstand der Seitenflächen im Bereich von 15 mm bis 35 mm, vorzugsweise von zumindest ungefähr 25 mm, der mittlere Abstand des Aktors zu der Biegeplatte zumindest ungefähr im Bereich von 5 mm bis 15 mm liegt.

In vorteilhafter Weise ist der Elastizitätsmodul der Biegeplatte so gewählt, daß ein Aktorhub des Aktors einen größeren Ventilnadelhub der Ventilnadel bewirkt. Dadurch ist eine weitere Möglichkeit gegeben, das Übersetzungsverhältnis des Hebelelementes einzustellen.

Vorteilhaft ist es, daß die Biegeplatte in einem mittleren Bereich der Biegeplatte an dem Ventilschließkörper angreift. Dadurch wird der Aktorhub des Aktors in einem günstigen Verhältnis in einen Ventilnadelhub der Ventilnadel übersetzt.

Vorteilhaft ist es ferner, daß die Biegeplatte eine Aussparung aufweist, durch die sich die Ventilnadel erstreckt. Dadurch kann eine vorteilhafte Befestigung der Ventilnadel an dem Hebelelement erreicht werden, die kostengünstig und platzsparend ist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen. Brennstoffeinspritzventils; und

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Hebelelementes, das für das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil verwendet wird.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt in einer auszugsweisen axialen Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff, insbesondere von Benzin, in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine als sogenanntes Benzindirekteinspritzventil. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Brennstoffeinspritzventil 1 als innenöffnendes Brennstoffeinspritzventil 1 ausgeführt. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.

Das Brennstoffeinspritventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2, das mit einem Ventilsitzkörper 3 verbunden ist, auf. Der Ventilsitzkörper 3 weist einen Abspritzkanal 4 und eine Ventilsitzfläche 5, die mit einem Ventilschließkörper 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, auf. Der Ventilschließkörper 6 wird von einer Ventilnadel 7 betätigt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Ventilschließkörper 6 einteilig mit der Ventilnadel 7 ausgebildet ist.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist außerdem einen Brennstoffeinlaß 8, der in einer mit dem Ventilgehäuse 2 verbundenen Gehäuseplatte 9 ausgebildet ist, auf. Durch den Brennstoffeinlaß 8 wird Brennstoff in einen Innenraum 10 des Ventilgehäuses 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 geleitet.

In dem Innenraum 10 des Brennstoffeinspritzventils 1 sind ein erster Auflagekörper 15 und ein zweiter Auflagekörper 16 angeordnet, die mit dem Ventilgehäuse 2 und dem Ventilsitzkörper 3 verbunden sind. Der erste Auflagekörper 15 weist eine Aussparung 17 auf, die Teil einer vom Brennstoffeinlaß 8 zu dem aus dem Ventilschließkörper 6 und der Ventilsitzfläche 5 gebildeten Dichtsitz führenden Brennstoffleitung ist, wobei Brennstoff aus dem Innenraum 10 durch die Aussparung 17 in einen Brennstoffraum 18 geleitet wird.

Das Ventilgehäuse 2 ist mit einer in dem Innenraum 10 angeordneten Druckplatte 20 verbunden, an der sich eine Schließfeder 21 abstützt. Die Druckplatte 20 ist mit einer vorderen und einer hinteren Gehäusewand 19 des Ventilgehäuses 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 verbunden, so daß sich die Schließfeder 21 über die Druckplatte 20 an dem Ventilgehäuse 2 abstützt. Die Schließfeder 21 beaufschlagt einen mit der Ventilnadel 7 verbundenen, scheibenförmigen Auflagekörper 22, wodurch die Ventilnadel 7 den Ventilschließkörper 6 an die Ventilsitzfläche 5 preßt.

In dem Innenraum 10 des Brennstoffeinspritzventils 1 ist ein Hebelelement 25 angeordnet, das eine elastisch verbiegbare Biegeplatte 26, eine erste Seitenplatte 27 und eine zweite Seitenplatte 28 aufweist, wobei die Seitenplatten 27, 28 senkrecht zu der Biegeplatte 26 angeordnet sind. Die erste Seitenplatte 27 weist eine erste Seitenfläche 29 auf und die zweite Seitenplatte 28 weist eine zweite Seitenfläche 30 auf, wobei die Seitenflächen 29, 30 sich gegenüberliegen und einander zugewandt sind.

Eine erste Stirnfläche 31 eines Aktors 32 liegt an der ersten Seitenfläche 29 der ersten Seitenplatte 27 an und eine zweite Stirnfläche 33 des Aktors 32 liegt an der zweiten Seitenfläche 30 der zweiten Seitenplatte 28 an, so daß der Aktor 32 zwischen den beiden Seitenplatten 27, 28 eingespannt ist. Zwischen dem Aktor 32 und der Druckplatte 20 ist ein Zwischenraum 38 ausgebildet, so daß sich der Aktor 32 ungehindert ausdehnen kann.

Der Aktor 32 ist piezoelektrisch oder magnetostriktiv ausgeführt. Bei der Betätigung des Aktors 32 dehnt sich dieser in einer Betätigungsrichtung 35 aus.

Die Biegeplatte 26 des Hebelelementes 25 weist eine Aussparung 36 auf, durch welche sich die Ventilnadel 7 erstreckt, wobei der Auflagekörper 22 in einem mittleren Bereich 37 der Biegeplatte 26 um die Aussparung 36 an der Biegeplatte 26 anliegt. Zusammen mit der Schließfeder 21 ist daher eine kraftschlüssige Befestigung der Ventilnadel 7 mit dem mittleren Bereich 37 der Biegeplatte 26 des Hebelelementes 25 gegeben.

Eine erste Kante 40 des Hebelelementes 25 stützt sich an einer ersten Auflagefläche 41, die an dem ersten Auflagekörper 15 ausgebildet ist, ab. Und eine zweite Kante 42 des Hebelelementes 25 stützt sich an einer zweiten Auflagefläche 43 des zweiten Auflagekörpers 16 ab.

Bei einer Betätigung des Aktors 32 dehnt sich dieser in der Betätigungsrichtung 35 aus, wodurch die erste Seitenplatte 27 gegen die zweite Seitenplatte 28 verkippt wird, so daß sich die Biegeplatte 26 des Hebelelementes 25 in Richtung des Aktors 32 verbiegt und die Ventilnadel 7 in einer Bewegungsrichtung 45 bewegt wird, wodurch der Ventilschließkörper 6 von der Ventilsitzfläche 5 abhebt und über den entstandenen Spalt Brennstoff aus dem Brennstoffraum 18 in den Abspritzkanal 4 gelangt und aus diesem aus dem Brennstoffeinspritzventil 1 abgespritzt wird. Da die Biegeplatte 26 elastisch verbogen wird, geht das Hebelelement 25 nach Abschalten des Aktors 35 selbsttätig in die Ausgangslage zurück, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel eine Rückstellung der Ventilnadel 7 durch die Schließfeder 21 erfolgt. Die Schließfeder 21 kann auch entfallen, wenn die Ventilnadel 7 zum Beispiel formschlüssig mit der Biegeplatte 26 verbunden ist.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Hebelelementes 25 des Brennstoffeinspritzventils 1 in einer schematisierten Darstellung. Bereits beschriebene Elemente sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, so daß sich eine wiederholende Beschreibung erübrigt.

In diesem Ausführungsbeispiel hat der Aktor 32 einen mittleren Abstand 50 von der Biegeplatte 26 des Hebelelementes 25. Der mittlere Abstand 50 ist dabei idealisiert durch den Abstand eines Einwirkpunktes 51, an dem der Aktor 32 auf die zweite Seitenfläche 30 der zweiten Seitenplatte 28 einwirkt, zu der Biegeplatte 26 des Hebelelementes 25 gegeben. Die beiden Seitenflächen 29, 30 der Seitenplatten 27, 28 des Hebelelementes 25 haben zueinander einen mittleren Abstand 52. Ein Hubverhältnis eines Aktorhubes des Aktors 32 zu einem Hub des Ventilschließkörpers 6 ist durch ein Verhältnis des mittleren Abstandes 50 des Aktors 32 von der Biegeplatte 26 zu dem mittleren Abstand 52 der Seitenflächen 29, 30 vorgegeben, wobei sich die Biegeplatte 26 in dem mittleren Bereich 37 durchbiegt.

Je nachdem auf welcher Seite der Biegeplatte 26 des Hebelelementes 25 der Ventilschließkörper 6 angeordnet ist, kann zusätzlich zu der beschriebenen Einstellung des Hubverhältnisses eine Richtungsumkehr erfolgen.

Bei einer Betätigung des Aktors 32 werden die Seitenplatten 27, 28 in die verkippten Positionen 53, 54 verkippt, wodurch sich die Biegeplatte 26, wie in der Fig. 2 gezeigt, in die gebogenen Position 55 verbiegt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere eignet sich die Erfindung auch für ein außenöffnendes Brennstoffeinspritzventil 1.

Claims

1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (32) und einem von dem Aktor (32) betätigbaren Ventilschließkörper (6), der mit einer Ventilsitzfläche (5) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktor (32) über ein Hebelelement (25) auf den Ventilschließkörper (6) einwirkt,
daß der Ventilschließkörper (6) zumindest mittelbar mit einer elastisch verbiegbaren Biegeplatte (26) des Hebelelementes (25) verbunden ist,
daß das Hebelelement (25) zumindest zwei gegenüberliegende, einande r zugewandte Seitenflächen (29, 30) aufweist, an denen zwei voneinander abgewandte Stirnflächen (31, 33) des Aktors (32) angreifen, wobei eine Betätigungsrichtung (35) des Aktors (32) zumindest annähernd senkrecht zu einer Bewegungsrichtung (45) des Ventilschließkörpers (6) orientiert ist und bei einer Betätigung des Aktors (32) ein Biegemoment auf die Biegeplatte (26) einwirkt.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelelement (25) eine erste Seitenplatte (27) und eine zweite Seitenplatte (28) umfaßt, die mit der Biegeplatte (26) einen zumindest annähernd senkrechten Winkel einschließen und an denen die Seitenflächen (29, 30) ausgebildet sind.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hubverhältnis eines Aktorhubes des Aktors (32) zu einem Hub des Ventilschließkörpers (6) durch ein Verhältnis eines mittleren Abstandes (50) des Aktors (32) von der Biegeplatte (26) zu einem mittleren Abstand (52) der Seitenflächen (29, 30) vorgegeben ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des auf die Biegeplatte (26) bei einem Aktorhub des Aktors (32) einwirkenden Biegemomentes bei einem mittlerem Abstand der Seitenflächen (29, 30) im Bereich von 15 mm bis 35 mm, vorzugsweise von zumindest ungefähr 25 mm, der mittlere Abstand (50) des Aktors (32) zu der Biegeplatte (26) zumindest ungefähr im Bereich von 5 mm bis 15 mm liegt.

5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zumindest eine Kante (40, 42) des Hebelelementes (25) bei einer Betätigung des Aktors (32) an einer Auflagefläche (41, 43) abstützt.

6. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der Biegeplatte (26) so gewählt ist, daß ein Aktorhub des Aktors (32) einen größeren Hub des Ventilschließkörpers (6) bewirkt.

7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei einem Aktorhub des Aktors (32) im Bereich von 20 µm bis 60 µm ein Hub des Ventilschließkörpers (6) von etwa 80 µm ergibt.

8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeplatte (26) mit einem mittleren Bereich (37) auf den Ventilschließkörper (6) einwirkt.

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeplatte (26) an einer Ventilnadel (7) angreift, die mit dem Ventilschließkörper (6) verbunden ist.

10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeplatte (26) in einem mittleren Bereich (37) mit der Ventilnadel (7) verbunden ist.

11. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeplatte (26) eine Aussparung (36) aufweist, durch die sich die Ventilnadel (7) erstreckt.

12. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (36) zumindest annähernd in der Mitte (37) der Biegeplatte (26) angeordnet ist.