DE19950762A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents
BrennstoffeinspritzventilInfo
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Abstract
Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere ein Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, umfaßt einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Ventilaktor (4) und einen von dem Ventilaktor (4) mittels eines Betätigungskörpers (15) und/oder einer Ventilnadel (19) betätigbaren Ventilschließkörper (20), der mit einer Ventilsitzfläche (21) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Der Betätigungskörper (15) oder die Ventilnadel (19) ist über mindestens einen Verstemmaktor (10) kraftschlüssig mit dem Ventilaktor (4) verbindbar.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Gewöhnlich werden Längenveränderungen eines
piezoelektrischen Aktors eines Brennstoffeinspritzventils
durch Temperatureinflüsse mittels hydraulischer
Einrichtungen oder durch Wahl geeigneter
Werkstoffkombinationen ausgeglichen.
Aus der EP 0 869 278 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil
bekannt, bei welchem die Längenveränderung des Aktors durch
eine entsprechende Werkstoffkombination kompensiert wird.
Das aus dieser Druckschrift hervorgehende
Brennstoffeinspritzventil weist einen in einem Aktorraum
angeordneten Aktor auf, welcher formschlüssig mit einer
Druckschulter verbunden ist, über welche der Aktor entgegen
der Kraft einer Druckfeder auf die Ventilnadel einwirkt. Der
Aktor stützt sich einerseits an einer Druckplatte und
andererseits an einem Stellglied ab. Bei einer Erregung des
Aktors wird die Ventilnadel in Abspritzrichtung betätigt.
Die Kompensation der temperaturbedingten Längenveränderung
des Aktors wird in der genannten Druckschrift durch mehrere
Ausgleichsscheiben erzielt, welche zwischen der Druckplatte
und der Stirnseite des Aktors angeordnet sind. Diese weisen
einen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, welcher dem
der Aktorelemente mit umgekehrten Vorzeichen entspricht. Bei
einer Verkürzung des Aktors durch ansteigende Temperaturen
dehnen sich die Ausgleichsscheiben aus und kompensieren
dadurch die thermische Längenänderung des Aktors.
Nachteilig an dieser Anordnung sind vor allem der
Fertigungsaufwand verbunden mit relativ hohen Kosten, die
insbesondere durch die Wahl der Werkstoffe (z. B. INVAR)
bedingt sind.
Die Kompensation der Längenveränderung durch hydraulische
Einrichtungen ist z. B. aus der EP 0 477 400 A1 bekannt. Der
grundsätzliche Nachteil besteht bei Anordnungen dieser Art
darin, daß große Flüssigkeitsvolumina verdrängt werden und
dadurch eine erhöhte Kavitationsneigung besteht.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat
demgegenüber den Vorteil einer rein mechanischen
Kompensation der temperaturbedingt auftretenden Längen- bzw.
Lageänderungen der Bauteile. Dadurch wird eine sichere und
präzise Arbeitsweise des Brennstoffeinspritzventils
gewährleistet.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Insbesondere führt die synchrone Ansteuerung des
Ventilaktors und des Verstemmaktors zu kurzen und präzisen
Schaltzeiten, da die Betätigung ohne Zeitverzögerung
eintritt. In den Ansteuerpausen kann sich der Ventilaktor
ungehindert den Temperaturverhältnissen anpassen.
Durch die Kapselung des Verstemmaktors in einem
Führungsgehäuse wird der Aktor vor äußeren Zug- und
Scherkräften geschützt und erhält eine größere Stabilität.
Die Abdichtung des Aktorgehäuses gegen das Ventilgehäuse hat
den Vorteil, daß die Aktoren nicht durch den chemisch
aggressiven Brennstoff angegriffen werden können.
Die Ansteuerung der Verstemmaktoren kann in zwei Stufen bzw.
über zwei verschiedene Stromkreise für den Ventilaktor und
die Verstemmaktoren erfolgen, was die Möglichkeit des
Vorverstemmens eröffnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist 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 einen Schnitt entlang der in Fig. 1 mit II-II
bezeichneten Schnittlinie.
Fig. 1 zeigt in einer axialen Schnittdarstellung ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Brennstoffeinspritzventils 1. Es handelt sich hierbei um ein
Brennstoffeinspritzventil 1 mit zentraler Brennstoffzufuhr
über einen Brennstoffeinlaß 2, welches nach innen öffnet.
In einem Aktorgehäuse 3 sind ein ringförmig ausgebildeter
Ventilaktor 4 mit einer zentralen Ausnehmung 5, welcher aus
scheibenförmigen piezoelektrischen oder magnetostriktiven
Elementen 6a besteht, und eine Vorspannfeder 7 angeordnet.
Der Ventilaktor 4 wird durch eine äußere Spannungsquelle
über einen Steckkontakt 8 betätigt. Zur Vereinfachung ist in
Fig. 1 lediglich ein einzelner Kontakt 40 dargestellt, der
über eine elektrisch leitende Verbindung 9 mit dem
Ventilaktor 4 verbunden ist. Der Steckkontakt 8 kann an
einer Kunststoffummantelung 41 angespritzt sein.
Das Aktorgehäuse 3 umfaßt teilweise eine äußere Hülse 43 und
eine innere Hülse 44. Zwischen dem Ventilaktor 4 und der
äußeren Hülse 43 ist eine Schutz- und Stützhülse 46
vorgesehen, die eine erste Abschlußplatte 36 umfaßt, an der
sich der Ventilaktor 4 mit einer ersten Stirnseite 32
abstützt. Auf der der Abschlußplatte 36 gegenüberliegenden
Seite ist eine zweite Abschlußplatte 37 angeordnet, an
welcher sich die Vorspannfeder 7 abstützt.
Zwischen der Vorspannfeder 7 und dem Ventilaktor 4 ist
mindestens ein Verstemmaktor 10 angeordnet. Im
Ausführungsbeispiel sind drei Verstemmaktoren 10 vorgesehen.
Jeder Verstemmaktor 10 besteht wie der Ventilaktor 4 aus
scheibenförmigen piezoelektrischen oder magnetostriktiven
Elementen 6b und ist z. B. wie der Ventilaktor 4 in
Sandwichbauweise oder massiv ausgeführt. Zur Betätigung der
Verstemmaktoren 10 kann ein zweiter Stromkreis vorgesehen
werden. Die scheibenförmigen Elemente 6b der Verstemmaktoren
10 liegen an einer radial äußeren Auflageplatte 11 an,
welche sich an der Schutz- und Stützhülse 46 abstützt, und
sind jeweils von einem hülsenförmigen Führungsgehäuse 13
umgeben. Die Wirkrichtung der Verstemmaktoren 10 steht
senkrecht zur Wirkrichtung des Ventilaktors 4. Die
Vorspannfeder 7 und der Ventilaktor 4 mit einer zweiten
Stirnseite 33 stützen sich an Stützsegmenten 14 ab. Zwischen
den Führungsgehäusen 13 ist in Umfangsrichtung jeweils ein
Stützsegment 14 angeordnet, welches eine Stützfunktion für
den Ventilaktor 4 und die Vorspannfeder 7 erfüllt. Die
Stützsegmente 14 und die Verstemmaktoren 10 sind nicht mit
dem Aktorgehäuse 3 verbunden, sondern werden durch die
Vorspannung der Vorspannfeder 7 im Aktorgehäuse 3 ortsfest
gehalten.
Ein Betätigungskörper 15 ist in der zentralen Ausnehmung 5
des Ventilaktors 4 und in der inneren Hülse 44 angeordnet
und weist im Bereich der Verstemmaktoren 10 und
Stützsegmente 14 eine Verjüngung 16 auf. An dieser
Verjüngung 16 greifen Mitnehmer 17 an, welche endseitig mit
dem jeweiligen Verstemmaktor 10 verbunden sind. In den
Ansteuerungspausen liegt der Mitnehmer 17 mit einer geringen
Restkraft am Betätigungskörper 15 an, wodurch der
Verstemmaktor 10 weiterhin unter Vorspannung steht.
Der Betätigungskörper 15 steht über eine Verlängerung 18 mit
einer Ventilnadel 19 in Verbindung, an welcher ein
Ventilschließkörper 20 ausgebildet ist. Bei Abheben des
Ventilschließkörpers 20 von einer Ventilsitzfläche 21 eines
Ventilsitzkörpers 47 wird Brennstoff durch eine
Abspritzöffnung 22 abgespritzt. Der Ventilsitzkörper 47 ist
über einen hülsenförmigen Düsenkörper 48 mit der äußeren
Hülse 43 verbunden. Der Betätigungskörper 15 stützt sich mit
seiner der Ventilnadel 19 abgewandten Seite an einer
Rückstellfeder 23 ab und hintergreift mit seiner
Verlängerung 18 einen Flansch 24 der Ventilnadel 19.
Zwischen dem Flansch 24 der Ventilnadel 19 und dem
Betätigungskörper 15 ist eine Feder 25 eingespannt. Der
Betätigungskörper 15 kann bei der Schließbewegung gegenüber
der Ventilnadel 19 durchschwingen, so daß nur die träge
Masse der Ventilnadel 19 an der Ventilsitzfläche 21
anschlägt. Dadurch werden Preller vermieden. Der Brennstoff
strömt über eine Innenausnehmung 26 des Betätigungskörpers
15, Querbohrungen 27 in der Wandung der Verlängerung 18 und
wenigstens einen Kanal 28 im Ventilsitzkörper 47 zum
Dichtsitz.
Wird an den Ventilaktor 4 und die Verstemmaktoren 10 des in
Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen
Brennstoffeinspritzventils 1 eine elektrische
Betätigungsspannung über den Steckkontakt 8 angeschlossen,
dehnen sich die scheibenförmigen Elemente 6 des Ventilaktors
4 und der Verstemmaktoren 10 aus, wodurch gleichzeitig mit
der axialen Ausdehnung des Ventilaktors 4 die
Verstemmaktorem 10 die Mitnehmer 17 an die äußere Wandung 29
des Betätigungskörpers 15 drücken. Dadurch wird der
Betätigungskörper 15 kraftschlüssig mit dem Ventilaktor 4
verstemmt. Durch die Ausdehnung des Ventilaktors 4 entgegen
der Stömungsrichtung des Brennstoffs wird das
Brennstoffeinspritzventil 1 geöffnet.
Ein Brennstoffeinspritzventil 1 erfährt beim Betrieb starke
Temperaturschwankungen. Zum einen erwärmt sich das ganze
Brennstoffeinspritzventil 1 durch den Kontakt zur
Brennkammer einer Brennkraftmaschine, zum anderen treten
lokale Temperatureffekte z. B. durch die Verlustleistung
beim Verformen des piezoelektrischen Ventilaktors 4 oder
durch elektrische Ladungsbewegung auf. Dies resultiert in
einer thermischen Längenverkürzung der scheibenförmigen
Elemente, da piezoelektrische Keramiken negative
Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen, sich also bei
Erwärmung zusammenziehen und bei Abkühlung ausdehnen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Verstemmaktoren 10
senkrecht zum Ventilaktor 4 wird gewährleistet, daß sich
thermische Längenänderungsprozesse, insbesondere des Ventil
aktors 4, in den Ansteuerungspausen ungehindert vollziehen
können, ohne daß es zu einer Verspannung des Ventilaktors 4
kommt. Dabei wird die auf den Betätigungskörper 15 durch die
Verstemmaktoren 10 ausgeübte Restkraft durch die
Vorspannfeder 7 oder den Ventilaktor 4 überwunden, während
in den Ansteuerungsphasen der Druck des Mitnehmers 17 auf
den Betätigungskörper 15 so stark ist, daß dieser in
Ausdehnungsrichtung des Ventilaktors 4 bewegt wird.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch das
Brennstoffeinspritzventil 1 entlang der in Fig. 1 mit II-II
bezeichneten Schnittlinie. Dabei sind bereits beschriebene
Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
In diesem Ausführungsbeispiel sind drei identische
Verstemmaktoren 10 in regelmäßigen Winkelabständen von ca.
120° zwischen der Vorspannfeder 7 und dem Ventilaktor 4
angeordnet. Dte Verstemmaktoren 10 liegen an Auflageplatten
11 an, welche sich an einer Innenwand 12 der Schutz- und
Stützhülse 46 des Ventilaktors 4 abstützen, und sind von den
querliegenden, hülsenförmigen Führungsgehäusen 13 umgeben.
Die Wirkrichtung der Verstemmaktoren 10 steht senkrecht zur
Wirkrichtung des Ventilaktors 4. Die Vorspannfeder 7 und der
Ventilaktor 4 stützen sich an den Stützsegmenten 14 ab.
Zwischen den Führungsgehäusen 13 sind z. B. in gleichen
Winkelabständen von ca. 120° drei Stützsegmente 14
angeordnet, welche eine Stützfunktion für den Ventilaktor 4
und die Vorspannfeder 7 erfüllen. Die Stützsegmente 14 und
die Verstemmaktoren 10 sind nicht mit dem Aktorgehäuse 3
verbunden, sondern werden durch die Vorspannung der
Vorspannfeder 7 im Aktorgehäuse 3 ortsfest gehalten. An der
Verjüngung 16 des Betätigungskörpers 15 greifen die
Mitnehmer 17 dergestalt an, daß der Betätigungskörper 15
zwischen den drei Mitnehmern 17 kraftschlüssig mit dem
Ventilaktor 4 verstemmt wird.
Ist für die Betätigung der Verstemmaktoren 10 ein zweiter
Stromkreis vorgesehen, können die Betätigungsspannungen
gleichzeitig oder zeitlich versetzt zugeführt werden,
wodurch ein Vorverstemmen der Verstemmaktoren 10 vor der
Betätigung des Ventilaktors 4 erfolgen kann. Der gleiche
Effekt ist durch die Wahl unterschiedlicher Piezokeramiken
für den Ventilaktor 4 und die Verstemmaktoren 10 bei
Ansteuerung durch den gleichen Stromkreis zu erreichen.
Weist die Piezokeramik der Verstemmaktoren 10 einen höheren
Ausdehnungskoeffizienten als die des Ventilaktors 4 auf,
reicht eine kleine Betätigungsspannung aus, um die
Verstemmaktoren 10 zu betätigen, während der durch den
Ventilaktor 4 auf die Ventilnadel 19 übertragene Hub wegen
geringerer Ausdehnung der piezoelektrischen Elemente 6a des
Ventilaktors 4 noch nicht ausreicht, um das
Brennstoffeinspritzventil 1 zu öffnen. Wird die Spannung
dann weiter erhöht, wird das Brennstoffeinspritzventil 1
geöffnet.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte
Ausführungsbeispiel beschränkt sondern auch bei einer
Vielzahl anderer Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen 1
realisierbar.
Claims (12)
1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere
Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von
Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder
magnetostriktiven Ventilaktor (4) und einem von dem
Ventilaktor (4) mittels eines Betätigungskörpers (15)
und/oder einer Ventilnadel (19) betätigbaren
Ventilschließkörper (20), der mit einer Ventilsitzfläche
(21) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Betätigungskörper (15) oder die Ventilnadel (19)
über mindestens einen Verstemmaktor (10) kraftschlüssig mit
dem Ventilaktor (4) verbindbar ist.
2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wirkrichtung jedes Verstemmaktors (10) im
wesentlichen senkrecht zur Wirkrichtung der Ventilaktors (4)
gerichtet ist.
3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Verstemmaktor (10) von einem Führungsgehäuse (13)
umgeben ist, welches eine Auflageplatte (11) aufweist.
4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Stützsegment (14) in der gleichen Ebene
wie der zumindest eine Verstemmaktor (10) angeordnet ist.
5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ventilaktor (4), der zumindest eine Verstemmaktor
(10), das Stützsegment (14) und eine Vorspannfeder (7) in
einem Aktorgehäuse (3) gekapselt sind.
6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Stirnseite (32) des Ventilaktors (4) an einer
ersten Abschlußplatte (36) des Aktorgehäuses (3) anliegt,
ein erstes Ende (34) der Vorspannfeder (7) an einer zweiten
Abschlußplatte (37) des Aktorgehäuses (3) anliegt und sich
das Führungsgehäuse (13) des Verstemmaktors (10) oder das
Stützsegment (14) zwischen einer zweiten Stirnseite (33) des
Ventilaktors (4) und einem zweiten Ende (35) der
Vorspannfeder (7) befindet.
7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Betätigungskörper (15) oder die Ventilnadel (19)
über einen Mitnehmer (17), der sich am Verstemmaktor (10)
abstützt, mit dem Ventilaktor (4) kraftschlüssig verbindbar
ist.
8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Mitnehmer (17) so am Betätigungskörper (15)
oder der Ventilnadel (19) abstützt, daß der Verstemmaktor
(10) in gelöstem Zustand unter einer Vorspannung steht, die
klein genug ist, daß der Ventilaktor (4) unter Überwindung
der durch den Mitnehmer (17) auf die Ventilnadel (19) oder
den Betätigungskörper (15) wirkenden Reibungskräfte axial
frei verschiebbar ist.
9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ventilaktor (4) und jeder Verstemmaktor (10)
gleichzeitig betätigbar sind.
10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ventilaktor (4) durch einen ersten Stromkreis
betätigbar ist und jeder Verstemmaktor (10) durch einen vom
ersten Stromkreis unabhängigen zweiten Stromkreis betätigbar
ist.
11. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
10,
dadurch gekennzeichnet,
daß piezoelektrische Elemente (6b) jedes Verstemmaktors (10)
einen größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweisen als
piezoelektrische Elemente (6a) des Ventilaktors (4).
12. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ventilaktor (4) ringförmig mit einer zentralen
Ausnehmung (5) ausgebildet ist, in welcher der
Betätigungskörper (15) geführt ist.
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