DE3030378C2

DE3030378C2 - Piezoelektrisch betätigtes, steuerbares Einspritzventil

Info

Publication number: DE3030378C2
Application number: DE19803030378
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. 8000 München Kleinschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-08-11
Filing date: 1980-08-11
Publication date: 1983-01-20
Also published as: DE3030378A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisch betätigtes, steuerbares Einspritzventil, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Aus der DE-OS 17 51 543 ist ein elektrisch steuerbares Einspritzventil für Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Düsennadel mittels eines piezoelektrischen Körpers, mit dem diese Düsennadel hydraulisch oder mechanisch verbunden ist, geöffnet und geschlossen wird. Mit Hilfe eines piezoelektrischen Körpers lassen sich zwar nur sehr kleine, dafür aber sehr kräftige .Bewegungen erzeugen, wie sie für das Öffnen und Schließen einer Düsennadel eines Einspritzventils erforderlich sind. Die nur kleinen erreichbaren Auslenkungen — wenn man von ohnehin unvorteilhaften Übersetzungen wie Hebelmechanismen absieht — werfen insoweit Probleme auf. als sie in die Größenordnung von thermischen Ausdehnungen kommen, die bei den außerdem sehr großen Temperaturunterschieden bei Einspritzventilen im Betrieb auftreten. Ein derartiges Einspritzventil muß bei allen in Frage kommenden Temperaturen sich zuverlässig und außerdem um ein Vorgegebenes Maß öffnen und ebenso zuverlässig schließen.

Bei dem bekannten Einspritzventil der obengenannten DEOS ist bereits die Verwendung von Federn vorgesehen mit denen ein bestimmter Schließdruck und/oder ein Temperaturausgleich erreicht werden soll.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein im Bereich der vorkommenden Arbeitstemperaturen temperaturunabhängiges Einspritzventil anzugeben, das mit piezoelektrischer Kraft steuerbar betätigt wird, wobei die zur Temperaturkompensation und zur Frzeugung des Anpreßdrucks der Düsennadel in ihrem Ventilsitz vorgesehene eine oder mehrere Federn keinen negativen Einfluß auf das betriebsveise piezoelektrisch bewirkte öffnen und Schließen der Düsennadel hat (haben).

Diese Aufgabe wird für ein Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst Weitern Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, die im wesentlichen statische Kraftwirkung der Feder funktionell von der dynamischen Kraftwirkung des piezoelektrischen Körpers des Ventils zu trennen. Die Düsennadel steht bei der Erfindung permanent unter dem Anpreßdruck der einen oder der mehreren vorgesehenen Federn, deren Anpreßdruck — wie schon beim Ventil nach der obengenannten DE-OS — einstellbar ausgeführt sein kann. Auch bei der Erfindung stehen die oben erwähnte Andruckfeder, der piezoelektrische Körper und die Düsennadel mechanisch in Verbindung miteinander. Bei der Erfindung ist jedoch die Düsennadel mit dem piezoelektrischen Korper starr verbunden, und der piezoelektrische Körper ist mit dem (Gehäuse des) Einspritzventil elastisch bzw. federnd verbunden. Zur federelastischen Halterung des piezoelektrischen Körpers kann allein die Andruckfeder verwendet sein. Es können hierzu aber auch noch zusätzliche Federn, insbesondere zur elastischen Halterung des piezoelektrischen Körpers in allen drei Richtungen vorgesehen sein.

Physikalisch liegt der vorliegenden Erfindung das Prinzip zugrunde, die sehr rasch vorsichgehenden piezoelektrischen Bewegungen unmittelbar, insbesondere starr, auf die Düsennadel /u übertragen. Dabei kann aufgrund der tragen Masse des piezoelektrischen Körpers wenigstens die Hälfte seiner absolut zur Verfugung stehenden piezoelektrischen Weglängenänderung ausgenutzt werden. L nter Verwendung einer Zusat/masse kann aber sogar bis nahezu der gesamte Bewegungshub /ur Ventilöffnung nutzbar gemacht werden.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele hervor.

Die Fig. I bis 3 /eigen drei an sich äquivalente Halterungsarten von Düsennadel, piezoelektrischem Korper und etwaiger Zusat/masse im Einspritzventil.

F" ι g. 4 zeigt ein Beispiel einer konstruktiven Ausführung eines hier relevanten Emspritzventils.

In den F ι g I bis 3 sind nur die für die Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Funktionsprinzip notwendigen Einzelheiten eines piezoelektrisch betriebenen Einspritzventil? wiedergegeben. Mit 1 ist jeweils der piezoelektrische Körper bezeichnet, der — wie beim oben angegebenen Stand der Technik — eine Säule aus aufeinanderliegenden piezokeramischen Scheiben sein kann oder ein wie in F i g, 4 angegebener lamelüerter Körper ist.

Prinzipiell könnte auch ein Völlkörper verwendet Werden, dessert Dimensiortierurig jedoch gewisse Schwierigkeiten bezüglich der zu seinem Betrieb erforderlichen hohen Anregungsspannungen mit sich

bringen würde.

Mit 2 ist jewc:!; die Düsennadel bezeichnet, die sich in dem mit 3 bezeichneten Ventilsitz des nur z.T. dargestellten Gehäuses 4 des ganzen Einspritzventils befindet. Mit 5 bzw. 5' sind eine oder mehrere Federn bezeichnet, mit denen die Düsennadel 2 — wie bereits aus diesen Prinzipdarstellungen ersichtlich — in den Ventilsitz 3 gedrückt werden kann. Die eine oder mehreren Federn 5, 5' stehen mit ihrem (jeweils) einen Ende mit dem piezoelektrischen Körper 1 in mechanischer Verbindung. Das jeweils andere Ende der Federn 5, 5' ist in mechanischer Verbindung mit irgendeinem festen Teil des (nur teilweise dargestellten) Gehäuses 4. Je nach den Angriffspunkten der Federn an diesem Gehäuseteil und an dem Körper 6 ist bzw sind die Feder(n) 5, 5' Druckfedern oder Zugfedern. Nicht dargestellt sind Vorrichtungen wie z. B. Stellschrauben zum Einjuuieren und/oder steuerbarem Verändern der durch die Federspannung hervorgerufenen Anpreßkraft der Spitze der Düsennadel 2 im Ventilsitz 3. Ohne Schwierigkeiten sind die Federn 5, S' in der Lage, jegliche in Frage kommenden, temperaturbrdingten Abmessungsänderungen des Einspritzventils derart auszugleichen, daß höchstens unwesentliche Unterschiede des statischen Anpreßdrucks der Düsennadel 2 im Ventilsitz 3 auftreten können. Die Federn 5, 5' allein wirken dahingehend, das Ventil, bestehend aus Düsennadel 2 und Ventilsitz 3. dauernd geschlossen zu halten. Gemäß einem Merkmal der Erfindung steht nun aber die Düsennadel 2 mit dem piezoelektrischen Körper 1 in starrer Verbindung. Eine piezoelektrische Erregung des piezoelektrischen Körpers 1 (mit Hilfe einer an — hier nicht dargestellt — Elektroden des Körpers 1 zugeführten elektrischen Impulsspannung) führt bekanntlich zu einer Formänderung des Piezoelektrischen Körpers 1. wobei der Aufbau des Körpers 1 (/. B. aus Scheiben oder Lamellen), der Ort und die Anbringung der Elektroden, das Vorzeichen der angelegten elektrischen Impulsspannung u. dgl. so gewählt sind, daß mit der lmpuls^enannung eine Kontraktion des piezoelek- -to trischen Körpers 1 eintritt, wie sie mit dem Doppelpfeil 6 angedeutet ist. Da diese Kontraktion ganz plötzlich und weit schneller als jegliche Folgebewegung der Federn 5, 5' erfolgt, wird die Spitze der Düsennadel 2 vom Ventilsitz 3 zwangsläufig abgehoben. In vernünftigen Grenzen des Anpreßdrucks der Düsennadel 2 im Ventilsitz 3 ist dieses Abheben der Düsennadel 2 vom Ventilsitz 3. d. h. das Öffnen des Ventils, unabhängig vom Anpreßdruck der Federn 5, 5'. Bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Prinzipien — und zwar noch ohne Berücksichtigung der noch zu erläuternden Zusatzmasse — ist die Hubb^wegung h der Spitze der Düse 2 gleich groß der Hälfte der Kontraktionsweglänge des gesamten Körpers 1 (in Richtung 6). Die mittlere, gestrichelt dargestell.e Ebene 7 des piezoelektrischen Körpers 1 bleibt bei dieser raschen Bewegung in Ruhe, denn die Masse der Düsennadel 2 kann als klein gegenüber der Masse des piezoelektrischen Körpers 1 betrachtet werden. Dies insbesondere deshalb, weil vorzugsweise für einen solchen piezoelektrischen Körper Piezokeramik verwendet wird, die vorzugsweise aus Bleizirkonal-Titanat besteht (das wegen seines Bleigehalts ohnehin ein spezifisch hohes Gewicht hat). Bei Verwendung einer wie in den F i g. 1 bis 3 gestrichelt dargestellten Zusatzmasse 8 verlagert ^;ch die Ebene 7 in Richtung auf diese Zdsätzmasse 8, und im Extremfall kann der Hub h der Spitze der Düsennadel 2 gleich der vollen Kontraktionslänge des Körpers 1 werden, nämlich wenn die Masse 8 groß gegenüber der Masse des piezoelektrischen Körpers 1 gemacht wird.

Fig.4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzventils, das mit dem an seinem Gehäuse 4 befindlichen Gewinde 14 in den betreffenden Motor einzuschrauben ist. Mit 15 ist ein Stutzen für die Zuführung des von diesem Ventil einzuspritzenden Treibstoffs bezeichnet.

Die Düsennadel 2 ist mit einem piezoelektrischen Körper verbunden, der bei diesem Beispiel die Form eines Pakets 21 aus Lamellen aus Piezokeramik hat. Wie dies nicht ins einzelne gehend dargestellt ist, befinden sich zwischen den einzelnen Lamellen dieses Pakets 21 elektrisch leitende Elektroden, die entsprechend paarweise mit den Zuführungsleitungen 16 und 17 verbunden sind, über die die zur piezoelektrischen Anregung notwendige Impulsspannung zugeführt wird. Wie bereits oben als ein Merkmal der Erfindung hervorgehoben, sind die Düsennadel und das den piezoelektrischen Körper bildende Paket 21 (am einen Ende dieses Pakets) starr miteinander verbunden. Ebenfalls starr miteinander verbunden sind das andere Enoe des Pakets 21 und eine fakultativ zusätzlich vorgesehene Masse 28. Das Paket 21 des piezoelektrischen Körpers ist federnd mit dem Gehäuse 4 verbunden, und zwar bei dieser Ausführu.igsform in der Weise, daß die zusätzliche Masse 28 diese federnde Verbindung mit dem Gehäuse 4 aufweist. Diese federnde Anbringung der Masse 28 des Pakets 21 und damit der Düsennadel 2 bewirken zum einen die Druckfeder 25 und zum anderen die beispielsweise blattförmigen Haltefedern 125. Diese Haltefedern 125 dienen in erster Linie dazu, die Zentrierung von Masse 28. Paket 21 und Düsennadel 2 in bezug auf den Ventilsitz 3 zu gewährleisten. Mit Hilfe einer Einstellschraube 225 läßt sich die Druck-Vorspannung der Feder 25 wahlweise regulieren.

Entsprechend der bereits prinzipiell erläuterten Betriebsweise eines oben beschriebenen Einspritzventils — es handelt sich hier um das Prinzip nach der Fig. 3 — wird durch die aus einem steuerbaren Generator 117 zugeführte Impulsspannung mit weitgehend rechteckiger Impulsform eine piezoelektrische Erregung der Gesamtheit der Lamellen des Pakets 21 bewirkt, und zwar mit dem Ergebnis einer momentanen Längenkontraktion entsprechend der .-"ngegeb^nen Pfeilrichtung 6. Wegen der Massenträgheit der Masse 28 und auch des Pakets 21 selbst erfolgt ein Zurückziehen der Düsennadel 2. so daß der Ventilsitz 3 für das Hindurchtreten der unter Druck stehenden, einzuspritzenden Flüssigkeit frei wird. Bei wie in Frage kommender relativ kurzer Impulsdauer hält diese Längenkontraktion über die Dauer des Impulses an. Mit Impulsende erfolgt somit wieder das Schließen des Ven'ilsii/es 3 durch die Düsennadel 2. Der Anpreßdruck der Düsennadel 2 infolge der Druckkraft der Feder ?5 ist so bemessen, daß jeglicher Gegendruck 41 ^us dem Zylinderinnenraum weit überschritten wird.

Etwaige Längenänderungen innerhalb des Einsprit/-ventils aufgrund von Temperaturänderungen desselben haben keinerlei (nennenswerten) Einfluß auf diesen Schließungsdruck des Einspritzventil, da die Direk· tionskraft der Feder für derart geringe Änderungen der Längenabmessungen unverändert ist. Die Kontraktion des Pakets 21 entsprechend dem Doppelpfeil 6 bei angelegter Impulsspannung erfolgt stets unabhängig vom Anpreßdruck der Feder 25 (und der Federn 125). Dazu ist der Quotient aus m\ + mg, nämlich der Masse des Piezokörpers 1 bzw. des Pakets 21 in F i g. 4 und der

gegebenenfalls vorgesehenen zusätzlichen Masse 8 bzw. 28, und dem Wert D, nämlich der gesamten Federkonstanlen der Federn 5,25 und gegebenenfalls 125 größer als das Quadrat der (maximalen) Öffnungszeit τ des Ventils. In Formeln lautet dies:

kurzer als die Periodendauer r' der Grundresonanz/

/= -— /—

5t

Für diese Formel ist berücksichtigt, daß die maximale in Öffnungszeit r des Ventils auf jeden Fall ca. fünfmal des Schwingsystems aus der Federkonstanten der einen oder mehreren Federn und der gesamten schwingungsfähigen Masse ist. In den voranstehenden Betrachtungen ist die an sich additiv noch hinzukommende Masse der Düsennadel außer Betracht gelassen worden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbares, piezoelektrisches Einspritzventil mit Düsennadel und Ventilsitz sowie mit einem piezoelektrischen Körper fir dsn impulsweisen Antrieb der Düsennadel und mit einer Feder für die Erzeugung des statischen Anpreßdrucks der Düsennadel auf ihren Ventilsitz, gekennzeichnet dadurch, daß die Düsennadel (2) und der piezoelektrische Körper (1; 21) starr miteinander verbunden sind, und daß der piezoelektrische Körper (1; 21) federnd (5; 25, 125) im Gehäuse (4) des Einspritzventils gehalten ist, wobei die Federkraft für den Anpreßdruck der Düsennadel (2) im Ventilsitz (3) wenigstens teilweise (5; 25) auf diesen federnden Einbau des piezoelektrischen Körpers (1; 21) zurückgeht, und dadurch, daß die Beziehung gilt ΣΜ

T²<

v£>

20

worin r die mgximnl vorgesehene Öffnungszeit des Einspritzventils ist, ΣM die Summe der federnd (5; 25, 125) gehaltenen Einzelmassen von piezoelektrischem Körper (1; 21) mit Düsennadel (2) und gegebenenfalls vorgesehener Zusatzmasse (8,28) ist, und worin £ D die Summe der Federkonstanten der die Summe dieser Massen haltenden Federn (5; 25, 125) ist.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die eine oder mehreren Federn (25) in ihrer wirksamen Federkraft einstellbar (225) ist (sind).

3. Einspritzventil wach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der piezoelektrische Körper (21) ein lameliiertes Pak t aus piezoelektri- J5 sehen Lamellen ist, die für die elektrische Anregungsspannung gcschaltei sind (Fig. 4).