DE3517242A1 - Elektrisch betaetigbares kraftstoffeinspritzventil fuer brennkraftmaschinen - Google Patents
Elektrisch betaetigbares kraftstoffeinspritzventil fuer brennkraftmaschinenInfo
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Description
VDO Adolf Schindling AG - 1 - 6000 Frankfurt/Main
Grafstraße 103 G-R Kl-kmo / 1827
26. April1985
Elektrisch betätiqbares Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigbares Kraftstoff
einspritzventil für Brennkraftmaschinen.
Derartige bekannte Kraf tstof f einspritzventil werden mit
einem Elektromagneten betätigt, dessen Magnetwicklung in
einer Zentralbohrung eines Ventilgehäuses angeordnet ist
(DE-PS 23 49 584). In die Magnetwicklung ist ein Weicheisenkern eingesetzt, der außerhalb des Ventilgehäuses als
Anschlußstutzen für die Kraftstoffzufuhr ausgebildet ist.
Der Stirnseite des Weicheisenkerns steht ein Anker so gegenüber, daß zwischen diesen beiden Elementen ein Luftspalt '
gebildet wird. An dem Anker ist eine Ventilnadel angebracht, die in einem verjüngten Ende des Ventilgehäuses längs verschiebbar
geführt ist. Die Ventilnadel ist dabei insbesondere mit an den Ventilnadelkörper angeschliffenen Planflächen so
ausgebildet, daß Kraftstoff in einen Ringraum vor einem Ventilsitz der Ventilnadel strömen kann. Wenn der Elektromagnet
erregt wird, zieht der Anker die Ventilnadel an, die damit den Ventilsitz freigibt. Durch einen dann freigegebenen
Zumeßspalt wird unter Druck stehender Kraftstoff in die
Brennkraftmaschinen eingespritzt. - Die Fertigung eines derartigen Kraftstoffeinspritzventils mit einer längs verschiebbaren
Ventilnadel ist aufwendig, da das Kraftstoff-
einspritzventil aus vielen Elementen besteht, die zum Teil
mit hoher Präzision zu fertigen und anschließend zu montieren sind.
Ferner unterliegen die längs verschiebbare Ventilnadel und ihre Lagerung einem Verschleiß, wodurch die gewünschte
Zumessung verfälscht werden kann. Die Betätigung dieses elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventils erfordert
eine nennenswerte elektrische Leistung, für die entsprechend dimensionierte Bauelemente vorzusehen sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
zu schaffen, welches ohne verschiebbar zu lagernde bewegte Ventilelement auskommt und das sich
durch einen unkomplizierten Aufbau auszeichnet. Das Kraftstoff einspritzventil soll keinem nennenswerten Verschleiß
unterliegen und mit geringer elektrischer Leistung angesteuert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftstoffeinspritzventil mit
den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Das Prinzip der Erfindung besteht darin, daß ein piezoelektrisches
Bauelement, welches als piezoelektrischer Schwinger bezeichnet wird, so .ausgebildet und angeordnet
wird, daß das Kraftstoffeinspritzventil ohne ein in seiner Gesamtheit bewegliches Element, insbesondere ohne längs
verschiebbare Ventilnadel die Vorzugsbewegungsrichtung des
flüssigen Brennkraftstoffes, nämlich die Einspritzrichtung,
bestimmt, dabei die Kraftstoffmenge zumißt und die Voraussetzung
für eine Zerstäubung des Brennkraftstoffs schafft. Dies wird dadurch erreicht, daß durch das elektrische Feld
bei Anlegen von elektrischer ^ an Sie Elektroden des piezo-
dieser ,
elektrischen SchwingersVsich zusammenzieht oder ausdehnt, damit
das Volumen einer Kraftstoff aufnehmenden Kammer verändert,
und daß bei einer Volumenverringerung der Kammer der Brennkraftstoff
im wesentlichen aus der Einspritzöffnung austritt, während der Kraftstoffrückfluß durch den Kraftstoffzuleitungsweg
wesentlich gedrosselt ist.
In einer Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils
nach Anspruch 2 wird die Vorzugsbewegungsrichtung des Brennkraftstoffs
dadurch bestimmt, daß der piezoelektrische Schwinger als Dickenschwinger ausgebildet ist, daß die den
Kraftstoff aufnehmende Kammer den Körper quer zur Schwingungs richtung durchdringt und mit einer einseitigen Verengung
als Kraftstoffzuleitungsweg ausgebildet ist. Der Kraftstoff
wird dabei auf der der Verengung der Kammer gegenüberliegenden
Seite ausgespritzt.
Zur Bemessung der Einspritzmenge kann nach Anspruch 3 zusätzlich
als Einspritzöffnung der Kammer an deren einen Seite eine Blende mit einer gegenüber dem Kammerdurchmesser
kleineren Bohrung angeordnet sein. - Dadurch, daß die relativ kleine Bohrung in einer gesonderten Blende auszuführen
ist, die aus leichter zu bearbeitendem Material als der piezoelektrische Schwinger besteht, kann die Herstellung
insgesamt vereinfacht werden. Beispielsweise kann die Bohrung in der Blende einen sehr kleinen Durchmesser
— A —
aufweisen, die in dem aus piezoelektrischen Material bestehenden Schwinger nur schwer anzubringen ist. Die
Kaminer in dem Schwinger hat dagegen einen größeren Durchmesser Damit kann auch eine feine
Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs erreicht werden.
In einer anderen Ausführungsform des Kraftstoffventils nach
Anspruch 4 ist der piezoelektrische Schwinger als hohlzylindrischer Radialschwinger ausgebildet, in dessen Wand
, ,und konzentrisch eine Reihe von Kammern parallel/zu dessen Langsachse untergebracht
sind. - Die einzelnen Kammervolumina der in der Wand untergebrachten Kammern können je nach Verwendungszweck,
insbesondere einzuspritzender Kraftstoffmenge, gemeinsam
aktiviert werden - Anspruch 5 -,oder aber nacheinander
durch Anlegen eines örtlich begrenzten elektrischen Feldes aktiviert werden - Anspruch 6. Im letztgenannten Fall erstreckt
sich zumindest eine Elektrode nicht durchgehend über eine Außenwand oder Innenwand, sondern ist in, den
Kammern entsprechende,Flächensegmente unterteilt. Die gegen-
sich
überliegende Elektrode kannYhingegen als eine durchgehende Fläche über die zugeordnete Wand erstrecken. - Die individuell aktivierbaren Kammern in einem hohlzylindrischen Radial schwinger können untereinander verschiedene Volumina aufweisen oder mit einer Ringblende mit verschieden großen Bohrungen einseitig abgeschlossen sein, so daß je nach dem, welche Kammer aktiviert wird, die zugemessene Kraftstoffmenge variiert werden kann. Es ist auch möglich, einzelne der Kammern in dem Radialschwinger für den Fall umschaltbar in Reserve zu halten, daß eine oder mehrere der anderen Kammern ausfallen.
überliegende Elektrode kannYhingegen als eine durchgehende Fläche über die zugeordnete Wand erstrecken. - Die individuell aktivierbaren Kammern in einem hohlzylindrischen Radial schwinger können untereinander verschiedene Volumina aufweisen oder mit einer Ringblende mit verschieden großen Bohrungen einseitig abgeschlossen sein, so daß je nach dem, welche Kammer aktiviert wird, die zugemessene Kraftstoffmenge variiert werden kann. Es ist auch möglich, einzelne der Kammern in dem Radialschwinger für den Fall umschaltbar in Reserve zu halten, daß eine oder mehrere der anderen Kammern ausfallen.
Zur Erhöhung des Mengendurchsatzes des Kraftstoffes bei
gleichzeitiger Betätigung sämtlicher in dem hohl zylindrischen Radialschwinger vorgesehener Kammern können weiterhin mehrere
solcher Radial schwinger mit gestaffelten Außendurchmessern konzentrisch ineinander angeordnet werden. - Trotz höheren
Mengendurchsatzes braucht somit das von dem gesamten
Schwinger eingenommene Volumen nicht wesentlich erhöht zu werden.
Die Blende, die mit Bohrungen die Tröpfchengröße
des Kraftstoffs bestimmt, ist für den hohlzylindrischen
Radialschwinger zweckmäßig als Ringblende geformt, die gegenüber den zugehörigen Kammerdurchmessern reduzierte
Bohrungen aufweist. Diese separate Ringblende kann wiederum fertigungsgünstiger hergestellt werden als Kammern unterschiedlicher,
insbesondere sehr geringer Durchmesser in dem piezoelektrischen Material des Radialschwingers.
Statt einer drosselnden Verengung in dem Kraftstoffzuleitungsweg
auf einer Seite der Kammer kann sich dort eine sogenannte Konstantvolumen-Kammer mit einer Kraftstoffzuflußöffnung
und -abflußöffnung befinden, deren Fläche klein gegenüber
der Fläche der unnachgiebigen Konstantvolumen-Kammerwand ist. - Bei Volumenänderungen der Kammern in dem piezoelektrischen
Schwinger fließt Kraftstoff aus den aktivierten Kammern
nur zu einem geringen Teil in die Konstantvolumen-Kammern zurück, da die Konstantvolumen-Kammerwände im wesentlichen
unnachgiebig sind und der Kraftstoff nicht kompressibel ist.
Als Werkstoff zur Herstellung der Schwinger ist nach Anspruch
9 vorzugsweise piezokeramisches Material vorgesehen.
Daraus lassen sich die piezoelektrischen Schwinger so herstellen, daß eine äußerst präzise Zumessung und Zerstäubung
des Kraftstoffs über einen langen Betriebszeitraum hinweg erreicht ist. Zum Erzeugen des elektrischen Feldes, welches
die Wandstärkeveränderungen des piezoelektrischen Schwingers
bewirkt, ist eine elektrische Spannung zur Uerfügung'zu stellen.
Je nach Arbeitsfrequenz kann der piezoelektrische
Schujing er sowohl kapazitiven, induktiven als auch ο hm sch en
Charakter annehmen, was sich günstig auf die in dem Einspritz ventil umgesetzte Verlustleistung auswirken kann.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
anhand einer Zeichnung mit drei Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils
mit einem Dickenschwinger im Längsschnitt und einer angesetzten Blende in grob schematischer
Darstellung;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem Radialschwinger im Längsschnitt und
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem Radialschwinger im Längsschnitt und
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Teil des Radialschwingers
nach Fig. 2.
In sämtlichen Figuren ist das Kraftstoffeinspritzventil
stark vergrößert dargestellt.
j In Fig. 1 ist ein Dickenschwinger aus piezoelektrischem
! Material mit 1 bezeichnet. Er ist im wesentlichen kubusförmig ausgebildet und an zwei gegenüberliegenden Seiten
] 30 mit Elektroden 2 und 3 belegt.
Im Innern des Kubus ist eine Kraftstoff aufnehmende Kammer 4 ausgespart, die an der oberen Seite in eine einseitige
Verengung 5 übergeht. Die einseitige Verengung liegt in einem Kraftstoffzuleitungsweg zu der Kraftstoff aufnehmenden
Kammer 4. Die Kammer und die einseitige Verengung sind rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 6 geformt und gehen
durch den gesamten Dickenschwinger hindurch.
Wenn an die Elektroden 2 und 3 Spannung gelegt wird,
verändern sich die Dimensionen des Dickenschwingers,Vwi'e
mit Richtung des Pfeils 7 angedeutet. Damit gehen Volumenänderungen
in der Kraftstoff aufnehmenden Kammer 4 einher.
Infolge der einseitigen Verengung 5 wird der Kraftstoff in der Vorzugsbewegungsrichtung 8 in das den Dickenschwinger 1
umgebende Volumen gespritzt.
Die Tröpfchengröße bei der Zerstäubung kann durch eine
zusätzliche, unten an den Dickenschwinger angesetzte Blende 9 entsprechend der offenen Querschnittsfläche einer Bohrung
10 in der Blende eingestellt werden.
Wesentlicher Teil einer zweiten Ausführungsform des Kraftstoff
einspritzventils nach den Fig. 2 und 3 ist ein hohlzylindrischer
Radialschwinger 11 aus piezoelektrischem Material. Wie aus Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 2 ersichtlich,
sind in dem hohlzylindrischen Radial schwinger zwischen dessen Innenwand mit dem Radius r, und der Außenwand mit dem
Radius r„ eine Reihe von Kraftstoff aufnehmenden Kammern 12,
12' angeordnet. Die Kraftstoff aufnehmenden Kammern liegen in der neutralen Faser 13 des Radialschwingers und sind als
durchgehende, also oben und unten offene Bohrungen mit konstantem Durchmesser ausgebildet. Sie verlaufen parallel und
konzentrisch zur Längsachse 19.
Die Innenwand und die Außenwand des Radialschwingers ist
jeweils mit einer Elektrode belegt, die lediglich durch die
Zuleitung 14 bzw. 15 in Fig. 2 angedeutet ist.
Der unteren Seite der Kraftstoff aufnehmenden Kammern 12,
12' steht eine Ringblende 16 gegenüber, welche mit den Kammern 12, 12' fluchtende, die Tröpfchengröße
bestimmende Bohrungen 17, 17' aufweist.
Der Radialschwinger und die Ringblende sind in einem
Bock 18 montiert, so daß die Ringblende 16 mit den Bohrungen 17, 17' bzw. die Kammern des Radialschwingers 11
nach unten Kraftstoff ausspritzen können.
In dem oberen Teil des um eine Längsachse 19 rotationssymmetrischen
,steifen Blocks, der vorzugsweise aus Metall besteht, ist der Kraftstoffzuleitungsweg zu dem Ringschwinger
angeordnet. Der Kraftstoffzuleitungsweg besteht
im wesentlichen aus einer ringförmigen Konstantvolumen-Kammer 20, in die ein Kraftstoffzuflußstutzen 21 und ein
Kraftstoffabflußstutzen 22 münden. Die freien Querschnitte
der Stutzen 21 und 22 sind klein gegenüber der Fläche der Innenwand der Konstantvolumen-Kammer.
Der Radialschwinger 11 ist in einer ringförmigen Ausnehmung 23 des Blocks 18 mit Dichtungen 24 - 26 abgedichtet eingesetzt.
Bei Anlegen von Hochspannung an die Zuleitungen 14, 15 und das dementsprechend zwischen der Innenwand und der Außenwand
des Radialschwingers gebildete elektrische Feld erfolgt eine Volumenänderung der Kammern 12, 12' in dem Ringschwinger.
Der in diese Kraftstoff aufnehmende Kammern von der Konstantvolumen-Karnmer 20 einströmende Kraftstoff
so wird im wesentlichen nach unten durch die Bohrungen 17, 17'
der Ringblende 16 in das das Kraftstoffeinspritzventil umgebende
Volumen eingespritzt. Die Vorzugsbewegungsrichtung 27 des Kraftstoffs verläuft somit wie mit dem entsprechend
gekennzeichneten Pfeil angedeutet. Nach oben kann hingegen der Kraftstoff aus den Kammern 12, 12' nicht nennenswert
in die Konstantvolumen-Kammer 20 zurückströmen, da diese mit einem großen Volumen im wesentlichen nicht korn-
5 pressiblen Kraftstoffs gefüllt ist. Die den Kraftstoff aufnehmenden
Kammern 12, 12" können daher fertigungsgünstig
als durchgehende Bohrung ausgebildet sein.
Die Zuleitungen 14, 15 sind aus dem Block 18 heraus zu
10 einer nicht dargestellten Steckverbindung geführt, über
el εκ trisehe
die somit dem Radial schwinger eine gesteuerte "V" S pannung
zugeführt werden kann.
Claims (12)
- 5 Patentansprüche:Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil fürBrennkraftmaschinen,dadurch gekennzeichnet, daß es einen mit Elektroden (2, 3; an 14, 15) versehenen piezoelektrischen Schwinger (1; 11) mit wenigstens einer Kraftstoff aufnehmenden Kammer (4; 12, 12' ) aufweist und daß mit der Kammer ein Kraftstoffzuleitungsweg (Verengung 5; KDnstantvolumen-Kammer 20) und eine Einspritzöffnung (Bohrung 10) in kraftstoffleitender Verbindung stehen, die derart gestaltet ist, daß beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden (2, 3; an 14, 15) dem Kraftstoff eine Vorzugsbewegung (8; 17, 17' ', durch die Kammer zu der Einspritzöffnung erteilt wird.
- 2. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwinger als Dickenschwinger (l) ausgebildet ist, daß die den Kraftstoff aufnehmende Kammer (4) den Schwinger quer zur Schwingungsrichtung (Pfeil 7) durchdringt und mit einer einseitigen Verengung (5) als Kraftstoffzuleitungsweg ausgebildet ist.
- 3. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß als Einspritzöffnung der Kammer an deren einen Seite eine Blende (9) mit einer gegenüber dem Kammerdurchmesser kleineren Bohrung (10) angeordnet ist. .s
- 4. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwinger als hohlzylindrischer Radial schwinger (11) ausgebildet ist, in dessen Wand eine Reihe von Kraftstoff aufnehmenden Kammern (12, 12y parallel und konzentrisch zu dessen Längsachse (19) untergebracht sind.
- 5. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, -dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenwand (an r,) und eine Außenwand (an r~) des hohlzylindrischen Radialschwingers (11) im wesentlichen über deren gesamter Fläche mit Spannung beaufschlagt werden, so daß alle Kammervolumina gleichzeitig und in dem gleichen Sinne verändert werden.
- 6. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise einzelne Abschnitte einer Innenwand (an r,) oder einer Außenwand (an r«) des hohlzylindrischen Radialschwingers (11) mit Spannung beaufschlagt werden, so daß die Kammervolumina individuell insbesondere nacheinander aktiviert werden.
- 7. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4,gekennzeichnet durch eine konzentrische Anordnung mehrerer ineinandergesetzter hohl zylindrischer Radialschwinger.ORIGINAL INSPECTED3 5 1 7 9 AΛ 1» Jf. & -
- 8. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 4 - 7,dadurch gekennzeichnet, daß der Radial schwinger (11) auf seiner Aus spritzseite mit einer Ringblende (16) versehen ist, die gegenüber den Kammerdurchmessern reduzierte Bohrungen (17, 17' ) aufweist.
- 9. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger aus piezokeramischem Werkstoff besteht.
- 10. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kraftstoff aufnehmende Kammer (12, 12", ) in dem Schwinger (11) als durchgehende Bohrung konstanten Durchmessers ausgebildet ist und daß an einem Ende der Bohrung in dem Kraftstoffzuleitungsweg eine Konstantvolumen-Kammer (20) mit einer Kraftstoffzuflußöffnung (Kraftstoffzuflußstutzen 21) und -abflußöffnung (Kraftstof f abflußstutzen 22) angeordnet ist, deren Fläche klein gegenüber der Fläche der unnachgiebigen Konstantvolumen-Kammerwand ist,
- 11. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwinger in einem Block (18) montiert ist, aus dem der Kraftstoffzuleitungsweg ausgeformt ist, der mit der (den) Kraftstoff aufnehmenden Kammer(n) in Verbindung steht.ORIGIN Al INSPECTED» Ί» -ti.
- 12. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach den Ansprüchen 4-11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Reihe der durch den Radialschwinger parallel zu dessen Längsachse durchgehenden,Kraftstoff aufnehmenden Kammern, die konzentrisch zur Längsachse angeordnet sind, eine gemeinsame ringförmige, ebenfalls zur Längsachse konzentrische Konstantvolumen-Kammer (20) aus dem Block (18) ausgeformt ist, in die ein Ende des Radialschwingers hineinragt.
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