DE3704739A1 - Piezosteuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Piezosteuerventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist ein Piezosteuerventil bekannt (DE-OS 20 28 442), welches zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung über ein Einspritzventil dient. Derartige Piezosteuerventile haben gegenüber den weiters bekannten Magnetsteuer­ ventilen (DE-OS 20 26 665) den Vorteil schnellerer Schalt­ zeiten und der Möglichkeit der direkten Anordnung im Hochdruck-Fluidkreis.

Auf Grund der rauhen Umgebung in welcher die Piezosteuer­ ventile eingesetzt werden, können hydraulische Kräfte, Temperaturänderungen sowie Depolarisierungsvorgänge Längenänderungen der Piezokeramiksäule bewirken, wobei jedoch der Arbeitshub voll erhalten bleibt; bei vertret­ barer Piezostellglied-Baulänge werden physikalisch be­ dingt Arbeitshübe bis 0,1 mm erreicht. Hieraus ist er­ sichtlich, daß bei einem solch relativ kleinen Ar­ beitshub die Steuerventilanordnung sehr empfindlich auf ein Setzverhalten der Piezokeramik reagiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Piezosteuerventil unter Beibehaltung des Arbeitshubes so auszubilden, daß eventuell eingetretene Längen­ änderungen in dem das Bezugssystem bildenden Piezostell­ glied in Bezug auf die Erhaltung eines konstanten Ventil­ hubes automatisch ausgeglichen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche den Erfindungsgegenstand in vorteil­ hafter Weise weiterbilden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein in einer Pumpe-Düse-Einheit einer Ein­ spritzeinrichtung angeordnetes Piezosteuer­ ventil und

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung das Piezosteuer­ ventil gemäß der Einzelheit "II" in Fig. 1.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gelangt von einer Kraft­ stoffversorgung Kraftstoff durch eine Bohrung 1.1 im Gehäuse 1 in einen Raum 1.2. Durch eine nicht dargestellte Betätigungseinrichtung kann ein Pumpenkolben 2 in Richtung 2.1 bewegt werden. Hierbei wird Kraftstoff durch einen Gehäusekanal 1.3 in einen Düsen-Raum 1.4 und weiter durch einen Fluidkanal 1.5 in einen Raum 1.6 des Gehäuses 1 gefördert und von dort über ein Ventil 3 zurück in den Rücklauf-Fluidkanal 1.7. In axialer Verlängerung des Raumes 1.6 weist das Gehäuse 1 einen Fortsatz 1.8 auf, in welchem ein Piezostellglied 4 angeordnet und wel­ ches über elektrische Anschlußleitungen 4.1 mit einem nicht dargestellten Impulsgeber verbunden ist. Ferner ist im Gehäuse 1 in axialer Verlängerung der Bohrung 1.1 eine in den Düsenraum 1.4 ragende Düsennadel 10 axial beweglich angeordnet, welche unter der Wirkung einer Feder 10.1 über ihren Dichtsitz eine vom Düsenraum 1.4 in den Brennraum führende Einspritzbohrung 1.9 im Ge­ häuse 1 abdichtet.

In dem Raum 1.6 des Gehäuses 1 ist des weiteren eine Führungshülse 5 eingesetzt, welche zum einen als Wider­ lager für den federbelasteten Ventilkörper 3.1 und zum anderen zur Aufnahme und Führung eines Spielausgleichs­ elementes 6 dient. Zwischen demselben und der Führungs­ hülse ist hierbei ein Spalt 5.3 vorgesehen, so daß der Kraftstoff vom Fluidkanal 1.5 in den Raum 1.6 und von diesem in den Rücklauf-Fluidkanal 1.7 strömen kann.

Die Einzelheit II in Fig. 1 ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt und wird nun im folgenden näher beschrieben. Die in den Raum 1.6 des Gehäuses 1 eingesetzte Führungs­ hülse 5 weist an ihrem unteren Ende einen Bund 5.1 auf, welcher als Widerlager 5.2 für den durch die Feder 3.3 belasteten Ventilkörper 3.1 dient, so daß ein Teilbereich von dessen Oberfläche 3.4 an dem Widerlager 5.2 zur Anlage kommt. Im Bereich des Ventilkörpers 3.1 weist das Ge­ häuse 1 einen Ventilsitz 3.2 auf, wobei zwischen diesem und dem Ventilkörper 3.1 ein Spalt 3.5 ausgebildet ist, durch welchen der Kraftstoff über den Spalt 5.3 in den Rücklauf-Fluidkanal 1.7 strömen kann.

Das Spielausgleichselement 6 weist zum einen einen Ventil­ kolben 6.1 mit einer Bohrung 6.1.1 und zum anderen einen Stößelzylinder 6.2 mit einer Bohrung 6.2.1 und einer sich an diese anschließenden Bohrung 6.2.2 geringeren Durch­ messers auf, wobei der Stößelzylinder 6.2 in dem Ventil­ kolben 6.1 und dieser wiederum in der Führungshülse 5 in axialer Richtung beweglich geführt ist. Der Ventilkolben 6.1 liegt hierbei mit seinem geschlossenen, unteren Ende an der Oberfläche 3.4 des Ventilkörpers 3.1 und der Stößelzylinder 6.2 mit seinem oberen Ende an der Stirn­ fläche 4.2.1 des Stößels 4.2 des Piezostellgliedes 4 unter der Wirkung der Kraft einer Druckfeder 7 auf Anlage, welche sich einerseits am Boden der Bohrung 6.1.1 des Ventilkolbens 6.1 und andererseits über einen Federkorb 8.1 am unteren Ende des Stößelzylinders 6.2 abstützt. So­ wohl die Druckfeder 7 als auch der Federkorb 8.1 sind hierbei in einer Kammer 6.3 angeordnet, welche durch das untere Ende des Stößelzylinders 6.2 und den unteren Teil der Bohrung 6.1.1 des Ventilkolbens 6.1 gebildet wird. Innerhalb des Federkorbes 8.1 ist eine weitere Druckfeder 8 angeordnet, welche eine Ventilkugel 9 gegen einen an der Bohrung 6.2.2 des Stößelzylinders 6.2 ausgeformten Dicht­ sitz 6.4 drückt. Die Druckfeder 8 weist jedoch gegenüber der Druckfeder 7 eine wesentlich weichere Federcharakteristik auf.

Des weiteren ist zwischen dem Außendurchmesser des Stößel­ zylinders 6.2 und dem Innendurchmesser der Bohrung 6.1.1 des Ventilkolbens 6.1 ein von der Kammer 6.3 bis zu einer Bohrung 6.2.3 im Stößelzylinder 6.2 verlaufender sehr enger Spalt 6.5 vorhanden, über welchen die mit dem Kraftstoff gefüllte Kammer 6.3 mit der durch die Bohrung 6.2.1 und die Stirnfläche 4.2.1 des Stößels 4.2 ge­ bildeten und ebenfalls mit dem Kraftstoff gefüllten Kammer 6.6 in Verbindung steht, wobei der Kraftstoff über an der Stirnfläche 4.2.1 am Stößel 4.2 einge­ formte Nuten 4.2.2 in die Kammer 6.6 gelangen kann.

Die Wirkungsweise des Piezosteuerventils ist nun folgende:

Das Piezostellglied 4 mit seinem Stößel 4.2 befindet sich in der gezeigten Position in Ruhestellung, so daß beim Betätigen des Pumpenkolbens 2 der Kraftstoff vom Fluidkanal 1.5 durch den Spalt 3.5 am Ventil 3 und den zwischen der Führungshülse 5 und dem Spielausgleichs­ element 6 gebildeten Spalt 5.3 in den Fluid-Rücklauf­ kanal 1.7 strömen kann. Wird nun das extendierend arbeitende Piezostellglied 4 durch einen Impuls er­ regt, bewegt sich dessen Stößel 4.2 in ca. 50µs um etwa 50µm in Richtung 4.3. Durch diese Bewegung wird auch der Stößelzylinder 6.2 und über die kraftstoff­ gefüllte Kammer 6.3 des weiteren der Ventilkolben 6.1 und von diesem der Ventilkörper 3.1 in der Richtung 4.3 axial verschoben, wodurch der Ventilkörper 3.1 am Ventilsitz 3.2 zur Anlage kommt und den Spalt 3.5 schließt, so daß die Kraftstoffströmung unterbrochen wird. Während der weiteren Bewegung des Pumpenkolbens 2 in Richtung 2.1 steigt nun der Druck im Fluidkanal 1.5 und Düsenraum 1.4 an und somit auch der auf die Düsennadel 10 wirkende Druck. Deren Feder 10.1 ist so ausgelegt, daß die Düsen­ nadel 10 bei einem beliebig eingestellten Mindestdruck - bspw. von 300 bar - von der Einspritzbohrung 1.9 abhebt, wodurch Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, wobei während des Einspritzvor­ ganges der Druck bis auf ca. 2000 bar ansteigt.

Wird nun das Piezostellglied 4 durch Wegfall des Impulses wieder entregt, so bewegt sich der Stößel 4.2 innerhalb von 50µs wieder in seine Ruhelage zurück, wobei die Zeit­ dauer eines Arbeitsspiels, also zwischen zwei Erreger­ impulsen, systembedingt max. 0,5 ms, hingegen die Stell­ zeit des Piezostellgliedes, also die Schließ- und Öffnungs­ dauer, in etwa 0,1 ms beträgt. Durch die Kraft der Ventil­ feder 3.3 und den noch über den Fluidkanal 1.5 auf den Ventilkörper 3.1 wirkenden Druck wird hierbei auch der Ventilkörper 3.1 und von diesem sowohl der Ventilkolben 6.1 als auch der Stößelzylinder 6.2 wieder nach oben be­ wegt - bis der Ventilkörper 3.1 am Widerlager 5.2 anliegt - und es wird der Spalt 3.5 wieder freigegeben, so daß der Druck wieder auf den Systemdruck zusammenbricht und erst nach beendetem Förderhub des Pumpenkolbens 2 das System drucklos wird.

Entspricht nun die eingenommene Ruhelage des Stößels 4.2 nicht mehr der vorherigen Ausgangslage, weil sich bei­ spielsweise auf Grund von piezokeramischen Setzvorgängen - welche auch "elastisch" sein können - die Länge der Piezokeramik verkürzt hat und somit die für den Stößel­ zylinder 6.2 als Anlage dienende Stirnfläche 4.2.1 des Stößels 4.2 in ihrer jetzigen Ruhelage oberhalb ihrer Ausgangslage liegt, so wird der Stößelzylinder 6.2 durch die Wirkung der Druckfeder 7 so weit in axialer Richtung nach oben nachgeführt, bis er an der Stirnfläche 4.2.1 wieder zur Anlage kommt. Während dieses Nachführvorganges vergrößert sich aber auch das Volumen in der Kammer 6.3, so daß in dieser Unterdruck entsteht, auf Grund dessen die Ventilkugel 9 entgegen der Kraft der Feder 8 von ihrem Dichtsitz 6.4 abhebt. In Folge wird Kraftstoff aus der Kammer 6.6 durch die Bohrung 6.2.2 in die Kammer 6.3 angesaugt, bis die nunmehr vergrößerte Kammer 6.3 wieder mit Kraftstoff gefüllt ist; bei erfolgtem Druck­ ausgleich zwischen den beiden Kammern schließt die Ventil­ kugel 9 unter der Kraft der Feder 8 wieder. Für einen er­ neuten Einspritzvorgang liegen somit wieder eindeutig definierte Verhältnisse vor.

Entspricht die eingenommene Ruhelage des Stößels 4.2 nicht mehr der vorausgegangenen Ausgangslage, weil sich beispielsweise auf Grund von Veränderungen in der Piezo­ keramik die Länge derselben verlängert hat und somit die für den Stößelzylinder 6.2 als Anlage dienende Stirnfläche 4.2.1 des Stößels 4.2 in ihrer jetzigen Ruhelage unterhalb ihrer Ausgangslage liegt, so herrscht in der Kammer 6.3 noch ein Überdruck, welcher dadurch hervorgerufen ist, als der Stößelzylinder 6.2 und der Ventilkolben 6.1 noch unter der Wirkung der Kraft der Ventilfeder 3.3 und dem über den Fluidkanal 1.5 auf den Ventilkörper 3.1 wirkenden Druck zwischen dem Stößel 4.2 einerseits und dem Ventilkörper 3.1 andererseits einge­ spannt sind. Dieser Überdruck kann sich nun über den Spalt 6.5 bis zum Druckausgleich abbauen, welcher dann vorliegt, wenn der Ventilkörper 3.1 am Widerlager 5.2 auf Anlage liegt. Es ist ersichtlich, daß der Ringspalt 6.5 so dimensioniert sein muß, daß ein Überdruck maximal innerhalb der Differenzzeit - Arbeitsspielzeitdauer minus Stellzeit - abgebaut werden kann.

Also auch bei einer Verlängerung der Piezokeramik liegen für einen erneuten Einspritzvorgang wieder eindeutig definierte Verhältnisse vor.

Claims (6)

1. Piezosteuerventil,
insbesondere zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung über ein Einspritzventil,
bestehend aus in einem Gehäuse angeordnetem Piezostell­ glied und - einen druckbeaufschlagbaren Fluidkanal des Gehäuses verbindenden - Ventil , welches einen Ventil­ sitz und einen mit dem Piezostellglied zusammenwirken­ den Ventilkörper aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Raum (1.6) des Gehäuses (1), achsgleich mit dem Piezostellglied (4) und dem Ventilkörper (3.1) und deren Bewegungsrichtungen ein hydraulisches Spielausgleichs­ element (6) angeordnet ist,
bestehend aus einem in einer in dem Raum fest ange­ ordneten Führungshülse (5) verschiebbar geführten Ventil­ kolben (6.1) und einem in einer Bohrung (6.1.1) desselben verschiebbar geführten Stößelzylinder (6.2)
mit einer axial verlaufenden Durchgangsbohrung (6.2.1, 6.2.2), wobei in einer durch das untere Ende des Stößel­ zylinders (6.2) und den unteren Teil der Bohrung (6.1.1) des Ventilkolbens (6.1) gebildeten und mit Kraftstoff gefüllten Kammer (6.3) eine sich einerseits am Boden der Bohrung (6.1.1) und anderer­ seits über einen Federkorb (8.1) am unteren Ende des Stößelzylinders (6.2) abstützende Druckfeder (7) und innerhalb des Federkorbes (8.1) eine über eine Druck­ feder (8) die Bohrung (6.2.2) verschließende Ventil­ kugel (9) angeordnet sind und die Kammer (6.3) über einen Spalt (6.5) zwischen dem Ventilkolben (6.1) und dem Stößelzylinder (6.2) und eine Bohrung (6.2.3) mit der Bohrung (6.2.1) verbunden ist und wobei der Stößel­ zylinder (6.2) an einer mit Nuten (4.2.2) versehenen Stirnfläche (4.2.1) des Stößels (4.2) des Piezostell­ gliedes (4) und der Ventilkolben (6.1) an einer Ober­ fläche (3.4) des Ventilkörpers (3.1) und dieser wiederum durch eine Ventilfeder (3.3) an einem Widerlager (5.2) der Führungshülse (5) auf Anlage liegt.

2. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (3.2) des Ventilkörpers (3.1) unter Bildung eines Spaltes (3.5) zwischen denselben am Ge­ häuse (1) im Bereich des Fluidkanals (1.5) ausgebildet ist, wobei bei erregtem Piezostellglied (4) der Ventil­ körper (3.1) den Spalt (3.5) schließt und die Verbindung zwischen dem Rücklauf-Fluidkanal (1.7) und dem Fluid­ kanal (1.5) zum Druckaufbau in demselben unterbricht.

3. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (6.2.2) einen wesentlich kleineren Durchmesser und eine kleinere Länge aufweist als die Bohrung (6.2.1) des Stößelzylinders (6.2).

4. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (8) eine wesentlich weichere Feder­ charakteristik aufweist als die Druckfeder (7).

5. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (6.2.3) im oberen Teil des Stößelzylinders (6.2), jedoch noch innerhalb des Führungsbereiches in dem Ventilkolben (6.1) in die Bohrung (6.2.1) mündet.

6. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Führungshülse (5) und dem Ventilkolben (6.1) ein Spalt (5.3) ausgebildet ist.