DE3704742C2

DE3704742C2 -

Info

Publication number: DE3704742C2
Application number: DE19873704742
Authority: DE
Inventors: Paul 7290 Freudenstadt De Schwerdt; Karl Dipl.-Ing. 7900 Ulm De Kirschenhofer
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1987-02-14
Filing date: 1987-02-14
Publication date: 1989-03-23
Also published as: DE3704742A1

Description

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

Es ist ein gattungsgemäßes Piezosteuerventil bekannt (DE-PS 32 37 258), welches zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung über ein Einspritzventil dient. Derartige Piezosteuerventile haben gegenüber den weiters bekannten Magnetsteuerventilen (DE-OS 20 26 665) den Vorteil schnellerer Schaltzeiten und der Möglichkeit der direkten Anordnung im Hochdruck-Fluidkreis.

Auf Grund der rauhen Umgebung in welcher die Piezosteuerventile eingesetzt werden, können hydraulische Kräfte, Temperaturänderungen sowie Depolarisierungsvorgänge Längenänderungen der Piezokeramiksäule bewirken, wobei jedoch der Arbeitshub voll erhalten bleibt; bei vertretbarer Piezostellglied-Baulänge werden physikalisch bedingt Arbeitshübe bis 0,1 mm erreicht. Hieraus ist ersichtlich, daß bei einem solch relativ kleinen Arbeitshub die Steuerventilanordnung sehr empfindlich auf ein Setzverhalten der Piezokeramik reagiert.

Diesem möglichen Setzverhalten der Piezokeramik wird bei der gattungsbildenden Ventilanordnung durch eine hydraulisch beaufschlagbare Klemmhülse begegnet, mittels welcher temperaturbedingte und mechanische Veränderungen des Ventilhubes des Piezostellgliedes automatisch ausgeglichen werden können. Da bei dieser Anordnung das Piezostellglied sowohl geklemmt als auch nachgeführt wird, ist zum einen ein hoher Reibschluß zwischen dem Stellglied und der als Widerlager dienenden Klemmhülse erforderlich und zum anderen weist diese Anordnung relativ große Nachführzeiten auf, da die Masse des Piezostellgliedes beim Nachführen bewegt werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Piezosteuerventil unter Beibehaltung des Arbeitshubes so auszubilden, daß eventuell eingetretene Längenänderungen in dem das Bezugssystem bildenden Piezostellglied in Bezug auf die Erhaltung eines konstanten Ventilhubes innerhalb eines Arbeitsspiels sehr schnell automatisch ausgeglichen werden können.

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

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

Fig. 1 ein in einer Pumpe-Düse-Einheit einer Einspritzeinrichtung angeordnetes Piezosteuerventil,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung das Piezosteuerventil gemäß der Einzelheit "II" in Fig. 1,

Fig. 3 als Einzelteil die Klemmhülse,

Fig. 4 in vergrößerter Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel des Piezosteuerventils,

Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie V-V in Fig. 4 und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Piezostellgliedes.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gelangt von einer Kraftstoffversorgung 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 eine Bohrung 1.6 des Gehäuses 1 gefördert und von dort über ein Ventil 3 zurück in den Rücklauf-Fluidkanal 1.7. In axialer Verlängerung der Bohrung 1.6 weist das Gehäuse 1 einen Fortsatz 1.8 auf, in welchem ein Piezostellglied 4 angeordnet und welches 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 Gehäuse 1 abdichtet.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist in der Bohrung 1.6 des Gehäuses 1 eine als Hohlkolben ausgebildete Klemmhülse 5 axial beweglich angeordnet, welche in Fig. 3 nochmals als Einzelteil dargestellt ist und nachfolgend beschrieben wird. Die Klemmhülse 5 besteht aus einem dünnwandigen Rohrteil 5.1 mit einer Wandstärke von ungefähr 0,5 mm und einem sich an dieses anschließenden Boden 5.2 mit Fluidabführnuten 5.3. Zur Erhöhung der Eigenelastizität des Rohrteiles 5.1 sind in dasselbe über den Umfang verteilt und in axialer Richtung erstreckend mehrere Schlitze 5.4 mit einer Breite von ≈0,05 mm und mit einer bestimmten Klemmlänge l₁ eingebracht, welche sich einerseits nahezu bis zum Boden 5.2 und andererseits bis zu einem Spaltring 5.5 des Rohrteiles 5.1 erstrecken, so daß die zwischen den Schlitzen 5.4 liegenden Stege 5.6 näherungsweise zweiseitig eingespannte Biegebalken bilden. Die Lage der Schlitze 5.4 ist hierbei so bestimmt, daß sie sich an den Spaltring 5.5 - mit einer Spaltlänge l₀≈0,5×d - mit einer Klemmlänge l₁ = · k anschließen, worin d = Außendurchmesser der Klemmhülse 5, µ = Reibwert zwischen Klemmhülse und Gehäusebohrung 1.6 und k = Sicherheitsfaktor ≈1,1 bedeuten. Bei d = 8 mm und µ = 0,12 (Stahl/Stahl) ergibt sich also eine Klemmlänge l₁ = 18 mm. Sollte die Baulänge noch weiter reduziert werden, kann mittels geeigneter Technik der Reibwert µ erhöht werden. Dies ist möglich durch eine galvanische Beschichtung der Mantelfläche der Klemmhülse 5 und der Bohrung 1.6, so daß mit einer Nickelschicht mit ca. 20%iger Diamanteinlagerung (Korngröße ≈5 µm) ein dauerhaltbarer Reibwert µ ≈0,4 und somit eine Reduzierung der Klemmlänge l₁ auf ca. 6 mm erzielt wird.

Die eingebrachten Schlitze 5.4 müssen aus zwei Gründen sehr schmal sein: erstens führen sie zu unerwünschtem Oberflächenverlust und zweitens müssen sie wieder vom Hohlraum 5.1.1 der Klemmhülse her mit einem elastischen Stoff 5.7 gegen Fluidaustritt abgedichtet werden. Obwohl die Abdichtung durch Ausspritzen oder elektrostatisches Pulverbeschichten mit Kunststoff erfolgen kann, wird das Einlegen eines einfachen und billig herzustellenden Gummiformteils 5.8 - siehe Fig. 2 - bevorzugt. Desweiteren ist im Boden 5.2 der Klemmhülse eine in Achsrichtung verlaufende Bohrung 5.9 - welche mit den Fluidabführnuten 5.3 kommuniziert - eingebracht, wobei die dem Hohlraum der Klemmhülse zugewandte Wandung der Bohrung 5.9 als Ventilsitz 3.1 ausgebildet ist.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist der Innendurchmesser der Bohrung 1.6 so gewählt, daß zwischen diesem und dem Außendurchmesser der Klemmhülse 5 ein Spalt von 4 µm bis 6 µm verbleibt. Die Klemmhülse 5 ist hierbei so in die Bohrung 1.6 eingeführt, daß der Boden 5.2 einem Stößel 4.2 des Piezostellgliedes zugewandt liegt, wobei die Stirnfläche 5.2.1 des Bodens 5.2 an einem Stößelbund 4.2.1 des Stößels 4.2 zur Anlage kommt. Der Stößel 4.2 selbst durchdringt die Bodenbohrung 5.9 der Klemmhülse 5 mit Spiel und wirkt mit einem im Hohlraum 5.1.1 der Klemmhülse 5 angeordneten Ventilkörper 3.2 zusammen, wobei die Anordnung so dimensioniert ist, daß ein zwischen dem Ventilsitz 3.1 am Boden 5.2 der Klemmhülse 5 und dem Ventilkörper 3.2 gebildeter Spalt 3.3 für das Fluid eine Drossel darstellt. In das Rohrteil 5.1 der Klemmhülse 5 ist von unten her und gegenüber dem Gummiformteil 5.8 mit Spiel eine Widerlagerhülse 6 eingeführt, welche zum einen als Widerlager für eine zwischen derselben und dem Ventilkörper 3.2 angeordnete Druckfeder 7 - wodurch der Ventilkörper 3.2 gegen den Stößel 4.2 gedrückt wird - und zum anderen als Widerlager für eine im Gehäuse 1 abgestützte Feder 8 - welche die Widerlagerhülse 6 und über eine Auflage 6.1 an derselben auch die Klemmhülse 5 gegen den Stößelbund 4.2.1 drückt - dient, wobei die beiden Federn auf das Gesamtsystem abgestimmt sind. Darüber hinaus erfüllt die Widerlagerhülse 6 noch den Zweck, das Totvolumen des Hohlraumes 5.1.1 zu reduzieren. Wird durch den Spalt zwischen dem Spaltring 5.5 der Klemmhülse 5 und der Bohrung 1.6 eine Leckage (Leckmenge5%) zugelassen, so wird im Anschluß an den Spaltring 5.5 in der Bohrung 1.6 eine wendelförmige Leckagenut 1.6.1 eingebracht, welche sich bis in den Bohrungsraum 1.6.2 fortsetzt, in welchen auch die Fluidabführnuten 5.3 und der Fluidkanal 1.7 münden. Die Fluidleckmenge kann somit nach dem auf die Spaltlänge l₀ gebildeten Drosselspalt schneller abfließen. In ein System hingegen das keine Leckmenge zuläßt, wird innerhalb der Spaltlänge l₀ in die Bohrung 1.6 ein inkompressibles Dichtelement 9 eingesetzt, beispielsweise ein Metallkolbenring oder eine Volldichtung entsprechender Zusammensetzung, z. B. Teflon/Bronze.

Die Wirkungsweise des Piezosteuerventils ist nun folgende:

Das Piezostellglied 4 mit seinem Stößel 4.2 befindet sich in der gezeigten Position in Ruhestellung und die Klemmhülse 5 hat gegenüber der Wandung der Bohrung 1.6 keinen Reibschluß. Wie bereits erwähnt, stellt der Spalt 3.3 am Ventil 3 für das Fluid eine Drossel dar, welche so ausgelegt ist, daß sich beim Betätigen des Pumpenkolbens 2 eine zwischen dem Raum 1.2 und dem Hohlraum 5.1.1 aufbauende Fluidsäule auf 1-2 bar Systemdruck angehoben wird. Durch den Spalt 3.3, die Bohrung 5.9, die Fluidabführnuten 5.3 und den Bohrungsraum 1.6.2 läuft das Fluid in den Fluidkanal 1.7 zurück. Dieser Systemdruck von 1-2 bar hat jedoch zur Folge, daß sich die Klemmhülse 5 in der Bohrung 1.6 des Gehäuses 1 mit Reibschluß festsetzt, da der im Hohlraum 5.1.1 von innen auf das geschlitzte Rohrteil 5.1 wirkende Systemdruck die Wandung des Rohrteils in Richtung der Wandung der Bohrung 1.6 elastisch verformt. Wird nun das kontraktil arbeitende Piezostellglied 4 erregt, bewegt sich dessen Stößel 4.2 in ca. 50 µs in Richtung 4.3 . Der Ventilkörper 3.2 legt sich unter der Wirkung der Feder 7 in den Ventilsitz 3.1, so daß der Spalt 3.3 sich schließt. Während der weiteren Bewegung des Pumpenkolbens 2 in Richtung 2.1 steigt nun der Druck im Hohlraum 5.1.1 - unter gleichzeitiger Erhöhung des Reibschlusses zwischen der Klemmhülse und der Bohrung - mit Rückwirkung über den Fluidkanal 1.5 zum Düsenraum 1.4 an und somit auch der auf die Düsennadel 10 wirkende Druck. Deren Feder 10.1 ist je nach System so ausgelegt, daß die Düsennadel 10 bei einem Druck zwischen 200 bis 500 bar von der Einspritzbohrung 1.9 abhebt, wodurch Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Wird nun das Piezostellglied 4 über den Impulsgeber wieder entregt, so bewegt sich der Stößel 4.2 innerhalb von 50 µs in Richtung 4.4 wieder in seine Ausgangslage zurück. Hierbei stößt der Stößel 4.2 den Ventilkörper 3.2 von seinem Ventilsitz 3.1, so daß der Spalt 3.3 wieder freigegeben wird. Der Druck bricht von etwa 500 bar auf den Systemdruck von 1 bis 2 bar zusammen und erst nach beendetem Förderhub des Pumpenkolbens 2 wird das System drucklos. Bei drucklosem System ist aber auch der Reibschluß zwischen der Klemmhülse 5 und der Bohrung 1.6 aufgehoben, so daß jetzt mögliche Lageveränderungen des als Bezugsfläche wirkenden Stößelbundes 4.2.1 des Piezostellgliedes 4 als Folge von piezokeramischen Setzvorgängen ausgeglichen werden können, indem die Feder 8 über die Auflage 6.1 der Widerlagehülse 6 die Klemmhülse 5 dem Piezostellglied 4 nachführt, so daß die Stirnfläche 5.2.1 der Klemmhülse 5 wieder zur Anlage am Stößelbund 4.2.1 gelangt. Für einen erneuten Einspritzvorgang liegen somit wieder eindeutig definierte Verhältnisse vor.

Während in Fig. 2 das Gummiformteil 5.8 lediglich zur Abdichtung der Schlitze 5.4 dient, hingegen für die kraftunterstützte Lagefixierung des Ventilkörpers 3.2 und der Klemmhülse 5 zwei Federn 7 und 8 und eine Widerlagerhülse 6 verwendet sind, ist gemäß Fig. 4 das Gummiformteil als Mehrfunktionselement ausgebildet. Wie in Fig. 2 dient auch in Fig. 4 das Gummiformteil 5.8 zur Abdichtung der Schlitze 5.4. In seinem dem Ventilkörper 3.2 zugewandten Ende ist in dasselbe nunmehr die Oberfläche des Ventilkörpers 3.2 eingeformt, so daß die Einformung 5.8.1 als Widerlager für den Ventilkörper dient. Des weiteren ist die Länge l₂ so dimensioniert, daß sich zwischen der Auflage 1.10 des Gehäuses 1 und dem Ventilkörper 3.2 eine Vorspannung im Gummiformteil 5.8 ergibt, welche etwa der Federung der Feder 7 in Fig. 2 entspricht. Des gleichen ist die Länge l₃ so dimensioniert, daß die sich ergebende Vorspannung zwischen der Auflage 1.10 und einer Auflage 5.5.1 der Klemmhülse 5 auf dem Gummiformteil 5.8 im Bereich des Spaltringes 5.5 etwa der Federung der Feder 8 in Fig. 2 entspricht. Wie Fig. 5 zeigt, welche einen Schnitt durch das Gummiformteil gemäß der Schnittlinie in Fig. 4 darstellt, stellen in das Gummiformteil 5.8 eingeformte Kanäle 5.8.2 die Verbindung vom Fluidkanal 1.5 zum Raum 5.1.1 her.

Wie in Fig. 2 beschrieben, arbeitet dort das Piezostellglied kontraktil. Selbstverständlich ist es auch möglich ein Piezostellglied zu verwenden, das nach dem Prinzip der Ausdehnung arbeitet, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Hierzu durchdringt der in Form eines Ankers ausgebildete Stößel 4.2 eine Bohrung des Piezostellgliedes und hintergreift mit seiner Ankerplatte 4.2.2 dasselbe, so daß bei Erregung des Piezostellgliedes und infolge dessen Ausdehung der Stößel 4.2 ebenfalls in Richtung 4.3 angehoben wird. Ansonsten entspricht die Anordnung der in Fig. 2 beschriebenen.

Claims

1. Piezosteuerventil zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung über ein Einspritzventil bei Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem in einem Gehäuse angeordneten Piezostellglied und einem - einen druckbeaufschlagbaren Fluidkanal des Gehäuses mit einem Rücklauf-Fluidkanal verbindenden - Ventil,
welches einen Ventilsitz und einen mit dem Piezostellglied zusammenwirkenden Ventikörper aufweist,
wobei in einer Bohrung des Gehäuses eine mit dem Piezostellglied zusammenwirkende Klemmhülse geringe Wandstärke angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einer ventilseitig gelegenen Bohrung (1.6) des Gehäuses (1) die als Hohlkolben ausgebildete Klemmhülse (5) axial beweglich angeordnet ist,
deren Boden (5.2) dem Piezostellglied (4) zugewandt liegt

- und welches einerseits mit einem Stößel (4.2) eine Bodenbohrung (5.9) mit Spiel durchdringt und mit dem im Hohlraum (5.1.1) der Klemmhülse (5) liegenden Ventilkörper (3.2) zusammenwirkt, welcher unter Federkraft gegen den Stößel (4.2) gedrückt wird,
- und welches andererseits über einen Stößelbund (4.2.1) mit dem Boden (5.2, 5.2.1) der Klemmhülse (5) zusammenwirkt, welche ebenfalls unter Federkraft gegen den Stößelbund (4.2.1) gedrückt wird,

und wobei das dem Hohlraum (5.1.1) der Klemmhülse (5) zugewandte Ende der Wandung der Bodenbohrung (5.9) als Ventilsitz (3.1) ausgebildet ist,
daß der Außendurchmesser der Klemmhülse (5) nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Bohrung (1.6) und
daß die Klemmhülse (5) auf ihrem Umfang verteilt und in axialer Richtung sich erstreckend Schlitze (5.4) aufweist,

- welche sich einerseits nahezu bis zum Boden (5.2) und andererseits unter Bildung eines Spaltringes (5.5) an der Klemmhülse (5) bis nahe deren Ende erstrecken, so daß die zwischen den Schlitzen (5.4) liegenden Stege (5.6) näherungsweise zweiseitig eingespannte Biegebalken von einer bestimmten Klemmlänge (l₁) bilden,
- wobei die Schlitze (5.4) vom Hohlraum (5.1.1) der Klemmhülse (5) her mit einer elastischen Schlitzabdichtung (5.7, 5.8) verschlossen sind.

2. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Klemmhülse (5) ungefähr 0,5 mm beträgt.

3. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Außendurchmesser der Klemmhülse (5) dem Innendurchmesser der Bohrung (1.6) mindestens im Bereich des Spaltringes (5.5) ein Spalt von 4 µm bis 6 µm vorgesehen ist.

4. Piezosteuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltring (5.5) eine Spaltlänge (l₀) von ungefähr 0,5 × dem Außendurchmesser d der Klemmhülse aufweist.

5. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmlänge (l₁), welche sich an die Spaltlänge (l₀) anschließt, durch die Beziehung bestimmt ist: worin bedeuten
d = Außendurchmesser der Klemmhülse
µ = Reibwert zwischen Klemmhülse und Gehäusebohrung
k = Sicherheitsfaktor, ungefähr 1,1.

6. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Schlitze (5.4) ungefähr 0,05 mm beträgt.

7. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden (5.2) der Klemmhülse (5) desweiteren von der Bodenbohrung (5.9) ausgehende Fluidabführnuten (5.3) ausgebildet sind, welche in den Fluidkanal (1.7) münden.

8. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzabdichtung (5.7) durch ein Gummiformteil (5.8) gebildet ist.

9. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in geöffneter Stellung des Ventils (3) der zwischen Ventilsitz (3.1) und Ventilkörper (3.2) gebildete Spalt (3.3) für das Fluid eine Drossel darstellt.

10. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Klemmhülse (5) eine Widerlagerhülse (6) angeordnet ist, welche zum einen als Widerlager für eine zwischen derselben und dem Ventilkörper (3.2) angeordnete Druckfeder (7) und zum anderen als Widerlager für eine im Gehäuse (1) abgestützte Feder (8), welche über die Widerlagerhülse (6) die Klemmhülse (5) gegen den Stößelbund (4.2.1) drückt, dient.

11. Piezosteuerventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gummiformteil (5.8) zugleich als federnde Widerlagerhülse ausgebildet ist, welches sich unter Vorspannung einerseits im Gehäuse (1) abstützt (1.10) und andererseits sowohl die Klemmhülse (5) gegen den Stößelbund (4.2.1) als auch den Ventilkörper (3.2) gegen den Stößel (4.2) drückt.

12. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bohrung (1.6) des Gehäuses (1) eine etwa sich bis zum Spaltring (5.5) der Klemmhülse (5) erstreckende wendelförmige Leckagenut (1.6.1) eingebracht ist.

13. Piezosteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bohrung (1.6) des Gehäuses (1) auf Höhe des Spaltringes (5.5) der Klemmhülse (5) ein inkompressibles Dichtelement (9) eingebracht ist.