DE4005455A1 - Zumessventil, insbesondere kraftstoff-einspritzventil fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Zumeßventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das aber außer zur impulsweisen Zuführung von Kraftstoff auch zur entsprechenden Ab­ gabe anderer Flüssigkeiten oder auch Gase bzw. Dämpfe Einsatz finden kann.

Betrachtet man den bevorzugten Einsatzfall der Erfindung, nämlich für die Direktein­ spritzung von Kraftstoff (Diesel oder Benzin) in die Arbeitsräume von Brennkraftma­ schinen, insbesondere solchen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, so bietet die Hoch­ druckeinspritzung gegenüber der sonst bei der Saugrohreinspritzung üblichen Nieder­ druckeinspritzung Vorteile insbesondere hinsichtlich der Vermeidung von Heißstartpro­ blemen. Bei der Hochdruckeinspritzung steht dauernd Kraftstoff unter entsprechend hohem Druck zur Verfügung, und die Betätigung der Ventilnadel zur Freigabe der Zu­ meßöffnung (Einspritzdüse) erfolgt durch Zufuhr von Fremdenergie, wobei zwecks Er­ zielung scharfer, in ihrer Länge genau definierter Betätigungsimpulse piezoelektrische oder nach dem Prinzip der Magnetostriktion arbeitende Betätigungsglieder Anwen­ dung finden bzw. vorgeschlagen werden. Es handelt sich dabei also um Betätigungsglie­ der, die ihre Abmessung unter der Einwirkung eines elektrischen bzw. eines magneti­ schen Feldes ändern. So beschreibt die EP 02 18 895 A1, F 02 M 51/06, ein gattungs­ gemäßes Zumeßventil in Gestalt eines Kraftstoff-Einspritzventils, das axial aufeinan­ derfolgend einen piezoelektrischen Stapelaktuator, einen geführten Übertragungsbolzen und die Ventilnadel aufweist, die mit einem die Zumeßöffnung zwecks Verschließens derselben von außen übergreifenden Kopf versehen ist. Der piezoelektrische Stapelak­ tuator ist in einer Gehäusekammer untergebracht, die in Verbindung mit einem Kraft­ stoff-Zufluß steht und eine Speicherkammer für Kraftstoff bildet. Zur Zurückbewegung der Ventilnadel aus ihrer die Düsenöffnung freigebenden Stellung in ihre diese ver­ schließende Stellung dient eine wendelförmige Schließfeder, die die Düsennadel um­ schlingt und zwischen Schultern an dieser und am Gehäuse eingespannt ist.

Die Unterbringung des Betätigungsglieds in einer kraftstofferfüllten Kammer ist jedoch nicht unproblematisch, und zwar insbesondere dann nicht, wenn der Kraftstoff Wasser enthält, da beispielsweise an einem piezoelektrischen Betätigungsglied Spannungen in der Größenordnung von 150 V und höher liegen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Zumeßventil zu schaf­ fen, das praktisch ohne Vergrößerung des Bauaufwands Probleme vermeidet, die sich durch Anordnung des Betätigungsglieds im Zuge des zuzumessenden Mediums ergeben können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkma­ len des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unter­ ansprüche.

Die Erfindung beschränkt sich also nicht in der Lehre, das Betätigungsglied in einem ge­ gen das zuzumessende Medium, beispielsweise Kraftstoff, abgedichteten Raum unterzu­ bringen, sondern bildet die zu dieser Abdichtung erforderliche Wand zugleich so, nämlich als Federmembran aus, daß dieses Bauteil als weitere Aufgabe die der sonst zusätzlich vorhandenen Rückstellfeder für die Düsennadel übernimmt. In vorteilhafter Weise ermög­ licht die Erfindung also den Verzicht auf eine zusätzliche Rückstellfeder.

Im Hinblick auf diese Bewegungsaufgabe muß die Federmembran relativ kräftig ausgebil­ det sein, wobei zu beachten ist, daß die Bewegung der Düsennadel in ihre die Zumeßöff­ nung verschließende Stellung sehr schnell erfolgen muß. Eine derartige starke Auslegung der Federmembran ist aber beispielsweise bei Verwendung eines piezoelektrischen Betä­ tigungsglieds möglich, da dieses leicht so ausgelegt werden kann, daß es relativ große Kräfte zur die Zumeßöffnung freigebenden Freigabebewegung der Düsennadel hervorruft. Legt man die Konstruktion gemäß Patentanspruch 5 so aus, daß die dem zweiten Raum zugekehrte Oberfläche der Federmembran vom Druck des zuzumessenden Mediums beauf­ schlagt ist, so wird durch diesen Druck die Rückstellkraft der Federmembran gleichsam erhöht, so daß diese in sich relativ schwach ausgelegt sein kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Fall eines Kraftstoff-Einspritzventils ei­ ner Brennkraftmaschine wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren

Fig. 1 einen Axialschnitt durch das gesamte Ventil und deren

Fig. 2 vergrößert die in Fig. 1 bei A angedeutete Einzelheit wiedergibt.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so erkennt man zwischen den beiden Gehäuseteilen 1 und 2 eingespannt die mit umlaufenden Wellen versehene Federmembran 3, die einen in der Figur oberhalb der Membran befindlichen ersten Raum 4 gegen den kraftstofferfüll­ ten zweiten Raum 5 abdichtet. Gemäß Fig. 2 erfolgt die Einspannung des äußeren Ran­ des der Membran 3 in der Weise, daß eine äußere umlaufende Stoßfuge 5 durch Schwei­ ßung 6 geschlossen ist, und daß ein stegförmiger Bereich 7 in diesem Ausführungsbeispiel am unteren Gehäuseteil 2 den Rand der Federmembran 3 dabei gegen einen zugekehrten Stirnbereich des oberen Gehäuseteils 1 drückt.

In dem demgemäß von Kraftstoff freien oberen Raum 4 erkennt man als wesentliche Bauteile den piezoelektrischen Stapelaktuator 8 an sich bekannten und daher nicht zu beschreibenden Aufbaus, dem elektrische Anschlüsse 9 zugeordnet sind, und das Zwi­ schenstück 10, das aus einem die Kompensation thermischer Längenänderungen des Ak­ tuators 8 sicherstellenden Material besteht. Während sich das obere Ende des Aktuators 8 auf der zu Justagezwecken vorgesehenen Madenschraube 11 abstützt, sind sowohl der Aktuator 8 als auch das Zwischenstück 10 von dem oberen Gehäuseteil 1 in Richtung der Achse 12 verschiebbar aufgenommen. Schließlich enthält der erste Raum 4 zwischen der nach unten weisenden Stirnseite des Zwischenstücks 10 einerseits und der Feder­ membran 3 andererseits den Druckstift 3.

Der mittlere Bereich der Federmembran 3 ist mit der Ventilnadel 14 verbunden, die an ihrem in der Figur unteren Ende den Kopf 15 zum dichten Abschluß bzw. zur Freigabe der Zumeßöffnung 16 trägt.

Der untere Gehäuseteil 2, der mittels des Gewindes 17 und des Dichtrings 18 dicht in eine Brennraumwand einschraubbar ist, besitzt in Höhe des zweiten Raums 5 die durch die Ringnut 19 gebildete Kraftstoffzufuhr.

In dem zweiten Raum 5 erkennt man ferner die gehäusefeste Führung 20 für das verstärk­ te obere Ende der Düsennadel 14. Die Führung 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit zumindest einem in den Abstand zwischen Membran 3 und Führung 20 auslaufenden Kanal 21 für Kraftstoff versehen, so daß auf der unteren Fläche der Federmembran 3 der Kraft­ stoffdruck lastet.

Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den piezoelektrischen Stapelaktuator 8 dehnt dieser sich in Richtung der Achse 12 unter Abstützung auf der Madenschraube 11 aus, so daß er unter Durchbiegung der Federmembran 3 in Richtung nach unten die Ventilnadel 14 mit dem Kopf 15 in Richtung Freigabestellung für die Zumeßöffnung 16 bewegt. Sobald die Spannung wieder abgeschaltet (oder die Polarität geändert) wird, nimmt der Stapel­ aktuator 8 wieder seine ursprüngliche Dimension ein, und die Federkraft der Federmem­ bran 3 in Verbindung mit dem auf ihr lastenden Kraftstoffdruck bewirkt eine entspre­ chende nach oben gerichtete Bewegung sowohl des Zwischenstücks 10 (falls dieses nicht mit dem Stapelaktuator verbunden ist) und des Druckstifts 13 als auch der Ventilnadel 14, so daß diese wieder in ihre den Verschluß der Zumeßöffnung 16 sichernde Stellung gelangt.

Mit der Erfindung ist demgemäß ein gattungsgemäßes Zumeßventil geschaffen, das prak­ tisch ohne zusätzlichen Aufwand eine Abdichtung des Betätigungsglieds gegen das zuzu­ messende Medium schafft. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie keine die Auslegung und die Wirkungsweise des Ventils im übrigen beeinträchtigen­ den Kompromisse erfordert. So ist es beispielsweise, wie in der Zeichnung dargestellt, möglich, die elektrischen Anschlüsse 9 in einem im Betrieb relativ kühlen Bereich des Zumeßventils vorzusehen, so daß an die Hitzebeständigkeit der elektrischen Isolation relativ geringe Ansprüche gestellt werden.

Claims (7)

1. Zumeßventil, insbesondere Kraftstoff-Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine, mit einer zumindest eine Zumeßöffnung, die mit einer Zuführleitung für unter Druck ste­ hendes zuzumessendes Medium verbunden ist, verschließenden bzw. freigebenden, in einem Ventilgehäuse verschiebbar gelagerten Ventilnadel, an der als ihre Freigabebe­ wegung hervorrufendes Betätigungsglied ein unter dem Einfluß eines Feldes zumindest in einer Richtung seine Abmessung änderndes Bauteil angreift, während die Verschließ­ bewegung der Ventilnadel durch Federkraft erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft durch eine im Ventilgehäuse (1, 2) einen von dem Medium freien, das Betä­ tigungsglied (8) enthaltenden ersten Raum (4) gegen einen das Medium enthaltenden zweiten Raum (5) abdichtende Federmembran (3) erzeugt ist.

2. Zumeßventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmembran (3) zwi­ schen zwei axial aufeinanderfolgenden Gehäuseteilen (1, 2) eingespannt ist.

3. Zumeßventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Be­ reich der Federmembran (3) zwischen einander in Achsrichtung zugekehrten Enden von Betätigungsglied (8) und Ventilnadel (14) liegt und mit letzterer verbunden ist.

4. Zumeßventil nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleit­ führung (20) für die Ventilnadel (14) in dem zweiten Raum (5) in axialem Abstand von der Federmembran (3) angeordnet ist.

5. Zumeßventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitführung (20) zu­ mindest einen in den Abstand mündenden Kanal (21) für das Medium aufweist.

6. Zumeßventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (1, 2) mit zumindest einem seitlich etwa in Höhe des zweiten Raums (5) angeordneten Anschluß (19) für die Zufuhr des Mediums versehen ist.

7. Zumeßventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied ein piezoelektrischer Stapelaktuator (8) ist.