EP0298076B1 - Elektrisch ansteuerbares kraftstoffeinspritzventil - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electrically controllable fuel injection valve according to the preamble of claim 1 or 2.
- Such a valve device is known from EP-A-0 050 711, in which an electrical actuator exerts a clamping force on a piston-like valve member guided in a valve bore and displaceable by an actuating force and prevents its movement.
- the actuator is designed as an electromagnet or as a layered piezoelectric disk.
- the known valve device has an asymmetrical force action of the actuator on the piston-like valve member, in which it is pressed against the wall of the valve bore opposite the actuator.
- the invention has for its object to provide an electrically controllable fuel injection valve that achieves the highest possible switching speed.
- the use according to the invention of at least one ring made of piezoceramic material according to a first embodiment initially has the advantage of a favorable guidance of the clamping forces around the piston. This leads to small dimensions of the device and great consistency in relation to the mass used. Another advantage is the decrease in the natural frequencies of the components, which enables higher shaft speeds.
- the piezoelectric ring acts on almost the entire circumference of the piston.
- At least one actuator made of piezoelectric material is provided, which is part of the piston, which acts on almost the entire circumference of the bore.
- the fluid generating the pressure force is expediently the fuel to be controlled by the fuel injection valve. This is particularly advantageous if the piston is part of the valve.
- the electrically controllable fuel injection valve according to the invention is particularly suitable for fuel injection in internal combustion engines, since efforts are made to achieve a pressure or quantity curve as rectangular as possible as a function of time.
- FIG. 1 shows a first and FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a part of an electrically controllable fuel injection valve, and FIG. 3 shows an exemplary embodiment of an electrically controllable fuel injection valve.
- FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a part of an electrically controllable fuel injection valve.
- a housing 10 has a bore 11.
- a piston 12, which has two end faces 13, 14, is guided tightly and slidingly in the bore 11.
- Cross-sectional constrictions 15, 16 are provided at both ends of the bore 11, which form stop surfaces 17, 18 for the piston 12 at the transition point to the bore 11.
- the cross-sectional constrictions 15, 16 are connected to bores 19, 20 for guiding a medium generating force.
- the piston 12 has an actuating element 21 for transmitting the piston movement in an area outside the housing 10.
- the bore 11 has a cross-sectional widening 22 into which an actuator 23 designed as a ring made of piezoelectric material is introduced.
- the inner surface of the ring 23 takes over the guidance of the piston 12.
- the operating voltage for changing the cross-section is supplied to the ring 23 via the two lines 24, 25.
- FIG. 2 shows a second embodiment of part of the valve according to the invention.
- a bore 31 is located in a housing 30.
- a piston 32 which has two end faces 33, 34, is guided tightly and slidably in the bore 31.
- the piston 32 consists at least partially of piezoelectric material 35 which also serves as an actuator. The remaining material can be selected so that it withstands the impact load when it hits one of the two contact surfaces 36, 37, which are caused by cross-sectional constrictions 38, 39 of the bore 31.
- the cross-sectional constrictions 38, 39 are connected to bores 40, 41, which carry an actuating fluid.
- the piston 32 is equipped with an actuating element 42 which transmits the piston movement taking place in the bore 31 to the outside.
- the operating voltage for changing the cross section is supplied to the piezoelectric material 35 through two supply lines 43, 44.
- the mode of operation of the exemplary embodiment shown in FIG. 2 largely corresponds to that of the exemplary embodiment shown in FIG. One difference is that the piezoceramic material 35 in the piston 32 presses against the inner wall of the bore 31 by enlarging the cross section and thereby prevents the piston from moving.
- FIG. 3 shows an embodiment of a fuel injection valve.
- a housing 50 has a valve bore 51.
- a piston-like valve member 52 is tightly and slidably guided.
- the valve member 52 has a conical end face 53 which interacts with a corresponding hollow conical seat surface 54.
- the seat surface 54 is arranged at the transition from an inlet bore 55 into the coaxially arranged valve bore 51, the valve bore 51 having a larger diameter than the inlet bore 55.
- an annular chamber 56 is provided coaxially with the valve bore 51.
- An outlet bore 57 opens into the annular chamber 56.
- the end face 58 of the valve member 52 opposite the conical end face 53 is supported on a compression spring 59, the other end of which rests against a stop 60 arranged in the valve bore 51.
- the stop 60 has at least one opening 61.
- a cross-sectional widening 62 of the valve bore 51 is provided, in which there is provided a steeper 63 arranged coaxially to the valve member 52 and designed as a ring made of piezoceramic material.
- the ring 63 can be connected to an operating voltage via supply lines 64, 65.
- All of the exemplary embodiments have in common that the clamping force acts symmetrically on the piston 12, 32 or the valve member 52.
- the symmetrical force distribution in connection with the pressurized surface extending over the entire circumference of the piston 12, 32 or the valve member 52 results in a high clamping force with small working strokes of the piezoceramic 23, 35, 63.
- the movable part 12, 32, 52 is released simultaneously on its entire outer circumference, so that the sliding friction between the moving part 12, 32, 52 and the actuator 23, 63 or between the actuator 35 and the inner wall of the bore 31 drops extremely quickly to negligible low values. This helps to achieve short switching times.
- An increase in the clamping force in the two exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 3 can be increased by increasing the clamping surface Chen between the piston 12 or the valve member 52 and the ring 23, 63 by means of cross-sectional expansions of the two interacting parts 12, 23 and 52, 63.
- a cross-sectional expansion can also be carried out in the area of the actuator 35 in the bore 31 for this purpose. Limiting the cross-sectional expansion to only a part of the axial extension combines the advantage of increasing the clamping area with only a slight increase in the mass.
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Description
- Die Erfindung geht aus von einem elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 oder 2.
- Aus der EP-A-0 050 711 ist eine derartige Ventileinrichtung bekannt, bei der ein elektrischer Steller auf ein in einer Ventilbohrung geführtes, von einer Stellkraft verschiebbares, kolbenartiges Ventilglied eine Klemmkraft ausübt und dessen Bewegung verhindert. Der Steller ist als Elektromagnet oder als zu einer Säule geschichtete piezoelektrische Scheiben ausgeführt. Die bekannte Ventileinrichtung weist eine unsymmetrische Krafteinwirkung des Stellers auf das kolbenartige Ventilglied auf, in dem es gegen die dem Steller gegenüberliegende Wandung der Ventilbohrung gepreßt wird.
- Aus der US-A-3 902 084 ist eine präzisionsmechanische piezoelektrische Verstellvorrichtung bekannt, bei der ein Kolben mit Hilfe von piezoelektrischen Ringen verstellt wird. Mit Hilfe einer elektrischen Schaltung, die in einer vorgegebenen Reihenfolge Spannungen an die piezokeramischen Ringe legt, wird eine langsame, stetige Bewegung des Kolbens erzielt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch ansteuerbares Kraftstoffeinspritzventil anzugeben, das eine möglichst hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht.
- Diese Aufgabe wird durch die in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 2 enthaltenen Merkmale gelöst.
- Die erfindungsgemäße Verwendung wenigstens eines Ringes aus piezokeramischem Material gemäß einer ersten Ausführungsform weist zunächst den Vorteil einer günstigen Führung der Klemmkräfte um den Kolben herum auf. Dies führt zu kleinen Abmessungen der Einrichtung und zu großer Stetigkeit bezogen auf die eingesetzte Masse. Ein weiterer Vorteil ist die Abnahme von Eigenfrequenzen der Bauteile, womit höhere Schaftgeschwindigkeiten möglich werden. In der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wirkt der piezoelektrische Ring auf nahezu den gesamten Umfang des Kolbens.
- In einer zweiten Ausführungsform eines elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils ist wenigstens ein Steller aus piezoelektrischem Material vorgesehen, der Bestandteil des Kolbens ist, der nahezu auf den gesamten Umfang der Bohrung wirkt.
- Zur Erhöhung der Klemmfläche ist es vorteilhaft, im Klemmbereich eine Vergrößerung des Kolbenquerschnitts bzw. der Bohrung vorzusehen.
- Das die Druckkraft erzeugende Fluid ist zweckmäßigerweise der durch das Kraftstoffeinspritzventil zu steuernde Kraftstoff. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kolben ein Teil des Ventils ist.
- Das erfindungsgemäße elektrisch ansteuerbare Kraftstoffeinspritzventil eignet sich insbesondere deshalb für die Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungsmotoren, da man dort bestrebt ist, einen möglichst rechteckförmigen Druck- bzw. Mengenverlauf als Funktion der Zeit zu erreichen.
- Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.
- Es zeigen Figur 1 ein erstes und Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Teils eines elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils und Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils.
- Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Teils eines elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventils Ein Gehäuse 10 weist eine Bohrung 11 auf. In der Bohrung 11 ist dicht und gleitend ein Kolben 12 geführt, der zwei Stirnflächen 13, 14 aufweist. An beiden Enden der Bohrung 11 sind jeweils Querschnittsverengungen 15, 16 vorgesehen, die an der Übergangsstelle zu der Bohrung 11 jeweils Anschlagsflächen 17, 18 für den Kolben 12 bilden. Die Querschnitssverengungen 15,16 stehen mit Bohrungen 19, 20 zur Führung eines stellkrafterzeugenden Mediums in Verbindung. Der Kolben 12 weist ein Stellelement 21 zur Übertragung der Kolbenbewegung in einem Bereich außerhalb des Gehäuses 10 auf. In ihrem Mittenbereich weist die Bohrung 11 eine Querschnittserweiterung 22 auf in welche ein als Ring aus piezoelektrischem Material ausgebildeter Steller 23 eingebracht ist. An der Stelle der Querschnittserweiterung 22 übernimmt die Innenfläche des Ringes 23 die Führung des Kolbens 12. Die Betriebsspannung zur Querschnittsänderung wird dem Ring 23 über die beiden Leitungen 24, 25 zugeführt.
- Das Teil des Ventils gemäß Figur 1 arbeitet folgendermaßen:
- Befindet sich der Kolben 12 in der in Figur 1 gezeigten Stellung, bei der die Stirnfläche 14 an die Anschlagsfläche 18 angrenzt, und soll eine Hinbewegung in die entgegengesetzte Stellung erfolgen, dann wird der Kolben 12 mit Hilfe des Ringes 23 zunächst festgeklemmt. Dazu wird der reziproke Piezoeffekt des aus piezoelektrischem Material bestehenden Ringes 23 ausgenutzt. Eine Verringerung des Ringinnendurchmessers ergibt sich in Abhängigkeit von dem Herstellungsprozess des piezoelektrischen Ringes 23 durch Ein- oder durch Ausschalten der Betriebsspannung an den Zuleitungen 24, 25. Die Zuleitungen 24, 25 können hierbei zu zwei Elektroden führen, die am Innen- bzw. Außenumfang des Ringes 23, vorteilhafterweise jedoch auf den beiden Stirnseiten des Ringes 23 angeordnet sind. Nachdem der Kolben 12 festgeklemmt ist, wird ein in der Bohrung 20 befindliches Fluid, welches gasförmig oder auch flüssig sein kann, auf hohen Druck gebracht, der auf die Stirnfläche 14 des Kolbens 12 eine Stellkraft ausübt. Die Höhe der Kraft ist durch die maximale Klemmkraft des Ringes 23 gegeben. Die Hinbewegung wird ausgelöst durch eine elektrisch gesteuerte Querschnittsvergrößerung des Ringes 23. Wird auf die gegenüberliegende Stirnfläche 13 des Kolbens 12 nur ein geringer oder kein Druck ausgeübt, so bewegt sich der Kolben 12 in Hin-Richtung bis seine Stirnfläche 13 an der gegenüberliegenden Auflagefläche 17 aufschlägt. Damit ist die Hinbewegung abgeschlossen. Die Vorbereitung und Auslösung der Herbewegung entspricht dem beschriebenen Vorbereitungs- und Auslösevorgang der Hinbewegung.
- In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Teils des erfindungsgemäßen ventils gezeigt. In einem Gehäuse 30 befindet sich eine Bohrung 31. In der Bohrung 31 ist dicht und gleitend ein Kolben 32 geführt, der zwei Stirnflächen 33, 34 aufweist. Der Kolben 32 besteht wenigstens teilweise aus piezoelektrischem Material 35 welches gleichzeitig als Steller dient. Das übrige Material kann so ausgewählt werden, daß es der Aufschlagsbelastung beim Auftreffen auf jeweils eine der beiden Auflageflächen 36, 37, welche durch Querschnittsverengungen 38, 39 der Bohrung 31 entstehen, standhält. Die Querschnittsverengungen 38, 39 stehen mit Bohrungen 40, 41 in Verbindung, welche ein stellkrafterzeugendes Fluid führen. Der Kolben 32 ist mit einem Stellelement 42 ausgestattet, das die in der Bohrung 31 stattfindende Kolbenbewegung nach außen überträgt. Die Betriebsspannung zur Querschnittsänderung wird durch zwei Zuleitungen 43, 44 dem piezoelektrischen Material 35 zugeführt.
- Die Wirkungsweise des in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiels entspricht weitgehend derjenigen des in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiels. Ein Unterschied besteht darin, daß das piezokeramische Material 35 im Kolben 32 durch Vergrößerung des Querschnitts gegen die Innenwandung der Bohrung 31 drückt und die Kolbenbewegung dadurch verhindert.
- Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzventil. Ein Gehäuse 50 weist eine Ventilbohrung 51 auf. In der Ventilbohrung 51 ist dicht und gleitend ein kolbenartiges Ventilglied 52 geführt. Das Ventilglied 52 hat eine kegelförmige Stirnfläche 53, die mit einer entsprechenden, hohlkegelförmigen Sitzfläche 54 zusammenwirkt. Die Sitzfläche 54 ist am Übergang einer Einlaßbohrung 55 in die koaxial angeordnete Ventilbohrung 51 angeordnet, wobei die Ventilbohrung 51 einen größeren Durchmesser als die Einlaßbohrung 55 aufweist. An das innere Ende der Sitzfläche 54 anschließend ist koaxial zur Ventilbohrung 51 eine Ringkammer 56 vorgesehen. In die Ringkammer 56 mündet eine Auslaßbohrung 57 ein.
- Die der kegelförmigen Stirnfläche 53 gegenüberliegende Endfläche 58 des Ventilgliedes 52 stützt sich auf eine Druckfeder 59 ab, die mit ihrem anderen Ende gegen einen in der Ventilbohrung 51 angeordneten Anschlag 60 anliegt. Der Anschlag 60 weist wenigstens einen Durchbruch 61 auf.
- Etwa auf der Mitte der axialen Erstreckung des Ventilgliedes 52 ist eine Querschnittserweiterung 62 der Ventilbohrung 51 vorgesehen, in welcher ein koaxial zum Ventilglied 52 angeordneter, als Ring aus piezokeramischen Material ausgebildeter Steiler 63 vorgesehen ist. Der Ring 63 kann über Zuführungsleitungen 64, 65 an eine Betriebsspannung gelegt werden.
- Die in Figur 3 gezeigte Anordnung arbeitet folgendermaßen:
- Wird an die Zuführungsleitungen 64, 65 eine Betriebspannung angelegt, so verringert sich der Innendurchmesser des piezoelektrischen Ringes 63. Durch die Kontraktion wird das Ventilglied 52 eingeklemmt, so daß eine Bewegung des Ventil-- gliedes 52 in der Bohrung 51 ausgeschlossen ist. In der Einlaßbohrung 55 kann sich nun ein hoher Druck aufbauen, ohne daß das Ventilglied 52 von der Sitzfläche 54 abgehoben wird. Erst wenn die Betriebsspannung des Ringes 63 abgeschaltet wird und somit die Klemmkraftwirkung aufgehoben wird, kann der in der Einlaßbohrung 55 herrschende Druck das Ventilglied 52 gegen die Kraft der Druckfeder 59 von seinem Sitz abheben. Die beim Bewegungsvorgang des Ventilgliedes 52 erreichbare Geschwindigkeit - d.h. also die erreichbare Stellzeit - hängt nur noch von der Masse des Ventilgliedes 52 ab. Zur Erreichung einer möglichst geringen Stellzeit wird das Ventilglied 52 möglichst massearm ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt das durch das Ventilglied 52 zu steuernde Fluid in der Einlaßbohrung 55 selbst die Stellkraft zur Öffnungsbewegung des Ventilgliedes 52.
- Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Klemmkraft symmetrisch auf den Kolben 12, 32 bzw. das Ventilglied 52 wirkt. Die symmetrische Kraftverteilung in Verbindung mit der sich über den gesamten Umfang des Kolbens 12, 32 bzw. des Ventilgliedes 52 erstreckende druckbeaufschlagte Fläche hat eine hohe Klemmkraft bei geringen Arbeitshüben der Piezokeramik 23, 35, 63 zur Folge. Nach Auslösung des Umschaftvorgangs wird das bewegliche Teil 12, 32, 52 an seinem gesamten Außenumfang gleichzeitig freigegeben, so daß die Gleitreibung zwischen dem sich in Bewegung setzenden Teil 12, 32, 52 und dem Steller 23, 63 bzw. zwischen dem Steller-35 und der Innenwandung der Bohrung 31 extrem schnell auf vernachlässigbare geringe Werte absinkt. Dies trägt zum Erreichen kurzer Schaltzeiten bei.
- Eine Erhöhung der Klemmkraft in den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 3 läßt sich durch Vergrößerung der Klemmflächen zwischen dem Kolben 12 bzw. dem Ventilglied 52 und dem Ring 23, 63 mittels Querschnittserweiterungen beider zusammenwirkender Teile 12, 23 und 52, 63 erreichen. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 kann zu diesem Zweck eine Querschnittserweiterung im Bereich des Stellers 35 in der Bohrung 31 vorgenommen werden. Eine Beschränkung der Querschnittserweiterung auf nur einen Teil der axialen Erstreckung verbindet den Vorteil der Erhöhung der Klemmfläche mit einer nur geringen Erhöhung der Masse.
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