EP0828936B1 - Einspritzventil - Google Patents

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EP0828936B1
EP0828936B1 EP96914853A EP96914853A EP0828936B1 EP 0828936 B1 EP0828936 B1 EP 0828936B1 EP 96914853 A EP96914853 A EP 96914853A EP 96914853 A EP96914853 A EP 96914853A EP 0828936 B1 EP0828936 B1 EP 0828936B1
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EP
European Patent Office
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nozzle needle
injection valve
accordance
tappet
piston
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EP96914853A
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Wendelin KLÜGL
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/005—Arrangement of electrical wires and connections, e.g. wire harness, sockets, plugs; Arrangement of electronic control circuits in or on fuel injection apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/06—Other fuel injectors peculiar thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/704—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions

Definitions

  • the invention relates to an injection valve according to the preamble of claim 1.
  • Such an injection valve is, for example, by EP-A 0 531 533 known.
  • This publication deals with one Diesel injection device with a high-pressure system (common rail system), where the fuel is a high pressure accumulator is fed via a high pressure pump. This one under high Pressurized fuel is then controlled the individual cylinders of a diesel engine via injectors fed. The injectors each controlled by a solenoid valve, for example also enable individual injection times.
  • the injectors are said to improve noise, etc. can be switched quickly at high injection pressures.
  • high storage pressures when using a solenoid valve a pre-injection difficult because the switching times of the Solenoid valve are too long and the full stroke of the valve must be run through so that reproducible conditions, for example the injection quantity can be achieved.
  • the formation of the injection rate i.e. slow opening, however, quickest closing of the nozzle needle, the shaping the injection rate according to a map can hardly be possible.
  • a piezoelectrically actuated injection valve is known from US-A-5 335 861.
  • the illustration shows an injection valve in section.
  • the injector shown in the figure consists of an elongated housing 5, one on its lower end Union nut 3 is screwed on. With this cap nut 3 is an intermediate washer from the lower end of the housing 5 4 and a nozzle body 1, in which a nozzle needle 2 is kept. The washer 4 and the nozzle body 1 have a center hole in which the nozzle needle 2 is guided displaceably in the axial direction.
  • a stepped plunger 7 is guided in the axial direction abuts the nozzle needle 2 at one end and at the other end with a secondary piston 14 of the piezoelectric drive device connected is.
  • a first pressure chamber 8 is provided, which an inlet bore 9 with a fuel inlet connection 10 connected is.
  • This high pressure inlet port 10 is also via an inlet bore 6 with a second pressure chamber 11 connected, in whose area the nozzle needle 2 is stepped, whereby a control surface for controlling the nozzle needle 2 is formed.
  • the tappet 7 has a secondary piston 14 in connection, which is guided in a primary piston is.
  • a piezo actuator 20 acts on the primary piston is stored in a closure 21 and opposite the actuator housing 12 is sealed by means of an O-ring 22.
  • the closure 21 is in the axial direction by means of a locking ring 24 secured. Electrical connections 23 are for Actuator 20 out.
  • the piezo actuator 20 acts on the primary piston 19 Disc spring 13. Next is in the recess of the secondary piston a spring 15 is provided which on an inner surface of the Primary piston 19 presses.
  • the injector also has several at low pressure standing bores or rooms. So there is a room 16 in the area between the plunger 7 and one end of the nozzle needle 2. This space 16 is over a leakage hole 27 and 29 with a return 25 in connection.
  • the Piezo Actuator-20 is arranged in a leakage space 26, which is also in the Return flows. This space 26 continues through a relief bore 18 in connection with a room 17, in which the spring 15 is arranged.
  • the work area 28 in the area the plate spring 13 is always full of fuel, the due to the play between the upper area of the plunger 7 and the housing 5 penetrates into this space.
  • the effective areas for printing are closed Nozzle designed so that the ring surface on the plunger 7 somewhat is smaller than the ring area on the pressure shoulder of the Nozzle needle 2. It therefore remains even when the nozzle is closed Nozzle needle 2 always has a resulting compressive force acts above, but is such that it depends on the spring force of the spring 15 is exceeded, whereby the nozzle needle 2 safely on their seat is pressed. In this position there is no Injection.
  • the mentioned effective diameter of the ram 7 and the nozzle needle 2 are designed so that the Spring 15 designed for acceptable, small forces can be. However, the spring force must be so great that the Nozzle needle 2 quickly enough at the end of the injection Seat can be pressed. It should be borne in mind that them up during the injection of the nozzle seat works. A quick closing of the nozzle needle has an effect favorably on the exhaust gas values of the internal combustion engine.
  • a piezo actuator offers the possibility of faster switching operations to realize as an electromagnet. Problematic are the small ways that a piezo actuator makes and therefore have to be translated.
  • the plunger 7 to the housing 5 and the secondary piston 14 to Primary piston 19 and the primary piston 19 to the actuator housing 12 are paired with fits.
  • One part of the leak goes towards the nozzle needle 2 and must pass through the leakage holes 29 and 27 are fed to the return.
  • the other part of the leak arrives in the work space 28 and keeps it filled.
  • Leakage fuel with excess flow passes on Secondary piston 14 along the relief bore 18 in the leakage space 26 and from there to the return line 25.
  • the work space 28 is therefore always full of fuel.
  • the Disc spring 13 presses the primary piston 19 with a defined one Biasing force against the piezo actuator 20 without play in the Starting position.
  • the plunger 7 from the spring 15 via the secondary piston 14 after pressed down (no injection in this state).
  • the piezo actuator 20 expands downward and moves the primary piston 19 against the force of the plate spring 13 also down.
  • the volume of liquid in the Working space 28 is displaced and guides the secondary piston 14 with the plunger upwards, causing the nozzle needle 2 due the resulting pressure force is moved upwards.
  • the start of injection is triggered.
  • the return 25 is relieved to low pressure.
  • Piezostacks are preferred which operate with relieve relatively small voltages in the vehicle.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Einspritzventil ist beispielsweise durch die EP-A 0 531 533 bekannt. Diese Veröffentlichung behandelt eine Dieseleinspritzeinrichtung mit einem Hochdrucksystem (Common-Rail-System), bei dem der Kraftstoff einem Hochdruckspeicher über eine Hochdruckpumpe zugeführt wird. Dieser unter hohem Druck stehende Kraftstoff wird dann entsprechend einer Steuerung den einzelnen Zylindern eines Dieselmotors über Einspritzventile zugeführt. Dabei werden die Einspritzventile jeweils über ein Magnetventil angesteuert, um beispielsweise auch individuelle Einspritzzeiten zu ermöglichen.
Um insbesondere Einspritzventile zu erhalten, mit denen auch eine Voreinspritzung möglich ist, um damit Verbrauch, Abgaswerte, Geräusch usw. zu verbessern, sollen die Einspritzventile bei hohen Einspritzdrücken schnell schaltbar sein. Bei hohen Speicherdrücken ist bei Verwendung eines Magnetventils eine Voreinspritzung schwer möglich, da die Schaltzeiten des Magnetventils zu lang sind und der volle Hub des Ventils durchlaufen werden muß, damit reproduzierbare Bedingungen, beispielsweise die Einspritzmenge, erreicht werden. Außerdem ist die Formung der Einspritzrate, d.h. langsames Öffnen, jedoch schnellstes Schließen der Düsennadel, wobei die Formung der Einspritzrate gemäß einem Kennfeld vorgenommen werden kann, kaum möglich.
Ein piezoelektrisch betätigtes Einspritzventil ist aus der US-A-5 335 861 bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einspritzventil bereitzustellen, das äußerst schnell schaltbar ist.
Diese Aufgabe wird durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Da die Düsennadel durch den Piezoaktuator praktisch direkt betätigt wird, wird eine schnellstmögliche Betätigung der Düsennadel erzielt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Abbildung näher erläutert.
Die Abbildung zeigt ein Einspritzventil im Schnitt.
Das in der Abbildung gezeigte Einspritzventil besteht aus einem langgestreckten Gehäuse 5, auf dessem unteren Ende eine Überwurfmutter 3 aufgeschraubt ist. Mit dieser Überwurfmutter 3 wird vom unteren Ende des Gehäuses 5 aus eine Zwischenscheibe 4 und ein Düsenkörper 1, in welchem eine Düsennadel 2 geführt ist, gehalten. Die Zwischenscheibe 4 und der Düsenkörper 1 weisen eine Mittelbohrung auf, in der die Düsennadel 2 in axialer Richtung verschiebbar geführt ist. Im Gehäuse 5 ist in axialer Richtung ein abgestufter Stößel 7 geführt, der an einem Ende an der Düsennadel 2 anliegt und am anderen Ende mit einem Sekundärkolben 14 der piezoelektrischen Antriebseinrichtung verbunden ist. Im Bereich der Abstufung des Stößels 7 ist ein erster Druckraum 8 vorgesehen, der über eine Zulaufbohrung 9 mit einem Kraftstoff-Zulaufanschluß 10 verbunden ist. Dieser Hochdruck-Zulaufanschluß 10 ist außerdem über eine Zulaufbohrung 6 mit einem zweiten Druckraum 11 verbunden, in dessem Bereich die Düsennadel 2 abgestuft ist, wodurch eine Steuerfläche zur Steuerung der Düsennadel 2 gebildet wird.
Wie oben beschrieben steht der Stößel 7 mit einem Sekundärkolben 14 in Verbindung, der in einem Primärkolben geführt ist. Auf den Primärkolben wirkt ein Piezoaktuator 20 ein, der in einem Verschluß 21 gelagert ist und gegenüber dem Aktuatorgehäuse 12 mittels eines O-Ringes 22 abgedichtet ist. In axialer Richtung ist der Verschluß 21 mittels eines Sicherungsringes 24 gesichert. Elektrische Anschlüsse 23 sind zum Aktuator 20 geführt.
Der Piezoaktuator 20 wirkt über den Primärkolben 19 auf eine Tellerfeder 13. Weiter ist in der Ausnehmung des Sekundärkolbens eine Feder 15 vorgesehen, die auf eine Innenfläche des Primärkolbens 19 drückt.
Das Einspritzventil weist außerdem mehrere unter Niederdruck stehende Bohrungen bzw. Räume auf. So befindet sich ein Raum 16 im Bereich zwischen dem Stößel 7 und einem Ende der Düsennadel 2. Dieser Raum 16 steht über eine Leckagebohrung 27 und 29 mit einem Rücklauf 25 in Verbindung. Der Piezoaktuator-20 ist in einem Leckageraum 26 angeordnet, der ebenfalls in den Rücklauf mündet. Dieser Raum 26 steht weiter über eine Entlastungsbohrung 18 mit einem Raum 17 in Verbindung, in welchem die Feder 15 angeordnet ist. Der Arbeitsraum 28 im Bereich der Tellerfeder 13 ist immer satt mit Kraftstoff gefüllt, der aufgrund des Spiels zwischen dem oberen Bereich des Stößels 7 und dem Gehäuse 5 in diesen Raum eindringt.
Die wirksamen Flächen für den Druck sind bei geschlossener Düse so ausgelegt, daß die Ringfläche am Stößel 7 etwas kleiner ist als die Ringfläche an der Druckschulter der Düsennadel 2. Es verbleibt daher auch bei geschlossener Düsennadel 2 immer eine resultierende Druckkraft, die nach oben wirkt, aber so ist, daß sie von der Federkraft der Feder 15 übertroffen wird, wodurch die Düsennadel 2 sicher auf ihren Sitz gedrückt wird. In dieser Stellung erfolgt keine Einspritzung. Die genannten wirksamen Durchmesser des Stößels 7 und der Düsennadel 2 werden jedoch so ausgelegt, daß die Feder 15 auf vertretbare, möglichst kleine Kräfte ausgelegt werden kann. Die Federkraft muß jedoch so groß sein, daß die Düsennadel 2 bei Ende der Einspritzung schnell genug auf den Sitz gedrückt werden kann. Dabei ist zu berücksichtigen, daß sie während der Einspritzung der Düsensitzfläche nach oben wirkt. Ein schneller Schließvorgang der Düsennadel wirkt sich günstig auf die Abgaswerte der Brennkraftmaschine aus.
Ein Piezoaktuator bietet die Möglichkeit, schnellere Schaltvorgänge als ein Elektromagnet zu realisieren. Problematisch sind jedoch die kleinen Wege, die ein Piezoaktuator macht und deshalb übersetzt werden müssen.
Die Funktionsweise des Piezoaktuators auf die Einspritzdüse ist folgende:
Der Stößel 7 zum Gehäuse 5 und der Sekundärkolben 14 zum Primärkolben 19 sowie der Primärkolben 19 zum Aktuatorgehäuse 12 sind zueinander mit Passungen gepaart. Die Passungen stellen jedoch nur eine Spaltdichtung dar, so daß eine kleine Menge Kraftstoff ständig vom Zulauf 10 durch den Druckraum 8 am Stößel 7 entlang lecken kann. Der eine Leckageanteil geht in Richtung Düsennadel 2 und muß über die Leckagebohrungen 29 und 27 dem Rücklauf zugeführt werden. Der andere Leckageanteil gelangt in den Arbeitsraum 28 und hält diesen befüllt. Überschüssig durchströmter Leckagekraftstoff gelangt am Sekundärkolben 14 entlang über die Entlastungsbohrung 18 in den Leckageraum 26 und von dort zum Rücklauf 25. Der Arbeitsraum 28 ist somit immer satt mit Kraftstoff gefüllt. Die Tellerfeder 13 drückt den Primärkolben 19 mit einer definierten Vorspannkraft gegen den Piezoaktuator 20 spielfrei in die Ausgangsstellung. In der Ausgangsstellung (Ruhestellung) wird der Stößel 7 von der Feder 15 über den Sekundärkolben 14 nach unten gedrückt (keine Einspritzung in diesem Zustand). Bei Bestromen des Piezoaktuators 20 dehnt sich dieser nach unten aus und bewegt den Primärkolben 19 gegen die Kraft der Tellerfeder 13 ebenfalls nach unten. Das Flüssigkeitsvolumen im Arbeitsraum 28 wird verdrängt und führt den Sekundärkolben 14 mit dem Stößel nach oben, wodurch die Düsennadel 2 aufgrund der resultierenden Druckkraft nach oben bewegt wird. Hierdurch wird der Einspritzbeginn ausgelöst.
Diese Konstruktion des Piezoaktuators mit den beiden Kolben gewährleistet, daß der Stößel 7 und damit die Düsennadel 2 immer aus einer definierten Ausgangslage bewegt werden. Für die Bewegung der Düsennadel 2 ist allein die Dynamik des Sekundärkolbens 14 mit dem stößel 7 maßgebend und nicht die Dynamik einer Hydraulik wie bei bekannten Systemen mit Ventilen. Alle Wärmedehnungen sind kompensiert. Der Arbeitsraum ist immer satt gefüllt. Der Piezoaktuator ist praktisch immer auf die gleiche Vorspannkraft gespannt.
Der Rücklauf 25 ist auf Niederdruck entlastet. Als Piezoaktuator werden Piezostacks favorisiert, die einen Betrieb mit relativ kleinen Spannungen auch im Fahrzeug erleichtern.

Claims (7)

  1. Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzsysteme, mit:
    einer in einem Ventilgehäuse (1) angeordneten Düsennadel (2) und einem zugeordneten Sitz, die zumindest eine Einspritzöffnung des Einspritzventils öffnen und schließen kann,
    einem Kraftstoffzulauf (10), der über einen ersten Druckraum (8) mit einer ersten Steuerfläche des die Düsennadel (2) antreibenden Stößels (7) und über einen zweiten Druckraum (11) mit einer zweiten Steuerfläche der Düsennadel (2) hydraulisch in Verbindung steht,
    wobei die erste Steuerfläche größer als die zweite Steuerfläche ist und die erste Steuerfläche die Düsennadel (2) mit Druck in Richtung auf den zugeordneten Sitz beaufschlagt und die zweite Steuerfläche die Düsennadel mit Druck beaufschlagt, der die Düsennadel (2) vom Sitz abhebt,
    einer Ansteuereinrichtung, die über einen Primär- und Sekundärkolben (14,19) hydraulisch übersetzt ist und die die Düsennadel (2) steuert,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Ansteuereinrichtung einen Piezoaktuator (20) aufweist, daß der Piezoaktuator (20) den Primärkolben (19) direkt antreibt, und daß die Düsennadel (2) über den Stößel (7) und den Sekundärkolben (14) direkt ansteuerbar ist.
  2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkolben (14) fest mit dem Stößel (7) verbunden ist und gegebenüber dem Primärkolben (19) über eine Feder (15) vorgespannt ist.
  3. Einspritzventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (15) den Sekundärkolben (14) in Richtung auf die Düsennadel (2) vorspannt.
  4. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerflächen durch Ringflächen gebildet sind und die eine Ringfläche des Stößels (7) etwas kleiner als die andere Ringfläche an der Druckschulter der Düsennadel (2) ist, so daß immer eine resultierende Kraft in Richtung auf die Antriebsvorrichtung verbleibt.
  5. Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die resultierende Kraft kleiner ist als die Kraft der Feder (15), so daß die Düsennadel (2) bei inaktiver Ansteuereinrichtung auf ihren Sitz gedrückt wird.
  6. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Primärkolben (19) und Sekundärkolben (14) gebildete Arbeitsraum (28) über einen Leckagestrom des Einspritzventils immer gefüllt ist.
  7. Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stößel (7) und dem Gehäuse (5) sowie zwischen Primärkolben (19) und Sekundärkolben (14) sowie zwischen Primärkolben (19) und Gehäuse (12) Spalte vorgesehen sind, die so ausgelegt sind, daß dazwischen jeweils eine geringe Leckage stattfindet, so daß der Arbeitsraum (28) immer mit Flüssigkeit gefüllt ist, und daß bei Wärmedehnungen der Piezoaktuator eine spielausgeglichene, mit Druckspannung vorgespannte und eindeutig definierte Ausgangslage vor dem Anschalten einer elektrischen Spannung hat.
EP96914853A 1995-05-24 1996-05-11 Einspritzventil Expired - Lifetime EP0828936B1 (de)

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PCT/DE1996/000818 WO1996037698A1 (de) 1995-05-24 1996-05-11 Einspritzventil

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EP0828936A1 EP0828936A1 (de) 1998-03-18
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