EP1095215A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Brennstoffeinspritzventil

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EP1095215A1
EP1095215A1 EP99962124A EP99962124A EP1095215A1 EP 1095215 A1 EP1095215 A1 EP 1095215A1 EP 99962124 A EP99962124 A EP 99962124A EP 99962124 A EP99962124 A EP 99962124A EP 1095215 A1 EP1095215 A1 EP 1095215A1
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EP
European Patent Office
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valve
fuel injection
injection valve
actuator
excitation coil
Prior art date
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Application number
EP99962124A
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English (en)
French (fr)
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EP1095215B1 (de
Inventor
Wolfgang Ruehle
Juergen Ulm
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1095215A1 publication Critical patent/EP1095215A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1095215B1 publication Critical patent/EP1095215B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • F02M51/06—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
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/20—Closing valves mechanically, e.g. arrangements of springs or weights or permanent magnets; Damping of valve lift
    • 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
    • F02M2200/30—Fuel-injection apparatus having mechanical parts, the movement of which is damped

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector according to the preamble of claim 1.
  • a fuel injection valve according to the preamble of claim 1 is known from O89 / 10478.
  • the damping device resulting from this document consists of a pot-shaped damping element, a weak compression spring with a low spring coefficient and a strong compression spring with a high spring coefficient.
  • the two compression springs are axially offset from one another and enclose the valve needle in sections.
  • the cup-shaped damping element is located between the two compression springs, the two pressure springs acting in the opposite direction on the cup-shaped damping element and each being supported on the side facing away from the cup-shaped damping element on the valve needle attached to support elements.
  • the weak compression spring counteracts the closing of the fuel injector, the strong compression spring counteracts the opening of the fuel injection valve.
  • the known fuel injector has the following disadvantages: the damping force is predetermined by the spring force and the shear force and can therefore not be adapted to the operating variables of the internal combustion engine, in particular it cannot be adjusted in time. Since the fuel inflow in the direction of the sealing seat is influenced by the damping disk, flow swirls occur in the fuel, whereby the ductility of the fuel outflow is impaired. Am proposed in the O89 / 10478 as an alternative fuel inlet below the damping plate is impractical, since this significantly increases the size of the drain-side valve housing. The additional mechanical components also make the fuel injector more susceptible to wear, particularly since the damping force depends on the width of the between the edge of the damping element and the inner wall. Valve housing trained gap.
  • the fuel injector according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the fuel injector m is debounced satisfactorily. Furthermore, the electromagnetic damping device does not require any mechanically stressed components such as compression springs and disc springs and does not require any damping fluid. Furthermore, the damping device is temperature stable and enables a variable damping force.
  • the damping device advantageously has an excitation coil for generating a magnetic field and at least one electrically conductive induction loop arranged on the valve needle.
  • the electromagnetic field m required for the damping can thereby be generated in a simple manner.
  • the damping force can act directly on the valve needle.
  • the excitation coil is wound on a valve housing of the fuel injector, the valve housing having a circumferential groove for this. This results in a manufacturing tech iscn simple accommodation of the excitation coil, or the excitation coil is well protected and easy to replace.
  • the electrical conductivity of the induction loop is greater than the electrical conductivity of the valve needle. This creates an m of Induction loop induced ring voltage an electrical induction current carried in the induction loop.
  • the induction loop is electrically insulated from the valve needle.
  • the electromotive force is used particularly well.
  • the induction loop is sleeve-shaped and encloses the valve needle in sections. This results in a shape of the induction loop which is adapted to the geometry of the fuel injection valve and which also enables simple attachment to the valve needle.
  • the axial length of the induction loop along the valve axis is advantageously smaller than the axial length of the excitation coil along the valve axis. This induces a larger ring tension m of the sleeve.
  • a control device for current-controlled control of the excitation coil and / or the actuator advantageously has a current control. This enables precise, quickly reacting control of the damping force acting on the valve needle.
  • the excitation coil is advantageously connected to the actuator in a row in order to utilize the displacement current which arises when the actuator is compressed. As a result, the energy stored in the actuator can be used to vaporize the valve needle.
  • Fig. 1 shows an excerpt axial section through a first gameforementionedsbei one of the invention Fuel injection valve, wherein the fuel injection valve is designed to open inwards;
  • FIG. 2 shows an embodiment of a control of a fuel injection valve according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic diagram to explain the functioning of an exemplary embodiment of a fuel injector according to the invention
  • FIG. 4 shows diagrams for explaining an exemplary embodiment of a fuel injection valve according to the invention
  • FIG. 5 shows a circuit diagram for an exemplary embodiment of a fuel injection valve according to the invention.
  • FIG. 6 diagrams for explaining an embodiment of an inventions
  • FIG. 1 shows a partial axial sectional view of a device according to the invention
  • Fuel injection valve 1 is used in particular for the direct injection of fuel, in particular gasoline, into a combustion chamber of a mixture-compressing, spark-ignited internal combustion engine as a so-called gasoline direct injection valve.
  • the fuel injection valve 1 according to the invention is, however, also suitable for other applications.
  • the fuel injection valve 1 is designed as a men-opening fuel injection valve 1.
  • the fuel injection valve 1 has a valve housing 2 and an end plate 3.
  • a valve needle 4 is located in the valve housing 2 by means of an axially movable valve needle 4 actuatable valve closing body 5, which is formed in one piece with the illustrated embodiment with the valve needle 4.
  • the valve closing body 5 is frustoconical and tapered in the spraying direction.
  • the valve closing body 5 interacts with a valve seat surface 7 formed on a valve seat body 6 to form a sealing seat.
  • the valve seat body 6 is fastened in the front part of the valve housing 2.
  • the contact element 12 On an inner contact surface 10, which is formed on a projection 11 of the valve housing 2, lies on the contact element 12.
  • the contact element 12 can be designed to be plastically or elastically deformable.
  • An intermediate plate 13 is fastened by a screw element 14 in the interior 16 of the fuel injector 1. The intermediate plate 13 is pressed by the screw element 14 against the contact element 12, whereby the contact element 12 is deformed. In order to apply the force required for this, the screw element 14 is screwed in with an internal thread 15, which is formed on the inside of the valve housing 2.
  • a piezoelectric actuator 21 rests on the inflow-side end face 20 of the intermediate plate 13, and a compression spring 23 rests on the sealing face-side end face of the intermediate plate 13.
  • the actuator 21 and the compression spring 23 are enclosed by a tubular housing wall 24, the tubular housing wall 24 having cutouts 25a, 25b through which the intermediate plate 13 projects.
  • the tubular housing wall 24 is connected to a housing plate 25 on the inflow side and a housing plate 26 on the sealing seat side.
  • the tubular housing wall 24, the inflow-side housing plate 25 and the sealing seat-side housing plate 26 together form an inner housing 24, 25, 26.
  • the actuator 21 acts via the inflow-side housing plate 25 on the inner housing 24, 25, 26 and the compression spring 23 acts via the sealing seat side Housing plate 26 on the inner housing 24, 25, 26 em.
  • the valve seat 4 is fastened on the sealing seat side housing plate 26.
  • the fuel is passed through a bore 30 in the end plate 3 into the interior 16 of the fuel injector 1. From there it is passed through at least one bore 31 in the intermediate plate 13 in the direction of the sealing seat formed from valve seat surface 7 and valve closing body 5.
  • the actuator 21 When the actuator 21 is actuated, it expands, as a result of which the inner housing 24, 25, 26 moves in the direction of the end plate 3 and lifts the valve closing member 5 attached to the valve needle 4 from the valve seat surface 7, as a result of which the sealing seat opens.
  • Fuel enters an injection channel 32 via the gap formed between valve seat surface 7 and valve closing element 5, as a result of which fuel emerges from fuel injection valve 1 into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the fuel injector 1 is closed via the compression spring 23, which acts against the actuator 21 on the inner housing 24, 25, 26, as a result of which the inner housing 24, 25, 26 shifts in the direction of the valve seat body 6 and the valve closing body 5 of the valve needle 4 on the Valve seat surface 7 of the valve seat body 6 is moved. As a result, the sealing seat formed from valve seat surface 7 and valve closing body 5 closes.
  • the electromagnetic damping device according to the invention for damping the movement of the valve needle 4 is formed from sleeves 40a to 40c and an excitation coil 41, which is wound in a circumferential groove 42 on the valve housing 2 of the fuel injection valve 1.
  • the movement of the valve needle 4 is usually limited by a suitable stop.
  • this is Limitation simplified represented by the stop of the inflow-side housing plate 25 on stop elements 43a, 43b.
  • the valve closing body 5 of the valve needle 4 strikes the valve seat surface 7 of the valve seat body 6.
  • the valve needle 4 bounces because of the movement impulse that occurs when opening or closing, as a result of which the sealing seat is not opened with a constant opening cross section or is not closed abruptly.
  • the sleeves 40a to 40c are electrically insulated from the valve needle 4 and from each other. This isolation can e.g. B. done by a paint or an oxide layer. If the space around the sleeves 40a to 40c is filled with fuel, a suitable sealing of the sleeves against the fuel can be provided. Alternatively, it is possible to manufacture the sleeves 40a to 40c from a material which has a higher electrical conductivity than the valve needle 4.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram, which represents the wiring of the actuator 21 and the excitation coil 41 in a simplified manner.
  • electrical feed lines 50a, 50b m the fuel injection valve 1 are guided to the actuator 21.
  • electrical feed lines 50c, 50d m lead the fuel injection valve 1 to the excitation coil 41.
  • the electrical feed lines 50a to 50d are connected to the control unit 51. It is advantageous if the control device 51 controls the coil 41 in a current-controlled manner, since this counteracts the coil inductivity 11 when the current intensity I L changes due to a correspondingly high voltage of the control device 51, which is supplied to the coil 41 via the electrical leads 50c, 50d can be.
  • the control device 51 makes it possible, depending on the operating variables of the internal combustion engine, to actuate the actuator 21 and the coil 41 in a coordinated manner in order to prevent the valve needle 4 from bouncing.
  • Fig. 3 is a schematic diagram to explain the functional principle of the damping device of the
  • Excitation coil 41 flowing current I L generates em radially symmetrical magnetic field B, which is proportional to
  • Coil current I L is.
  • the finite length 1 L of the coil 41 m in the axial direction results in an inhomogeneous magnetic field
  • Spulenach.se 55 is present for a change in location m of the order of length 1 L of the coil 41.
  • an induction loop 56 which represents the edge of a surface A which is not necessarily flat.
  • One of the two sides of the area A can be arbitrarily defined as
  • Induction loop 56 changed. According to Faraday's law of induction, a temporal change in the magnetic flux ⁇ flowing through the induction loop 56 creates an electrical m opposite the direction of rotation 58 of the induction loop 56 in the induction loop 56
  • Induction loop 56 an electrical current that at
  • em magnetic field B 1 is generated.
  • the magnetic field B ' is oriented in the opposite (same) direction as the magnetic field B.
  • oppositely directed magnetic fields B, B 1 the induction loop 56 is repelled by the excitation coil 41, with unidirectional magnetic fields B, B ', the induction loop 56 is attracted by the excitation coil 41.
  • the induction loop 56 when the magnetic flux ⁇ increases, the induction loop 56 is repelled by the excitation coil 41 and when the magnetic flux ⁇ decreases, the induction loop 56 is attracted by the excitation coil 41.
  • the associated force K 0 is used according to the invention for damping the valve needle 4.
  • FIG. 4 shows diagrams by means of which the functioning of the damping device of the fuel injector 1 according to the invention is explained.
  • the time t is in each case on the abscissa and the various operating variables of the are in the ordinates
  • Fuel injector 1 applied. For the sake of simplicity, only the closing process of the fuel injection valve 1 is considered below. The mode of operation of the damping device of the fuel injection valve 1 can accordingly be transferred to the opening process.
  • the actuator 21 In the open state of the fuel injector 1, the actuator 21 is acted upon by an electrical actuator voltage U A until the time t a . Since the actuator voltage U A is constant up to the point in time t a , the position of the valve needle 4 also remains unchanged, which corresponds to a constant valve needle stroke h.
  • the actuator 21 is switched off. From time t a to time t ⁇ the fuel injector 1 is closed, whereby the stroke h of the valve needle 4 decreases. In an undamped fuel injector 1, the valve needle 4 bounces, causing the valve needle 4 to come out the sealing seat is lifted, which corresponds to additional lifting movements 60a to 60d.
  • FIG. 5 shows an alternative circuit for wiring the fuel injection valve 1 according to the invention, in which the excitation coil 41 is connected in series with the actuator 21 in order to utilize the displacement current generated when the actuator 21 is compressed.
  • An equivalent circuit diagram consisting of a loss-free inductance L and a loss resistor R L is shown for the excitation coil 41, while an equivalent circuit diagram consisting of a loss-free capacitance C and a loss resistor R A is shown for the actuator 21.
  • the function of the damping device according to the invention is shown on the basis of the diagrams shown in FIG. 6 when it is connected as in FIG. 5.
  • the opening of the fuel injection valve 1 is considered.
  • the functional principle can also be applied to the closing of the fuel injection valve 1.
  • the time t is plotted on the abscissa in the diagrams.
  • the voltage U is increased at time ti to time t 2 .
  • the stroke h of the valve needle 4 increases.
  • the valve needle 4 bounces after opening the fuel injection valve 1, as a result of which additional valve needle strokes 60a to 60c occur.
  • the induction current m of the induction loop 56 ie the sleeves 40a to 40c, is generated.
  • the valve needle 4 is damped by the induction current I ⁇ nc ⁇ .
  • the time course of the stroke h 1 of the valve needle 4 therefore has no additional valve needle lifts 60a to 60c, which are caused by bouncing the valve needle 4. At most, therefore, there is an additional weak valve needle stroke 60e.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments described.
  • the invention is also suitable for an externally opening fuel injection valve 1.
  • the damping device does not necessarily have to act directly on the valve needle 4 and can also be arranged differently in the fuel injection valve 1.
  • At the Valve needle 4 can also be arranged instead of an induction loop 56, a permanent magnet which, together with the excitation coil 41, forms an electromagnetic damping device.
  • the induction loop 56 can also be formed by a wound coil instead of sleeves 40a-40c.

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere ein Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, weist einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (21) und einen von dem Aktor (21) mittels einer Ventilnadel (4) betätigbaren Ventilschliesskörper (5), der mit einer Ventilsitzfläche (7) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, auf. Dabei ist eine elektromagnetische Dämpfungseinrichtung (40, 41) zum Dämpfen der Bewegung der Ventilnadel (4) vorgesehen.

Description

Brennstoffeinspritzventil
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1.
Aus der O89/10478 ist ein Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 bekannt. Die aus dieser Druckschrift hervorgehende Dämpfungseinrichtung besteht aus einem topfför ig ausgebildeten Dämpfungselement, einer schwachen Druckfeder mit niedrigem Federkoeffizienten und einer starken Druckfeder mit hohem Federkoeffizienten. Die beiden Druckfedern sind zueinander axial versetzt angeordnet und umschließen die Ventilnadel abschnittsweise. Das topfförmig ausgebildete Dämpfungselement befindet sich zwischen den beiden Druckfedern, wobei die beiden Druckfedern in entgegengesetzter Richtung auf das topfförmig ausgebildete Dämpfungselement einwirken und sich jeweils an der dem topfförmig ausgebildeten Dämpfungselement abgewandten Seite an, an der Ventilnadel angebrachten, Abstützelementen abstützen. Die schwache Druckfeder wirkt dem Schließen des Brennstoffeinspritzventils , die starke Druckfeder wirkt dem Öffnen des Brennstoffeinspri zventils entgegen. Zwischen dem Rand des Dämpfungselements und der Innenwand des Ventilgehäuses ist ein umlaufender, sich in axialer Richtung erstreckender, enger Spalt ausgebildet, der mit Brennstoff gefüllt ist. Bei Bewegi-ing des Dämpfungselements entsteht daher zwischen dem Rand des Dämpfungslementes und der Innenwand des Ventilgehäuses eine Scherkraft m der Brennstofflüssigke t , die eine Reibungskraft erzeugt, die der Bewegung des Dämpfungselements entgegenwirkt. In Zusammenarbeit mit den Druckfedern wird dadurch eine Dämpfung der Ventilnadel erreicht .
Bei dem bekannten Brennstoffeinspritzventil ergeben sich folgende Nachteile: Durch die Federkraft und die Scherkraft ist die Dämpfungskraft fest vorgegeben und kann s ch daher nicht den Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine anpassen, insbesondere ist sie nicht zeitlich variabel verstellbar. Da der Brennstoffzufluß m Richtung des Dichtsitzes durch die Dämpfungsscheibe beeinflußt wird, kommt es zu Strόmungswirbeln im Brennstoff, wodurch die Formbarkeit des Brennstoffausflußes verschlechtert wird. Ein m der O89/10478 als Alternative vorgeschlagener Kraftstoffeinlaß unterhalb der Dämpfungsplatte ist unpraktikabel, da dadurch die Baugröße des abflußseitigen Ventilgehäuses deutlich vergrößert wird. Durch die zusätzlichen mechanischen Bauteile ist das Brennstoffeinspritzventil außerdem verschleißanfälliger, insbesondere da die Dämpf ngskraft abhängig von der Breite des zwischen dem Rand des Dämpfungselements und der Innenwand _. Ventilgehäuses ausgebildeten Spaltes ist.
Aus der US 5,236,173 ist es bekannt, zwischen dem Ventilsitzkörper und einem Ventilsitzträger , an welchem der Ventils tzkörper montiert ist, eine Dämpfungsfeder m Form einer Tellerfeder vorzusehen, um zu erreichen, daß der Vem-ilschließkörper an der an dem Ventilsitzkörper ausgebildeten Ventilsitzflache weich anschlagt. Diese Art der Dämpfung hat jedoch den Nachteil, daß der Ventilsitzkörper nach dem Anschlagen des Venuilschließkorpers in ADspπtzrichtung durch-schwingt , wahrend der Ventilschließkorper entweder stehenbleibt oder aufgrund der Impulsumkehr sich von dem Ventils tzkörper entgegen der Abspritzπchtung zurückbewegt. Vent llpreller können deshalb bei dieser Bauform des Brennstoffeinspritzventils sogar noch m verstärktem Maße auftreten, so daß sich diese Art der Dämpfung nicht bewährt hat.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das Brennstoffeinspritzventil m befriedigender Weise entprellt ist. Des weiteren erfordert die elektromagnetische Dämpfungseinrichtung keine mechanisch beanspruchten Bauteile wie Druck- und Tellerfedern und benötigt keine Dämpfungsflüssigkeit . Des weiteren ist die Dämpfungseinrichtung temperaturstabil und ermöglicht eine variable Dampfungskraft .
Durch die m den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
In vorteilhafter Weise weist die Dämpfungseinrichtung eine Erregerspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes und zumindest eine an der Ventilnadel angeordnete elektrisch leitende Induktionsschleife auf. Dadurch kann das für die Dämpfung erforderliche elektromagnetische Feld m einfacher Weise erzeugt werden. Außerdem kann die Dämpfungskraft direkt auf die Ventilnadel einwirken.
Vorteilhaft ist es, daß die Erregerspule auf ein Ventilgehäuse des Brennstoffeinspritzventils gewickelt ist, wobei das Ventilgehäuse hierfür eine umlaufende Nut aufweist. Dadurch ergibt sich eine fertigungs tech iscn einfache Unterbringung der Erregerspule, oei der die Erregerspule gut geschützt und einfach auszuwechseln ist.
Vorteilhaft ist es ferner, daß die elektrische Leitfähigkeit der Induktionsschleife größer ist als die elektrische Leitfähigkeit der Ventilnadel . Dadurch erzeugt eine m der Induktionsschleife induzierte Ringspannung einen m der Induktionsschleife geführten elektrischen Induktionsstrom.
Vorteilhaft ist es auch, daß die Induktionsschleife von der Ventilnadel elektrisch isoliert ist. Dadurch wird die elektromotorische Kraft besonders gut ausgenützt.
Vorteilhaft ist es ferner, daß die Induktionsschleife hulsenformig ausgebildet ist und die Ventilnadel abschnittsweise umschließt. Dadurch ergibt sich eine an die Geometrie des Brennstoffeinspritzventils angepaßte Form der Induktionsschleife, die außerdem eine einfache Befestigung an der Ventilnadel ermöglicht .
Vorteilhaft ist die axiale Länge der Induktionsschleife entlang der Ventilachse kleiner als die axiale Lange der Erregerspule entlang der Ventilachse. Dadurch wird eine größere Ringspannung m der Hülse induziert.
Vorteilhaft weist ein Steuergerät zur stromgeregelten Ansteuerung der Erregerspule und/oder des Aktors eine Stromregelung auf. Dadurch wird eine exakte, schnell reagierende Steuerung der auf die Ventilnadel einwirkenden Dämpfungskraft ermöglicht .
Vorteilhaft ist d e Erregerspule zur Ausnutzung des beim Zusammendrucken des Aktors entstehenden Verschiebungsstromes mit dem Aktor m Reihe geschaltet. Dadurch läßt sich die m dem Aktor gespeicherte Energie zum Dampfen der Ventilnadel verwenden .
Zeichnung
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind m der Zeichnung vereinfacht dargestellt und m der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert . Es zeigen
Fig. 1 einen auszugsweisen axialen Schnitt durch ein erstes Ausfuhrungsbe spiel eines erfmdungsgemaßen Brennstoffeinspritzventils , wobei das Brennstoffemspritzventil nach innen öffnend ausgeführt ist;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Steuerung eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils ;
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils ;
Fig. 4 Diagramme zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils ;
Fig. 5 einen Schaltplan für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils ; und
Fig. 6 Diagramme zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erf ndungsgemäßen
Brennstoffeinspritzventils .
Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele
Fig. 1 zeigt m einer auszugsweisen axialen Schnittdarstellung ein erfmdungsgemaßes
Brennstoffemspritzventil 1. Das Brennstoffemspritzventil 1 dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff, insbesondere von Benzin, m einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine als sog. Benzmdirekteinspritzventil . Das erfindungsgemäße Brennstoffemspritzventil 1 eignet sich π edoch auch für andere Anwendungsfalle.
Das Brennstoffemspritzventil 1 ist als mnenoffnendes Brennstoffemspritzventil 1 ausgeführt. Das Brennstoffemspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 und eine Abschlußplatte 3 auf. Im Ventilgehäuse 2 befindet sich ein mittels einer axial beweglichen Ventilnadel 4 betätigbarer Ventilschließkorper 5, der dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Ventilnadel 4 einteilig ausgebildet ist. Der Ventilschließkorper 5 ist kegelstumpfformig sich m Abspritzπchtung verjüngend ausgebildet. Der Ventilschließkorper 5 wirkt mit einer an einem Ventilsitzkörper 6 ausgebildeten Ventilsitzflache 7 zu einem Dichtsitz zusammen. Dabei ist der Ventilsitzkörper 6 im vorderen Teil des Ventilgehäuses 2 befestigt.
Auf einer inneren Anlagefläche 10, die an einem Vorsprung 11 des Ventilgehäuses 2 ausgebildet ist, liegt em Anlageelement 12 auf. Dabei kann das Anlageelement 12 plastisch oder elastisch verformbar ausgebildet sein. Eine Zwischenplatte 13 ist durch ein Schraubenelement 14 im Innenraum 16 des Brennstoffeinspritzventils 1 befestigt. Dabei wird die Zwischenplatte 13 durch das Schraubenelement 14 gegen das Anlageelement 12 gepreßt, wodurch sich das Anlageelement 12 verformt . Um die dafür notige Kraft aufzubringen, wird das Schraubenelement 14 m em Innengewinde 15, das an der Innenseite des Ventilgehäuses 2 ausgebildet ist, eingeschraubt.
An der zuflußseitigen Stirnfläche 20 der Zwischenplatte 13 liegt em piezoelektrischer Aktor 21 an, und an der dichtsitzseitigen Stirnflache der Zwischenplatte 13 liegt eine Druckfeder 23 an. Dabei sind der Aktor 21 und die Druckfeder 23 von einer rohrförmigen Gehäusewand 24 umschlossen, wobei die rohrfδrmige Gehausewand 24 Aussparungen 25a, 25b aufweist, durch welche die Zwischenplatte 13 ragt. Die rohrformige Gehäusewand 24 ist mit einer zuflußseitigen Gehauseplatte 25 und einer dichtsitzseitigen Gehauseplatte 26 verbunden. Die rohrformige Gehausewand 24, die zuflußseitige Gehauseplatte 25 und die dichtsitzseitige Gehauseplatte 26 bilden zusammen em Innengehause 24, 25, 26. Dabei wirkt der Aktor 21 über die zuflußseitige Gehauseplatte 25 auf das Innengehause 24, 25, 26 und die Druckfeder 23 wirkt über die dichtsitzseitige Gehauseplatte 26 auf das Innengehause 24, 25, 26 em. An der dichtsitzseitigen Gehäuseplatte 26 ist die Ventilnadel 4 befestigt .
Der Brennstoff wird über eine Bohrung 30 in der Abschlußplatte 3 in den Innenraum 16 des Brennstoffeinspritzventils 1 geleitet. Von dort wird er über wenigstens eine Bohrung 31 in der Zwischenplatte 13 in Richtung des aus Ventilsitzflache 7 und Ventilschließkorper 5 gebildeten Dichtsitzes geleitet. Bei Betätigung des Aktors 21 dehnt sich dieser aus, wodurch sich das Innengehäuse 24, 25, 26 in Richtung der Abschlußplatte 3 verschiebt und den an der Ventilnadel 4 befestigten Ventilschließkorper 5 von der Ventilsitzfläche 7 abhebt, wodurch sich der Dichtsitz öffnet. Über den entstandenen Spalt zwischen Ventilsitzfläche 7 und Ventilschließkorper 5 gelangt Brennstoff in einen Abspritzkanal 32, wodurch es zum Austritt von Brennstoff aus dem Brennstoffeinspritzventil 1 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine kommt. Das Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 erfolgt über die Druckfeder 23, die entgegen dem Aktor 21 auf das Innengehäuse 24, 25, 26 einwirkt, wodurch sich das Innengehäuse 24, 25, 26 in Richtung des Ventilsitzkörpers 6 verschiebt und der Ventilschließkorper 5 der Ventilnadel 4 auf die Ventilsitzfläche 7 des Ventilsitzkörpers 6 verschoben wird. Dadurch schließt sich der aus Ventilsitzfläche 7 und Ventilschließkorper 5 gebildete Dichtsitz .
Die erfindungsgemäße elektromagnetische Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Bewegung der Ventilnadel 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus Hülsen 40a bis 40c und einer Erregerspule 41, die in einer umlaufenden Nut 42 auf das Ventilgehäuse 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 gewickelt ist, gebildet.
Um beim Öffnen des Brennstoffeinspritzventils 1 den Öffnungsquerschnitt zu begrenzen, wird die Bewegung der Ventilnadel 4 üblicherweise durch einen geeigneten Anschlag begrenzt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Begrenzung vereinfacht durch den Anschlag der zuflußseitigen Gehäuseplatte 25 an Anschlagelemente 43a, 43b dargestellt. Beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 schlägt der Ventilschließkorper 5 der Ventilnadel 4 an der Ventilsitzflache 7 des Ventilsitzkörpers 6 an. Ohne eine erfindungsgemäße Dämpfungsemrichtung 40a bis 40c, 41 kommt es wegen des beim Öffnen bzw. Schließen vorhandenen Bewegungsimpulses zum Prellen der Ventilnadel 4, wodurch der Dichtsitz nicht mit einem konstanten Öffnungsguerschnitt geöffnet bzw. nicht abrupt geschlossen wird.
Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung wird unten m der Beschreibung zu Fig. 3 erläutert. Um die Dämpfungskraft zu verstärken, sind die Hülsen 40a bis 40c gegen die Ventilnadel 4 und jeweils gegeneinander elektrisch isoliert. Diese Isolation kann z. B. durch einen Lack bzw. eine Oxidschicht erfolgen. Falls der Raum um die Hülsen 40a bis 40c mit Brennstoff gefüllt ist, kann eine geeignete Abdichtung der Hülsen gegen den Brennstoff vorgesehen werden. Alternativ dazu ist es möglich, die Hülsen 40a bis 40c aus einem Material zu fertigen, das eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Ventilnadel 4.
In Fig. 2 ist e Schaltdiagramm dargestellt, das vereinfacht die Beschaltung des Aktors 21 und der Erregerspule 41 darstellt. Zum Beaufschlagen des Aktors 21 mit einer elektrischen Ξteuerspannung sind elektrische Zuleitungen 50a, 50b m das Brennstoffemspritzventil 1 an den Aktor 21 geführt. Außerdem sind elektrische Zuleitungen 50c, 50d m das Brennstoffemspritzventil 1 an die Erregerspule 41 geführt. D e elektrischen Zuleitungen 50a bis 50d sind an e Steuergerät 51 angeschlossen. Vorteilhaft ist es, wenn das Steuergerät 51 die Spule 41 stromgeregelt ansteuert, da dadurch der Spulenmduktivitat 11 beim Ändern der Stromstärke IL durch eine entsprechend hohe Spannung des Steuergeräts 51, die über die elektrischen Zuleitungen 50c, 50d an die Spule 41 geführt wird, entgegengewirkt werden kann. Um d e elektrischen Zuleitungen 50a bis 50d und die Wicklung der Spule 41 vor thermischer Überlastung zu schützen, ist es außerdem sinnvoll, die Stromregelung strombegrenzt auszuführen. Durch das Steuergerät 51 ist es möglich, abhängig von den Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine den Aktor 21 und d e Spule 41 aufeinander abgestimmt anzusteuern, um em Prellen der Ventilnadel 4 zu verhindern.
In Fig. 3 ist eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Dämpfungseinrichtung des
Brennstoffeinspritzventils 1 dargestellt. Em m der
Erregerspule 41 fließender Strom IL erzeugt em radialsymmetrisches Magnetfeld B, das proportional zum
Spulenstrom IL ist. Durch die endliche Länge 1L der Spule 41 m axialer Richtung ergibt sich em inhomogenes Magnetfeld
B, wobei eine deutliche Änderung des Magnetfeldes B auf der
Spulenach.se 55 bei einer Ortsänderung m der Größenordnung der Länge 1L der Spule 41 vorhanden ist. In dem Magnetfeld B befindet sich eine Induktionsschleife 56, die den Rand einer nicht notwendigerweise ebenen Fläche A darstellt. Von den beiden Seiten der Fläche A läßt sich eine willkürlich als
Außenseite definieren, wodurch eine Richtung 57 der Fläche A vorgegeben ist. Durch die Richtung 57 der Fläche A ist em
Umlaufsinn 58 der Induktionsschleife 56 gegeben. Das Magnetfeld B, das die Fläche A durchdringt, erzeugt einen magnetischen Fluß Φ durch die Induktionsschleife 56. Durch
Ändern des Spulenstroms IL und/oder durch Bewegen der
Induktionsschleife 56 wird der magnetische Fluß Φ durch die
Induktionsschleife 56 geändert. Nach dem Faradayschen Induktionsgesetz erzeugt eine zeitliche Änderung des magnetischen Flußes Φ, der durch die Induktionsschleife 56 fließt, m der Induktionsschleife 56 eine dem Umlaufsinn 58 der Induktionsschleife 56 entgegengesetzte elektrische
Ringspannung, die proportional zur zeitlichen Änderung des magnetischen Flußes Φ ist. Die Ringspannung erzeugt der
Induktionsschleife 56 einen elektrischen Strom, der bei
Zunahme des magnetischen Flußes Φ entgegen dem Umlaufsinn
58 gerichtet ist, wodurch em magnetisches Feld B1 erzeugt wird. Bei einer zeitlichen Zunahme (Abnahme) des magnetischen Flußes Φ ist das Magnetfeld B' in entgegengesetzter (gleicher) Richtung wie das Magnetfeld B orientiert. Bei entgegengesetzt gerichteten Magnetfeldern B, B1 wird die Induktionsschleife 56 von der Erregerspule 41 abgestoßen, bei gleichgerichteten Magnetfeldern B, B' wird die Induktionsschleife 56 von der Erregerspule 41 angezogen.
Zusammenfassend wird bei einer Erhöhung des magnetischen Flußes Φ die Induktionsschleife 56 von der Erregerspule 41 abgestoßen und bei einer Verringerung des magnetischen Flußes Φ wird die Induktionsschleife 56 von der Erregerspule 41 angezogen. Die damit verbundene Kraft K0 wird erfindungsgemäß zur Dämpfung der Ventilnadel 4 ausgenutzt .
In Fig. 4 sind Diagramme dargestellt, anhand derer die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung des Brennstoffeinspritzventils 1 erläutert wird. Dabei ist an die Abszisse jeweils die Zeit t und an die Ordinaten sind die verschiedenen Betriebsgrößen des
Brennstoffeinspritzventils 1 angetragen. Der Einfachheit halber wird im folgenden nur der Schließvorgang des Brennstoffeinspritzventils 1 betrachtet. Die Funktionsweise der Dämpfungseinrichtung des Brennstoffeinspritzventils 1 kann dementsprechend auf den Öffnungsvorgang übertragen werden. Im geöffneten Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 ist der Aktor 21 bis zum Zeitpunkt ta mit einer elektrischen Aktorspannung UA beaufschlagt. Da die Aktorspannung UA bis zum Zeitpunkt ta konstant ist, bleibt auch die Lage der Ventilnadel 4 unverändert, was einem konstanten Ventilnadelhub h entspricht. Zum Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 wird die Aktorspannung UA zum Zeitpunkt ta bis zum Zeitpunkt t^ ausgehend vom Wert UA (ta) auf den Wert U^ (t^) = 0 reduziert. Ab dem Zeitpunkt t^ ist der Aktor 21 abgeschaltet. Vom Zeitpunkt ta bis zum Zeitpunkt t^ wird das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen, wodurch der Hub h der Ventilnadel 4 abnimmt. Bei einem ungedämpften Brennstoffeinspritzventil 1 kommt es zum Prellen der Ventilnadel 4, wodurch die Ventilnadel 4 aus dem Dichtsitz gehoben wird, was zusätzlichen Hubbewegungen 60a bis 60 d entspricht.
Zum Zeitpunkt tl7 der auch kleiner gleich dem Zeitpunkt ta sein kann, wird zum Dämpfen der Ventilnadel 4 der Strom iL der Erregerspule 41 angeschaltet. Die beim Anschalten der Erregerspule 41 wirksame Dämpfungskraft ist dabei gegenüber der Aktorkraft des Aktors 21 vernachlässigbar . Im Zeitintervall t23 wird durch die Erregerspule 41 ein konstantes Magnetfeld U erzeugt, so daß durch die Bewegung der Induktionsschleife 56, die durch die Hülsen 40a bis 40c gebildet ist, eine Dämpfung der Ventilnadel 4 erfolgt. Für den Hub h' der gedämpften Ventilnadel 4 ergibt sich daher ein Schließvorgang, der prellfrei verläuft und daher keine zusätzlichen Ventilnadelhübe 60a bis 60d aufweist. Im Zeitintervall t34 wird der Strom IL der Erregerspule 41 langsam reduziert, um keine Kraftspitzen auf die Ventilnadel zu übertragen.
In Fig. 5 ist eine alternative Schaltung zum Beschälten des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 dargestellt, in der die Erregerspule 41 zur Ausnutzung des beim Zusammendrücken des Aktors 21 entstehenden Verschiebungsstroms mit dem Aktor 21 in Reihe geschaltet ist. Für die Erregerspule 41 ist ein Ersatzschaltbild bestehend aus einer verlustfreien Induktivität L und einem Verlustwiderstand RL dargestellt, während für den Aktor 21 ein Ersatzschaltbild bestehend aus einer verlustfreien Kapazität C und einem Verlustwiderstand RA dargestellt ist .
Dabei ist zu beachten, daß beim Anlegen einer äußeren Spannung U durch die Induktivität L der Erregerspule 41 zunächst nur ein Teil der äußeren Spannung U auf den Aktor 21 einwirkt und sich die am Aktor 21 abfallende Spannung nur allmählich der äußeren Spannung U annähert. Die Zeitskala der Annäherung ist dabei aus dem Quotienten der Induktivität L der Erregerspule 41 und der Summe aus dem Aktorwiderstand RA und dem Spulenwiderstand RL gegeben. Beim Zusammendrücken des Aktors 21 ändert sich die Kapazität des Aktors 21, wodurch sich die auf den Aktor 21 aufgebrachte Ladung ändert und es dadurch zu einem elektrischen Verschiebungsstrom kommt. Da die bei einer Längenänderung des Aktors 21 auftretenden Ströme üblicherweise sehr groß sind, lassen sich mit der Erregerspule 41 entsprechend große Magnetfelder erzeugen.
Anhand der Fig. 6 gezeigten Diagramme ist die Funktion der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung dargestellt, wenn diese wie m der Fig. 5 verschaltet ist. Zu diesem Ausführungsbeispiel wird das Öffnen des Brennstoffeinspritzventils 1 betrachtet. Das Funktionsprinzip kann edoch auch auf das Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1 übertragen werden. In den Diagrammen ist an der Abszisse jeweils die Zeit t angetragen.
Zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils 1 wird die Spannung U zum Zeitpunkt ti bis zum Zeitpunkt t2 erhöht. Dadurch wächst der Hub h der Ventilnadel 4 an. Bei einem ungedämpften Brennstoffemspritzventil 1 kommt es nach dem Öffnen des Brennstoffeinspritzventils 1 zu einem Prellen der Ventilnadel 4, wodurch zusätzliche Ventilnadelhübe 60a bis 60c auftreten. Dadurch wird der Induktionsstrom m der Induktionsschleife 56, d. h. den Hülsen 40a bis 40c, erzeugt. Durch den Induktionsstrom Iιnc} wird die Ventilnadel 4 gedämpft. Der zeitliche Verlauf des Hubes h1 der Ventilnadel 4 weist daher keine zusätzliche Ventil nadelhübe 60a bis 60c, die durch Prellen der Ventilnadel 4 entstehen, auf. Es kommt daher allenfalls zu einem schwach ausgeo ldeten zus tzlichen Ventilnadelhub 60e.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt . Insbesondere eignet sich die Erfindung auch für em außenöffnendes Brennstoffemspritzventil 1. Die Dämpfungse ricritung muß nicht notwendigerweise direkt auf die Ventilnadel 4 einwirken und kann auch anders im Brennstoffemspritzventil 1 angeordnet sein. An der Ventilnadel 4 kann statt einer Induktionsschleife 56 auch ein Permanentmagnet angeordnet sein, der zusammen mit der Erregerspule 41 eine elektromagnetische Dämpfungseinrichtung bildet. Die Induktionsschleife 56 kann statt durch Hülsen 40a - 40c auch durch eine gewickelte Spule gebildet werden.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffemspritzventil (1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktlven Aktor (21) , einem von dem Aktor (21) mittels einer Ventilnadel (4) betätigbaren Ventilschließkorper (5) , der mit einer Ventilsitzflache (7) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt und einer Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Bewegung der Ventilnadel (4) , dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsemrichtung (41, 56) elektromagnetisch arbeitet .
2. Brennstoffemspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (41, 56) eine Erregerspule (41) zum Erzeugen eines Magnetfeldes und zumindest eine an der Ventilnadel angeordnete, elektrisch leitende Induktionsschleife (56, 40a - 40c) aufweist.
3. Brennstoffemspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (41) auf em Ventilgehäuse (2) des Brennstoffeinspritzventils (1) gewickelt ist, wobei das Ventilgehäuse (2) hierfür eine umlaufende Nut (42) aufweist.
4. Brennstoffemspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit der Induktionsschleife (56, 40a - 40c) größer ist als die elektrische Leitfähigkeit der Ventilnadel (4) .
5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsschleife (56, 40a - 40c) von der Ventilnadel (4) elektrisch isoliert ist.
6. Brennstoffemspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsschleife (40a - 40c) hülsenförmig ausgebildet ist und die Ventilnadel (4) abschnittsweise umschließt .
7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der hülsenförmigen Induktionsschleife
(40a - 40c) entlang der Ventilach.se kleiner als die Länge der Erregerspule (41) entlang der Ventilachse ist.
8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsschleife (56) aus einer kurzgeschlossenen Induktionsspule besteht.
9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (41) und/oder der Aktor (21) über ein Steuergerät (51) angesteuert sind.
10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (51) zur stromgeregelten Ansteuerung der Erregerspule (41) und/oder des Aktors (21) eine Stromregelung aufweist.
11. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (41) zur Ausnützung des beim
Zusammendrücken des Aktors (21) entstehenden
Verschiebungsstromes mit dem Aktor (21) in Reihe geschaltet ist .
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