EP1095215B1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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EP1095215B1
EP1095215B1 EP99962124A EP99962124A EP1095215B1 EP 1095215 B1 EP1095215 B1 EP 1095215B1 EP 99962124 A EP99962124 A EP 99962124A EP 99962124 A EP99962124 A EP 99962124A EP 1095215 B1 EP1095215 B1 EP 1095215B1
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EP
European Patent Office
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fuel injection
valve
injection valve
actuator
induction loop
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP99962124A
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English (en)
French (fr)
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EP1095215A1 (de
Inventor
Wolfgang Ruehle
Juergen Ulm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of EP1095215B1 publication Critical patent/EP1095215B1/de
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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 is based on a fuel injector according to the preamble of claim 1.
  • a fuel injector is based the genus of claim 1 known.
  • the one from this The resulting damping device consists of a cup-shaped damping element, one weak compression spring with low spring coefficient and a strong compression spring with a high spring coefficient.
  • the the two compression springs are axially offset from one another and enclose the valve needle in sections.
  • the Pot-shaped damping element is located between the two compression springs, the two Compression springs in the opposite direction on the cup-shaped trained damping element act and each the cup-shaped damping element on the opposite side, attached to the valve needle, Support support elements.
  • the weak compression spring works closing the fuel injector, the strong Compression spring acts to open the fuel injector opposite.
  • the known fuel injection valve results the following disadvantages: due to the spring force and the shear force the damping force is fixed and can therefore do not adapt to the operating parameters of the internal combustion engine, in particular, it is not variably adjustable in time. There the fuel flow in the direction of the sealing seat through the Damping disc is affected, it happens Flow eddies in the fuel, thereby increasing the malleability of the Fuel outflow is deteriorated. An Indian WO89 / 10478 as an alternative proposed fuel inlet below the damping plate is impractical because of it the size of the drain-side valve housing clearly is enlarged. Due to the additional mechanical The fuel injector is also a component more prone to wear, especially since the damping force depending on the width of the between the edge of the Damping element and the inner wall of the valve housing trained gap.
  • the fuel injector according to the invention with the characteristic features of claim 1 has in contrast the advantage that the fuel injector in is debounced satisfactorily. Furthermore requires the electromagnetic damping device is not mechanical stressed components such as compression and disc springs and does not require damping fluid. Furthermore, it is Damping device is temperature stable and enables variable damping force.
  • the damping device advantageously has a Excitation coil for generating a magnetic field and at least an electrically conductive arranged on the valve needle Induction loop on. This can do that for damping required electromagnetic field in a simple manner be generated. In addition, the damping force can be applied directly act on the valve needle.
  • the electrical conductivity the induction loop is larger than the electrical one Conductivity of the valve needle. This creates one in the Induction loop induced ring voltage one in the Induction loop led electrical induction current.
  • the induction loop from the Valve needle is electrically insulated. This will make the Electromotive force is used particularly well.
  • the induction loop is sleeve-shaped and the valve needle encloses in sections. This results in one to the Shape of the fuel injector adapted to the shape Induction loop, which is also easy to attach enabled on the valve needle.
  • the axial length of the induction loop is advantageous along the valve axis less than the axial length of the Excitation coil along the valve axis. This will make one greater ring tension induced in the sleeve.
  • a control unit advantageously has a current-controlled one Control of the excitation coil and / or the actuator one Current regulation on. This will make an exact, quick responsive control of those acting on the valve needle Damping force enables.
  • the excitation coil is advantageous for taking advantage of the Compressing the actuator resulting displacement current connected in series with the actuator. This allows the in energy stored in the actuator for damping the valve needle use.
  • Fig. 1 shows an axial excerpt Sectional view of an inventive Fuel injector 1.
  • the fuel injector 1 serves in particular for the direct injection of fuel, especially of gasoline, into a combustion chamber mixture-compressing, spark-ignited internal combustion engine as so-called gasoline direct injection valve.
  • fuel injector 1 is also suitable for other use cases.
  • the fuel injector 1 is an internal one Fuel injector 1 executed.
  • the Fuel injector 1 has a valve housing 2 and an end plate 3. Located in valve housing 2 one by means of an axially movable valve needle 4 actuatable valve closing body 5, which in the illustrated Embodiment with the valve needle 4 in one piece is trained.
  • the valve closing body 5 is frustoconical tapering in the spray direction educated.
  • the valve closing body 5 acts with one a valve seat surface 7 formed to a valve seat body 6 a sealing seat together.
  • the valve seat body 6 attached in the front part of the valve housing 2.
  • a contact element 12 On an inner contact surface 10, which is connected to a projection 11 of the valve housing 2 is formed Contact element 12.
  • the contact element 12 be formed plastically or elastically deformable.
  • a Intermediate plate 13 is by a screw element 14 in Interior 16 of the fuel injector 1 attached. The intermediate plate 13 is through the screw element 14 pressed against the contact element 12, whereby the Contact element 12 deformed. To the strength necessary for it to apply, the screw member 14 is in a Internal thread 15, which on the inside of the valve housing 2nd is formed, screwed.
  • a piezoelectric actuator 21 On the inflow-side end face 20 of the intermediate plate 13 is a piezoelectric actuator 21, and on the sealing face end face of the intermediate plate 13 is located a compression spring 23.
  • the tubular housing wall 24 is with an inflow-side housing plate 25 and one sealing seat-side housing plate 26 connected.
  • the tubular housing wall 24, the inflow-side housing plate 25 and the sealing seat side housing plate 26 form together an inner housing 24, 25, 26.
  • the actuator 21 acts here the inflow-side housing plate 25 onto 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 a.
  • the sealing seat-side housing plate 26 At the the valve seat 4 is the sealing seat-side housing plate 26 attached.
  • the fuel is through a bore 30 in the End plate 3 in the interior 16 of the Fuel injector 1 passed. From there it gets over at least one bore 31 in the intermediate plate 13 in Direction of the valve seat 7 and valve closing body 5 formed sealing seat headed. When actuating the actuator 21 this expands, causing the inner housing 24, 25, 26 moves in the direction of the end plate 3 and the attached to the valve needle 4 valve closing body 5 of the valve seat surface 7 lifts, whereby the sealing seat opens. Over the gap between Valve seat 7 and valve closing body 5 arrives Fuel in a spray channel 32, which makes it to Leakage of fuel from fuel injector 1 comes into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the fuel injector 1 is closed via the Compression spring 23, which counter to the actuator 21 on the Inner housing 24, 25, 26 acts, which the Inner housing 24, 25, 26 in the direction of the valve seat body 6 moves and the valve closing body 5 of the valve needle 4th on the valve seat surface 7 of the valve seat body 6 is moved. This excludes it Valve seat 7 and valve closing body 5 formed Sealing seat.
  • the electromagnetic damping device according to the invention to dampen the movement of the valve needle 4 is in this Embodiment of sleeves 40a to 40c and one Excitation coil 41, which in a circumferential groove 42 on the Valve housing 2 of the fuel injector 1 is wound is formed.
  • the movement of the Valve needle 4 usually by a suitable stop limited. In the illustrated embodiment, this is Limitation simplified by the stop on the inflow side Housing plate 25 shown on stop elements 43a, 43b.
  • the fuel injector 1 closes, the strikes Valve closing body 5 of the valve needle 4 on the Valve seat surface 7 of the valve seat body 6. Without one damping device 40a to 40c, 41 comes it because of the existing when opening or closing Movement pulse for bouncing the valve needle 4, whereby the Sealing seat not with a constant opening cross-section is opened or not closed abruptly.
  • FIG. 2 shows the wiring of the actuator 21 and the excitation coil 41 in a simplified manner.
  • electrical feed lines 50a, 50b are led into the fuel injector 1 to the actuator 21.
  • electrical feed lines 50c, 50d are led into the fuel injection valve 1 to the excitation coil 41.
  • the electrical leads 50a to 50d are connected to a control device 51. It is advantageous if the control device 51 controls the coil 41 in a current-controlled manner, since this counteracts the coil inductance 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.
  • control unit 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 shows a schematic diagram to explain the functional principle of the damping device of the fuel injector 1.
  • a current I L flowing in the excitation coil 41 generates a radially symmetrical magnetic field B which is proportional to the coil current I L.
  • the finite length l L of the coil 41 in the axial direction results in an inhomogeneous magnetic field B , with a significant change in the magnetic field B on the coil axis 55 with a change in location in the order of the length l L of the coil 41.
  • There is an induction loop 56 in the magnetic field B which represents the edge of a surface A which is not necessarily flat.
  • One of the two sides of surface A can be arbitrarily defined as the outside, whereby a direction 57 of surface A is predetermined.
  • a direction of rotation 58 of the induction loop 56 is given by the direction 57 of the area A.
  • the magnetic field B which penetrates the surface A generates a magnetic flux ⁇ through the induction loop 56.
  • the magnetic flux ische through the induction loop 56 is changed.
  • Faraday's law of induction a temporal change in the magnetic flux ⁇ flowing through the induction loop 56 generates in the induction loop 56 an electrical ring voltage opposite to the sense of rotation 58 of the induction loop 56, which is proportional to the change in the magnetic flux ⁇ over time.
  • the ring voltage generates an electric current in the induction loop 56 which, when the magnetic flux ⁇ increases, is directed counter to the sense of rotation 58, as a result of which a magnetic field B ′ is generated. If the magnetic flux ⁇ increases (decreases) over time, the magnetic field B ' is oriented in the opposite (same) direction as the magnetic field B. In the case of oppositely directed magnetic fields B , B ' , the induction loop 56 is repelled by the excitation coil 41; in the case of rectified magnetic fields B , B' , the induction loop 56 is attracted by the excitation coil 41.
  • the induction loop 56 when the magnetic flux ⁇ is increased, the induction loop 56 is repelled by the excitation coil 41 and when the magnetic flux ⁇ is reduced, 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 plotted on the abscissa and the various operating variables of the fuel injector 1 are plotted on the ordinate.
  • 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 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.
  • fuel injector 1 is closed, whereby stroke h of valve needle 4 decreases.
  • the valve needle 4 bounces, as a result of which the valve needle 4 is lifted out of the sealing seat, which corresponds to additional stroke 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 is based on the diagrams shown in FIG the damping device according to the invention shown when this is connected as in FIG. 5. To this Embodiment will open the Fuel injector 1 considered. The Functional principle can also be on the closing of the Fuel injector 1 are transmitted. In the Diagrams are the time t on the abscissa plotted.
  • the invention is not based on those described Embodiments limited.
  • the is particularly suitable Invention also for an outside opening Fuel injector 1.
  • the damping device must not necessarily directly on the valve needle 4 act and can also be different in the Fuel injector 1 may be arranged.
  • At the Valve needle 4 can also be used instead of an induction loop 56 a permanent magnet can be arranged together with the Excitation coil 41 an electromagnetic damping device forms.
  • the induction loop 56 can instead of through sleeves 40a - 40c can also be formed by a wound coil.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1.
Aus der WO89/10478 ist ein Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 bekannt. Die aus dieser Druckschrift hervorgehende Dämpfungseinrichtung besteht aus einem topfförmig 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 Brennstoffeinspritzventils 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 Bewegung des Dämpfungselements entsteht daher zwischen dem Rand des Dämpfungslementes und der Innenwand des Ventilgehäuses eine Scherkraft in der Brennstofflüssigkeit, 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 sich daher nicht den Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine anpassen, insbesondere ist sie nicht zeitlich variabel verstellbar. Da der Brennstoffzufluß in Richtung des Dichtsitzes durch die Dämpfungsscheibe beeinflußt wird, kommt es zu Strömungswirbeln im Brennstoff, wodurch die Formbarkeit des Brennstoffausflußes verschlechtert wird. Ein in der WO89/10478 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 Dämpfungskraft abhängig von der Breite des zwischen dem Rand des Dämpfungselements und der Innenwand des Ventilgehäuses ausgebildeten Spaltes ist.
Aus der US 5,236,173 ist es bekannt, zwischen dem Ventilsitzkörper und einem Ventilsitzträger, an welchem der Ventilsitzkörper montiert ist, eine Dämpfungsfeder in Form einer Tellerfeder vorzusehen, um zu erreichen, daß der Ventilschließkörper an der an dem Ventilsitzkörper ausgebildeten Ventilsitzfläche weich anschlägt. Diese Art der Dämpfung hat jedoch den Nachteil, daß der Ventilsitzkörper nach dem Anschlagen des Ventilschließkörpers in Abspritzrichtung durchschwingt, während der Ventilschließkörper entweder stehenbleibt oder aufgrund der Impulsumkehr sich von dem Ventilsitzkörper entgegen der Abspritzrichtung zurückbewegt. Ventilpreller können deshalb bei dieser Bauform des Brennstoffeinspritzventils sogar noch in 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 in 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 Dämpfungskraft.
Durch die in 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 in 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 fertigungstechnisch einfache Unterbringung der Erregerspule, bei 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 in der Induktionsschleife induzierte Ringspannung einen in 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 hülsenförmig 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 Länge der Erregerspule entlang der Ventilachse. Dadurch wird eine größere Ringspannung in 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 die Erregerspule zur Ausnützung des beim Zusammendrücken des Aktors entstehenden Verschiebungsstromes mit dem Aktor in Reihe geschaltet. Dadurch läßt sich die in dem Aktor gespeicherte Energie zum Dämpfen der Ventilnadel verwenden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen auszugsweisen axialen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils, wobei das Brennstoffeinspritzventil 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 erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt in einer auszugsweisen axialen Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff, insbesondere von Benzin, in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine als sog. Benzindirekteinspritzventil. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist als innenöffnendes Brennstoffeinspritzventil 1 ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 und eine Abschlußplatte 3 auf. Im Ventilgehäuse 2 befindet sich ein mittels einer axial beweglichen Ventilnadel 4 betätigbarer Ventilschließkörper 5, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Ventilnadel 4 einteilig ausgebildet ist. Der Ventilschließkörper 5 ist kegelstumpfförmig sich in Abspritzrichtung verjüngend ausgebildet. Der Ventilschließkörper 5 wirkt mit einer an einem Ventilsitzkörper 6 ausgebildeten Ventilsitzfläche 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 ein 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 nötige Kraft aufzubringen, wird das Schraubenelement 14 in ein Innengewinde 15, das an der Innenseite des Ventilgehäuses 2 ausgebildet ist, eingeschraubt.
An der zuflußseitigen Stirnfläche 20 der Zwischenplatte 13 liegt ein piezoelektrischer Aktor 21 an, und an der dichtsitzseitigen Stirnfläche 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 rohrförmige Gehäusewand 24 Aussparungen 25a, 25b aufweist, durch welche die Zwischenplatte 13 ragt. Die rohrförmige Gehäusewand 24 ist mit einer zuflußseitigen Gehäuseplatte 25 und einer dichtsitzseitigen Gehäuseplatte 26 verbunden. Die rohrförmige Gehäusewand 24, die zuflußseitige Gehäuseplatte 25 und die dichtsitzseitige Gehäuseplatte 26 bilden zusammen ein Innengehäuse 24, 25, 26. Dabei wirkt der Aktor 21 über die zuflußseitige Gehäuseplatte 25 auf das Innengehäuse 24, 25, 26 und die Druckfeder 23 wirkt über die dichtsitzseitige Gehäuseplatte 26 auf das Innengehäuse 24, 25, 26 ein. 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 Ventilsitzfläche 7 und Ventilschließkörper 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 Ventilschließkörper 5 von der Ventilsitzfläche 7 abhebt, wodurch sich der Dichtsitz öffnet. Über den entstandenen Spalt zwischen Ventilsitzfläche 7 und Ventilschließkörper 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 Ventilschließkörper 5 der Ventilnadel 4 auf die Ventilsitzfläche 7 des Ventilsitzkörpers 6 verschoben wird. Dadurch schließt sich der aus Ventilsitzfläche 7 und Ventilschließkörper 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 Ventilschließkörper 5 der Ventilnadel 4 an der Ventilsitzfläche 7 des Ventilsitzkörpers 6 an. Ohne eine erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung 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 Öffnungsquerschnitt geöffnet bzw. nicht abrupt geschlossen wird.
Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung wird unten in 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 ein Schaltdiagramm dargestellt, das vereinfacht die Beschaltung des Aktors 21 und der Erregerspule 41 darstellt. Zum Beaufschlagen des Aktors 21 mit einer elektrischen Steuerspannung sind elektrische Zuleitungen 50a, 50b in das Brennstoffeinspritzventil 1 an den Aktor 21 geführt. Außerdem sind elektrische Zuleitungen 50c, 50d in das Brennstoffeinspritzventil 1 an die Erregerspule 41 geführt. Die elektrischen Zuleitungen 50a bis 50d sind an ein Steuergerät 51 angeschlossen. Vorteilhaft ist es, wenn das Steuergerät 51 die Spule 41 stromgeregelt ansteuert, da dadurch der Spuleninduktivität 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 die 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 die Spule 41 aufeinander abgestimmt anzusteuern, um ein Prellen der Ventilnadel 4 zu verhindern.
In Fig. 3 ist eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Dämpfungseinrichtung des Brennstoffeinspritzventils 1 dargestellt. Ein in der Erregerspule 41 fließender Strom IL erzeugt ein radialsymmetrisches Magnetfeld B, das proportional zum Spulenstrom IL ist. Durch die endliche Länge lL der Spule 41 in axialer Richtung ergibt sich ein inhomogenes Magnetfeld B, wobei eine deutliche Änderung des Magnetfeldes B auf der Spulenachse 55 bei einer Ortsänderung in der Größenordnung der Länge lL 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 ein 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, in 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 in der Induktionsschleife 56 einen elektrischen Strom, der bei Zunahme des magnetischen Flußes Φ entgegen dem Umlaufsinn 58 gerichtet ist, wodurch ein magnetisches Feld B' 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, B' 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 Brennstoffeinspritventils 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 tb ausgehend vom Wert UA (ta) auf den Wert UA (tb) = 0 reduziert. Ab dem Zeitpunkt tb ist der Aktor 21 abgeschaltet. Vom Zeitpunkt ta bis zum Zeitpunkt tb 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 t1, 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 Beschalten 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 in Fig. 6 gezeigten Diagramme ist die Funktion der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung dargestellt, wenn diese wie in der Fig. 5 verschaltet ist. Zu diesem Ausführungsbeispiel wird das Öffnen des Brennstoffeinspritzventils 1 betrachtet. Das Funktionsprinzip kann jedoch 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 t1 bis zum Zeitpunkt t2 erhöht. Dadurch wächst der Hub h der Ventilnadel 4 an. Bei einem ungedämpften Brennstoffeinspritzventil 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 in der Induktionsschleife 56, d. h. in den Hülsen 40a bis 40c, erzeugt. Durch den Induktionsstrom Iind wird die Ventilnadel 4 gedämpft. Der zeitliche Verlauf des Hubes h' der Ventilnadel 4 weist daher keine zusätzliche Ventilnadelhübe 60a bis 60c, die durch Prellen der Ventilnadel 4 entstehen, auf. Es kommt daher allenfalls zu einem schwach ausgebildeten zusätzlichen Ventilnadelhub 60e.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt. Insbesondere eignet sich die Erfindung auch für ein außenöffnendes Brennstoffeinspritzventil 1. Die Dämpfungseinrichtung muß nicht notwendigerweise direkt auf die Ventilnadel 4 einwirken und kann auch anders im Brennstoffeinspritzventil 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 (11)

  1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (21), einem von dem Aktor (21) mittels einer Ventilnadel (4) betätigbaren Ventilschließkörper (5), der mit einer Ventilsitzfläche (7) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt und einer Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Bewegung der Ventilnadel (4),
    dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (41, 56) elektromagnetisch arbeitet.
  2. Brennstoffeinspritzventil 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. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (41) auf ein Ventilgehäuse (2) des Brennstoffeinspritzventils (1) gewickelt ist, wobei das Ventilgehäuse (2) hierfür eine umlaufende Nut (42) aufweist.
  4. Brennstoffeinspritzventil 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. Brennstoffeinspritzventil 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 Ventilachse 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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