EP1147306A1 - Brennstoffeinspritzventil und verfahren zum betreiben eines brennstoffeinspritzventils - Google Patents

Brennstoffeinspritzventil und verfahren zum betreiben eines brennstoffeinspritzventils

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EP1147306A1
EP1147306A1 EP99955754A EP99955754A EP1147306A1 EP 1147306 A1 EP1147306 A1 EP 1147306A1 EP 99955754 A EP99955754 A EP 99955754A EP 99955754 A EP99955754 A EP 99955754A EP 1147306 A1 EP1147306 A1 EP 1147306A1
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actuator
fuel injection
gap
injection valve
temperature
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M61/162—Means to impart a whirling motion to fuel upstream or near discharging orifices
    • F02M61/163—Means being injection-valves with helically or spirally shaped grooves

Definitions

  • the invention is based on a fuel injector according to the preamble of claim 1 and on a method for operating a fuel injector according to the preamble of claim 7.
  • a fuel injector is known according to the preamble of the main claim.
  • a piezoelectric actuator is provided for actuating a valve needle connected to a valve closing body.
  • the valve closing body interacts with a valve seat surface to form a sealing seat. Both the configuration as an outward opening fuel injection valve and an inward opening fuel injection valve are possible.
  • the piezoelectric actuator which is composed of a plurality of stacked piezoelectric layers, generates relatively large lifting forces, but relatively short lifting distances. In the known publication, it is therefore proposed to provide a hydraulic transmission device to increase the stroke distance transmitted to the valve needle between the valve needle and the piezoelectric actuator.
  • the hydraulic translation device simultaneously effects temperature compensation of the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator is subject to a not inconsiderable temperature-dependent linear expansion.
  • This temperature-dependent change in length of the piezoelectric actuator is, however, relatively slow in comparison to the actuation stroke of the actuator leading to the opening of the fuel injector.
  • the temperature-dependent change in length of the actuator is therefore a quasi-static process.
  • the associated displacement of the hydraulic medium does not lead to the fuel injector being opened, but rather the displaced hydraulic medium escapes quasi-statically via the guide column of the hydraulic transmission device.
  • the fuel injector according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the piezoelectric or magnetostrictive actuator is temperature compensated due to the gap arranged in the actuating section, without the need for a complex hydraulic translation device.
  • the gap arranged in the actuation path between the actuator and the valve closing body enables the actuator to have an undisturbed thermal expansion without the thermal expansion causing the fuel injector to open.
  • the method according to the invention for operating such a fuel injector with the features of claim 7 has the advantage that the gap provided in the actuating section does not have to be overcome to open the fuel injector. Rather, the temperature-dependent linear expansion of the actuator is measured continuously, before each actuation stroke of the actuator or at fixed, predetermined time intervals.
  • the actuator When the actuator is actuated, it is first subjected to a first electrical actuation voltage which causes the actuator to expand such that the gap ideally disappears or at least becomes as small as possible. Subsequently, the actuator is subjected to a larger second electrical actuation voltage, which leads to the fuel injector opening without a time delay.
  • the gap is advantageously arranged between an actuator flange connected to the actuator and a valve needle connected to the valve closing body.
  • a gaseous medium in the gap in particular air that can escape quickly when the actuator is actuated.
  • the thickness of the gap is advantageously such that it is ensured over the entire temperature range occurring during the operation of the fuel injector that the gap is not bridged due to a temperature expansion of the actuator when the actuator is not energized. This allows the fuel injector to operate over a wide temperature range.
  • the gap is advantageously located on the side of the actuator facing away from the valve closing body, while in the case of an outwardly opening fuel injector the gap is advantageously located on the side of the actuator facing the valve closing body.
  • the temperature-dependent linear expansion of the actuator can be measured, for example, by measuring the electrical capacitance of the actuator. Since the actuator usually consists of several piezoelectric layers which are provided with electrodes, thermal expansion of the piezoelectric actuator leads to an increase in the distance between the electrodes and thus to a reduction in the electrical capacitance. The temperature-dependent linear expansion of the actuator can therefore be calculated back from the measured electrical capacitance. Alternatively, it may be sufficient to measure the temperature of the actuator if the thermal coefficient of thermal expansion of the actuator is known with sufficient accuracy. The temperature-dependent linear expansion of the actuator at the measured temperature can then be calculated back from the measurement of the temperature of the actuator. The measurement of the electrical capacitance of the actuator and the temperature of the actuator can also be combined with one another to improve the accuracy. drawing
  • Figure 1 shows a section through a first embodiment of the fuel injector according to the invention.
  • FIG. 2 shows a section through a second exemplary embodiment of the fuel injection valve according to the invention.
  • FIG. 3 shows a time diagram for explaining the method according to the invention for operating the fuel injection valve according to the invention.
  • the fuel injection valve 1 shows an axial sectional view of an exemplary embodiment of the fuel injection valve 1 according to the invention.
  • the fuel injection valve 1 is particularly suitable for injecting fuel, in particular gasoline, directly into the combustion chamber of a preferably mixture-compressing, spark-ignition internal combustion engine.
  • a piezoelectric actuator 3 is integrated in a housing body 2 and is surrounded by a biasing element 4 in the manner of a sleeve.
  • the piezoelectric actuator 3 is clamped between a first actuator flange 5 and a second actuator flange 6 by means of the prestressing element 4 connected to the actuator flanges 5 and 6.
  • the actuator 3, the actuator flanges 5 and 6 and the prestressing element 4 are inserted into a cylindrical recess 7 of the housing body 2.
  • the actuator 3 is supported on the housing body 2 via the first actuator flange 5.
  • the actuator 3 is sleeve-shaped in the exemplary embodiment. Both the actuator 3 and the actuator flanges 5 o and 6 have a central opening 8 through which a valve needle 9 projects.
  • the valve needle 9 has a valve needle flange 10, which serves as a stop for the second actuator flange 6.
  • a valve closing body 12 is formed in one piece with the valve needle 9, which extends concentrically to the central axis 11, and forms a sealing seat together with a valve seat surface 13 formed on a valve seat carrier 14.
  • the valve closing body 12 has a conical surface 15 which is adapted to the conical valve seat surface 13.
  • a spray opening 16 connects to the valve seat surface 13.
  • the valve closing body 12 has at least one swirl groove 17.
  • a spring receiving space 18 is provided for a return spring 19, which engages on a flange 20 connected to the valve needle 9 on the valve needle 9 and presses the valve closing body 12 into its closed position.
  • the fuel is supplied via a fuel line 21 formed in the housing body 2, to which a fuel line 22 formed in the valve seat carrier 14 connects, which opens into an axial bore 23 of the valve seat body 14.
  • a gap 24 is provided in the actuating section between the piezoelectric actuator 3 and the valve closing body 12.
  • the gap 24 is located between the second actuator flange 6 and the valve needle flange 10.
  • the gap 24 can also be located elsewhere in the actuation path between the actuator 3 and the valve closing body 12, for example between the valve needle 9 and the valve closing body 12.
  • the gap 24 is used for temperature compensation of the piezoelectric actuator 3.
  • the actuator 3 constructed from piezoelectric ceramic layers is subjected to a not inconsiderable thermal linear expansion.
  • the gap width h v of the gap 24 is to be designed such that it is ensured over the entire temperature range occurring during the operation of the fuel injection valve 1 that the gap 24 is not bridged due to a temperature expansion of the actuator 3 in the non-energized idle state of the actuator 3 .
  • a gaseous medium preferably the ambient air of the fuel injector 1.
  • the air in the gap 24 can quickly escape when the actuator 3 is actuated, for example via a vent hole.
  • the return spring 19 can alternatively also engage on the end face 25 of the valve needle flange 10 facing away from the actuator 3, which is indicated in FIG. 1 with broken lines.
  • FIG. 1 illustrates the invention on an inward opening fuel injector
  • FIG. 2 shows an outward opening fuel injector 1. Elements already described are also included o Provide matching reference numerals, so that a repetitive description is not necessary.
  • valve closing body 12 in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 is arranged on the valve needle 9 such that the conical surface 15 of the valve closing body 12 bears on the outside on the valve closing surface 13.
  • the return spring 19 acts via the flange 20 on the valve needle 9 in FIG. 2 upward and thus brings about the return of the valve closing body 12 to its closed position.
  • the first actuator flange 5 abuts the housing body 2, so that the second actuator flange 6 moves downward when the piezoelectric actuator 3 is actuated in FIG. 2 and, after bridging the gap 24, abuts the valve needle 10 flange with a projection 30.
  • the gap 24 has the task of the temperature compensation of the actuator 3 already described.
  • the gap width h v is therefore also to be designed in the embodiment shown in FIG. 2 so that over the entire operation of the fuel injector 1 occurring temperature range is ensured that in the electrically non-excited idle state of the actuator 3, the gap 24 is not bridged due to a temperature expansion of the actuator 3.
  • FIG. 3 shows the stroke h of the actuator 3 as a function of the time t.
  • the thermal linear expansion of the actuator 3 is measured.
  • the measurement of the thermal linear expansion of the actuator 3 can either be continuous take place or be repeated at the beginning of each injection interval or at predetermined time intervals.
  • the thermal linear expansion is measured by detecting the temperature of the actuator 3 using a suitable sensor, for example a PTC resistor. If the thermal linear expansion coefficient of the piezoelectric material from which the actuator 3 is made is known with sufficient accuracy, the measured temperature of the actuator 3 can be used to calculate back to its temperature-dependent current length.
  • the temperature-dependent length of the actuator 3 can also be determined by measuring the electrical capacitance of the actuator 3.
  • the piezoelectric actuator 3 generally consists of a plurality of piezoelectric ceramic layers which are arranged between the electrodes in order to apply an axial electric field to the piezoelectric ceramic layers. When the piezoelectric layers are thermally expanded, the distance between the electrodes increases, as a result of which the capacitance of the piezoelectric actuator 3 is reduced.
  • the measurement of the temperature and the capacity of the actuator 3 can also be combined with one another to increase the accuracy.
  • the capacitance of the actuator 3 can be measured by means of a charge-controlled electronic circuit or a bridge circuit in which the capacitance of the actuator 3 is compared with a reference capacitance.
  • the temperature-dependent remaining gap width h v can be determined in the electrically non-excited idle state of the actuator 3.
  • the actuator 3 is acted upon according to the invention with a first actuation voltage such that the gap 24 ideally disappears. at least it gets as small as possible.
  • This first electrical actuation voltage is adapted to the temperature-dependent gap width h v detected by the measurement, this first actuation voltage being greater the larger the gap width h v of the gap 24.
  • the actuator 3 illustrates the application of the first electrical actuation voltage in the time interval tj. to t 2 •
  • the actuator 3 experiences an actuator stroke h v which corresponds to the previously determined gap width h v .
  • the gap width h v 'detected by the measurement may be smaller, which is indicated by dashed lines in FIG. 3. Accordingly, the actuator stroke h v 'caused by the first electrical actuation voltage is then smaller.
  • a second actuation voltage which is larger than the first actuation voltage is applied to the actuator 3, so that the actuator 3 expands even further and the valve closing body 12 opens from the valve seat surface 13 of fuel injector 1 lifts off. Fuel is therefore injected from the fuel injection valve 1 during this injection interval.
  • the second actuation voltage is switched off, so that the actuator 3 relaxes again into its retirement.
  • the inventive method is Reach that the injection timing of the column width h v is largely independent, and in particular the time it takes for the actuator 3 to the gap width to overcome h v, has no influence on the injection timing and the length of the injection interval.

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Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere ein Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, weist einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (3) und einen von dem Aktor (3) über eine Betätigungsstrecke (6, 24, 10, 9) betätigbaren Ventilschliesskörper (12), der mit einer Ventilsitzfläche (13) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, auf. In einem nicht erregten Ruhezustand des Aktors (3) ist in der Betätigungsstrecke (6, 24, 10, 9) ein Spalt (24) ausgebildet.

Description

Brennstoffeinspritzventil und Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffeinspritzventils
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. von einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffeinspritzventils nach der Gattung des Anspruchs 7.
Aus der DE 195 00 706 AI ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs bekannt. Bei dem aus dieser Druckschrift hervorgehenden Brennstoffeinspritzventil ist ein piezoelektrischer Aktor zur Betätigung einer mit einem Ventilschließkörper verbundenen Ventilnadel vorgesehen. Der Ventilschließkörper wirkt mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammen. Dabei ist sowohl die Ausgestaltung als ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzvenitl als auch als ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil möglich. Der aus mehreren gestapelt angeordneten piezoelektrischen Schichten aufgebaute piezoelektrische Aktor erzeugt zwar relativ große Hubkräfte, jedoch relativ geringe Hubwege. In der bekannten Druckschrift wird daher vorgeschlagen, zur Vergrößerung des auf die Ventilnadel übertragenen Hubweges zwischen der Ventilnadel und dem piezoelektrischen Aktor eine hydraulische Übersetzungseinrichtung vorzusehen. Die hydraulische Übersetzungseinrichtung bewirkt gleichzeitig eine Temperaturkompensation des piezoelektrischen Aktors. Der piezoelektrische Aktor ist bekanntermaßen einer nicht unerheblichen temperaturabhängigen Längenausdehnung unterworfen. Diese temperaturabhängige Längenänderung des piezoelektrischen Aktors ist jedoch relativ langsam im Vergleich zu dem zur Öffnung des Brennstoffeinspritzventils führenden Betätigungshub des Aktors. Die temperaturabhängige Längenänderung des Aktors ist daher ein quasistatischer Vorgang. Die damit verbundene Verdrängung des hydraulischen Mediums führt nicht zu einem Öffnen des Brennstoffein- spritzventils, sondern das verdrängte hydraulische Medium entweicht quasistatisch über die Führungsspalte der hydraulischen Übersetzungseinrichtung .
Es gibt Anwendungen, bei welchen eine hydraulische Übersetzugnseinrichtung zur Übersetzung des Betätigungshubs des Aktors nicht erforderlich ist, weil der Aktor bereits einen zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils ausreichenden Hub erzeugt. Für diese Anwendungen wäre die Anordnung einer hydraulischen Übersetzungseinrichtung nur zum Zwecke der Temperaturkompensation aufwendig und kostenintensiv. Ferner ist nachteilig, daß für die hydraulische Übersetzungseinrichtung ein spezielles hydraulisches Medium eingesetzt werden muß, daß aufgrund von Leckageverlusten im Laufe der Zeit entweichen kann. Dies kann die Funktionsweise der Übersetzungseinrichtung und die Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils beeinträchtigen.
Aus der DE 43 06 073 Cl ist ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer anderen Bauform bekannt. Auch bei diesem Brennstoffeinspritzventil erfolgt die Temperaturkompensation mittels einer hydraulischen Übersetzungseinrichtung. Aus der DE 35 33 085 AI ist ein Brennstoffeinspritzventil ohne hydraulische Übersetzungseinrichtung, jedoch auch ohne jegliche Temperatur- kompensation, bekannt.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der piezoelektrische oder magnetostriktive Aktor aufgrund des in der Betätigungsstrecke angeordneten Spalts temperaturkompensiert ist, ohne daß es einer aufwendigen hydraulischen Übersetzungseinrichtung bedarf. Der in der Betätigungsstrecke zwischen dem Aktor und dem Ventilschließkörper angeordnete Spalt ermöglicht eine ungestörte thermische Längenausdehnung des Aktors ohne daß die thermische Längenausdehnung ein Öffnen des Brennstoffeinspritzventils bewirkt .
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffeinspritzventils mit den Merkmalen des Anspruchs 7 hat den Vorteil, daß zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils der in der Betätigungsstrecke vorgesehene Spalt nicht überwunden werden muß. Vielmehr wird die temperaturabhängige Längenausdehnung des Aktors kontinuierlich, vor jedem Betätigungshub des Aktors oder in fest vorgegebenen Zeitabständen gemessen. Bei der Betätigung des Aktors wird dieser zunächst mit einer ersten elektrischen Betätigungsspannung beaufschlagt, die eine solche Dehnung des Aktors bewirkt, daß der Spalt idealerweise verschwindet oder zumindest möglichst klein wird. Nachfolgend wird der Aktor mit einer größeren zweiten elektrischen Betätigungsspannung beaufschlagt, die ohne Zeitverzögerung zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils führt .
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils und des im Anspruch 7 angegebenen Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffeinspritzventils möglich.
Der Spalt ist vorteilhaft zwischen einem mit dem Aktor verbundenen Aktorflansch und einer mit dem Ventilschließkörper verbundenen Ventilnadel angeordnet. In dem Spalt befindet sich vorteilhaft ein gasförmiges Medium, insbesondere Luft, das bzw. die bei einem Betätigen des Aktors rasch entweichen kann. Die Dicke des Spalts ist vorteilhaft so bemessen, daß über den gesamten im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils auftretenden Temperaturbereich hinweg sichergestellt ist, daß in dem nicht erregten Ruhezustand des Aktors der Spalt nicht aufgrund einer Temperaturausdehnung des Aktors überbrückt wird. Dies gestattet den Betrieb des Brennstoffeinspritzventils in einem weiten Temperaturbereich.
Bei einem nach innen öffnenden Brennstoffeinspritzventil befindet sich der Spalt vorteilhaft auf der dem Ventilschließkörper abgewandten Seite des Aktors, während sich bei einem nach außen öffnenden Brennstoffeinspritzventil der Spalt vorteilhaft auf der dem Ventilschließkörper zugewandten Seite des Aktors befindet.
Das Messen der temperaturabhängigen Längenausdehnung des Aktors kann beispielsweise durch eine Messung der elektrischen Kapazität des Aktors erfolgen. Da der Aktor üblicherweise aus mehreren piezoelektrischen Schichten besteht, die mit Elektroden versehen sind, führt eine thermische Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors zu einer Vergrößerung des Abstands der Elektroden und somit zu einer Verringerung der elektrischen Kapazität. Aus der gemessenen elektrischen Kapazität kann deshalb auf die temperaturabhängige Längenausdehnung des Aktors zurückgerechnet werden. Alternativ kann es genügen, die Temperatur des Aktors zu messen, wenn der thermische Temperaturausdehnungs-Koeffizient des Aktors mit hinreichender Genauigkeit bekannt ist. Aus der Messung der Temperatur des Aktors läßt sich dann auf die temperaturabhängige Längenausdehnung des Aktors bei der gemessenen Temperatur zurückrechnen. Die Messung der elektrischen Kapazität des Aktors und der Temperatur des Aktors können zur Verbesserung der Genauigkeit auch miteinander kombiniert werden. Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils; und
Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt in einer axialen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoff- einspritzventils 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff, insbesondere von Benzin, in den Brennraum einer vorzugsweise gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
In einem Gehäusekörper 2 ist ein piezoelektrischer Aktor 3 integriert, der von einem Vorspannelement 4 hülsenartig umgeben ist. Der piezoelektrische Aktor 3 ist zwischen einem ersten Aktorflansch 5 und einem zweiten Aktorflansch 6 mittels des mit den Aktorflansehen 5 und 6 verbundenen Vorspannelements 4 eingespannt . Der Aktor 3 , die Aktorflansche 5 und 6 und das Vorspannelement 4 sind in eine zylinderförmige Ausnehmung 7 des Gehäusekörpers 2 eingesetzt. Dabei stützt sich der Aktor 3 über den ersten Aktorflansch 5 an dem Gehäusekörper 2 ab.
Der Aktor 3 ist im Ausführungsbeispiel hülsenförmig ausgebildet. Sowohl der Aktor 3 als auch die Aktor lansche 5 o und 6 weisen eine zentrale Öffnung 8 auf, durch welche eine Ventilnadel 9 hindurchragt. Die Ventilnadel 9 weist einen Ventilnadelflansch 10 auf, der als Anschlag für den zweiten Aktorflansch 6 dient .
Mit der sich konzentrisch zu der Mittelachse 11 erstreckenden Ventilnadel 9 ist im Ausführungsbeispiel einstückig ein Ventilschließkörper 12 ausgebildet, der zusammen mit einer an einem Ventilsitzträger 14 ausgebildeten Ventilsitzfläche 13 einen Dichtsitz bildet. Der Ventilschließkörper 12 hat eine konische Fläche 15, die an die konische Ventilsitzfläche 13 angepaßt ist. In Abspritzrichtung schließt sich an die Ventilsitzflache 13 eine Abspritzöffnung 16 an. Zur besseren Verteilung des Brennstoffs weist der Ventilschließkörper 12 wenigstens eine Drallnut 17 auf.
An dem abspritzseitigen Ende des Gehäusekörpers 2 ist ein Federaufnahmeraum 18 für eine Rückstellfeder 19 vorgesehen, die an einem mit der Ventilnadel 9 verbundenen Flansch 20 an der Ventilnadel 9 angreift und den Ventilschließkörper 12 in seine Schließstellung drückt.
Die Zuleitung des Brennstoffs erfolgt über eine in dem Gehäusekörper 2 ausgebildete Brennstoffleitung 21, an welche sich eine in dem Ventilsitzträger 14 ausgebildete Brennstoffleitung 22 anschließt, die in eine Axialbohrung 23 des Ventilsitzkörpers 14 ausmündet.
Erfindungsgemäß ist in der Betatigungsstrecke zwischen dem piezoelektrischen Aktor 3 und dem Ventilschließkörper 12 ein Spalt 24 vorgesehen. Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Spalt 24 zwischen dem zweiten Aktorflansch 6 und dem Ventilnadelflansch 10. Grundsätzlich kann der Spalt 24 jedoch auch an anderer Stelle in der Bet tigungsstrecke zwischen dem Aktor 3 und dem Ventilschließkörper 12, beispielsweise zwischen der Ventilnadel 9 und dem Ventilschließkörper 12, angeordnet sein. Der Spalt 24 dient der Temperaturkompensation des piezoelektrischen Aktors 3. Bekanntermaßen ist der aus piezoelektrischen Keramikschichten aufgebaute Aktor 3 einer nicht unerheblichen thermischen Längenausdehnung unterworfen. Wäre der Aktor 3 unmittelbar mit der Ventilnadel 9 verbunden, indem der zweite Aktorflansch 6 in dem nicht erregten Ruhezustand des Aktors 3 unmittelbar an dem Ventilnadelflansch 10 anliegen würde, würde nicht nur eine elektrische Erregung des Aktors 3, sondern auch eine thermische Ausdehnung des Aktors 3 zu einem Öffnen des Brennstoffeinspritzventils 1 führen. Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil 1 führt eine thermische Längenausdehnung des Aktors 3 hingegen lediglich zu einer Verringerung der Spaltbreite hv des Spalts 24, nicht jedoch zu einem Abheben des Ventilschließkörpers 12 von der Ventilsitzfläche 13.
Die Spaltbreite hv des Spalts 24 ist dabei so auszulegen, daß über den gesamten im Betrieb des Brennstoff- einspritzventils 1 auftretenden Temperaturbereich hinweg sichergestellt ist, daß in dem nicht erregten Ruhezustand des Aktors 3 der Spalt 24 nicht aufgrund einer Temperaturdehnung des Aktors 3 überbrückt wird. In dem Spalt 24 befindet sich ein gasförmiges Medium, vorzugsweise die Umgebungsluft des Brennstoffeinspritzventils 1. Die in dem Spalt 24 befindliche Luft kann bei einer Betätigung des Aktors 3 beispielsweise über eine Entlüftungsbohrung rasch entweichen.
Die Rückstellfeder 19 kann alternativ auch an der dem Aktor 3 abgewandten Stirnfläche 25 des Ventilnadelflansches 10 angreifen, was in Fig. 1 mit unterbrochener Linienführung angedeutet ist .
Während Fig. 1 die Erfindung an einem nach innen öffnenden Brennstoffeinspritzventil 1 veranschaulicht, zeigt Fig. 2 ein nach außen öffnendes erfindungsgemäßes Brennstoff- einspritzventil 1. Bereits beschriebene Elemente sind mit o übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, so daß sich insoweit eine wiederholende Beschreibung erübrigt.
Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ventilschließkörper 12 bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel an der Ventilnadel 9 so angeordnet, daß die konische Fläche 15 des Ventilschließkörpers 12 an der Ventilschließfläche 13 außenseitig anliegt. Die Rückstellfeder 19 beaufschlagt über den Flansch 20 die Ventilnadel 9 in Fig. 2 nach oben und bewirkt somit die Rückstellung des Ventilschließkörpers 12 in seine Schließstellung.
Der erste Aktorflansch 5 stößt sich an dem Gehäusekörper 2 ab, so daß sich der zweite Aktorflansch 6 bei einer Betätigung des piezoelektrischen Aktors 3 in Fig. 2 nach unten bewegt und nach einem Überbrücken des Spalts 24 mit einem Vorsprung 30 an dem Ventilnadelf1ansch 10 anstößt.
Auch bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Spalt 24 die Aufgabe der bereits beschriebenen Temperaturkompensation des Aktors 3. Die Spaltbreite hv ist daher auch bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel so auszulegen, daß über den gesamten im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 auftretenden Temperaturbereich hinweg sichergestellt ist, daß in dem elektrisch nicht erregten Ruhezustand des Aktors 3 der Spalt 24 nicht aufgrund einer Temperaturausdehnung des Aktors 3 überbrückt wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher erläutert. Fig. 3 zeigt den Hub h des Aktors 3 als eine Funktion der Zeit t.
Erfindungsgemäß wird die thermische Längenausdehnung des Aktors 3 gemessen. Die Messung der thermischen Längenausdehnung des Aktors 3 kann entweder kontinuierlich erfolgen oder zu Beginn jedes Einspritzintervalls oder in fest vorgegebenen Zeitabständen wiederholt werden. Die Messung der thermischen Längenausdehnung erfolgt im einfachsten Fall dadurch, daß die Temperatur des Aktors 3 über einen geeigneten Sensor, beispielsweise einen PTC- Widerstand erfaßt wird. Wenn der thermische Längenausdehnungs-Koeffizient des piezoelektrischen Materials, aus welchem der Aktor 3 besteht, mit hinreichender Genauigkeit bekannt ist , kann aus der gemessenen Temperatur des Aktors 3 auf dessen temperaturabhängige aktuelle Länge zurückgerechnet werden.
Die temperaturabhängige Länge des Aktors 3 kann jedoch auch durch eine Messung der elektrischen Kapazität des Aktors 3 erfaßt werden. Der piezoelektrische Aktor 3 besteht im allgemeinen aus mehreren piezoelektrischen Keramikschichten, die zur Beaufschlagung der piezoelektrischen Keramikschichten mit einem axialen elektrischen Feld zwischen Elektroden angeordnet sind. Bei einer thermischen Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten erhöht sich der Abstand zwischen den Elektroden, wodurch sich die Kapazität des piezoelektrischen Aktors 3 verringert. Durch Messung der temperaturabhängigen Kapazität des Aktors 3 kann deshalb auf die aktuelle temperaturabhängige Länge des Aktors 3 zurückgerechnet werden. Die Messung der Temperatur und der Kapazität des Aktors 3 können auch zur Erhöhung der Genauigkeit miteinander kombiniert werden. Die Messung der Kapazität des Aktors 3 kann mittels einer ladungsgesteuerten elektronischen Schaltung oder einer Brückenschaltung erfolgen, in welcher die Kapazität des Aktors 3 mit einer Referenzkapazität verglichen wird.
Aufgrund der indirekt gemessenen temperaturabhängigen Längenausdehnung des Aktors 3 läßt sich die temperaturabhängige verbleibende Spaltbreite hv im elektrisch nicht erregten Ruhezustand des Aktors 3 ermitteln. Vor dem eigentlichen Einspritzintervall wird der Aktor 3 erfindungsgemäß mit einer ersten BetätigungsSpannung so beaufschlagt, daß der Spalt 24 im Idealfall verschwindet, zumindest jedoch möglichst klein wird. Diese erste elektrische Betätigungsspannung ist an die durch die Messung erfaßte temperaturabhängige Spaltbreite hv angepaßt, wobei diese erste Betätigungsspannung umso größer ist, je größer die Spaltbreite hv des Spaltes 24 ist.
Fig. 3 veranschaulicht das Anlegen der ersten elektrischen Betätigungsspannung in dem Zeitintervall tj. bis t2 • Der Aktor 3 erfährt dabei einen Aktorhub hv, der der vorher erfaßten Spaltbreite hv entspricht. Bei einer anderen Temperatur kann die durch die Messung erfaßte Spaltbreite hv' geringer sein, was in Fig. 3 gestrichelt angedeutet ist. Entsprechend ist dann auch der durch die erste elektrische Betätigungsspannung hervorgerufene Aktorhub hv' geringer.
In dem Zeitintervall t2 bis t3 bzw. t2' bis t3 wird an den Aktor 3 eine gegenüber der ersten Betätigungsspannung größere zweite Betätigungsspannung angelegt, so daß sich der Aktor 3 noch weiter ausdehnt und der Ventilschließkörper 12 von der Ventilsitzfläche 13 zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils 1 abhebt. Während diesem Einspritzintervall wird deshalb von dem Brennstoff- einspritzventil 1 Brennstoff abgespritzt. Im Zeitpunkt t3 wird die zweite Betätigungsspannung abgeschaltet, so daß der Aktor 3 wieder in seinen Ruhestand relaxiert .
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreich , daß der Einspritzzeitpunkt von der Spaltenbreite hv weitgehend unabhängig ist und insbesondere die Zeit, die der Aktor 3 benötigt, um die Spaltbreite hv zu überwinden, keinen Einfluß auf den EinspritzZeitpunkt und auf die Länge des Einspritzintervalls hat.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (3) und einem von dem Aktor (3) über eine Betätigungsstrecke (6, 24, 10, 9) betätigbaren Ventilschließkörper (12) , der mit einer Ventilsitzflache (13) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß in einem nicht erregten Ruhezustand des Aktors (3) in der Betätigungsstrecke (6, 24, 10, 9) ein Spalt (24) ausgebildet ist.
2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsstrecke (6, 24, 10, 9) einen mit dem Aktor (3) verbundenen Aktorflansch (6) und eine mit dem Ventilschließkörper (12) verbundene Ventilnadel (9) umfaßt und der Spalt (24) zwischen dem Aktorflansch (6) und der Ventilnadel (9) angeordnet ist.
3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Spalt (24) ein gasförmiges Medium, insbesondere Luft, befindet, das bei einem Betä. igen des Aktors (3) rasch entweichen kann.
4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (hv) des Spalts (24) so bemessen ist, daß über den gesamten im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils (1) auftretenden Temperaturbereich hinweg sichergestellt ist, daß in dem nicht erregten Ruhezustand des Aktors (3) der
Spalt (24) nicht aufgrund einer Temperaturausdehnung des
Aktors (3) überbrückt wird.
5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil (1) ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil (1) ist und sich der Spalt (24) auf der dem Ventilschließkörper (12) abgewandten Seite des Aktors (3) befindet.
6. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil (1) ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil (1) ist und sich der Spalt (24) auf der dem Ventilschließkörper (12) zugewandten Seite des Aktors (3) befindet.
7. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffeinspritzventils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit folgenden
Verfahrensschritten: - Messen der temperaturabhängigen Längenausdehnung des Aktors (3) in dem nicht erregten Ruhezustand des Aktors (3) , - Beaufschlagen des Aktors (3) mit einer ersten elektrischen Betätigungsspannung in Abhängigkeit von der gemessenen temperaturabhängigen Längenausdehnung des Aktors ( 3 ) , wobei die erste elektrische BetätigungsSpannung so bemessen wird, daß der Spalt (24) verschwindet oder zumindest möglichst klein wird und
Beaufschlagen des Aktors (3) mit einer zweiten elektrischen Betätigungsspannung zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils (1) während eines Einspritzintervalls .
8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen der temperaturabhängigen Längenausdehnung des
Aktors (3) eine Messung der elektrischen Kapazität des
Aktors (3) umfaßt.
9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen der temperaturabhängigen Längenausdehnung des Aktors (3) eine Messung der Temperatur des Aktors (3) umfaßt .
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