EP1382838A2 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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EP1382838A2
EP1382838A2 EP03012488A EP03012488A EP1382838A2 EP 1382838 A2 EP1382838 A2 EP 1382838A2 EP 03012488 A EP03012488 A EP 03012488A EP 03012488 A EP03012488 A EP 03012488A EP 1382838 A2 EP1382838 A2 EP 1382838A2
Authority
EP
European Patent Office
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actuator
piston
fuel injection
injection valve
fuel
Prior art date
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Application number
EP03012488A
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English (en)
French (fr)
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EP1382838A3 (de
EP1382838B1 (de
Inventor
Walter Maeurer
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
Publication of EP1382838A2 publication Critical patent/EP1382838A2/de
Publication of EP1382838A3 publication Critical patent/EP1382838A3/de
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Publication of EP1382838B1 publication Critical patent/EP1382838B1/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
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/08—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series the valves opening in direction of fuel flow
    • 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
    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention is based on a fuel injector according to the genus of the main claim.
  • DE 43 06 072 A1 describes a device for opening and closing one in one housing existing passage opening known, which also as Fuel injector can be used.
  • This Device has a piezoelectric, magnetostrictive or electostrictive actuator and one with this actuator in Operational connection standing pressure piston on the Hydraulic fluid acts on a reciprocating piston.
  • the reciprocating piston actuates the one in its extension Valve closing body.
  • the gap and a pressure in the second chamber is like this dimensioned that slow, due to thermal influence changes in length of the actuator by exchanging Hydraulic fluid balanced through the guide gap can be.
  • Modern internal combustion engines often require a relative short activation time of the fuel injector.
  • the this causes steep flanks for control of a piezo actuator cause in the piezo actuator, especially on End of the edge around the target voltage level, relative high frequency unwanted vibrations that are stable Operation of the fuel injector in particular Oppose partial stroke operation.
  • a disadvantage of that from the above publication known fuel injector is in particular that special measures or components to suppress unwanted vibrations of parts of the Fuel injector, in particular by the Behavior of the actuator are caused, completely absent and insufficiently suppressed by the existing components or be balanced. So a stable behavior of the Fuel injector through the use or Exploitation of frictional forces between the components of the fuel injector and by forces of Spring elements insufficiently achieved. There called forces are relatively constant over a wide range this that when suppressing unwanted Vibrations the valve dynamics suffer to the same extent. The Use of spring or sliding friction forces unsuitable for the suppression of high-frequency Vibrations.
  • the activation times or the target voltage times must be sufficient to prevent unwanted vibrations dampen the spring and sliding friction forces between the components are increased.
  • this is the Valve dynamics detrimental and requires the actuator Overcoming additional increased forces.
  • the actuator and the parts that are operatively connected to it are thereby increased demands.
  • the publication DE 43 06 072 A1 known invention is therefore a shortening of Control times and target voltage times only in short Limits possible, which are also detrimental to the service life of the fuel injector or go cost-intensive measures must be accompanied.
  • the fuel injector according to the invention with the has characteristic features of the main claim in contrast, the advantage that mechanical vibrations in Fuel injector, especially unwanted mechanical vibrations of the actuator and through it unwanted vibrations in moving parts of the fuel injector according to the invention simple and inexpensive way effectively dampened without significantly affecting the valve dynamics or stress components significantly more.
  • the activation times of the actuator increase significantly shortened and thus in particular a partial stroke operation of the fuel injector.
  • the Edge times of the actuator excitation and the plateau times can can be shortened without the actuator in particular generated vibrations negatively on the operation of the Fuel injector impact or valve dynamics is significantly adversely affected.
  • the Damping effect is based on hydraulic operating principles, it is largely wear-free. Through flowing movements of a pressure medium through a restriction in particular possible to achieve a damping force that is proportional to the speed of the actuator movements, behaves like a linear attenuator.
  • the Assembly is also simplified.
  • the throttle point is advantageously through a gap formed in conjunction with a first one Guide body either from a thickened or tapered Part of the stage of the actuator piston is formed. That is it possible on constructive as well as functional requirements to respond better. Another advantage is that Throttle point as a bore, especially as a laser bore manufacture, as these are particularly precise, fast and is inexpensive to manufacture. Will fuel as Pressure medium used, so in particular constructive Measures to separate fuel and pressure medium omitted. Furthermore, fuel channel and is advantageous Place throttle so that fuel immediately is exchanged between them. This reduces the constructive effort.
  • Fuel injector be designed so that by at least one of the guide columns of actuator pistons and Piston pressure medium the work area relatively slowly tiling or escaping from it.
  • the size ratio of the Surfaces of the two pistons facing the work area are realized, a stroke ratio.
  • the invention can be advantageously further developed Fuel injector also in that the Force of a spring element is dimensioned at least as large, that actuator piston, connecting element and actuator in constant Are held. This will make the appropriate Components when operating the fuel injector prevented from losing contact with each other and collide with each other. It can be costly and expensive wear-prone joining connections are dispensed with.
  • a first embodiment of a shown in FIG Fuel injector 1 according to the invention is in the Form of a fuel injector 1 for Fuel injection systems from mixture-compressing, spark-ignition internal combustion engines.
  • the Fuel injection valve 1 is particularly suitable for not directly injecting fuel into one Shown combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the fuel injector 1 has a housing cover 2 which on the distal end of a valve housing 5 sits hermetically sealed. Via a fuel connection 3 on the housing cover 2 is a fuel channel 6 with fuel acted upon.
  • the fuel channel 6 is only running inside the housing cover 2 and then inside the Valve housing 5, the upper part of the Fuel injector 1, an actuator housing 7, a Seal 12, an extension ring 10 of an actuator piston 9, the part of the actuator piston 9 remote from the spray and a first one Spring element 11 is flushed with fuel in the fuel channel 6 become.
  • the actuator housing 7 is remote from its spray End hermetically connected to the housing cover 2.
  • An actuator 4 located in the actuator housing 7 is connected to its discharge side assigned to the housing cover 2 and is based on this.
  • a connecting element 8 is with its plate-shaped end remote from the spray near the spray Assigned side of the actuator 4 and engages with his tapered diameter curve on the spray side by a Opening 18 of the actuator housing 7.
  • a seal 12 which in this embodiment of the invention Fuel injector 1 is corrugated, represents by their hermetic fastening of both ends on the one hand on a spray side as an attachment ring 13 molded part of the connecting element 8 and the other at the spray end of the actuator housing 7, make sure that the fuel under pressure is not in that Actuator housing 7 can penetrate and the connecting element 8 the Movements of the actuator 4 or the movements of the actuator piston 9 can follow unhindered.
  • the actuator piston 9 has a Level 31, which is tapered by its remote spray Diameter course is formed.
  • the thicker spray-side course of the actuator piston 9 is in one first guide body 14 with a first guide gap 28 guided.
  • the tapered, tapered diameter profile of the Actuator piston 9 forms one with the first guide body 14 Gap that forms the throttle point 30, the Guide body 14 at this point the tapered Diameter course of the actuator piston 9 follows, that is one has a reduced inner diameter.
  • the result Damping chamber 27 is used to dampen unwanted vibrations of parts of the Fuel injection valve, in particular for damping Actuator vibrations in both directions of movement of the actuator 4 during operation of the fuel injector 1.
  • the Damping properties are particularly by the Geometric dimensions of the throttling point 30 Gap and the damping chamber 27 determined.
  • the in Spray direction perpendicular distance between the tapered diameter profile of the actuator piston 9 and the at this point the reduced inside diameter of the Guide body 14 is generally larger than that corresponding distance through the first guide gap 28 is formed.
  • the actuator piston 9 is supported by the first spring element 11, which in this embodiment is a spiral spring is formed and on one on the spray remote tapered diameter profile of the actuator piston 9 attached first attachment ring 10 attacks against spray near the side of the connecting element 8 or against the Actuator 4 biased, the first spring element 11 is supported on the spray side against the first guide body 14.
  • a second guide body 16 is hermetically sealed with the spray-side side of the first guide body 14 connected, wherein a reciprocating piston 15 with a second Guide gap 29 is guided in the second guide body 16.
  • a work space 26 which through the first guide body 14 and the second guide body 16 is limited, wherein the two guide columns 28, 29 each with one end in open the working space 26.
  • the second end of the first Guide gap 28 opens into the damping chamber 27, the second end of the second guide gap opens on injection-side end of the second guide body 16 in the Fuel channel 6.
  • the fuel channel 6 runs in the lower part of the Fuel injector 1 first between housing 5 and the two guide bodies 14, 16. Then happens and flows around the fuel in the fuel channel 6 from the Guide body 16 protruding part of the reciprocating piston 15, a third formed in the course of the reciprocating piston 15 Neck ring 19, a between the third neck ring and the spray-side end of the second guide body 16 bordered second spring element 17, one with the reciprocating piston 15 operatively connected valve needle 20 with a fourth extension ring 25, one between the fourth extension ring 25 and a shoulder 32 bordered third spring element 24.
  • the fuel injector works like follows:
  • the valve closing body 22 and valve seat body 21 formed sealing seat is initially closed.
  • the actuator 4 is discharged and the damping chamber 27 has a small one Volume. If the actuator 4 is now loaded, it expands relatively quickly and presses the connecting element 8 to the Actuator piston 9 in the spray direction.
  • the Spring force of the first spring element 11 are overcome, on the other hand, the increasing volume of the Damping chamber 27 with fuel, which by the Throttle point 30 flows into the damping chamber 27.
  • A creates the movement of the actuator piston 9 opposing, damping force is proportional to the Speed of the actuator piston 9, so behaves like with a linear attenuator. Through this process undesirable vibrations are dampened.
  • the actuator piston 9 now presses over the working space 26 filled with fuel the piston 15 in the spray direction.
  • the gap represented by the throttle point 30 can also be used for management tasks.
  • FIG. 2 shows a large part of that in FIG. 1 illustrated first embodiment similar second Embodiment.
  • the actuator piston 9 is cup-shaped and has step 31 in its diameter profile, whereby the diameter curve against the spray direction is enlarged.
  • step 31 By level 31 and one in the area of Stage 31 lying enlarged inner diameter of the
  • the damping chamber 27 is formed in the guide body 14.
  • the Connecting element 8 reaches to the bottom of the cup-shaped executed actuator piston 9, wherein the actuator piston 9 or the bottom of the actuator piston 9 by the spring element 11 are biased against the connecting element 8.
  • the Spring element 11 is in this embodiment as Bourdon tube executed and on the inside of the Housing cover 2 and at the far end of the Cup-shaped Akfcorkkolben 9 non-positively attached.
  • the annular surface A of the actuator piston 9 on the damping chamber 27 is:
  • C is a constant that is different from the geometric Dimension of the annular gap depends and ⁇ p represents the Pressure difference.
  • the invention is not shown on the Embodiments limited and z. B. also for after internal fuel injectors can be used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, weist einen piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostrikiven Aktor (4), einen mit dem Aktor (4) in Wirkverbindung stehenden Aktorkolben (9), der mit einem ersten Führungsspalt (28) geführt ist, einen mit dem Aktorkolben (9) über ein Druckmedium in Wirkverbindung stehenden Hubkolben (15), der mit einem zweiten Führungsspalt (29) geführt ist, und eine mit dem Hubkolben (15) in Wirkverbindung stehende Ventilnadel (20), die an ihrem abspritzseitigen Ende einen Ventilschließkörper (22) aufweist, der mit einem Ventilsitzkörper (21) einen Dichtsitz bildet, auf. Die Kraftübertragung zwischen Aktorkolben (9) und Hubkolben (15) erfolgt durch einen mit Druckmedium gefüllten, von Aktorkolben (9) und Hubkolben (15) eingeschlossenen, Arbeitsraum (26). Der Aktorkolben (9) weist zumindest eine Stufe (31) auf, die an eine Dämpfungskammer (27) angrenzt, wobei die Dämpfungskammer (27) vom Arbeitsraum (26) räumlich getrennt ist und so gestaltet bzw. angeordnet ist, daß Druckmedium über eine Drosselstelle (30) zufließen bzw. abfließen kann. <IMAGE>

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Beispielsweise ist aus der DE 43 06 072 A1 eine Vorrichtung zum Öffnen und Verschließen einer in einem Gehäuse vorhandenen Durchtrittsöffnung bekannt, welche auch als Brennstoffeinspritzventil verwendet werden kann. Diese Vorrichtung weist einen piezoelektrischen, magnetostriktiven oder elektostriktiven Aktor und einen mit diesem Aktor in Wirkverbindung stehenden Druckkolben auf, der über eine Hydraulikflüssigkeit auf einen Hubkolben wirkt. Der Hubkolben betätigt den in seiner Verlängerung befindlichen Ventilschließkörper. Durch das Größenverhältnis der Flächen von Hubkolben und Druckkolben, die einer ersten Kammer zugewandt sind, welche mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, ist eine Hubübersetzung gegeben. Die mit dem Druckkolben unmittelbar in Kontakt stehende Hydraulikflüssigkeit wird mittels einer O-Ringdichtung gegenüber dem Aktor abgedichtet. Ein definierter Führungsspalt, mit welchem der Hubkolben in einer Führung geführt wird, erlaubt den Austausch von Hydraulikflüssigkeit zwischen der ersten Kammer und einem in einer zweiten Kammer liegenden von einer Membran begrenzten Raum, der zwischen Abspritzöffnung und Hubkolben liegt, wobei die Membran von einem Druck in der zweiten Kammer beaufschlagt werden kann. Es wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, in dem der Austausch zwischen der ersten und zweiten Kammer erfolgt. Der Spalt und ein in der zweiten Kammer befindlicher Druck ist so dimensioniert, daß langsame, aufgrund thermischen Einflusses erfolgende Längenänderungen des Aktors durch Austausch von Hydraulikflüssigkeit durch den Führungsspalt ausgeglichen werden können.
Moderne Brennkraftmaschinen erfordern oftmals eine relativ kurze Ansteuerzeit des Brennstoffeinspritzventils. Die dadurch bedingten steilen Flankenverläufe zur Ansteuerung eines Piezoaktors verursachen im Piezoaktor, insbesondere am Ende der Flanke um das Sollspannungsniveau, relativ hochfrequente unerwünschte Schwingungen, die einem stabilen Betrieb des Brennstoffeinspritzventils insbesondere im Teilhubbetrieb entgegenstehen.
Nachteilig bei dem aus der obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, daß spezielle Maßnahmen bzw. Bauteile zur Unterdrückung von unerwünschten Schwingungen von Teilen des Brennstoffeinspritzventils, die insbesondere durch das Verhalten des Aktors hervorgerufen werden, ganz fehlen und durch die vorhandenen Bauteile nur unzureichend unterdrückt bzw. ausgeglichen werden. So wird ein stabiles Verhalten des Brennstoffeinspritzventils durch den Einsatz bzw. die Ausnutzung von Reibungskräften zwischen den Bestandteilen des Brennstoffeinspritzventils und durch Kräfte von Federelementen nur unzureichend erreicht. Da genannte Kräfte über einen weiten Bereich relativ konstant sind, bedeutet dies, daß bei einer Unterdrückung von unerwünschten Schwingungen die Ventildynamik in gleichem Maße leidet. Die Verwendung von Federkräften oder Gleitreibungskräften sind ungeeignet zur Unterdrückung von hochfrequenten Schwingungen. Sollen beispielsweise die Ansteuerzeiten oder die Sollspannungszeiten (Plateauzeiten) verkürzt werden, müssen, um unerwünschte Schwingungen ausreichend zu bedämpfen, die Federkräfte und Gleitreibungskräfte zwischen den Bauteilen erhöht werden. Wie schon erwähnt, ist dies der Ventildynamik abträglich und erfordert vom Aktor die Überwindung zusätzlicher erhöhter Kräfte. Der Aktor und die mit ihm in Wirkverbindung stehenden Teile sind dadurch erhöht beansprucht. Bei der aus der Druckschrift DE 43 06 072 A1 bekannten Erfindung ist demnach eine Verkürzung von Ansteuerzeiten und Sollspannungszeiten nur in geringen Grenzen möglich, die zudem noch zu Lasten der Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils gehen oder von kostenintensiven Maßnahmen begleitet werden müssen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß mechanische Schwingungen im Brennstoffeinspritzventil, insbesondere unerwünschte mechanische Schwingungen des Aktors und durch ihn hervorgerufene unerwünschte Schwingungen in bewegten Teilen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils, auf einfache und kostengünstige Art und Weise wirksam gedämpft werden, ohne die Ventildynamik wesentlich zu beeinträchtigen oder Bauteile wesentlich stärker zu beanspruchen. Dadurch ist es möglich, unter Beibehaltung eines stabilen Verhaltens, die Ansteuerzeiten des Aktors deutlich zu verkürzten und somit insbesondere auch einen Teilhubbetrieb des Brennstoffeinspritzventils zu ermöglichen. Auch die Flankenzeiten der Aktorerregung und die Plateauzeiten können verkürzt werden, ohne daß sich die insbesondere vom Aktor erzeugten Schwingungen negativ auf den Betrieb des Brennstoffeinspritzventils auswirken oder die Ventildynamik wesentlich negativ beeinträchtigt wird. Da die Dämpfungswirkung auf hydraulischen Wirkprinzipien beruht, erfolgt sie weitgehend verschleißfrei. Durch Fließbewegungen eines Druckmediums durch eine Drosselstelle ist es insbesondere möglich, eine Dämpfungskraft zu erzielen, die der Geschwindigkeit der Aktorbewegungen proportional ist, sich also wie bei einem linearen Dämpfungsglied verhält. Die Montage wird zudem vereinfacht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhafterweise wird die Drosselstelle durch einen Spalt gebildet der in Zusammenspiel mit einem ersten Führungskörper entweder aus einem verdickten oder verjüngten Teil der Stufe des Aktorkolbens gebildet ist. Dadurch ist es möglich auf konstruktive sowie funktionelle Anforderungen besser einzugehen. Von Vorteil ist außerdem, die Drosselstelle als Bohrung, insbesondere als Laserbohrung herzustellen, da diese besonders genau, schnell und kostengünstig herstellbar ist. Wird Brennstoff als Druckmedium benutzt, so können insbesondere konstruktive Maßnahmen zur Trennung von Brennstoff und Druckmedium entfallen. Weiterhin ist von Vorteil, Brennstoffkanal und Drosselstelle so anzuordnen, daß Brennstoff unmittelbar zwischen ihnen ausgetauscht wird. Dies vermindert den konstruktiven Aufwand.
Zum Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen des Aktors, kann vorteilhafterweise das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil so ausgestaltet sein, daß durch zumindest einen der Führungsspalte von Aktorkolben und Hubkolben Druckmedium dem Arbeitsraum relativ langsam zufliesen oder aus ihm entweichen kann.
Vorteilhafterweise wird durch das Größenverhältnis der Flächen der beiden Kolben, die dem Arbeitsraum zugewandt sind, eine Hubübersetzung realisiert. Dadurch kann der normalerweise verhältnismäßig kleine Hub der durch piezoelektrische, magnetostriktive oder elektrostriktive Aktoren möglich ist, vergrößert werden, ohne den Aktor kostenaufwendig lang und dünn herzustellen. Dicke, kurze Aktoren sind im Vergleich zu dünnen, langen Aktoren belastbarer gegenüber mechanischen Einflüssen. Die Realisierung der Hubübersetzung durch zwei Druckkolben mit unterschiedlich großen kraftübertragenden Flächen, die über ein Hydraulikmedium, sonst aber unmittelbar, Kräfte übertragen, hat gegenüber Lösungen, bei welchen Membrane und Kanäle zwischengeschaltet sind, den Vorteil, daß sich die Kompressibilität des Mediums weniger auswirkt. Darüber hinaus neigt die so realisierte, hubübersetzende Kraftübertragung weniger zu Schwingungen. Zwischen Aktorund Ventilbetätigung vergeht weniger Zeit. Das System verhält sich steifer.
Vorteilhaft weitergebildet kann das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil außerdem dadurch werden, daß die Kraft eines Federelements mindestens so groß bemessen ist, daß Aktorkolben, Verbindungselement und Aktor in ständiger Anlage gehalten sind. Dadurch werden die entsprechenden Bauteile beim Betrieb des Brennstoffeinspritzventils daran gehindert, den Kontakt untereinander zu verlieren und aufeinander zu prallen. Es kann auf kostenintensive und verschleißanfällige Fügeverbindungen verzichtet werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen schematischen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils,
Fig. 2
einen schematischen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils und
Fig. 3
einen schematisch dargestellten Teilschnitt des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels im Bereich der Stufe und der Dämpfungskammer.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind dabei in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Ein in Fig. 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 hat einen Gehäusedeckel 2 welcher auf dem abspritzfernen Ende eines Ventilgehäuses 5 hermetisch dichtend sitzt. Über einen Brennstoffanschluß 3 am Gehäusedeckel 2 ist ein Brennstoffkanal 6 mit Brennstoff beaufschlagbar. Der Brennstoffkanal 6 verläuft dabei erst innerhalb des Gehäusedeckels 2 und dann innerhalb des Ventilgehäuses 5, wobei im abspritzfernen, oberen Teil des Brennstoffeinspritzventils 1 ein Aktorgehäuse 7, eine Dichtung 12, ein Ansatzring 10 eines Aktorkolbens 9, der abspritzferne Teil des Aktorkolbens 9 und ein erstes Federelement 11 im Brennstoffkanal 6 von Brennstoff umspült werden. Das Aktorgehäuse 7 ist mit seinem abspritzfernen Ende mit dem Gehäusedeckel 2 hermetisch verbunden.
Ein im Aktorgehäuse 7 befindlicher Aktor 4 ist mit seiner abspritzfernen Seite dem Gehäusedeckel 2 zugeordnet und stützt sich auf diesem ab. Ein Verbindungselement 8 ist mit seinem tellerförmigen abspritzfernen Ende der abspritznahen Seite des Aktors 4 zugeordnet und greift mit seinem abspritzseitig verjüngten Durchmesserverlauf durch eine Öffnung 18 des Aktorgehäuses 7. Eine Dichtung 12, die in diesem Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 wellrohrförmig ausgebildet ist, stellt durch ihre hermetische Befestigung ihrer beiden Enden zum einen an einem abspritzseitig als Ansatzring 13 ausgeformten Teil des Verbindungselements 8 und zum anderen am abspritzseitigen Ende des Aktorgehäuses 7, sicher, daß der unter Druck stehende Brennstoff nicht in das Aktorgehäuse 7 dringen kann und das Verbindungselement 8 den Bewegungen des Aktors 4 bzw. den Bewegungen des Aktorkolbens 9 ungehindert folgen kann.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Aktorkolben 9 eine Stufe 31 auf, die durch seinen abspritzfernen verjüngten Durchmesserverlauf gebildet ist. Der dickere, abspritzseitige Verlauf des Aktorkolbens 9 ist in einem ersten Führungskörper 14 mit einem ersten Führungsspalt 28 geführt. Der abspritzferne, verjüngte Durchmesserverlauf des Aktorkolbens 9 bildet mit dem ersten Führungskörper 14 einen Spalt, der die Drosselstelle 30 bildet, wobei der Führungskörper 14 an dieser Stelle dem verjüngten Durchmesserverlauf des Aktorkolbens 9 folgt, also einen verkleinerten Innendurchmesser aufweist. Die dadurch gebildete Dämpfungskammer 27 dient zur Dämpfung von unerwünschten Schwingungen von Teilen des Brennstoffeinspritzventils, insbesondere zur Dämpfung von Aktorschwingungen in beide Bewegungsrichtungen des Aktors 4 während des Betriebs des Brennstoffeinspritzventils 1. Die Dämpfungseigenschaften werden dabei insbesondere durch die geometrischen Abmessungen des die Drosselstelle 30 bildenden Spaltes und der Dämpfungskammer 27 bestimmt. Der in Abspritzrichtung rechtwinklig verlaufende Abstand zwischen dem verjüngten Durchmesserverlauf des Aktorkolbens 9 und dem an dieser Stelle verkleinerten Innendurchmessers des Führungskörpers 14 ist in aller Regel größer als der entsprechende Abstand, der durch den ersten Führungsspalt 28 gebildet ist.
Der Aktorkolben 9 wird durch das erste Federelement 11, welches in diesem Ausführungsbeispiel als Spiralfeder ausgebildet ist und an einem an dem abspritzfernen verjüngten Durchmesserverlauf des Aktorkolbens 9 angebrachten ersten Ansatzring 10 angreift, gegen die abspritznahe Seite des Verbindungselements 8 bzw. gegen den Aktor 4 vorgespannt, wobei sich das erste Federelement 11 abspritzseitig gegen den ersten Führungskörper 14 stützt. Ein zweiter Führungskörper 16 ist hermetisch mit der abspritzseitigen Seite des ersten Führungskörpers 14 verbunden, wobei ein Hubkolben 15 mit einem zweiten Führungsspalt 29 im zweiten Führungskörper 16 geführt ist. Zwischen den Hubkolben 15 und Aktorkolben 9 befindet sich ein Arbeitsraum 26, welcher durch den ersten Führungskörper 14 und den zweiten Führungskörper 16 begrenzt wird, wobei die beiden Führungsspalte 28, 29 mit jeweils einem Ende in den Arbeitsraum 26 münden. Das zweite Ende des ersten Führungsspaltes 28 mündet in die Dämpfungskammer 27, das zweite Ende des zweiten Führungsspaltes mündet am abspritzseitigen Ende des zweiten Führungskörpers 16 in den Brennstoffkanal 6.
Durch die unterschiedlich großen, dem Arbeitsraum 27 zugewandten Flächen von Aktorkolben 9 und Hubkolben 15 ist eine Hubübersetzung gegeben. Der Brennstoffkanal 6 verläuft im unteren abspritzseitigen Teil des Brennstoffeinspritzventils 1 zuerst zwischen dem Gehäuse 5 und den beiden Führungskörpern 14, 16. Dann passiert und umspült der Brennstoff im Brennstoffkanal 6 den aus dem Führungskörper 16 herausragenden Teil des Hubkolbens 15, einen im Verlauf des Hubkolbens 15 geformten dritten Ansatzring 19, ein zwischen dem dritten Ansatzring und dem abspritzseitigen Ende des zweiten Führungskörpers 16 eingefaßtes zweites Federelement 17, eine mit dem Hubkolben 15 in Wirkverbindung stehende Ventilnadel 20 mit einem vierten Ansatzring 25, ein zwischen dem vierten Ansatzring 25 und einer Schulter 32 eingefaßtes drittes Federelement 24. Schließlich tritt der Brennstoff bei geöffnetem Brennstoffeinspritzventil 1 aus einer Abspritzöffnung 23 zwischen einem Ventilsitzkörper 21 und einem am abspritzseitig Ende der Ventilnadel 20 angeordneten Ventilschließkörper 22 aus. Das zweite Federelement 17 spannt den Hubkolben 15 gegen die abspritzseitig zugeordnete Ventilnadel 20 vor. Das dritte Federelement 24 stützt sich auf der Schulter 32 ab und spannt die Ventilnadel 20 über den mit ihr kraftschlüssig verbundenen vierten Ansatzring 25 gegen den abspritzfern zugeordneten Hubkolben 15 vor, wobei sich das dritte Federelement an der Schulter 32 abstützt. Die Kraft des dritten Federelements 24 hält den von Ventilschließkörper 22 und Ventilsitzkörper 21 gebildeten Dichtsitz gegen den Brennstoffdruck geschlossen.
Die Funktionsweise des Brennstoffeinspritzventils ist wie folgt:
Der von Ventilschließkörper 22 und Ventilsitzkörper 21 gebildete Dichtsitz ist zunächst geschlossen. Der Aktor 4 ist entladen und die Dämpfungskammer 27 hat ein kleines Volumen. Wird der Aktor 4 nun geladen, dehnt er sich relativ schnell aus und drückt über das Verbindungselement 8 den Aktorkolben 9 in Abspritzrichtung. Dabei muß zum einen die Federkraft des ersten Federelements 11 überwunden werden, zum anderen füllt sich das größer werdende Volumen der Dämpfungskammer 27 mit Brennstoff, welcher durch die Drosselstelle 30 in die Dämpfungskammer 27 strömt. Eine dabei entstehende, der Bewegung des Aktorkolbens 9 entgegengerichtete, Dämpfungskraft ist proportional der Geschwindigkeit des Aktorkolbens 9, verhält sich also wie bei einem linearen Dämpfungsglied. Durch diesen Vorgang werden unerwünschte Schwingungen bedämpft. Der Aktorkolben 9 drückt nun über den mit Brennstoff befüllten Arbeitsraum 26 den Hubkolben 15 in Abspritzrichtung. Da die dem Arbeitsraum 26 zugewandte Fläche des Hubkolbens 15 kleiner ist als die vom Aktorkolben 9 dem Arbeitsraum 26 zugewandte Fläche, erfährt der Hubkolben 15 einen im Vergleich zum Aktorkolben 9 vergrößerten Hub. Die Ventilnadel 20 wird daraufhin entgegen einer Federkraft des dritten Federelements 24 in Abspritzrichtung bewegt, der Ventilschließkörper 22 hebt vom Ventilsitzkörper 21 ab und der unter Druck stehende Brennstoff wird abgespritzt.
Wird der Aktor 4 wieder entladen, reduziert sich seine Länge, wobei der Aktorkolben 9 den Bewegungen des Aktors 4 folgt, da er durch das Federelement 11 und über das Verbindungselement 8 in ständiger Wirkverbindung zum Aktor 4 gehalten wird. Durch diese ständige Wirkverbindung und die Dämpfungswirkung der widerstandserzeugenden Vorgänge in der Dämpfungskammer 27 und der Drosselstelle 30 werden unerwünschte Schwingungen, insbesondere des Aktors 4, in beide Bewegungsrichtungen, wirksam bedämpft. Der mit dem Aktorkolben 9 über den Arbeitsraum 26 in Wirkverbindung stehende Hubkolben 15 bewegt sich daraufhin entgegen der Abspritzrichtung, wodurch durch die Federkraft des dritten Federelements 24 die Ventilnadel 20 dem Hubkolben 15 folgt und der am abspritzseitigen Ende der Ventilnadel 20 sitzende Ventilschließkörper 22 die Abspritzöffnung 23 schließt.
Langsame, thermische bedingte Längenänderungen, insbesondere des Aktors 4, werden durch Aufnahme und Abgabe von Druckmedium, der in diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Brennstoff ist, zwischen Arbeitsraum 26 und Brennstoffkanal 6 bzw. Dämpfungskammer 27 ausgeglichen. In den kurzen Zeiträumen der Betätigung des Brennstoffeinspritzventils 1 durch Öffnungs- und Schließungsbewegungen kann zwischen Arbeitsraum 26 und Brennstoffkanal 6 bzw. Dämpfungskammer 27 durch zumindest einen der Führungsspalte 28, 29 nur sehr wenig Druckmedium ausgetauscht werden, wobei das durch die Betätigung ausgetauschte Druckmedium in den Betätigungspausen wieder durch den Brennstoffdruck ausgeglichen wird. Langsam ablaufende Austauschvorgänge von Druckmedium zwischen Arbeitsraum 27 und Brennstoffkanal 6 bzw. Dämpfungskammer 27 werden durch die Führungsspalte 28 und/oder 29 nicht wesentlich behindert, so daß beispielsweise eine thermisch bedingte Längenänderung des Aktors 4 ausgeglichen werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der durch die Drosselstelle 30 dargestellte Spalt auch zu Führungsaufgaben verwendet werden.
Fig. 2 zeigt ein in weiten Teilen dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ähnliches zweites Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel in dem Aktorkolben 9 und Hubkolben 15 in einem mehrteiligen Führungskörper 14, 16 geführt sind, werden Aktorkolben 9 und Hubkolben 15 im zweiten Ausführungsbeispiel in einem einteiligen Führungskörper 14 geführt. Der Aktorkolben 9 ist becherförmig ausgeführt und weist in seinem Durchmesserverlauf die Stufe 31 auf, wodurch der Durchmesserverlauf entgegen der Abspritzrichtung vergrößert ist. Durch die Stufe 31 und einen im Bereich der Stufe 31 liegenden vergrößerten Innendurchmesser des Führungskörpers 14 wird die Dämpfungskammer 27 gebildet. Das Verbindungselement 8 greift bis zum Boden des becherförmig ausgeführten Aktorkolbens 9 durch, wobei der Aktorkolben 9 bzw. der Boden des Aktorkolbens 9 durch das Federelement 11 gegen das Verbindungselement 8 vorgespannt sind. Das Federelement 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Rohrfeder ausgeführt und an der innenliegenden Seite des Gehäusedeckels 2 sowie am abspritzfernen Ende des becherförmig ausgeführten Akfcorkolbens 9 kraftschlüssig befestigt.
Anhand von Fig. 3, die einen schematisch dargestellten Teilschnitt des ersten Ausführungsbeispiels im Bereich der Stufe 31 und der Dämpfungskammer 27 zeigt, und den nachfolgenden Beziehungen und Ableitungen wird der proportionale Zusammenhang zwischen Dämpfungskraft und Aktorkolbengeschwindigkeit aufgezeigt.
Die Ringfläche A des Aktorkolbens 9 an der Dämpfungskammer 27 ist:
Figure 00110001
Bewegt sich der Aktorkolben 9 um den Aktorkolbenhub ds, ändert sich das Dämpfungsvolumen V um: dV = A·ds
Die Aktorkolbengeschwindigkeit v berechnet sich aus: v = ds dt
Für ein inkompressibles Druckmedium ergibt sich mit (2) und (3) für den Druckmediumvolumenstrom Q über die Drosselstelle 30: Q = dV dt = A·ds dt = A·v
Im weiteren gilt für den Druckmediumvolumenstrom Q dabei: Q = C·Δp ⇒ Δp = Q C = A·v C
Dabei ist C eine Konstante, die von den geometrischen Abmaßen der Ringspalte abhängt und Δp stellt den Druckunterschied dar.
Mit (5) ergibt sich für die Dämpfungskraft F dadurch: F = A·Δp = A 2 C ·v oder F∼v
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und kann z. B. auch für nach innen öffnende Brennstoffeinspritzventile verwendet werden.

Claims (10)

  1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit
    einem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostrikiven Aktor (4),
    einem mit dem Aktor (4) in Wirkverbindung stehenden Aktorkolben (9), der mit einem ersten Führungsspalt (28) geführt ist,
    einem mit dem Aktorkolben (9) über ein Druckmedium in Wirkverbindung stehenden Hubkolben (15), der mit einem zweiten Führungsspalt (29) geführt ist,
    einer mit dem Hubkolben (15) in Wirkverbindung stehenden Ventilnadel (20), die an ihrem abspritzseitigen Ende einen Ventilschließkörper (22) aufweist, der mit einem Ventilsitzkörper (21) einen Dichtsitz bildet,
    wobei die Kraftübertragung zwischen Aktorkolben (9) und Hubkolben (15) durch einen mit Druckmedium gefüllten, von Aktorkolben (9) und Hubkolben (15) eingeschlossenen Arbeitsraum (26) erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Aktorkolben (9) zumindest eine Stufe (31) aufweist, die an eine Dämpfungskammer (27) angrenzt, wobei die Dämpfungskammer (27) vom Arbeitsraum (26) räumlich getrennt ist und so gestaltet bzw. angeordnet ist, daß Druckmedium über eine Drosselstelle (30) zufließen bzw. abfließen kann.
  2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (30) durch einen Spalt gebildet ist, der von einem verjüngten Teil der Stufe (31) des Aktorkolbens (9) und einem Führungskörper (14) gebildet ist.
  3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (30) durch einen Spalt gebildet ist, der von einem verdickten Teil der Stufe (31) des Aktorkolbens (9) und einem Führungskörper (14) gebildet ist.
  4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskörper (14) aus mehreren Teilen besteht.
  5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (30) durch eine Öffnung, insbesondere eine Bohrung oder Laserbohrung, gebildet ist, welche eine strömungsdrosselnde Wirkung aufweist.
  6. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff als Druckmedium dient.
  7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß über die Drosselstelle (30) unmittelbar Brennstoff mit einem Brennstoffkanal (6) ausgetauscht wird.
  8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen des Aktors (4) durch zumindest einen der Führungsspalte (28,29) Druckmedium aus dem Arbeitsraum (26) fließt oder in den Arbeitsraum (26) fließt.
  9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft eines Federelements (11) mindestens so groß ist, daß der Aktorkolben (9), ein Verbindungselement (8) und der Aktor (4) in ständiger Anlage gehalten werden.
  10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß durch das Verhältnis der Flächen des Aktorkolbens (9) und des Hubkolbens (15) die dem Arbeitsraum (26) zugewandt sind, eine Hubübersetzung gegeben ist.
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