EP1752654B1

EP1752654B1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP1752654B1
Application number: EP20060117188
Authority: EP
Inventors: Uwe Liskow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: DE102005037267A1; EP1752654A1; DE502006000825D1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon ein Brennstoffeinspritzventil aus der DE 103 08 879 A1 bekannt, mit einem in einem Ventilgehäuse gelagerten Aktorgehäuse, in dem ein Piezoaktor vorgesehen ist. Durch die hochfrequente Schaltung des Piezoaktors treten hohe dynamische Betriebskräfte auf, die durch das Beschleunigen von vergleichsweise grossen Massen, beispielsweise des Aktors und der Ventilnadel, entstehen. Dabei finden pro Zeiteinheit grosse Kraftänderungen statt, die bekannterweise Körperschall anregen. Dieser vom Brennstoffeinspritzventil ausgehende Körperschall wird auf die Brennkraftmaschine übertragen und als Luftschall ausgestrahlt, so dass die erzeugten Geräusche des Brennstoffeinspritzventils einen vorbestimmten Wert überschreiten.
Aus der DE 199 18 976 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil mit einem Aktorgehäuse bekannt, das an seinen Enden lagerungsfrei vorgesehen ist und durch eine Öffnung von einer Lagerung durchragt wird. Die Lagerung verläuft von dem Ventilgehäuse bis an die im Aktorgehäuse angeordneten Aktoren. Die Öffnung ist mit Spiel für den Aktorhub versehen. Durch den Aktorhub verschiebt sich das Aktorgehäuse relativ zum Ventilgehäuse, wodurch die Ventilnadel betätigt wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemässe Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine Verringerung der Körperschallanregung und damit der Geräuschentwicklung erreicht wird, indem das Aktorgehäuse an seinen Enden lagerungsfrei vorgesehen ist und eine einzige Lagerung zur Verbindung mit dem Ventilgehäuse aufweist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die einzige Lagerung am Umfang des Aktorgehäuses zwischen den beiden Enden des Aktorgehäuses vorgesehen ist, da auf diese Weise erreichbar ist, dass das Aktorgehäuse zwei einander entgegengesetzte Teilhübe in axialer Richtung ausführen kann.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die einzige Lagerung im Bereich der Mitte der Längserstreckung des Aktorgehäuses vorgesehen ist, da sich auf diese Weise die statischen und dynamischen Kräfte derart ausgleichen, dass in der einzigen Lagerung nur noch geringe zeitliche Kraftänderungen erfolgen und damit nur noch wenig Körperschall angeregt wird.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die einzige Lagerung als eine Schulter auszubilden.
Auch vorteilhaft ist, wenn das Ventilgehäuse eine zweite Schulter zur Befestigung an einer Brennkraftmaschine aufweist, die in axialer Richtung gesehen im Bereich einer kräfteneutralen Ebene liegt, da nur in dieser Ebene die statischen und dynamischen Kräfte ausgeglichen sind und nur wenig Körperschall auf die angrenzende Brennkraftmaschine übertragen wird. Die beidseitig der kräfteneutralen Ebene im Ventilgehäuse angeordneten, axial beweglichen Massen sind vorteilhafterweise auf jeder Seite zusammengefasst zumindest annähernd gleich groß, um ein Kräftegleichgewicht in der kräfteneutralen Ebene zu erreichen.
Desweiteren vorteilhaft ist, dass das Aktorgehäuse derart gelagert ist, dass jeweils ein Teilhub in Richtung der Ventilnadel und ein Teilhub in von der Ventilnadel abgewandter Richtung ausführbar ist. Auf diese Weise können einander entgegengesetzte Kräfte erreicht werden, die sich in der einzigen Lagerung zumindest teilweise aufheben.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn das Aktorgehäuse mit seinem einen Ende auf eine Ventilnadel wirkt und an einem der Ventilnadel abgewandten Ende ein Ausgleichselement mit einer Ausgleichsmasse aufweist. Mittels des Ausgleichselementes wird ein Kräftegleichgewicht im Bereich der Lagerung erreicht, so dass dort keine hohen zeitlichen Kraftänderungen auftreten.
Vorteilhaft ist, wenn eine rückstellend auf die Ventilnadel wirkende Rückstellfeder und eine entgegen der Rückstellfeder auf das Aktorgehäuse wirkende Ausgleichsfeder vorgesehen ist, da auf diese Weise auch die unstetig wirkenden statischen Kräfte ausgleichbar sind.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Aktor ein Piezoaktor, Formgedächtnisaktor oder ein magnetostriktiver Aktor ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Zeichnung zeigt im Schnitt ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil.
Das Brennstoffeinspritzventil dient beispielsweise dazu, Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen und wird beispielsweise bei der sogenannten Direkteinspritzung verwendet. Das Brennstoffeinspritzventil kann aber auch den Kraftstoff in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine einspritzen.
Das Brennstoffeinspritzventil hat ein beispielsweise zylinderförmiges Ventilgehäuse 1 mit einem Eingangskanal 2 für den Kraftstoff. Der Eingangskanal 2 mündet in einen Ventilraum 1.1 des Ventilgehäuses 1, in dem eine axial bewegliche Ventilnadel 4 vorgesehen ist, die mittels eines Aktors 3 verstellbar ist.
Die Ventilnadel 4 weist beispielsweise einen dem Aktor 3 zugewandten Nadelschaft 7 und einen dem Aktor 3 abgewandten Ventilschließkörper 8 auf. Der Aktor 3 überträgt seine Bewegung beispielsweise über ein schematisch dargestelltes Kopplerelement 9 auf den Nadelschaft 7 der Ventilnadel 4, wodurch der mit einem Ventilsitz 10 zusammenwirkende Ventilschließkörper 8 das Brennstoffeinspritzventil öffnet oder schließt. Bei geschlossenem Brennstoffeinspritzventil liegt der Ventilschließkörper 8 über seinen gesamten Umfang an dem Ventilsitz 10 mit Linien- oder Flächenberührung dicht an und bildet einen Dichtsitz 12.
Der Aktor 3 dehnt sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung aus oder verkürzt sich. Beispielsweise ist der Aktor 3 als ein piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktor oder als ein sogenannter Formgedächtnisaktor ausgebildet. Ein piezoelektrischer Aktor 3 besteht aus einer Vielzahl von piezokeramischen Schichten, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Dehnung in axialer Richtung ausführen. Dabei wird der sogenannte inverse piezoelektrische Effekt ausgenutzt, bei dem elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.
Der Aktor 3 ist von einem zylinderförmigen Aktorgehäuse 22, beispielsweise einer Rohrfeder mit knochenförmigen Ausnehmungen 23, umgeben, das den Aktor 3 in axialer Richtung bezüglich einer Ventilachse 21 auf Druck vorspannt und diesen auf diese Weise vor schädlichen Zugspannungen schützt.
Das Kopplerelement 9 ist zwischen dem Aktorgehäuse 22 und der Ventilnadel 4 eingespannt.
Das Aktorgehäuse 22 und das Kopplerelement 9 sind beispielsweise in einem Innenraum 14.1 eines im Ventilraum 1.1 des Ventilgehäuses 1 vorgesehenen Innengehäuses 14 angeordnet, um den Aktor 3 und das Kopplerelement 9 gegenüber dem Kraftstoff zu kapseln. Das Innengehäuse 14 ist Teil des Ventilgehäuses 1 und beispielsweise zylinderförmig ausgeführt. Das Innengehäuse 14 kann jedoch auch entfallen, wenn der Aktor 3 hinreichend kraftstoffbeständig ausgeführt ist oder auf andere Weise als mit dem Innengehäuse 14 gegenüber dem Kraftstoff abgedichtet ist. Das Aktorgehäuse 22 und das Kopplerelement 9 sind dann unmittelbar im Ventilraum 1.1 angeordnet.
Das Ventilgehäuse 1 weist beispielsweise einen Deckel 19 auf, der das Ventilgehäuse 1 und das Innengehäuse 14 stirnseitig verschließt.
Der Nadelschaft 7 der Ventilnadel 4 verläuft teilweise im Innenraum 14.1, beispielsweise von dem Kopplerelement 9 ausgehend, in Richtung des Ventilsitzes 10 und durchragt das Innengehäuse 14 durch eine Durchgangsöffnung 15 bis nach außerhalb des Innengehäuses 14. Die Durchgangsöffnung 15 des Innengehäuses 14 ist mittels einer Dichtung 16, beispielsweise mittels eines Wellbalgs, der an seinem einen Ende mit dem Innengehäuse 14 und an seinem anderen Ende mit dem Nadelschaft 7 verbunden ist, gegenüber dem Kraftstoff abgedichtet, so daß kein Kraftstoff aus dem Ventilgehäuse 1 in das Innengehäuse 14 gelangen kann.
Das Ventilgehäuse 1, das Innengehäuse 14, das Aktorgehäuse 22 mit dem Aktor 3, das Kopplerelement 9 und die Ventilnadel 4 sind beispielsweise konzentrisch zueinander bezüglich der in Richtung der Ventilnadel 4 verlaufenden Ventilachse 21 angeordnet.
Die durch das Anlegen der elektrischen Spannung erzeugte Dehnung oder Kontraktion des Aktors 3 wird auf die Ventilnadel 4 übertragen, wobei die Ventilnadel 4 beispielsweise einen Hub von 40 bis 50 Mikrometer ausführt. Nach erfolgter Öffnung des Brennstoffeinspritzventils verkürzt oder dehnt sich der Aktor 3 nach Abschalten der elektrischen Spannung und die Ventilnadel 4 wird mittels einer Rückstellfeder 18 wieder in Richtung Ventilsitz 10 zurückbewegt und schließt das Brennstoffeinspritzventil.
Da sich der Aktor 3 und die übrigen Komponenten des Brennstoffeinspritzventils, beispielsweise das Ventilgehäuse 1, wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten bei Temperaturänderung unterschiedlich stark ausdehnen, muß das Kopplerelement 9 die Differenzen in der unterschiedlichen Längenausdehnung ausgleichen, um zu gewährleisten, daß das Brennstoffeinspritzventil mit der Ventilnadel 4 unabhängig von der jeweiligen Temperatur des Brennstoffeinspritzventils bei einer Öffnungsbewegung jeweils den gleichen Hub ausführt wie der Aktor 3. Es dürfen keine Hubverluste auftreten, bei denen der Hub des Aktors 3 nicht vollständig auf die Ventilnadel 4 übertragen wird, so daß der Hub der Ventilnadel 4 kleiner ist als der Hub des Aktors 3. Das Kopplerelement 9 ist beispielsweise ein sogenannter hydraulischer Koppler. Ein hydraulischer Koppler ist beispielsweise aus der DE102004015622 A1 bekannt.
Der Kraftstoff stromab des Eingangskanals 2 wird beispielsweise über einen ersten Ringspalt 5 zwischen dem Ventilgehäuse 1 und dem Innengehäuse 14 und über einen zweiten Ringspalt 6 zwischen dem Ventilgehäuse 1 und der Ventilnadel 4 zum Ventilsitz 10 geführt und tritt bei geöffnetem Brennstoffeinspritzventil durch einen Austrittsöffnung zwischen dem Ventilschließkörper 8 und dem Ventilsitz 10 aus.
Durch die hochfrequente Hubbewegung des Aktors 3, der u.a. das Aktorgehäuse 22 und die Ventilnadel 4 zwischen zwei Endlagen hin und her bewegt, werden vergleichsweise große Massen beschleunigt und abgebremst. Da die Bewegung stoßartig erfolgt, ändern sich die durch die hohe Beschleunigung wirkenden Massenkräfte pro Zeiteinheit sehr stark, so dass beim Stand der Technik Körperschall angeregt wird, der als Luftschall an die Umgebung abgestrahlt wird und damit in ungewünschter Weise akustisch wahrnehmbar ist.
Die Körperschallanregung und die Luftschallabstrahlung werden bei der vorliegenden Erfindung verringert, indem das Aktorgehäuse 22 an seinen Enden lagerungsfrei angeordnet ist, wobei eine einzige Lagerung 24 zur Verbindung des Aktorgehäuses 22 mit dem Ventilgehäuse 1, beispielsweise mit dem Innengehäuse 14, vorgesehen ist. Das Aktorgehäuse 22 hat erfindungsgemäß den Freiheitsgrad, sich nicht nur in Richtung der Ventilnadel 4, sondern auch in entgegengesetzte Richtung auszudehnen. Durch diese erfindungsgemäße Lagerung des Aktorgehäuses 22 gleichen sich die Massenkräfte der beschleunigten Massen zumindest teilweise aus, da sich das Aktorgehäuse 22 mit dem Aktor 3 nicht wie beim Stand der Technik nur in eine Richtung ausdehnt oder zusammenzieht, sondern zwei entgegengesetzte Teilhübe ausführt. Dadurch wirken bei jedem Hub einander entgegengesetzte Massenkräfte Fm, die sich im Bereich der einzigen Lagerung 24 zumindest teilweise aufheben, so dass die Kraftänderungen pro Zeit zumindest stark verringert sind und daher zumindest weniger Körperschall von dem Aktorgehäuse 22 abgestrahlt und über die einzige Lagerung 24 auf das Ventilgehäuse 1 und von dort auf die Brennkraftmaschine übertragen wird.
Unter den beschleunigten Massen wird die Masse der bewegten Teile, beispielsweise des Aktors 3, des Aktorgehäuses 22, des Kopplerelementes 9 und der Ventilnadel 4, verstanden.
Die einzige Lagerung 24 ist zwischen den beiden Enden des Aktorgehäuses 22 ausgebildet. Sie verläuft von dem Umfang des Aktorgehäuses 22 ausgehend in radialer Richtung bezüglich der Ventilachse 21 bis an eine Wandung des Ventilgehäuses 1, beispielsweise des Innengehäuses 14, so dass das Aktorgehäuse 22 fest mit dem Ventilgehäuse 1 verbunden ist, beispielsweise mittels Schweißen. Auf diese Weise ist die Lagerung 24 als sogenanntes Festlager ausgeführt. Die Lagerung 24 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel als eine ringförmige erste Schulter 25 ausgebildet, die von dem Ventilgehäuse 1 ausgehend bis an das Aktorgehäuse 22 verläuft. Anstatt einer ringförmigen ersten Schulter 25 können auch über den Umfang des Aktorgehäuses 22 verteilte Stege vorgesehen sein. Die erste Schulter 25 ist beispielsweise einstückig mit dem Innengehäuse 14 verbunden und mit dem Aktorgehäuse 22 verschweißt.
Das Aktorgehäuse 22 weist bezüglich seiner Längserstreckung in Richtung der Ventilachse 21 eine axiale Mitte auf. Beispielsweise ist die Lagerung 24 in dem Bereich dieser axialen Mitte vorgesehen. Die Lagerung 24 kann aber auch außerhalb der axialen Mitte zwischen den beiden Enden des Aktorgehäuses 22 angeordnet sein.
Um einen nahezu vollständigen Ausgleich der Massenkräfte zu erreichen, sind nicht nur die Massenkräfte des Aktorgehäuses 22 mit dem Aktor 3, sondern auch die der anderen bewegten Teile, beispielsweise des Kopplerelementes 9 und der Ventilnadel 4, zu berücksichtigen.
Dies wird erreicht, indem das Aktorgehäuse 22 derart im Bereich einer kräfteneutralen, axialen Ebene 29 gelagert ist, dass die beidseitig der axialen Ebene 29 im Ventilgehäuse 1 angeordneten, axial beweglichen Massen auf jeder Seite zusammengefasst zumindest annähernd gleich groß sind. Um dies zu erzielen, ist gemäß einer ersten Ausführung auf der der Ventilnadel 4 abgewandten Stirnseite des Aktorgehäuses 22 ein Ausgleichselement 30 mit einer Ausgleichsmasse angeordnet, das beispielsweise mit dem Aktorgehäuse 22 einstückig verbunden ist. Das Aktorgehäuse 22 wird durch die axiale Ebene 29 imaginär in zwei Teilabschnitte geteilt. Beispielsweise ist die Masse der Ventilnadel 4, des Kopplerelementes 9 und des der Ventilnadel 4 zugewandten Teilabschnitts des Aktorgehäuses 22 zusammen zumindest annähernd so groß wie zusammen die Masse des der Ventilnadel 4 abgewandten Teilabschnitts des Aktorgehäuses 22 und des Ausgleichselementes 30.
Auch die statischen Kräfte sind vorteilhafterweise zu kompensieren. Beispielsweise ist zum Ausgleich der Kraft der Rückstellfeder 18 eine Druckfeder 31 vorgesehen, die beispielsweise auf das Ausgleichselement 30 entgegen der Rückstellfeder 18 wirkt.
Das Ventilgehäuse 1 weist eine zweite Schulter 26 zur Befestigung an einer Brennkraftmaschine auf, wobei die zweite Schulter 26 in axialer Richtung gesehen beispielsweise im Bereich der axialen Ebene 29 liegt, in der die Summe der statischen und dynamischen Kräfte über weite Frequenzbereiche zumindest annähernd Null ergibt.

Claims

Brennstoffleinspritzventil mit einem in einem Ventilgehäuse (1) gelagerten Aktorgehäuse (22), in dem ein Aktor (3) vorgesehen ist, wobei das Aktorgehäuse (22) an seinen Enden lagerungsfrei vorgesehen ist und eine einzige Lagerung (24) zur Verbindung mit dem Ventilgehäuse (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung (24) als Festlager ausgebildet ist und vom Umfang des Aktorgehäuses (22) ausgehend bis an eine Wandung des Ventilgehäuses (1) verläuft und dass das Aktorgehäuse (22) mittels der Lagerung (24) derart im Bereich einer kräfteneutralen, axialen Ebene (29) gelagert ist, dass die beidseitig der axialen Ebene (29) im Ventilgehäuse (1) angeordneten, axial beweglichen Massen auf jeder Seite zusammengefasst zumindest annähernd gleich groß sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Lagerung (24) am Umfang des Aktorgehäuses (22) zwischen den beiden Enden des Aktorgehäuses (22) vorgesehen ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Lagerung (24) im Bereich der Mitte der Längserstreckung des Aktorgehäuses (22) vorgesehen ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Lagerung (24) als eine Schulter (25) ausgebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (1) eine zweite Schulter (26) zur Befestigung an einer Brennkraftmaschine aufweist, die in axialer Richtung gesehen im Bereich der kräfteneutralen Ebene (29) liegt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorgehäuse (22) derart gelagert ist, dass jeweils ein Teilhub in Richtung der Ventilnadel (4) und ein Teilhub in von der Ventilnadel (4) abgewandter Richtung ausführbar ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorgehäuse (22) mit seinem einen Ende auf eine Ventilnadel (4) wirkt und an einem der Ventilnadel (4) abgewandten Ende ein Ausgleichselement (30) mit einer Ausgleichsmasse aufweist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine rückstellend auf die Ventilnadel (4) wirkende Rückstellfeder (18) und eine entgegen der Rückstellfeder (18) auf das Aktorgehäuse (22) wirkende Druckfeder (31) vorgesehen ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (3) ein Piezoaktor, Formgedächtnisaktor oder ein magnetostriktiver Aktor ist.