WO1998057059A1 - Einspritzventil - Google Patents

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WO1998057059A1
WO1998057059A1 PCT/DE1998/000834 DE9800834W WO9857059A1 WO 1998057059 A1 WO1998057059 A1 WO 1998057059A1 DE 9800834 W DE9800834 W DE 9800834W WO 9857059 A1 WO9857059 A1 WO 9857059A1
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injection valve
valve according
plunger
tappet
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PCT/DE1998/000834
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English (en)
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Inventor
Friedrich Boecking
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Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/704—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions

Definitions

  • the invention is based on the genus as stated in independent claim 1. A corresponding one
  • Injection valve (also referred to as an injector) is described in GB 1 320 057 A.
  • valve-controlled engines with more than two valves per cylinder, the installation space on the cylinder head between the valve springs and / or camshafts is so limited that the installation of a conventional injection valve with an electrically actuated, in particular a piezoelectric, actuator is difficult, if not impossible.
  • the injection valve according to the invention is particularly suitable as a so-called common rail injector for internal combustion engines using four-valve technology. It opens up new installation options and allows the use of previously unused room zones on an internal combustion engine for the installation of an injection valve.
  • a hydraulic displacement converter is arranged between the actuator and the tappet. This enables the use of a piezoelectric actuator, which is known to be able to generate large forces, but only small strokes.
  • the principle of such a path translator is described for example in international application WO 94/19597; there the translator is referred to as a hydraulic transformer.
  • such a translator can have two hydraulically connected, fixed cylinders of different cross-sections, each with a movable piston, the thicker piston being mechanically coupled to the actuator and the thinner piston being coupled to the tappet.
  • the term "piston” is also intended to generally include a plunger.
  • the path translator can have the following:
  • Deflection of a diaphragm defining it is determined, which is mechanically coupled to the actuator.
  • one of the pistons of the first possibility is replaced by a membrane.
  • the stiffness of the damaged volume should not be less than half the stiffness of the actuator.
  • the cylinders should be arranged in the first possibility and the membrane and the cylinder in the second possibility in the immediate vicinity of one another, so that the hydraulic connection volume between the cylinders or, generally speaking, the volume of the hydraulic translation space is as small as possible.
  • a component of the injection valve containing the actuator must be guided through an opening (for example a bore) in the cylinder head in order to be able to be attached to the remaining part of the injection valve.
  • Injector is connected via an intermediate piece, which has a smaller cross section than the actuator.
  • Figure 1 a first embodiment of the invention
  • Figure 2 a detail from Figure 1
  • Figure 3 a modification to Figure 3
  • Figure 4 a further modification compared to Figure 3.
  • Figure 5 a modification compared to Figure 1.
  • Injection valve is shown in essential parts in section in Figure 1.
  • This injection valve is installed in a cylinder head 37 of an engine below two camshafts 38, 39 and has a valve housing 1, in which a valve needle 3 is guided in a longitudinal bore 2.
  • this valve needle is provided with a conical sealing surface 4, which cooperates with a seat on the tip 5 of the valve housing 1 protruding into the combustion chamber (not shown), from which (due to its small size, hardly any) Guide recognizable) injection openings.
  • These connect the inside of the injection valve (here the Annular space 7 surrounding valve needle 3, which is filled with fuel that is under injection pressure) with the combustion chamber, so as to carry out an injection when valve needle 3 has lifted off the seat.
  • the annular space 7 is connected to a pressure space 8, which is constantly in communication with a pressure line 10, via which fuel under injection pressure is supplied to the injection valve from a high-pressure fuel reservoir (not shown here).
  • This high fuel pressure also acts in the pressure chamber 8 and there on a pressure shoulder 11, via which the valve needle 3 can be lifted off the seat in a known manner under suitable conditions.
  • valve needle 3 At the other end of the valve needle 3, it is guided in a cylinder bore 12 and closes there with it
  • Front 14 a control pressure chamber 15 which is continuously connected via a throttle connection 16 to an annular space 17 which, like the annular space 8, is constantly connected to the high-pressure fuel accumulator.
  • the valve group has an actuating piston 25 which is fixedly connected to a valve member 22 and has a larger diameter than the plunger 27 guided in a housing part 26.
  • the actuating piston 25 is sealingly guided in a guide bore and, with its end face 29, delimits a translator space 31 of a displacement translator, which extends transversely to the axis of the actuating piston 25 and perpendicularly to it.
  • This The translator space 31 is further limited (see FIG. 2) by an end face 32 of an actuator piston 33 in such a way that the translator space 31 is enclosed on all sides.
  • the axis of the actuating piston 25 is coaxial with the axis (thrust direction) of the valve needle 3, and the axis
  • a part 34 of an arc of a circle indicates that the angle between the direction of stroke and the direction of stroke can also assume values other than 90 ° (but not 0 ° or 180 °). With broken lines, a possible position 33a of the actuator piston with the associated part 31a of the translator space is also indicated as an example of another angle.
  • the actuator piston 33 is also sealingly guided in the housing part 26 and can be moved by a piezo stack 30. When the piezo stack 30 is excited, the expansion takes place in such a way that the actuator piston 33
  • the actuator piston 33 has a larger effective area perpendicular to its stroke direction than the effective area of the actuating piston 25 perpendicular to its direction of impact, the latter executes a movement which is translated by the effective area conditions and is adjusted by a much larger distance even with small changes in length of the actuator 33.
  • the pressure line 10 has a connection 35, which can also be arranged at another point so that its longitudinal direction extends transversely to the direction of impact.
  • FIG. 4 shows an alternative to FIGS. 2 and 3.
  • the actuator piston is replaced by a membrane 40 with a thrust member 33a.
  • the translator space 31 according to FIGS. 2 to 4 is designed to be as small as possible so that the stiffness of the damaged volume formed by the translator space 31 is as large as possible. This is achieved in that the two pistons 25, 33 (alternatively the membrane 40) are arranged with their displacements so close to one another that the displacements merge directly into one another without a pronounced connecting channel.
  • a slimmer intermediate piece 36 with an intermediate tappet 42 is provided, which can serve to move the actuator 30 with a larger cross-section into a region with more space. This leads to an even more flexible use of the injection valve according to the invention.
  • the intermediate piece can be in one piece or with
  • the interchangeability of the intermediate piece 36 enables the adaptation to different distances of the camshaft by using differently long intermediate pieces 38 from the axis of the injector for different engine designs.

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Abstract

Einspritzventil für einen Verbrennungsmotor mit einem Stößel (27) für ein Ventilglied (22), einem elektrisch betätigbaren Aktuator (30) für den Stößel (27). Zur Erweiterung der Einbaumöglichkeiten unter beengten Platzverhältnissen ist vorgesehen, daß die Stoßrichtung des Stößels (27) und die Hubrichtung des Aktuators (30) einen Winkel einschließen, der von Null und 180° abweicht, daß Stößel (27) und Aktuator (30) hydraulisch miteinander gekoppelt sind. Bevorzugt ist zwischen dem Aktuator (30) und dem Stößel (27) ein hydraulischer Wegübersetzer (25, 31, 33) angeordnet. Anwendung als sogenannter Common-Rail-Injector für Verbrennungsmotoren in Vier-Ventil-Technik.

Description

Einspritzventil
Stand der Technik
Die Erfindung geht von der Gattung aus, wie im unabhängigen Anspruch 1 angegeben. Ein entsprechendes
Einspritzventil (auch als Injector bezeichnet) ist in der GB 1 320 057 A beschrieben.
Bei ventilgesteuerten Motoren mit mehr als zwei Ventilen pro Zylinder ist der Bauraum am Zylinderkopf zwischen den Ventilfedern und/oder Nockenwellen so stark beschränkt, daß der Einbau eines herkömmlichen Einspritzventils mit einem elektrisch betätigbaren, insbesondere einem piezoelektrischen Aktuator erschwert, wenn nicht unmöglich ist.
Vorteile der Erfindung
Das Einspritzventil nach der Erfindung ist besonders als sogenannter Common-Rail- Injector für Verbrennungsmotoren in Vier-Ventil-Technik geeignet. Es eröffnet neue Einbaumöglichkeiten und erlaubt die Nutzung bisher nicht genutzter Raumzonen an einem Verbrennungsmotor für den Einbau eines Einspritzventils.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Merkmale auch, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden können.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Aktuator und dem Stößel ein hydraulischer Wegübersetzer angeordnet ist. Dies ermöglicht nämlich den Einsatz eines piezoelektrischen Aktuators, der bekanntlich zwar große Kräfte, aber nur geringe Hübe erzeugen kann. Das Prinzip eines solchen Wegübersetzers ist beispielsweise in der internationalen Anmeldung WO 94/19597 beschrieben; dort ist der Wegübersetzer als hydraulischer Transformator bezeichnet.
Ein solcher Wegübersetzer kann als erste Möglichkeit zwei hydraulisch miteinander verbundene, feststehende Zylinder unterschiedlichen Querschnitts mit jeweils einem beweglichen Kolben aufweisen, wobei der dickere Kolben mechanisch mit dem Aktuator und der dünnere mit dem Stößel gekoppelt ist. Dabei soll der Begriff "Kolben" generell auch einen Plunger umfassen.
Als zweite Möglichkeit kann der Wegübersetzer folgendes aufweisen:
- einen Zylinder mit einem Kolben, der mechanisch mit dem Stößel gekoppelt ist,
- einen hydraulisch mit dem Zylinder verbundenen, hydraulischen Übersetzerraum, dessen aktuelles Volumen von der aktuellen
Auslenkung einer ihn begrenzenden Membran bestimmt ist, die mechanisch mit dem Aktuator gekoppelt ist. Hierbei ist also einer der Kolben der ersten Möglichkeit durch eine Membran ersetzt.
Um eine hohe hydraulische Steifigkeit des Wegübersetzers zu erzielen, ist es vorteilhaft, dessen Schadvolumen zu minimieren. Die Steifigkeit des Schadvolumens sollte nicht weniger als die Hälfte der Steifigkeit des Aktuators betragen. Um dies zu erreichen, sollten bei der ersten Möglichkeit die Zylinder und bei der zweiten Möglichkeit die Membran und der Zylinder in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sein, damit das hydraulische Verbindungsvolumen zwischen den Zylindern oder allgemein gesagt das Volumen des hydraulischen Übersetzerraumes möglichst klein ist.
Um die Baulänge des Einspritzventils in Stoßrichtung gering zu halten, was der Steifigkeit des Stößels zugute kommt, ist es zweckmäßig, den Aktuator möglichst dicht an das einspritzdüsenseitige Ende des Einspritzventils zu legen, das heißt mit anderen Worten, den Schnittpunkt zwischen der Stoßrichtung und der Hubrichtung möglichst nahe an die
Einspritzdüse zu legen, im Extremfall sogar soweit, daß beim Einbau des Einspritzventils in einen Verbrennungsmotor ein den Aktuator enthaltender Bestandteil des Einspritzventils durch eine Öffnung (beispielsweise eine Bohrung) im Zylinderkopf geführt werden muß, um am restlichen Teil des Einspritzventils befestigt werden zu können.
Eine weitere Anpassung an die Platzverhältnisse an dem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors ist dadurch möglich, daß der Aktuator mit dem restlichen Teil des
Einspritzventils über ein Zwischenstück verbunden ist, das einen geringeren Querschnitt hat als der Aktuator. Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung gezeigt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es ist dargestellt in
Figur 1: ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2: ein Detail aus Figur 1, Figur 3: eine Abwandlung gegenüber Figur 3,
Figur 4 : eine weitere Abwandlung gegenüber Figur 3. Figur 5 : eine Abwandlung gegenüber Figur 1.
Im wesentlichen gleiche Teile in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Beschreibung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Einspritzventils ist in der Figur 1 in wesentlichen Teilen im Schnitt wiedergegeben. Dieses Einspritzventil ist in einen Zylinderkopf 37 eines Motors unterhalb zweier Nockenwellen 38, 39 eingebaut und weist ein Ventilgehäuse 1 auf, in dem in einer Längsbohrung 2 eine Ventilnadel 3 geführt ist. An ihrem einspritzdüsenseitigen Ende (in der Figur unten) ist diese Ventilnadel mit einer kegelförmigen Dichtfläche 4 versehen, die an der in den Brennraum (nicht dargestellt) ragenden Spitze 5 des Ventilgehäuses 1 mit einem Sitz zusammenwirkt, von dem aus (wegen ihrer geringen Größe kaum erkennbare) Einspritzöffnungen wegführen. Diese verbinden das Innere des Einspritzventils (hier den die Ventilnadel 3 umgebenden Ringraum 7, der mit Kraftstoff gefüllt ist, der unter Einspritzdruck steht) mit dem Brennraum, um so eine Einspritzung zu vollziehen, wenn die Ventilnadel 3 von dem Sitz abgehoben hat. Der Ringraum 7 ist mit einem Druckraum 8 verbunden, der ständig in Verbindung mit einer Druckleitung 10 steht, über die dem Einspritzventil von einem hier nicht weiter gezeigten Kraftstoffhochdruckspeicher Kraftstoff unter Einspritzdruck zugeführt wird. Dieser hohe Kraftstoffdruck wirkt auch in dem Druckraum 8 und dort auf eine Druckschulter 11, über die in bekannter Weise die Ventilnadel 3 bei geeigneten Bedingungen von dem Sitz abgehoben werden kann.
Am anderen Ende der Ventilnadel 3 ist diese in einer Zylinderbohrung 12 geführt und schließt dort mit ihrer
Stirnseite 14 einen Steuerdruckraum 15 ein, der über eine Drosselverbindung 16 ständig mit einem Ringraum 17 verbunden ist, der wie auch der Ringraum 8 ständig mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher in Verbindung steht.
Auf die Beschreibung weiterer Einzelheiten der Ventilgruppe oberhalb des Ringraumes 17 wird verzichtet, weil sie nicht Gegenstand der Erfindung sind.
Die Ventilgrupe weist einen Betätigungskolben 25 auf, der fest mit einem Ventilglied 22 verbunden ist und gegenüber dem in einem Gehäuseteil 26 geführten Stößel 27 einen größeren Durchmesser aufweist. Der Betätigungskolben 25 ist in einer Führungsbohrung dichtend geführt und begrenzt mit seiner Stirnfläche 29 einen Übersetzerraum 31 eines Wegübersetzers, der sich quer zur Achse des Betätigungskolbens 25 und senkrecht dazu ausdehnt. Dieser Übersetzerraum 31 wird ferner (vergleiche Figur 2) durch eine Stirnseite 32 eines Aktuatorkolbens 33 begrenzt derart, daß der Übersetzerraum 31 allseitig eingeschlossen ist. Die Achse des Betätigungskolbens 25 liegt koaxial zur Achse (Stoßrichtung) der Ventilnadel 3, und die Achse
(Hubrichtung) des Aktuatorkolbens 33 liegt senkrecht zur Stoßrichtung .
Durch einen Teil 34 eines Kreisbogens ist angedeutet, daß der Winkel zwischen Stoßrichtung und Hubrichtung auch andere Werte als 90° (jedoch nicht 0° oder 180°) annehmen kann. Mit unterbrochenen Linien ist zudem als Beispiel für einen anderen Winkel eine mögliche Lage 33a des Aktuatorkolbens mit dem zugehörigen Teil 31a des Übersetzerraumes angedeutet.
Der Aktuatorkolben 33 ist dabei ebenfalls dichtend im Gehäuseteil 26 geführt und kann von einem Piezostack 30 bewegt werden. Bei Erregung des Piezosstacks 30 erfolgt eine Ausdehnung derart, daß der Aktuatorkolben 33 das
Volumen des Übersetzerraumes 31 zu verringern sucht, was sogleich dadurch kompensiert wird, daß der Betätigungskolben 25 ausweicht. Da der Aktuatorkolben 33 eine größere Wirkfläche senkrecht zu seiner Hubrichtung hat als die Wirkfläche des Betätigungskolbens 25 senkrecht zu dessen Stoßrichtung, führt letzterer eine um die Wirkflächenverhältnisse übersetzte Bewegung aus und wird selbst bei kleinen Längenänderungen des Aktuators 33 um eine wesentlich größere Wegstrecke verstellt. Die Druckleitung 10 weist einen Anschluß 35 auf, der auch an einer anderen Stelle so angeordnet sein kann, daß seine Längsrichtung quer zur Stoßrichtung verläuft .
Figur 4 zeigt eine Alternative zu den Figuren 2 und 3. Dabei ist der Aktuatorkolben durch eine Membran 40 mit Schubglied 33a ersetzt.
Der Übersetzerraum 31 nach den Figuren 2 bis 4 ist möglichst kleinvolumig gestaltet, damit die Steifigkeit des durch den Übersetzerraum 31 gebildeten Schadvolumens möglichst groß ist. Dies wird dadurch ereicht, daß die beiden Kolben 25, 33 (ersatzweise die Membran 40) mit ihren Hubräumen so nahe beieinander angeordnet sind, daß die Hubräume ohne ausgeprägten Verbindungskanal unmittelbar ineinander übergehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist zwischen dem Aktuator 30 und dem Rest des gezeigten Einspritzventils ein schlankeres Zwischenstück 36 mit einem Zwischenstößel 42 vorgesehen, das dazu dienen kann, den Aktuator 30 größeren Querschnitts in eine Region mit größerem Platzangebot zu verlagern. Dies führt zu einer noch flexibleren Einsetzbarkeit des Einspritzventils nach der Erfindung. Das Zwischenstück kann einstückig oder mit
Hilfe einer nur angedeuteten Schraubverbindung 41 lösbar mit dem Rest des Einspritzventils verbunden sein.
Die Austauschbarkeit des Zwischenstückes 36 ermöglicht durch den Einsatz unterschiedlich langer Zwischenstücke die Anpassung an unterschiedliche Abstände der Nockenwelle 38 von der Achse der Einspritzdüse bei unterschiedlichen Motorkonstruktionen .

Claims

Ansprüche
1. Einspritzventil für einen Verbrennungsmotor mit
- einem Stößel (27) für ein Ventilglied (22) ,
- einem elektrisch betätigbaren Aktuator (30) für den Stößel
(27) , dadurch gekennzeichnet, - daß die Stoßrichtung des Stößels (27) und die Hubrichtung des Aktuators (30) einen Winkel einschließen, der von Null und 180° abweicht,
- daß Stößel (27) und Aktuator (30) hydraulisch miteinander gekoppelt sind.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Aktuator (30) und dem Stößel (27) ein hydraulischer Wegübersetzer (25, 31, 33) angeordnet ist.
3. Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, der Wegübersetzer (25, 31, 33) zwei hydraulisch miteinander verbundene, feststehende Zylinder unterschiedlichen Querschnitts mit jeweils einem beweglichen Kolben (25, 33) aufweist, wobei der dickere Kolben (33) mechanisch mit dem Aktuator (30) und der dünnere (25) mit dem Stößel (27) gekoppelt ist.
Emspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, der Wegübersetzer (25, 31, 40) folgendes aufweist:
- einen Zylinder mit einem Kolben (25) , der mechanisch mit dem Stößel (27) gekoppelt ist,
- einen hydraulisch mit dem Zylinder verbundenen Übersetzerraum (31) , dessen aktuelles Volumen von der aktuellen Auslenkung einer ihn begrenzenden Membran (40) bestimmt ist, die mechanisch mit dem Aktuator (30) gekoppelt ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit des Schadvolumens des Wegübersetzers (25, 31, 33, 40) nicht weniger als die Hälfte der Steifigkeit des Aktuators (30) beträgt.
Emspritzventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel rund 90° beträgt.
7. Einspritzventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (30) piezoelektrisch arbeitet .
8. Einspritzventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittpunkt der Stoßrichtung des Stößels (27) mit der Hubrichtung des Aktuators (30) so nahe am einspritzdüsenseitigen Ende des Einspritzventils liegt, daß der Aktuator (30) beim Einbau des Einspritzventils in einen Verbrennungsmotor auf einem Niveau zwischen dessen Zylinderkopf (37) und einer Nockenwelle (38, 39) des Verbrennungsmotors liegt.
9. Einspritzventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (30) mit dem restlichen Teil des Einspritzventils über ein Zwischenstück (36) verbunden ist, das einen geringeren Querschnitt hat als der Aktuator (30) .
10. Einspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (36) lösbar mit dem restlichen Teil des Einspritzventils verbunden ist.
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