WO2001025613A1

WO2001025613A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: WO2001025613A1
Application number: PCT/DE2000/003452
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Ruehle; Hubert Stier; Matthias Boee; Guenther Hohl; Norbert Keim
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1999-10-02
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2001-04-12
Also published as: DE19947779A1; US6814314B1; CZ20011887A3; JP2003511603A; EP1135597A1

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere ein Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, besteht aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (3) und einem von dem Aktor (3) mittels einer Ventilnadel (17) betätigbaren Ventilschließkörper (18), der mit einer Ventilsitzfläche (19) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Zur Kompensation der Temperaturausdehnung ist mindestens ein Dämpfungsglied (25a, 25b) aus einem Feststoff vorhanden, welcher sich bei einer hohen Verformungsgeschwindigkeit nahezu statisch verhält und bei einer geringen Verformungsgeschwindigkeit elastisch oder plastisch verformbar ist.

Description

Brennstoffeinspritzventil

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Gewöhnlich werden Längenveränderungen eines piezoelektrischen Aktors eines Brennstoffeinspritzventils durch Temperatureinflüsse mittels hydraulischer Einrichtungen oder durch die Wahl geeigneter Werkstoffkombinationen ausgeglichen.

Aus der DE 197 02 066 C2 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei welchem die Längenveränderung des Aktors durch eine entsprechende Werkstoffkombination kompensiert wird.

Das aus dieser Druckschrift hervorgehende

Brennstoffeinspritzventil weist einen Aktor auf, welcher unter Federvorspannung im Ventilgehäuse geführt ist und mit einem aus einem Betätigungskörper und einem Kopfteil bestehenden Betätigungsteil zusammenwirkt, wobei das

Kopfteil auf dem Piezoaktor aufliegt und der

Betätigungskörper eine innere Ausnehmung des Aktors durchgreift. Der Betätigungskörper steht mit einer Ventilnadel in Wirkverbindung. Bei einer Betätigung des

Aktors wird die Ventilnadel entgegen der Abspritzrichtung betätigt. Der Aktor und der Betatigungskorper weisen zumindest annähernd die gleiche Lange auf und sind aus einem Keramik aterial bzw. aus einem m Bezug auf die Warmeausdehnung keramikahnlichen Material ausgeführt. Durch die gleichen Langen und Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, z. B. INVAR, wird erreicht, daß sich der Aktor und der Betatigungskorper durch Wärmeeinwirkung gleichmaßig ausdehnen und dadurch keine negative Auswirkung m Bezug auf die Offnungs- und Schließzelten haben. Auch ein unerwünschtes Offnen des Brennstoffeinspritzventils zwischen den Schaltimpulsen wird vermieden.

Nachteilig an dieser Anordnung ist vor allem die eingeschränkte Verwendbarkeit m Systemen, welche großen Temperaturschwankungen unterworfen sind. Die aus der DE 197 02 066 C2 bekannte Anordnung wird bedingt durch das nichtlmeare Verhalten des

Temperaturausdehnungskoeffizienten von Piezokeramiken über den Temperaturverlauf der Aufgabenstellung nicht gerecht. In der Folge treten unprazise Brennstoffzumeßzeiten und -mengen auf.

Von Nachteil ist auch der hohe Fertigungsaufwand, welcher mit relativ hohen Kosten verbunden ist, die insbesondere durch die Wahl der Werkstoffe (z. B. INVAR) bedingt sind.

Vorteile der Erfindung

Das erfmdungsgemaße Brennstoffemspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Temperaturkompensation unabhängig vom Wärmeausdehnungskoeffizienten der Piezokeramik ist. Die Warmeausdehnung wird über Dampfungsglieder mit einem geschwmdigkeitsabhangigen Ubertragungsverhalten für einwirkende Impulse kompensiert und ist damit unabhängig von der Wahl des Materials für Betatigungselement und Ventilgehause. Dadurch wird eine sichere und präzise Arbeitsweise des Brennstoffeinspritzventils gewährleistet.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Die fertigungstechnisch einfache Konstruktion der Bauteile ist vorteilhaft. Insbesondere sind die Kapselung und Vorspannung des Aktors in einem Aktorgehäuse von Vorteil, da die thermische Längenänderung des Aktors nicht durch aufwendige Materialkombinationen kompensiert werden muß, sondern durch eine Vorspannfeder kompensiert wird. Dadurch wird die Gesamtlänge des Aktorgehäuses nicht durch thermische Längenveränderungen beeinflußt. Daher muß durch die Entkoppelung von Aktor und Ventilgehäuse nur noch eine Lageveränderung des Aktorgehäuses relativ zum Ventilgehäuse ausgeglichen werden.

Auch die Kapselung von Rückstellfeder und Dämpfungsglied in einer Ventilhülse ist aufgrund der sich ergebenden kompakten Bauweise vorteilhaft.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils und

Fig. 2 einen axialen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Brennstoffeinspritzventils .

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Fig. 1 zeigt in einer axialen Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Brennstoffeinspritzventils 1. Es handelt sich hierbei um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1.

In einem Aktorgehäuse 2 sind ein ringförmig ausgebildeter Aktor 3 mit einer zentralen Ausnehmung 7, welcher aus scheibenförmigen, piezoelektrischen oder magnetostriktiven Elementen 4 besteht, und eine Vorspannfeder 5 angeordnet. Der Aktor 3 wird durch ein elektronisches Steuergerät über einen nicht dargestellten Steckkontakt betätigt. Zur Vereinfachung ist in Fig. 1 lediglich ein einzelner Anschlußdraht 6 dargestellt.

Das Aktorgehäuse 2 besteht aus einer Hülse 8 und einem Aktorgehäusedeckel 9. Der Aktorgehäusedeckel 9 liegt an einem ersten Ende 10 der Vorspannfeder 5 an. Eine erste Stirnseite 11 des Aktors 3 liegt an einem abspritzseitigen Ende der Hülse 8 an, wobei der Aktor 3 radial von der Hülse 8 umgeben ist. Eine zweite Stirnseite 12 des Aktors 3 und ein zweites Ende 13 der Vorspannfeder 5 stützen sich an einem dazwischenliegenden Mittelflansch 14 ab. Der Aktor 3 wird über die Hülse 8 durch die Vorspannfeder 5 vorgespannt.

Der Mittelflansch 14 ist vorzugsweise durch eine Schweißnaht 15 kraftschlüssig mit einem Betätigungskörper 16 verbunden. Der Betätigungskörper 16 ist in der zentralen Ausnehmung 7 des Aktors 3 angeordnet und steht mit einer Ventilnadel 17 in Verbindung, an welcher ein Ventilschließkörper 18 ausgebildet ist. Bei Abheben des Ventilschließkörpers 18 von einer Ventilsitzfläche 19 wird Brennstoff durch eine in einem Ventilsitzkörper 29 ausgebildete Abspritzöffnung 20 abgespritzt. Der Betätigungskörper 16 stützt sich endseitig an einer Rückstellfeder 21 ab. Der Brennstoff strömt über einen nahe des Dichtsitzes ausgeführten Brennstoffeinlaß 22 eines Ventilgehäuses 23 und über einen Zwischenraum 24 zwischen der Ventilnadel 17 und dem Ventilgehäuse 23 zum Dichtsitz . Zwischen der Hülse 8 des Aktorgehäuses 2 und dem Ventilgehäuse 23 befindet sich an einem ersten Ende 39 des Aktorgehäuses 2 ein erstes ringförmiges Dämpfungsglied 25a. Zwischen dem Aktorgehäusedeckel 9 und dem Ventilgehäuse 23 befindet sich an einem zweiten Ende 40 des Aktorgehäuses 2 ein zweites ringförmiges Dämpfungsglied 25b. Die Dämpfungsglieder 25a, 25b bestehen aus einem Kunststoff, insbesondere aus unvernetztem Silikonkautschuk, welcher sich bei einer hohen Verformungsgeschwindigkeit nahezu statisch verhält und bei einer geringen Verformungsgeschwindigkeit elastisch oder plastisch verfor bar ist. Die Dämpfungsglieder 25a, 25b weisen mechanische Federn 27 auf, deren Dämpfungsverhalten dem Dämpfungsverhalten des Kunststoffes überlagert ist. Der Kunststoff ist vorteilhafterweise in einer Ummantelung 26 gekapselt. Die Dämpfungsglieder 25a, 25b puffern das Aktorgehäuse 2 gegen das Ventilgehäuse 23 ab.

Wird an den Aktor 3 des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 eine elektrische Betätigungsspannung angeschlossen, dehnen sich die scheibenförmigen Elemente 4 des Aktors 3 aus, wodurch der Mittelflansch 14 entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffes bewegt wird. Die Vorspannfeder 5 wird entgegen der bereits vorhandenen Vorspannung weiter zusammengedrückt. Der Ventilschließkörper 18 hebt von der Ventilsitzfläche 19 ab und Brennstoff wird durch die im Ventilsitzkörper 29 ausgebildete Abspritzöffnung 20 abgespritzt.

Durch die hohe Betätigungsfrequenz des Aktors 3 beim Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 in einer Brennkraftmaschine verhalten sich die zwischen dem Ventilgehäuse 23 und dem Aktorgehäuse 2 befindlichen Dämpfungsglieder 25a, 25b wie ein inkompressibler Feststoff, da die Ausdehnung des Aktors 3 bei seiner Betätigung zu schnell erfolgt, als daß die Dämpfungsglieder 25a, 25b zusammengedrückt werden könnten. Die Dämpfungsglieder 25a, 25b verhalten sich nahezu statisch, wodurch der durch die elektrische Betätigungsspannung ausgelöste Impuls auf den Betätigungskörper 16 übertragen wird und sich das Brennstoffeinspritzventil 1 öffnet.

Ein Brennstoffeinspritzventil 1 erfährt beim Betrieb starke Temperaturschwankungen. Zum einen erwärmt sich das ganze Brennstoffeinspritzventil 1 durch den Kontakt zur Brennkammer einer Brennkraftmaschine, zum anderen treten lokale Temperaturveränderungen z. B. durch die Verlustleistung beim Verformen des piezoelektrischen Aktors 3 oder durch elektrische Ladungsbewegung auf. Dies resultiert in einer thermischen Längenverkürzung der scheibenförmigen Elemente 4, da piezoelektrische Keramiken negative Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen, sich also bei Erwärmung zusammenziehen und bei Abkühlung ausdehnen.

Eine derartige Verkürzung des Aktors 3 durch Erwärmung wird innerhalb des Aktorgehäuses 2 durch die Ausdehnung der vorgespannten Vorspannfeder 5 kompensiert. Die Verkürzung des Aktors 3 führt zu einer Verlängerung der Vorspannfeder 5. Da der Mittelflansch 14 über die Schweißnaht 15 an dem Betätigungskörper 16 arretiert ist, resultiert aus der Längenveränderung des Aktors 3 eine Lageveränderung des Aktorgehäuses 2. Diese Lageveränderung des Aktorgehäuses 2 wird durch die Pufferung des Aktorgehäuses 2 innerhalb des Ventilgehäuses 23 durch die Dämfungsglieder 25a, 25b kompensiert, da bei quasistatischen Lageänderungen des Aktorgehäuses 2 relativ zum Ventilgehäuse 23 durch Temperatureinflüsse die Bewegung des Aktorgehäuses 2 so langsam erfolgt, daß die Dämpfungsglieder 25a, 25b elastisch oder plastisch verformt werden.

Fig. 2 zeigt in einer axialen Schnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1. Bereits beschriebene Elemente sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, so daß sich eine wiederholende Beschreibung erübrigt. Der Aktor 3 liegt bei diesem Ausfuhrungsbeispiel an seiner zweiten Stirnseite 12 an einem Aktorgehausedeckel 30 an, an dem sich eine Vorspannfeder 5 abstutzt, welche zwischen dem Aktorgehausedeckel 30 und einem Ventilgehausedeckel 28 eingespannt ist. Der Aktor 3 stutzt sich mit seiner ersten Stirnseite 11 an einem Flansch 31 ab, der durch eine Schweißnaht 32 mit dem Ventilgehause 23 in Wirkverbindung steht. Am Aktorgehausedeckel 30 ist der Betatigungskorper 16 angebracht, der durch die zentrale Ausnehmung 7 des Aktors 3 hindurchgefuhrt ist.

Der Betatigungskorper 16 ragt endseitig in eine Ventilhulse 33 hinein. In der Ventilhulse 33 sind eine Ruckstellfeder 21 und ein Dampfungsglied 25 so gekapselt, daß sich die Ruckstellfeder 21 und das Dampfungsglied 25 an einem dazwischenliegenden Ventilnadelflansch 34 abstutzen. Die Ruckstellfeder 21 ist zwischen einer Deckplatte 38 der Ventilhulse 33 und dem Ventilnadelflansch 34 eingespannt. Der Ventilnadelflansch 34 ist mit der Ventilnadel 17 einteilig ausgebildet, welche durch eine Ausnehmung 35 in einer Grundplatte 37 der Ventilhulse 33 ragt. Die Ventilnadel 17 ist durch eine Ventilnadelfuhrung 36 gefuhrt. Den Abschluß der Ventilnadel 17 bildet der Ventilschließkorper 18, der mit der Ventilsitzflache 19 einen Dichtsitz bildet. Der Brennstoff wird über einen seitlichen Brennstoffeinlaß 22 zugeführt und strömt über einen Zwischenraum 24 zwischen der Ventilnadel 17 und dem Ventilgehause 23 zum Dichtsitz. Im Ventilsitzkorper 29 ist mindestens eine Abspritzoffnung 20 ausgebildet.

Wird dem Aktor 3 des erfindungsgemaßen Brennstoffeinspritzventils 1 eine elektrische Aktivierungsspannung zugeführt, dehnen sich die piezoelektrischen Elemente 4 des Aktors 3 aus. Da der Aktor 3 mit seiner ersten Stirnseite 11 an dem Flansch 31 anliegt, der über die Schweißnaht 32 fest mit dem Ventilgehause 23 verbunden ist, dehnt er sich m Hubrichtung aus und nimmt den Betatigungskorper 16 m Hubrichtung mit. Der mit der Ventilhulse 33 m Wirkverbindung stehende Betatigungskorper 16 nimmt dann bedingt durch das harte Ubertragungsverhalten des Dampfungsgliedes 25 über den Ventilnadelflansch 34 die Ventilnadel 17 mit und öffnet dadurch das Brennstoffemspritzventil 1.

Das harte Ubertragungsverhalten des Dampfungsgliedes 25 ist durch die hohe Schaltgeschwindigkeit des Aktors 3 bedingt. Die Bewegung des Betatigungskorpers 16 erfolgt bei Betätigung des Aktors 3 so schnell, daß sich das Dampfungsglied 25 wie ein mkompressibler Feststoff verhalt und den Impuls auf den Ventilnadelflansch 34 und die Ventilnadel 17 übertragt. Das Brennstoffemspritzventil 1 unterliegt ledoch auch einer Warmeausdehnung. Bei dieser langsam verlaufenden Langenveranderung des Aktors 3 zeigt das Dampfungsglied 25 ein weiches Ubertragungsverhalten. Bei einer Verschiebung des Betatigungskorpers 16 durch eine quasistatische thermische Langenanderung des Aktors 3 wird die Bewegung durch das Dampfungsglied 25 kompensiert, indem das Dampfungsglied 25 komprimiert wird und der Ventilschließkorper 18 über den Ventilnadelflansch 34 durch die Vorspannfeder 5 an die Ventilsitzflache 19 gepreßt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausfuhrungsbeispiele beschrankt, sondern auch bei einer Vielzahl anderer Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen 1 realisierbar.

Claims

Ansprüche

1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (3) und einem von dem Aktor (3) mittels einer Ventilnadel (17) betätigbaren

Ventilschließkorper (18), der mit einer Ventilsitzfläche

(19) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Dämpfungsglied (25; 25a, 25b) mit einem Feststoff vorhanden ist, welcher sich bei einer hohen Verformungsgeschwindigkeit nahezu statisch verhält und bei einer geringen Verformungsgeschwindigkeit elastisch oder plastisch verformbar ist.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff des Dämpfungsglieds (25; 25a, 25b) aus einem Kunststoff, insbesondere aus unvernetztem Silikonkautschuk, besteht.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied (25; 25a, 25b) eine mechanische Feder (27) aufweist, deren Dämpfungsverhalten dem Dämpfungsverhalten des Kunststoffes überlagert ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine erste Stirnseite (11) des Aktors (3) an einer Hülse (8) abstützt, eine Vorspannfeder (5) mit einem ersten Ende (10) an einem die Hülse (8) zu einem Aktorgehäuse (2) abschließenden Aktorgehäusedeckel (9) anliegt und sich eine zweite Stirnseite (12) des Aktors (3) und ein zweites Ende (13) der Vorspannfeder (5) an einem Mittelflansch (14) abstützen.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorgehäuse (2) mit dem darin enthaltenen Aktor (3) und der Vorspannfeder (5) eine konstante Länge aufweist und sich mit einem ersten Ende (39) über ein erstes ringförmiges Dämpfungsglied (25a) und mit einem zweiten Ende (40) über ein zweites ringförmiges Dämpfungsglied (25b) an einem Ventilgehäuse (23) abstützt.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (17) vorzugsweise über eine Schweißnaht (15) mit dem Mittelflansch (14) in Verbindung steht.

7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Aktor (3) mit einer ersten Stirnseite (11) an einem Flansch (31) und mit seiner zweiten Stirnseite (12) an einer Deckplatte (30) abstützt.

8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (31) vorzugsweise über eine Schweißnaht (32) mit einem Ventilgehause (23) in Verbindung steht.

9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betätigungskörper (16), der sich endseitig an der Deckplatte (30) abstützt, über eine Ventilhülse (33) in Wirkverbindung mit der Ventilnadel (17) steht.

10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ventilhülse (33) eine Rückstellfeder (21) und ein Ventilnadelflansch (34) der Ventilnadel (17) gekapselt sind, wobei zwischen dem Ventilnadelflansch (34) und einer Grundplatte (37) der Ventilhülse (33) ein Dämpfungsglied (25) angeordnet ist und die Rückstellfeder (21) zwischen dem Ventilnadelflansch (34) und einer Deckplatte (38) der Ventilhülse (33) eingespannt ist.

11. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Grundplatte (37) der Ventilhülse (33) eine

Ausnehmung (35) befindet, durch welche sich die Ventilnadel

(17) erstreckt.

12. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (3) ringförmig mit einer zentralen Ausnehmung (7) ausgebildet ist, durch welche sich ein auf die

Ventilnadel (17) einwirkender Betätigungskörper (16) erstreckt.