WO2005116440A1 - Einspritzventil - Google Patents

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WO2005116440A1
WO2005116440A1 PCT/EP2005/051982 EP2005051982W WO2005116440A1 WO 2005116440 A1 WO2005116440 A1 WO 2005116440A1 EP 2005051982 W EP2005051982 W EP 2005051982W WO 2005116440 A1 WO2005116440 A1 WO 2005116440A1
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WO
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injector housing
recess
injection valve
injector
leakage
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Application number
PCT/EP2005/051982
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French (fr)
Inventor
Christian Hauser
Heinz Lixl
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M61/166—Selection of particular materials
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    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention relates to an injection valve, in particular an injection valve for metering fuel into an internal combustion engine.
  • an injection valve is known with an injector housing which has a recess.
  • a piezo actuator is also assigned to the injection valve, which is arranged in the recess of the injector housing and which comprises a stack of piezoelectric elements.
  • the piezo Actuator is inserted into a tubular spring, which is firmly connected at its axial ends to caps, by means of which a preload force caused by the tubular spring is introduced into the stack of piezoelectric elements.
  • Two bellows are arranged in the recess of the injector housing, which ensure that the piezoelectric actuator does not come into contact with fuel.
  • the injector housing which is regularly made of steel, and the stack of piezoelectric elements have significantly different coefficients of thermal expansion.
  • the injection valve When the injection valve is used in an internal combustion engine, the injection valve must be able to be operated at very different temperatures, and relatively rapid changes in temperature can also occur during operation.
  • the object of the invention is to provide an injection valve in which reliable operation is ensured over a wide temperature range.
  • the invention is characterized by an injection valve with an injector housing, which has a recess, with a piezo actuator, which is arranged in the recess of the injector housing and which comprises a stack of piezoelectric elements and a thermal compensation element.
  • a fluid can be introduced into the recess of the injector housing during the operation of the injection valve in such a way that the thermal compensation element is thermally coupled to the injector housing.
  • the injector housing is designed accordingly.
  • the thermal compensation element can be designed in a simple manner. For example, it can simply be a block, the length and coefficient of thermal expansion of which is selected as a function of the length of the stack of the piezo elements and the coefficient of thermal expansion of the injector housing.
  • the block is particularly suitable made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the injection valve has a switching valve which is driven by the piezo actuator. Furthermore, a leakage space is provided, into which the switching valve controls a leakage fluid depending on its switching position.
  • the leakage space is hydraulically coupled to a gap between the compensating element and a wall of the recess in the injector housing. In this way, a fluid, that is to say the leakage fluid, can be introduced into the recess during the operation of the injection valve in such a way that the compensating element is thermally coupled to the injector housing.
  • the leakage fluid in the leakage space is only under a low pressure.
  • a leakage hole is provided in the injector housing, which can be hydraulically coupled to a low-pressure circuit and which opens into the gap.
  • the leakage hole can be made short in this way and is so inexpensive to manufacture. len.
  • the gap can simultaneously replace the leakage hole at least in a partial area of its axial recess.
  • the leakage hole can be hydraulically coupled to a low-pressure circuit.
  • the leakage hole opens into the leakage space.
  • a so-called dead volume is created in the area of the gap, that is to say the leakage fluid penetrates here.
  • there is only a slight flow movement. In this way, a very good heat balance between the thermal compensation element and the injector housing is guaranteed.
  • a high-pressure bore for supplying fuel is provided in the injector housing and can be hydraulically coupled to the gap between the thermal compensating element and the wall of the recess in the injector housing.
  • the invention is characterized by an injection valve with an injector housing, which has a recess, with a piezo actuator, which is arranged in the recess of the injector housing and which comprises a stack of piezoelectric elements and a compensating element.
  • a gap between the thermal compensation element and a wall of the recess of the injector housing is filled with a filler material that has a high thermal conductivity.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an injection valve
  • Figure 2 shows a second embodiment of an injection valve
  • Figure 3 shows a third embodiment of the injection valve.
  • An injection valve (FIG. 1) has an injector housing 1 which has a recess 2 in the injector housing 1.
  • a piezo actuator 4 is inserted into the recess 2 and is coupled to a transmitter 6.
  • the transmitter 6 is arranged in a leakage space 8.
  • a switching valve 10, which is preferably designed as a servo valve, is arranged in such a way that, depending on its switching position, it controls a leakage fluid, which in this embodiment is preferably the fuel.
  • the switching valve is coupled to the piezo actuator 4 via the transformer 6 and is driven by it, that is to say the switching position of the switching valve 10 is set by means of the piezo actuator 4.
  • the switching valve 10 is arranged in a valve plate 12.
  • the injection valve further comprises a needle guide body 14 and a nozzle body 16.
  • the valve plate 12, the needle guide body 14 and the nozzle body 16 form a nozzle assembly which is fastened to the injector housing 1 by means of a nozzle clamping nut 18.
  • the needle guide body 14 has a recess 20 which is continued as a recess 22 of the nozzle body 16 in the nozzle body 16 and in which a nozzle needle 24 is arranged.
  • the nozzle needle 24 is guided into the needle guide body 14.
  • a nozzle spring 26 biases the nozzle needle 24 into a closed position in which it prevents fuel flow through an injection nozzle 28.
  • a control chamber 30 is formed, which is hydraulically coupled to a high-pressure bore 32 (FIG. 2) via an inlet throttle. If the switching valve 10 is in its closed position, the control chamber 30 is hydraulically decoupled from the leakage chamber 8. This has the consequence that after the switching valve 10 is closed, the pressure in the control chamber 30 essentially adjusts to the pressure in the high-pressure bore 32.
  • the high-pressure bore 32 is hydraulically coupled to a high-pressure fuel reservoir and is thus supplied with fuel under a pressure of, for example, up to 2000 bar.
  • a pressure in the closing direction of the nozzle needle 24 is exerted on an end face of the nozzle needle 24 via the control chamber 30 due to the fluid pressure in the control chamber 30.
  • the nozzle needle 24 furthermore has a shoulder axially spaced apart from its end face, which is acted upon by fluid that flows through the high-pressure bore 32 in such a way that an opening force acts on the nozzle needle 24. In its open position, the nozzle needle 24 releases the fuel flow through the injection nozzle 28. Whether the nozzle needle 24 is in its open position or in its rer closed position depends on whether the force caused at the shoulder of the nozzle needle 24 by the pressure of the fluid there is greater or less than the force caused by the nozzle spring 26 and the pressure acting on the end face of the nozzle needle 24 is caused.
  • the switching valve 10 If the switching valve 10 is in its open position, fluid flows from the control chamber 30 through the switching valve 10 into the leakage chamber 8. With a suitable dimensioning of the inlet throttle, the pressure in the control chamber 30 then drops, which ultimately leads to a movement of the nozzle needle into its open position , The pressure of the fluid in the leakage space 8 is significantly lower than the pressure of the fluid in the high pressure bore.
  • the piezo actuator 4 comprises a stack 34 of piezoelectric elements and a compensating element 36, which is preferably designed as a block made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the stack of piezoelectric elements 34 and the compensating element 36 are introduced into a tubular spring 40.
  • the tubular spring 40 is welded at its one axial end to a first cap, which can optionally be designed as the transmitter 6.
  • the tubular spring 40 is welded to a fixing element 38.
  • the tubular spring 40 is under a predetermined prestress and thus prestresses the stack of the piezoelectric elements with a predeterminable force.
  • the fixing element 38 is preferably positively connected to the injector housing 1, in particular caulked.
  • the gap 41 is hydraulically coupled to the leakage space 8.
  • the fluid which is located in the leakage space 8 thus flows into the gap 41 and fills the space between the piezo actuator 4, in particular between the tubular spring 40, and the wall of the recess 2 of the injector housing 1.
  • the decisive factor is that the fluid compensates the thermal compensation element 36 thermally well with the injector housing 1.
  • the tubular spring 40 can be designed differently. For example, it can have larger recesses in the region of the thermal compensation element 36. The fluid located in the gap 41 then also flows into these recesses and can either be in direct contact with the thermal compensating element 36 or indirectly in contact with the thermal compensating element 36 if this is coated, for example, with a protective layer. At least the stack 34 of piezoelectric elements is preferably coated with a protective layer which protects the piezoelectric elements from chemical damage which can be caused by a chemically aggressive fluid. This is particularly important if the injection valve is used for metering fuel and the fluid is fuel, for example diesel fuel or gasoline fuel. Diesel and petrol fuels are aggressive chemicals. In this context, it can be advantageous for the manufacture of the piezo actuator if both the stack 34 of the piezoelectric elements and the thermal compensation element 36 are coated with the protective layer.
  • the thermal compensating element has a coefficient of thermal expansion and an axial length, which are selected so that at a same temperature of thermal expansion same elements 36 and the injector housing 1, the axial expansion of the piezo actuator 4 changes in the same way as the axial expansion of the injector housing 1 when the temperature changes.
  • the fluid is also located in the region of the gap 41, which extends axially along the region in which the stack 34 of the piezoelectric elements is arranged, a good thermal coupling can also be established between the stack 34 of the piezoelectric elements and the injector housing 1 are and so the thermal expansion behavior of the piezo actuator 4 is more precisely adapted to the thermal expansion behavior of the injector housing 1.
  • a precise adaptation of the thermal expansion behavior of the piezo actuator 4 to that of the injector housing 1 can ensure that an idle stroke of the piezo actuator 4 remains the same regardless of the temperature.
  • the idle stroke is the stroke that the piezo actuator 4 has to perform before it contacts a contact surface of the switching valve 10 with its transmitter 6, specifically from a predeterminable initialization state of the piezo actuator 4, which can be characterized in that the stack 36 piezo - electrical elements, for example, no electrical charge is supplied.
  • a leakage bore 42 which can be coupled hydraulically to a low-pressure circuit of the internal combustion engine, opens into the gap 41.
  • it preferably opens relatively far axially spaced from the leakage space 8 into the gap 41 most distant end of the thermal compensation element 36 open into the gap 41.
  • the gap 41 then also takes over the function of the leakage bore 42 in the area between the leakage space 8 and the mouth of the leakage bore 42, that is to direct the fluid from the leakage space 8 to the low-pressure circuit of the internal combustion engine.
  • the second embodiment of the injection valve differs from the first embodiment in that the leakage bore 42 opens into the leakage space 8.
  • the gap 41 thus forms a dead volume for the fluid that flows from the leakage space 8 into the gap 41.
  • the consequence of this is that the flow velocity of the fluid in the leakage space 8 is very low and thus a very good temperature compensation between the piezo actuator 4, in particular the thermal compensation element and the injector housing 1, can be ensured.
  • the third embodiment of the injector differs from the first and second embodiments in that the gap 41 is filled with a filling material 44 which is in a solid or at least gel-like state and has good thermal conductivity properties.
  • the filling material has the required elastic zity to compensate for linear expansion of the piezo actuator.
  • the transmitter 6 is preferably tightly connected to an axial end of a bellows, which is connected to a sealing ring at its other axial end, and thus hydraulically separates the leakage space 8 from the piezo actuator 4, in particular the stack 34 of the piezoelectric elements decouple.
  • a protective layer can thus be omitted, which protects the stack 34 of piezoelectric elements from chemically aggressive media.
  • the gap 41 can also be hydraulically coupled to the high pressure bore 32, which then has the consequence that the fluid flows from the high pressure bore 32 into the gap 41 and in this way thermal coupling of the piezo actuator 4, in particular of the thermal compensating element 36 the injector housing 1 guaranteed.

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Abstract

Ein Einspritzventil hat ein Injektorgehäuse (1), das eine Ausnehmung (2) aufweist. Es hat ferner einen Piezo-Aktuator (4), der in der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) angeordnet ist und der einen Stapel (34) piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichselement (36) umfasst. Ein Fluid ist während des Betriebs des Einspritzventils derart in die Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) einbringbar, dass das thermische Ausgleichselement (36) thermisch mit dem Injektorgehäuse (1) gekoppelt ist. Ebenso kann ein Spalt zwischen dem thermischen Ausgleichselement und einer Wandung der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) mit einem Füllmaterial ausgefüllt sein, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.

Description

Einspritzventil
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere ein Einspritzventil zum Zumessen von Kraftstoff in eine Brennkraf maschine.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff- Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoffgemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel- Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch mit einem Piezo-Aktuator. Derartige Einspritzventile zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzeiten des als Stellantrieb ausgebildeten Piezo-Aktuators . Sie ermöglichen so gegebenenfalls auch mehrfache Einspritzungen während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine .
Aus der EP 1 111 230 A ist ein Einspritzventil bekannt mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist. Dem Einspritzventil ist ferner ein Piezo-Aktuator zugeordnet, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente umfasst. Der Piezo- Aktuator ist in eine Rohrfeder eingebracht, die an ihren axialen Enden mit Kappen fest verbunden ist, über die eine Vorspannungskraft hervorgerufen durch die Rohrfeder in den Stapel piezoelektrischer Elemente eingeleitet wird. In der Ausnehmung des Injektorgehäuses sind zwei Faltenbalge angeordnet, die gewährleisten, dass der piezoelektrische Aktuator nicht mit Kraftstoff in Kontakt kommt.
Das Injektorgehäuse, das regelmäßig aus Stahl hergestellt ist und der Stapel piezoelektrischer Elemente weisen erheblich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Bei einem Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine muss das Einspritzventil bei sehr unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden können und während des Betriebs können auch relativ schnelle Änderungen der Temperatur auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, bei dem in einem weiten Temperaturbereich ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten Aspekts aus durch ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist, mit einem Piezo-Aktuator, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichselement umfasst. Ein Fluid ist während des Betriebs des Einspritzventils derart in die Ausnehmung des Injektorgehäuses einbringbar, dass das thermische Ausgleichselement thermisch mit dem Injektorgehäuse gekoppelt ist. Zu diesem Zweck ist das Injektorgehäuse entsprechend ausgebildet. Das thermische Ausgleichselement kann so einfach ausgebildet sein. Es kann zum Beispiel einfach ein Block sein, dessen Länge und thermischer Ausdehnungskoeffizient abhängig von der Länge des Stapels der Piezoelemente und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Injektorgehäuses gewählt ist. Besonders geeignet besteht der Block aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Durch das Fluid ist dann während des Betriebs des Einspritzventils gewährleistet, dass Temperaturunterschiede zwischen dem thermischen Ausgleichselement und dem Injektorgehäuse minimiert sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat das Einspritzventil ein Schaltventil, das durch den Piezo- Aktuator angetrieben wird. Ferner ist ein Leckageraum vorgesehen, in den das Schaltventil abhängig von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid absteuert. Der Leckageraum ist hydraulisch gekoppelt mit einem Spalt zwischen dem Ausgleichselement und einer Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses. Auf diese Weise kann besonders einfach ein Fluid, also das Leckagefluid, während des Betriebs des Einspritzventils so in die Ausnehmung eingebracht werden, dass das Ausgleichselement thermisch mit dem Injektorgehäuse gekoppelt ist. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass das Leckagefluid in dem Leckageraum nur unter einem geringen Druck steht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Leckagebohrung in dem Injektorgehäuse vorgesehen, die hydraulisch koppelbar ist mit einem Niederdruckkreislauf und die in den Spalt mündet . Die Leckagebohrung kann auf diese Weise kurz ausgebildet sein und ist so günstig herzustel- len. Darüber hinaus kann so der Spalt gleichzeitig die Leckagebohrung zumindest in einem Teilbereich seiner axialen Ausnehmung ersetzen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Leckagebohrung hydraulisch koppelbar mit einem Niederdruckkreislauf. Die Leckagebohrung mündet in den Leckageraum. Auf diese Weise entsteht ein sogenanntes Totvolumen im Bereich des Spaltes, das heißt das Leckagefluid dringt hier ein. Es herrscht jedoch nur eine geringe Strömungsbewegung. Auf diese Weise ist dann ein sehr guter Wärmeausgleich zwischen dem thermischen Ausgleichselement und dem Injektorgehäuse gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Injektorgehäuse eine Hochdruckbohrung zum Zuführen von Kraftstoff vorgesehen, die mit dem Spalt zwischen dem thermischen Ausgleichselement und der Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses hydraulisch koppelbar ist.
Gemäß eines weiteren Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist, mit einem Piezo-Aktuator, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente und ein Ausgleichselement umfasst. Ein Spalt zwischen dem thermischen Ausgleichselement und einer Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses ist mit einem Füllmaterial aufgefüllt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Auf diese Weise kann eine gute thermische Kopplung zwischen dem thermischen Ausgleichselement und dem Injektorgehäuse gewährleistet werden und gleichzeitig auf eine Abdichtung des Stapels der piezoelektrischen Elemente, die in dem Piezo-Aktuator angeordnet sind, gegenüber aggressiven Medien verzichtet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Einspritzventils,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform eines Einspritzventils und
Figur 3 eine dritte Ausführungsform des Einspritzventils.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein Einspritzventil (Figur 1) hat ein Injektorgehäuse 1, das eine Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 aufweist. In die Ausnehmung 2 ist ein Piezo-Aktuator 4 eingesetzt, der mit einem Übertrager 6 gekoppelt ist. Der Übertrager 6 ist in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10, das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so angeordnet, dass es abhängig von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid, das in dieser Ausführungsform bevorzugt der Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit dem Piezo-Aktuator 4 gekoppelt und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo-Aktuators 4 eingestellt.
Das Schaltventil 10 ist in einer Ventilplatte 12 angeordnet. Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelführungskörper 14 und einen Düsenkörper 16. Die Ventilplatte 12, der Nadelführungskörper 14 und der Düsenkörper 16 bilden eine Düsen- baugruppe, die mittels einer Düsenspannmutter 18 an dem Injektorgehäuse 1 befestigt ist.
Der Nadelführungskörper 14 hat eine Ausnehmung 20, die als Ausnehmung 22 des Düsenkörpers 16 in dem Düsenkörper 16 fortgesetzt ist und in der eine Düsennadel 24 angeordnet ist. Die Düsennadel 24 ist in den Nadelführungskörper 14 geführt. Eine Düsenfeder 26 spannt die Düsennadel 24 in eine Schließposition vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch eine Einspritzdüse 28 unterbindet.
An dem axialen Ende der Düsennadel 24, das hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel mit einer Hochdruckbohrung 32 (Figur 2) hydraulisch gekoppelt ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließstellung, so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem Schließen des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im wesentlichen dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht. Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispielsweise bis zu 2000 bar versorgt. Über den Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf eine Stirnfläche der Düsennadel 24 ein Druck in Schließrichtung der Düsennadel 24 ausgeübt. Die Düsennadel 24 weist ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart beaufschlagt wird, dass eine öffnend wirkende Kraft auf die Düsennadel 24 wirkt. In ihrer Offenstellung gibt die Düsennadel 24 einen den Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28 frei. Ob die Düsennadel 24 sich in ihrer Offenstellung oder in ih- rer Schließstellung befindet hängt davon ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird größer oder kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den auf die Stirnfläche der Düsennadel 24 einwirkenden Druck hervorgerufen wird.
Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Offenstellung so strömt Fluid von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30, was schließlich zu einer Bewegung der Düsennadel in ihre Offenstellung führt. Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung.
Der Piezo-Aktuator 4 umfasst einen Stapel 34 piezoelektrischer Elemente und ein Ausgleichselement 36, das bevorzugt als ein Block aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist. Der Stapel piezoelektrischer Elemente 34 und das Ausgleichselement 36 sind in eine Rohrfeder 40 eingebracht. Die Rohrfeder 40 ist an ihrem einen axialen Ende mit einer ersten Kappe verschweißt, die gegebenenfalls als der Übertrager 6 ausgebildet sein kann. An ihrem anderen axialen Ende ist die Rohrfeder 40 mit einem Fixierelement 38 verschweißt. Die Rohrfeder 40 steht unter einer vorgegebenen Vorspannung und spannt so den Stapel der piezoelektrischen Elemente mit einer vorgebbaren Kraft vor. Das Fixierelement 38 ist bevorzugt mit dem Injektorgehäuse 1 formschlüssig verbunden, insbesondere verstemmt.
Zwischen der Oberfläche der Rohrfeder 40 und der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 befindet sich ein Spalt 41. Der Spalt 41 ist hydraulisch mit dem Leckageraum 8 gekoppelt. Das Fluid, das sich in dem Leckageraum 8 befindet, strömt so in den Spalt 41 und füllt den Zwischenraum zwischen dem Piezo- Aktuator 4, insbesondere zwischen der Rohrfeder 40, und der Wandung der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 aus. Maßgeblich ist, dass durch das Fluid das thermische Ausgleichselement 36 thermisch gut mit dem Injektorgehäuse 1 gekoppelt ist.
Die Rohrfeder 40 kann unterschiedlich ausgebildet sein. So kann sie zum Beispiel im Bereich des thermischen Ausgleichselements 36 größere Ausnehmungen aufweisen. Das in dem Spalt 41 befindliche Fluid strömt dann auch in diese Ausnehmungen und kann entweder direkt in Kontakt sein mit dem thermischen Ausgleichselement 36 oder auch mittelbar mit dem thermischen Ausgleichselement 36 in Kontakt sein, wenn dieses beispielsweise mit einer Schutzschicht überzogen ist. Bevorzugt ist zumindest der Stapel 34 piezoelektrischer Elemente mit einer Schutzschicht überzogen, die die^piezoelektrischen Elemente schützt vor chemischen Beschädigungen, die durch ein chemisch aggressives Fluid hervorgerufen werden können. Dies ist insbesondere wesentlich, wenn das Einspritzventil zum Zumessen von Kraftstoff eingesetzt wird und das Fluid Kraftstoff, so zum Beispiel Diesel-Kraftstoff oder Benzin-Kraftstoff ist. Diesel- und Benzin-Kraftstoffe sind chemische aggressive Medien. Es kann in diesem Zusammenhang für die Herstellung des Piezo-Aktuators vorteilhaft sein, wenn sowohl der Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente als auch das thermische Ausgleichselement 36 mit der Schutzschicht überzogen sind.
Das thermische Ausgleichselement hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine axiale Länge, die so gewählt sind, dass bei einer gleichen Temperatur des thermischen Aus- gleichselements 36 und des Injektorgehäuses 1 sich die axiale Ausdehnung des Piezo-Aktuators 4 bei Temperaturänderungen genauso verändert wie die axiale Ausdehnung des Injektorgehäuses 1.
Für ein gleichbleibendes Schaltverhalten des Piezo-Aktuators 4 muss somit zusätzlich gewährleistet sein, dass Temperaturunterschiede zwischen dem thermischen Ausgleichselement 36 und dem Injektorgehäuse 1 minimiert sind. Dies wird äußerst wirkungsvoll erreicht durch das Fluid, das den Spalt 41 ausfüllt und so das Ausgleichselement 36 thermisch mit dem Injektorgehäuse 1 koppelt.
Wenn das Fluid sich auch in dem Bereich des Spalts 41 befindet, der sich axial entlang des Bereichs erstreckt, in dem der Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente angeordnet ist kann auch hier eine gute thermische Kopplung zwischen dem Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente und dem Injektorgehäuse 1 hergestellt werden und so das thermische Ausdehnungsverhalten des Piezo-Aktuators 4 noch präziser an das thermische Ausdehnungsverhalten des Injektorgehäuses 1 angepasst werden.
Durch eine präzise Anpassung des thermischen Ausdehnungsverhaltens des Piezo-Aktuators 4 an das des Injektorgehäuses 1 kann gewährleistet werden, dass ein Leerhub des Piezo- Aktuators 4 unabhängig von der Temperatur gleich bleibt. Der Leerhub ist der Hub, den der Piezo-Aktuator 4 vollbringen muss bevor er mit seinem Übertrager 6 eine Kontaktfläche des Schaltventils 10 kontaktiert und zwar heraus aus einem vorgebbaren Initialisierungszustand des Piezo-Aktuators 4, der dadurch gekennzeichnet sein kann, dass dem Stapel 36 piezo- elektrischer Elemente zum Beispiel keine elektrische Ladung zugeführt ist.
Eine Leckagebohrung 42, die hydraulisch koppelbar ist mit einem Niederdruckkreislauf der Brennkraftmaschine mündet in den Spalt 41. Sie mündet in der Ausführungsform des Einspritzventils gemäß Figur 1 bevorzugt relativ weit axial beabstandet zu dem Leckageraum 8 in den Spalt 41. Sie kann beispielsweise im Bereich des axial am weitesten beabstandeten Endes des thermischen Ausgleichselement 36 in den Spalt 41 münden. Auf diese Weise übernimmt der Spalt 41 dann in dem Bereich zwischen dem Leckageraum 8 und der Mündung der Leckagebohrung 42 auch die Funktion der Leckagebohrung 42, also das Fluid vom Leckageraum 8 hin zu dem Niederdruckkreis der Brennkraftmaschine zu leiten.
Die zweite Ausführungsform des Einspritzventils (Figur 2) unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Leckagebohrung 42 in den Leckageraum 8 mündet. Der Spalt 41 bildet so ein Totvolumen für das Fluid, das aus dem Leckageraum 8 in den Spalt 41 strömt. Dies hat zur Folge, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in dem Leckageraum 8 sehr gering ist und somit ein sehr guter Temperaturausgleich zwischen dem Piezo-Aktuator 4, insbesondere dem thermischen Ausgleichselement und dem Injektorgehäuse 1 gewährleistet werden kann.
Die dritte Ausführungsform des Injektors unterscheidet sich von der ersten und zweiten Ausführungsform dadurch, dass der Spalt 41 durch ein Füllmaterial 44 ausgefüllt ist, das sich in einem festen oder zumindest gelartigen Zustand befindet und gute Wärmeleiteigenschaften hat. Darüber hinaus ist es wesentlich, dass das Füllmaterial eine erforderliche Elasti- zität aufweist, um Längenausdehnungen des Piezo-Aktuators zu kompensieren .
Bei der dritten Ausführungsform des Einspritzventils ist der Übertrager 6 bevorzugt dicht mit einem axialen Ende eines Faltenbalgs verbunden der an seinem anderen axialen Ende mit einem Dichtring verbunden ist und so den Leckageraum 8 hydraulisch von dem Piezo-Aktuator 4, insbesondere dem Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente entkoppeln. In diesem Fall kann somit eine Schutzschicht entfallen, die den Stapel 34 piezoelektrischer Elemente vor chemisch aggressiven Medien schützt.
Alternativ kann der Spalt 41 auch hydraulisch mit der Hochdruckbohrung 32 gekoppelt sein, was dann zur Folge hat das das Fluid aus der Hochdruckbohrung 32 in den Spalt 41 strömt und auf diese Weise eine thermische Kopplung des Piezo- Aktuators 4, insbesondere des thermischen Ausgleichselement 36 mit dem Injektorgehäuse 1 gewährleistet.

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzventil
- mit eine Injektorgehäuse (1), das eine Ausnehmung (2) aufweist,
- mit einem Piezo-Aktuator (4), der in der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) angeordnet ist und der einen Stapel (34) piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichselement (36) umfasst, wobei ein Fluid während des Betrieb des Einspritzventils derart in die Ausnehmung (2) des Injektorgehäuse (1) einbringbar ist, dass das thermische Ausgleichselement (36) thermisch mit dem Injektorgehäuse (1) gekoppelt ist.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1,
- mit einem Schaltventil (10) , das durch den Piezo-Aktuator (4) angetrieben wird,
- mit einem Leckageraum (8) in den das Schaltventil (10) abhängig von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid absteuert,
- bei dem der Leckageraum (8) hydraulisch gekoppelt ist mit einem Spalt (41) zwischen dem thermischen Ausgleichselement (36) und einer Wandung der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) .
3. Einspritzventil nach Anspruch 2, bei dem eine Leckagebohrung (42) , die hydraulisch koppelbar ist mit einem Niederdruckkreislauf, in den Spalt (41) mündet.
4. Einspritzventil nach Anspruch 2, bei dem eine Leckagebohrung (42) , die hydraulisch koppelbar ist mit einem Niederdruckkreislauf, in den Leckageraum (8) mündet.
5. Einspritzventil nach Anspruch 1, mit einer Hochdruckbohrung (32) in dem Injektorgehäuse (1) zum Zuführen von Kraftstoff, die mit dem Spalt (41) zwischen dem thermischen Ausgleichselement (36) und der Wandung der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) hydraulisch koppelbar ist.
6. Einspritzventil
- mit einem Injektorgehäuse (1) , das eine Ausnehmung (2) aufweist,
- mit einem Piezo-Aktuator (4), der in der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) angeordnet ist und der einen Stapel (34) piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichselement (36) umfasst,
- bei dem ein Spalt (41) zwischen dem thermischen Ausgleichselement (36) und einer Wandung der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) mit einem Füllmaterial (44) ausgefüllt ist, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
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