WO2016058969A1 - Einspritzventil zum einspritzen von fluid in einen brennraum einer brennkraftmaschine - Google Patents

Einspritzventil zum einspritzen von fluid in einen brennraum einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2016058969A1
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valve
piston
injection valve
fluid
actuator
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PCT/EP2015/073512
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Wendelin KLÜGL
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • 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

Definitions

  • Injection valve for injecting fluid into a combustion chamber of an internal combustion engine
  • the invention relates to an injection valve for injecting fluid into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • An object of the invention is to describe an injection valve which enables reliable and precise operation.
  • an injection valve for injecting fluid into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the injection valve has an injector body with a fluid inlet and a fluid outlet.
  • the injection valve has a nozzle body with a hydraulically coupled to the fluid inlet recess in which a nozzle needle is arranged axially movable.
  • the nozzle needle prevents fluid flow through an injection opening of the nozzle body in a closed position and otherwise releases it.
  • the injection valve has a control chamber, which is hydraulically coupled to the fluid inlet and the nozzle needle.
  • the injection ⁇ valve also has a control valve with a valve body and a valve chamber. The valve chamber is hydraulically coupled to the control room.
  • the valve chamber can be hydraulically coupled to the fluid outlet.
  • an actuator is provided, which is coupled via two axially movably guided pistons with the valve body for actuating the control valve. Between both pistons is limited a volume which is coupled via a sealing gap hyd ⁇ raulisch with the fluid flow such that the sealing gap during dynamic operation of the injection valve substantially prevents fluid communication between the volume and the fluid flow.
  • a first Fe ⁇ derelement is arranged, which in each case exerts a force on both pistons, so that the first piston against the actuator and the second piston are pressed in the direction of the valve body.
  • the first spring element pushes apart the two pistons. As a result, the first piston is always pressed against the actuator and thus is in a direct mechanical
  • the injection valve contributes to the fact that, for example, not to lose up to 20 ym stroke to actuate the valve body.
  • a lower total actuator stroke and a lower drive energy of the actuator are contributed.
  • the length changes arise, for example, due to different heat sinks and heat sources, polarization changes and / or wear of the actuator. This prevents, for example, that the control valve is open when the actuator is not activated.
  • the sealing gap is dimensioned such that during the dynamic operation of the injection valve, a fluid exchange between the volume and the fluid outlet is prevented, in particular essentially prevented. In other words, the power transmission is almost stiff.
  • the hydraulic clearance compensation also contributes to high injection accuracy and precise controllability of the injection valve. In particular, an injection quantity of the fluid, which depends on the movement of the nozzle needle, can be controlled particularly well.
  • the described embodiment of the injector contributes, inter alia, to the fact that a sealing membrane for sealing the actuator or an actuator chamber around the actuator can be avoided. In this case, however, a sealing of the actuator to fluid must be ensured, which can be realized for example by means of a Wel ⁇ lenfeder, which is arranged around the actuator. Furthermore, it is possible to dispense with an invar sleeve, by means of which the changes in length of an actuator, in particular empty-stroke-liable, could at least partially be compensated. As a result, manufacturing and material costs can be saved.
  • the first piston and the second piston are fitted in a bore, wherein the sealing gap is formed between the bore and the two pistons.
  • the bore provides a secure guidance of the two pistons and allows a particularly good power transmission from the actuator to the two pistons.
  • the bore is formed as a stepped bore and the first piston and the second piston have different diameters. By providing different diameters, power and / or stroke ratios can be adjusted.
  • the first piston has a larger diameter than the second piston.
  • the bore is introduced into a valve plate of the injection valve.
  • the sealing gap is approximately 1 ⁇ m.
  • an area of the sealing gap of 1 .mu.m to 2 .mu.m can be advantageously and easily realized.
  • the function of the hyd ⁇ raulischen play compensation described above is particularly well to realize.
  • a second spring element is provided, which is supported on the injector body and acts on a spring plate of the first piston such that the second spring element exerts a force on the first piston in the direction of the actuator.
  • the second spring element helps ensure that the first piston is securely in contact with the actuator and thus there is no play. This contributes to avoiding the idle stroke of the actuator.
  • the first spring element is designed such that a force exerted on the second piston force of the first spring element is not greater than a closing force of a valve spring, which exerts the valve spring in a closing direction of the control valve. This ensures that the control valve is not involuntarily opened by means of the first spring element.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of an injection ⁇ valve and Figure 2 is an enlarged sectional view of the injection valve.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of an injection valve 1.
  • the injection valve 1 has an injector body 2, in which a fluid inlet 3 is formed.
  • the fluid inlet 3 is hydraulically coupled to a high-pressure power accumulator, such as a so-called common rail, and is thus supplied with a pressurized fuel.
  • the pressure is, for example, up to 2500 bar or more.
  • the term "fluid" may include a fuel, such as a diesel or gasoline fuel. However, the term may include other substances, such as organic compound
  • Urea include.
  • the injection valve 1 has a nozzle body 4, in which a recess 5 is formed.
  • a nozzle needle 6 is axially movable with respect to a central
  • the nozzle needle 6 Longitudinal axis of the nozzle needle 6 is arranged.
  • the nozzle needle 6 is seated in a closed position near a tip of the nozzle body 4 on an associated needle valve seat and prevents fluid flow through one or more injection ports 7. If the nozzle needle 6 lifts off from the needle valve seat, a fluid flow is released.
  • the nozzle needle 6 is biased by a nozzle spring 20.
  • the nozzle body 4 is mechanically connected to the injector body 2 via a nozzle retaining nut 18. Furthermore, a combustion chamber seal 19 is provided.
  • the recess 5 and the nozzle needle 6 are hydraulically coupled via a nozzle orifice 22 to the fluid inlet 3.
  • the nozzle diaphragm 22 is in a
  • Throttle plate 17 introduced. But it is also possible that the nozzle diaphragm 22 is arranged in a different position of the fluid inlet.
  • the injection valve 1 further has a control chamber 8, which is hydraulically coupled via an inlet throttle 21 of the throttle plate 17 with the fluid inlet 3. Furthermore, the control chamber 8 is hydraulically coupled to the nozzle needle 6.
  • the control chamber 8 is also provided with a valve chamber 11 of a control Valves 9 hydraulically coupled via an outlet throttle 23 of Dros ⁇ selplatte 17.
  • the control valve 9 is arranged in a Ven ⁇ tilplatte 16 and is referred to as a servo valve.
  • the control valve 9 has a valve body 10 which is arranged in the valve space 11 axially movable with respect to a central longitudinal axis of the valve body 10. In a closed position of the control valve 9, the valve body 11 is seated on an associated valve seat and prevents fluid flow from the Ven ⁇ tilraum 11 to a fluid outlet 13.
  • the fluid outlet 13 is connected to a low pressure area, such as with a
  • Fuel tank hydraulically coupled. As a rule, a backpressure of approximately 8 +/- 2 bar prevails in the fluid outlet 13.
  • the injection valve 1 has an actuator 12, which is designed as a piezoelectric actuator. Alternatively, others can
  • the actuator 12 is integrated in the injector body 2 and has an actuator bottom plate 14. Furthermore, an invar sleeve 15 is provided, via which the actuator 12 is supported in the injector body 2. About the Aktorêtplatte 14 of the actuator 12 is coupled to the control valve 9, in particular with the valve body 10, for actuating this.
  • the injection valve 1 is closed. About the fluid inlet 3, the recess 5, the control chamber 8 and the valve chamber 11 are completely filled with fluid under high pressure. Similarly, the fluid drain 13 is filled with fluid in the low pressure region. By a balance of forces acting on the valve body 10 of the control valve 9, the valve body 10 is in the closed position.
  • the nozzle needle 6 is also in the closed position.
  • the actuator 12 If the actuator 12 is acted upon by voltage, then the actuator 12 expands and actuates the control valve 9. As a result, the control valve 9 is opened, so that the pressure in the valve chamber 11 drops. For example, the pressure drops to a fraction of the applied pressure through the fluid inlet 3. This concerns to Example an adjacent rail pressure of a common rail. As a result of this pressure drop, fluid flows via the outlet throttle 23 into the valve chamber 11. At the same time less fluid flows via the inlet throttle 21 into the control chamber, so that the pressure in the control chamber 8 also decreases, but less than in
  • the pressure drops to 1300 to 1400 bar. This ensures that the force acting on the nozzle needle 6 force ratio is changed, so that the nozzle needle 6 lifts from its associated needle valve seat and fluid exits through the injection port 7.
  • the control valve 9 closes again, wherein the valve body 10 is pressed back into its valve seat.
  • the pressure builds up in the valve chamber 11, in the control chamber 8 and in the recess 5 again.
  • the force acting on the nozzle needle 6 balance of power ensures that the nozzle needle 6 is moved back to its closed position.
  • Figure 2 shows a schematic, enlarged sectional view of the injection valve 1.
  • the valve plate 16 and the throttle plate 17 are shown.
  • the control chamber 8 and a lower region of the actuator 12 with the Aktorêtplatte 14 are partially shown.
  • a first piston 24 and a second piston 25 are provided for actuating the valve ⁇ body 10 by means of the actuator 12.
  • a first piston 24 and a second piston 25 are provided. These are axially movably fitted in a bore 29 in the valve plate 16.
  • central longitudinal axes of the actuator 12 and of the two pistons 24 and 25 coincide.
  • the first piston 24 faces the actuator 12, while the second piston 25 faces the valve body 10.
  • the two pistons 24 and 25 are for example substantially formed from steel, but there are other materials or mate ⁇ rialkombinationen possible. 0
  • a first spring element 26 is provided between the two pistons 24 and 25, a first spring element 26 is provided.
  • the first spring element 26 is, for example, a plate spring. But other types of spring are conceivable.
  • the first spring element 26 is biased so that this presses apart the two pistons 24 and 25. Thereby, the first piston 24 is in direct contact with the Aktorêtplatte 14 of the actuator 12.
  • the second piston 25 is in direct operative connection with the valve body 10.
  • an optional second spring element 27 is provided, which between a spring plate 28 of the first piston and the valve plate 16 is biased.
  • the second spring element 27 exerts a force on the first piston 24 in the direction of the actuator 12. As a result, the first piston 24 is pressed further in the direction of the actuator 12.
  • a volume 31 is formed between the two pistons 24 and 25, which is completely filled with fuel of the fluid outlet 13.
  • the volume 31 is connected via a sealing gap 30, which is formed between the bore 29 and the two pistons 24 and 25, ge with fuel or fluid ⁇ filled.
  • the filling of the volume 31 with fluid is ensured via the back pressure of approximately 8 +/- 2 bar in the fluid outlet 13.
  • the sealing gap 30 is in the embodiment 1 ym.
  • the actuator 12 is actuated, then the second piston 25 is moved via the first piston 24 and the fluid-filled volume 31 and thus the valve body 10 is lifted off its valve seat. As a result, the control valve 9 is opened.
  • Be ⁇ actuation of the actuator 12 is thus substantially without idle stroke and game directly generates a force transmission to the valve body 10 degrees.
  • changes in length of the actuator 12 can be compensated over the volume 31 and the spring 26 therein from ⁇ .
  • the hydraulic clearance compensation is achieved in that the sealing gap 30 is formed so that in the dynamic operation of the injection valve, that is, when loading actuation of the piezoelectric actuator 12, the sealing gap 30 is almost dense and thus the coupling between the valve body 10 and the actuator 12 is almost stiff.
  • Movements over a longer period of time such as the mentioned temperature expansions and the wear of the actuator 12, are compensated for by the fact that fluid flows in or out of the volume 31 via the sealing gap 30. This contributes to a more efficient stroke of the actuator 12. Furthermore, dependent on engine operation and fluctuating idle strokes of the actuator 12 are compensated. As a result, a stable function of the injection valve 1 is si ⁇ cherelles overall. Furthermore, thus noise and engine runout ⁇ can be avoided.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil (1) zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Einspritzventil (1) weist einen Injektorkörper (2) und einen Düsenkörper (4) mit einer mit dem Fluidzulauf (3) hydraulisch gekoppelten Ausnehmung (5) auf, in welcher eine Düsennadel (6) axial beweglich angeordnet ist. Weiter ist ein Steuerraum (8) und ein Steuerventil (9) mit einem Ventilkörper (10) und einem Ventilraum (11) vorgesehen. Des Weiteren weist das Einspritzventil (1) einen Aktor (12) auf, der über zwei axial beweglich geführte Kolben (24, 25) mit dem Ventilkörper (10) zum Betätigen des Steuerventils (9) gekoppelt ist. Zwischen beiden Kolben (24, 25) ist ein Volumen (31) begrenzt, welches über einen Dichtspalt (30) hydraulisch mit dem Fluidablauf (13) derart gekoppelt ist, dass der Dichtspalt (30) im dynamischen Betrieb des Einspritzventils (1) im Wesentlichen einen Fluidaustausch zwischen dem Volumen (31) und dem Fluidablauf (13) unterbindet. In dem Volumen (31) ist ein erstes Federelement (26) angeordnet, welches auf beide Kolben (24, 25) jeweils eine Kraft ausübt, so dass der erste Kolben (24) gegen den Aktor (12) und der zweite Kolben (25) in Richtung des Ventilkörpers (10) gedrückt wird.

Description

Beschreibung
Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Aufgrund von immer strenger werdenden gesetzlichen Vorschriften (beispielsweise Abgasnormen) bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, ist es erforderlich, verschiedene Maßnahmen vorzunehmen, die zum Senken der Schadstoffemissionen beitragen. Ein möglicher Ansatzpunkt hierbei ist es, den Betrieb von Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine zu optimieren.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Einspritzventil zu beschreiben, welches einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird ein Einspritzventil zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine offenbart. Das Einspritzventil weist einen Injektorkörper mit einem Fluidzulauf und einem Fluidablauf auf. Weiterhin weist das Einspritzventil einen Düsenkörper mit einer mit dem Fluidzulauf hydraulisch gekoppelten Ausnehmung auf, in welcher eine Düsennadel axial beweglich angeordnet ist. Die Düsennadel unterbindet in einer Schließstellung einen Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung des Düsenkörpers und gibt diesen ansonsten frei. Des Weiteren weist das Einspritzventil einen Steuerraum auf, der hydraulisch mit dem Fluidzulauf und der Düsennadel gekoppelt ist. Das Einspritz¬ ventil weist zudem ein Steuerventil mit einem Ventilkörper und einem Ventilraum auf. Der Ventilraum ist hydraulisch mit dem Steuerraum gekoppelt. Abhängig von einer Schließstellung des Ventilkörpers ist der Ventilraum mit dem Fluidablauf hydraulisch koppelbar. Weiterhin ist ein Aktor vorgesehen, der über zwei axial beweglich geführte Kolben mit dem Ventilkörper zum Betätigen des Steuerventils gekoppelt ist. Zwischen beiden Kolben ist ein Volumen begrenzt, welches über einen Dichtspalt hyd¬ raulisch mit dem Fluidablauf derart gekoppelt ist, dass der Dichtspalt im dynamischen Betrieb des Einspritzventils im Wesentlichen einen Fluidaustausch zwischen dem Volumen und dem Fluidablauf unterbindet. In dem Volumen ist ein erstes Fe¬ derelement angeordnet, welches auf beide Kolben jeweils eine Kraft ausübt, so dass der erste Kolben gegen den Aktor und der zweite Kolben in Richtung des Ventilkörpers gedrückt werden. Erfindungsgemäß drückt das erste Federelement die beiden Kolben auseinander. Dadurch wird der erste Kolben immer gegen den Aktor gedrückt und steht somit in einer direkten mechanischen
Wirkverbindung mit diesem. Der zweite Kolben wird in Richtung des Ventilkörpers gedrückt und steht somit mit diesem ebenfalls in direkter Wirkverbindung. Bei Betätigung des Aktors findet nun kein oder nahezu kein Leerhub statt. Mit anderen Worten ist die Betätigung des Ventilköpers über die beiden Kolben und das dazwischen befindliche hydraulische Volumen somit nahezu spielfrei. Dadurch trägt das Einspritzventil dazu bei, dass zur Betätigung des Ventilkörpers nicht beispielsweise bis zu 20 ym Hub verloren gehen. Somit wird im Vergleich zu einem leer- hubbehafteten Aktor zu einem geringeren Gesamtaktorhub und zu einer geringeren Ansteuerenergie des Aktors beigetragen. Durch die Kopplung des Volumens über den Dichtspalt mit dem Fluidablauf weist das Einspritzventil einen hydraulischen Spielausgleich auf. Dadurch werden Längenänderungen des Aktors kompensiert. Die Längenänderungen entstehen beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Wärmesenken und Wärmequellen, Polarisationsänderungen und/oder Verschleiß des Aktors. Dadurch wird beispielsweise verhindert, dass bei nicht angesteuertem Aktor das Steuerventil offen steht. Der Dichtspalt ist dabei so bemessen, dass im dynamischen Betrieb des Einspritzventils ein Fluidaustausch zwischen dem Volumen und dem Fluidablauf un- terbunden ist, insbesondere im Wesentlichen unterbunden. Mit anderen Worten ist die Kraftübertragung nahezu steif. Längerfristige, (quasi- ) statische Änderungen wie die oben be¬ schriebenen Längenänderungen des Piezoaktors werden jedoch ausgeglichen, wobei sich das Volumen zwischen den beiden Kolben durch Abfluss oder Zufluss von Fluid über den Dichtspalt verändert. Durch den hydraulischen Spielausgleich wird zudem zu einer hohen Einspritzgenauigkeit und einer präzisen Steuer- barkeit des Einspritzventils beigetragen. Insbesondere lässt sich eine Einspritzmenge des Fluids, die von der Bewegung der Düsennadel abhängig ist, besonders gut steuern.
Die beschriebene Ausgestaltung des Einspritzventils trägt unter anderem dazu bei, dass eine Dichtmembran zum Abdichten des Aktors beziehungsweise eines Aktorraumes um den Aktor vermieden werden kann. Dabei muss aber ein Abdichten des Aktors gegenüber Fluid sichergestellt werden, das beispielsweise mittels einer Wel¬ lenfeder realisierbar ist, die um den Aktor angeordnet ist. Weiterhin kann auf eine Invarhülse verzichtet werden, mittels welcher die Längenänderungen eines insbesondere leerhubbe- hafteten Aktors zumindest teilweise kompensiert werden könnten. Dadurch können Herstellungs- und Materialkosten eingespart werden .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind der erste Kolben und der zweite Kolben in eine Bohrung eingepasst, wobei sich zwischen der Bohrung und den beiden Kolben der Dichtspalt ausbildet. Die Bohrung stellt eine sichere Führung der beiden Kolben dar und ermöglicht eine besonders gute Kraftübertragung von dem Aktor auf die beiden Kolben.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Bohrung als Stufenbohrung ausgebildet und der erste Kolben und der zweite Kolben weisen unterschiedliche Durchmesser auf. Durch das Vorsehen verschiedener Durchmesser können Kraft- und/oder Hubübersetzungen eingestellt werden.
Bevorzugt weist der erste Kolben einen größeren Durchmesser als der zweite Kolben auf. Auf diese Weise ist es möglich, einen relativ kleinen Hub des Piezoaktors in einen größeren Hub zur Betätigung des Ventilkörpers zu übersetzen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Bohrung in eine Ventilplatte des Einspritzventils eingebracht. Dadurch ist keine separate Führung der Kolben notwendig. Insbesondere müssen keine weiteren Komponenten, wie beispielsweise Hülsen, vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Dichtspalt in etwa 1 ym. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise ein Bereich des Dichtspalts von 1 ym bis 2 ym vorteilhaft und einfach reali- sierbar. Dadurch ist die oben beschriebene Funktion des hyd¬ raulischen Spielausgleichs besonders gut verwirklichbar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist ein zweites Federelement vorgesehen, welches sich an dem Injektorkörper abstützt und derart an einem Federteller des ersten Kolbens angreift, dass das zweite Federelement eine Kraft auf den ersten Kolben in Richtung des Aktors ausübt. Das zweite Federelement trägt dazu bei, dass der erste Kolben sicher mit dem Aktor in Kontakt steht und somit kein Spiel vorliegt. Dadurch wird zum Vermeiden des Leerhubs des Aktors beigetragen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das erste Federelement derart ausgebildet, dass eine auf den zweiten Kolben ausgeübte Kraft des ersten Federelements nicht größer als eine Schließkraft einer Ventilfeder, welche die Ventilfeder in einer Schließrichtung des Steuerventils ausübt. Dadurch ist sichergestellt, dass mittels des ersten Federelements das Steuerventil nicht unfreiwillig geöffnet wird. Weitere Vorteile und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren beschrieben.
In den Figuren zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Einspritz¬ ventils und Figur 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Einspritzventils .
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Einspritzventils 1. Das Einspritzventil 1 hat einen Injek- torkörper 2, in welchem ein Fluidzulauf 3 ausgebildet ist. Der Fluidzulauf 3 ist mit einem Krafthochdruckspeicher, wie beispielsweise einem sogenannten Common-Rail, hydraulisch gekoppelt und wird somit mit einem unter Druck stehenden Kraftstoff versorgt. Bei dem Druck handelt es sich beispielsweise um bis zu 2500 bar oder mehr. Der Begriff "Fluid" kann einen Kraftstoff beziehungsweise Brennstoff, beispielsweise einen Diesel- oder Benzinkraftstoff umfassen. Der Begriff kann allerdings auch andere Stoffe, beispielsweise organische Verbindung wie
Harnstoff, umfassen.
Das Einspritzventil 1 hat einen Düsenkörper 4, in welchem eine Ausnehmung 5 ausgebildet ist. In der Ausnehmung 5 ist eine Düsennadel 6 axial beweglich bezüglich einer zentralen
Längsachse der Düsennadel 6 angeordnet. Die Düsennadel 6 sitzt in einer Schließstellung nahe einer Spitze des Düsenkörpers 4 auf einem zugehörigen Nadelventilsitz auf und verhindert einen Fluidfluss durch eine oder mehrere Einspritzöffnungen 7. Hebt die Düsennadel 6 von dem Nadelventilsitz ab, so ist ein Fluidfluss freigegeben. Die Düsennadel 6 ist über eine Düsenfeder 20 vorgespannt. Der Düsenkörper 4 ist über eine Düsenspannmutter 18 mit dem Injektorkörper 2 mechanisch verbunden. Weiterhin ist eine Brennraumdichtung 19 vorgesehen. Die Ausnehmung 5 und die Düsennadel 6 sind hydraulisch über eine Düsenblende 22 mit dem Fluidzulauf 3 gekoppelt. Die Düsenblende 22 ist in eine
Drosselplatte 17 eingebracht. Es ist aber auch möglich, dass die Düsenblende 22 in einer anderen Lage des Fluidzulaufs angeordnet ist .
Das Einspritzventil 1 weist weiterhin einen Steuerraum 8 auf, welcher hydraulisch über eine Zulaufdrossel 21 der Drosselplatte 17 mit dem Fluidzulauf 3 gekoppelt ist. Weiterhin ist der Steuerraum 8 hydraulisch mit der Düsennadel 6 gekoppelt. Der Steuerraum 8 ist zudem mit einem Ventilraum 11 eines Steuer- ventils 9 hydraulisch über eine Ablaufdrossel 23 der Dros¬ selplatte 17 gekoppelt. Das Steuerventil 9 ist in einer Ven¬ tilplatte 16 angeordnet und wird als Servoventil bezeichnet. Das Steuerventil 9 hat einen Ventilkörper 10, der in dem Ventilraum 11 axial beweglich bezüglich einer zentralen Längsachse des Ventilkörpers 10 angeordnet ist. In einer Schließstellung des Steuerventils 9 sitzt der Ventilkörper 11 auf einem zugehörigen Ventilsitz auf und unterbindet einen Fluidfluss aus dem Ven¬ tilraum 11 zu einem Fluidablauf 13. Der Fluidablauf 13 ist mit einem Niederdruckbereich, wie beispielsweise mit einem
Kraftstofftank, hydraulisch gekoppelt . Im Regelfall herrscht ein Gegendruck von zirka 8 +/- 2 bar im Fluidablauf 13 vor.
Das Einspritzventil 1 weist einen Aktor 12 auf, welcher als Piezoaktor ausgebildet ist. Alternativ können auch andere
Materialien, wie ein magnetostriktives Material, für den Aktor 12 verwendet werden. Der Aktor 12 ist in den Injektorkörper 2 integriert und hat eine Aktorbodenplatte 14. Weiter ist eine Invarhülse 15 vorgesehen, über welche der Aktor 12 in dem Injektorkörper 2 abgestützt ist. Über die Aktorbodenplatte 14 ist der Aktor 12 mit dem Steuerventil 9, insbesondere mit dem Ventilkörper 10, zum Betätigen dieses gekoppelt.
Zu Beginn eines Einspritzvorgangs ist das Einspritzventil 1 geschlossen. Über den Fluidzulauf 3 sind die Ausnehmung 5, der Steuerraum 8 und der Ventilraum 11 vollständig mit Fluid unter hohem Druck gefüllt. Ebenso ist der Fluidablauf 13 mit Fluid im Niederdruckbereich gefüllt. Durch ein Kräfteverhältnis, das auf dem Ventilkörper 10 des Steuerventils 9 wirkt, befindet sich der Ventilkörper 10 in der Schließposition. Durch ein weiteres
Kräfteverhältnis befindet sich die Düsennadel 6 ebenfalls in der Schließposition .
Wird der Aktor 12 mit Spannung beaufschlagt, so dehnt sich der Aktor 12 aus und betätigt das Steuerventil 9. Dadurch wird das Steuerventil 9 geöffnet, sodass der Druck im Ventilraum 11 absinkt. Beispielsweise sinkt der Druck auf einen Bruchteil des anliegenden Drucks durch den Fluidzulauf 3 ab. Dies betrifft zum Beispiel einen anliegenden Raildruck eines Common-Rail. Durch diesen Druckabfall fließt Fluid über die Ablaufdrossel 23 in den Ventilraum 11 ab. Gleichzeitig fließt weniger Fluid über die Zulaufdrossel 21 in den Steuerraum nach, sodass der Druck in dem Steuerraum 8 ebenfalls sinkt, jedoch weniger stark als im
Vergleich zu dem Ventilraum 11. Beispielsweise sinkt der Druck auf 1300 bis 1400 bar. Dies sorgt dafür, dass das auf die Düsennadel 6 wirkende Kräfteverhältnis verändert wird, sodass die Düsennadel 6 von ihrem zugehörigen Nadelventilsitz abhebt und Fluid durch die Einspritzöffnung 7 austritt.
Wird der Aktor 12 entladen, schließt das Steuerventil 9 wieder, wobei der Ventilkörper 10 wieder in seinen Ventilsitz gedrückt wird. Dadurch baut sich der Druck im Ventilraum 11, in dem Steuerraum 8 sowie in der Ausnehmung 5 wieder auf. Das auf die Düsennadel 6 wirkende Kräfteverhältnis sorgt dafür, dass die Düsennadel 6 wieder in ihre Schließposition bewegt wird.
Bei dem Einspritzventil 1 sind der eingangs erwähnte Leerhub vermieden und ein hydraulisches Spielausgleich vorgesehen. Dies wird anhand der Figur 2 detailliert beschrieben.
Figur 2 zeigt eine schematische, vergrößerte Schnittansicht des Einspritzventils 1. Insbesondere sind die Ventilplatte 16 sowie die Drosselplatte 17 dargestellt. Weiterhin sind teilweise der Steuerraum 8 sowie ein unterer Bereich des Aktors 12 mit der Aktorbodenplatte 14 dargestellt. Zur Betätigung des Ventil¬ körpers 10 mittels des Aktors 12 sind ein erster Kolben 24 und ein zweiter Kolben 25 vorgesehen. Diese sind in eine Bohrung 29 in der Ventilplatte 16 axial beweglich eingepasst. Im Aus¬ führungsbeispiel fallen zentrale Längsachsen des Aktors 12 und der beiden Kolben 24 beziehungsweise 25 zusammen. Der erste Kolben 24 ist dem Aktor 12 zugewandt, während der zweite Kolben 25 dem Ventilkörper 10 zugewandt ist. Die beiden Kolben 24 beziehungsweise 25 sind beispielsweise im Wesentlichen aus Stahl ausgebildet, es sind aber auch andere Materialien oder Mate¬ rialkombinationen möglich. 0
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Zwischen den beiden Kolben 24 und 25 ist ein erstes Federelement 26 vorgesehen. Das erste Federelement 26 ist beispielsweise eine Tellerfeder. Aber auch andere Federarten sind denkbar. Das erste Federelement 26 ist so vorgespannt, dass dieses die beiden Kolben 24 und 25 auseinanderdrückt. Dadurch ist der erste Kolben 24 in direktem Kontakt mit der Aktorbodenplatte 14 des Aktors 12. Zusätzlich ist der zweite Kolben 25 in direkter Wirkverbindung mit dem Ventilkörper 10. Des Weiteren ist ein optionales zweites Federelement 27 vorgesehen, was zwischen einem Federteller 28 des ersten Kolbens und der Ventilplatte 16 vorgespannt ist. Das zweite Federelement 27 übt eine Kraft auf den ersten Kolben 24 in Richtung des Aktors 12 aus. Dadurch wird der erste Kolben 24 weiter in Richtung des Aktors 12 unterstützend gedrückt. Mittels der beiden Federelemente 26 und 27 werden der erste Kolben 24 kraftschlüssig gegen die Aktorbodenplatte 14 und der zweite Kolben 25 kraftschlüssig gegen den Ventilkörper 10 gedrückt.
Weiterhin ist zwischen den beiden Kolben 24 und 25 ein Volumen 31 ausgebildet, welches mit Kraftstoff des Fluidablaufs 13 vollständig gefüllt ist. Das Volumen 31 ist über einen Dichtspalt 30, welcher zwischen der Bohrung 29 und den beiden Kolben 24 und 25 ausgebildet ist, mit Kraftstoff beziehungsweise Fluid ge¬ füllt. Das Füllen des Volumens 31 mit Fluid wird über den Gegendruck von zirka 8 +/- 2 bar in dem Fluidablauf 13 si- chergestellt . Der Dichtspalt 30 beträgt im Ausführungsbeispiel 1 ym.
Wird nun der Aktor 12 betätigt, so wird über den ersten Kolben 24 und das mit Fluid gefüllte Volumen 31 der zweite Kolben 25 bewegt und somit der Ventilkörper 10 von seinem Ventilsitz abgehoben. Dadurch wird das Steuerventil 9 geöffnet. Bei Be¬ tätigung des Aktors 12 wird somit im Wesentlichen ohne Leerhub und Spiel direkt eine Kraftübertragung auf den Ventilkörper 10 erzeugt. Eingangs erwähnte Längenänderungen des Aktors 12 werden über das Volumen 31 und die darin befindliche Feder 26 aus¬ geglichen. Der hydraulische Spielausgleich wird dadurch erreicht, dass der Dichtspalt 30 so ausgebildet ist, dass im dynamischen Betrieb des Einspritzventils, das heißt bei Be- tätigung des Piezoaktors 12, der Dichtspalt 30 nahezu dicht ist und somit die Kopplung zwischen dem Ventilkörper 10 und dem Aktor 12 nahezu steif ist. Bewegungen über einen längeren Zeitraum, wie beispielsweise die erwähnten Temperaturausdehnungen und der Verschleiß des Aktors 12, werden dadurch kompensiert, dass über den Dichtspalt 30 Fluid in das Volumen 31 nachfließt oder aus diesem abfließt. Das trägt zu einem effizienteren Hub des Aktors 12 bei. Weiterhin werden vom Motorbetrieb abhängige und schwankende Leerhübe des Aktors 12 kompensiert. Dadurch wird insgesamt eine stabile Funktion des Einspritzventils 1 si¬ chergestellt. Weiterhin können somit Geräusche und Motor¬ laufunruhen vermieden werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auf die im Ausführungsbeispiel gezeigte Invarhülse 15 zur Abdichtung des Aktors 12 verzichtet werden kann. Aufgrund des beschriebenen hydraulischen Spielausgleichs ist die Invarhülse 15 nicht mehr zwingend notwendig. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass auf das zweite Feder¬ element 27 verzichtet werden kann. Dies ist abhängig von der Auslegung des ersten Federelements 26. Insgesamt ist jedoch sicherzustellen, dass die auf den zweiten Kolben 25 wirkende Kraft des ersten Federelements 26 nicht größer sein darf als eine Kraft einer Ventilfeder 32, welche auf dem Ventilkörper 10 zum Schließen des Steuerventils 9 ausgeübt wird. Die Ventilfeder 32 dient insbesondere dazu, das Steuerventil 9 auch bei einem drucklosen Einspritzventil 1 sicher zu schließen.
1
Bezugs zeichenliste
1 Einspritz entil
2 Inj ektorkörper
3 Fluidzulauf
4 Düsenkörper
5 Ausnehmung
6 Düsennadel
7 Einspritzöffnung
8 Steuerraum
9 Steuerventil
10 Ventilkörper
11 Ventilraum
12 Aktor
13 Fluidablauf
14 Bodenplatte
15 Invarhülse
16 Ventilplatte
17 Drosselplatte
18 Düsenspannmutter
19 Brennraumdichtung
20 Düsenfeder
21 Zulaufdrossei
22 Düsenblende
23 Ablaufdrossei
24 erster Kolben
25 zweiter Kolben
26 erstes Federelement
27 zweites Federelement
28 Federteller
29 Bohrung
30 Dichtspalt
31 Volumen
32 Ventilfeder

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzventil (1) zum Einspritzen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, aufweisend
- einen Injektorkörper (2) mit einem Fluidzulauf (3) und einem Fluidablauf (13);
- einen Düsenkörper (4) mit einer mit dem Fluidzulauf (3) hydraulisch gekoppelten Ausnehmung (5) , in welcher eine Düsennadel (6) axial beweglich angeordnet ist, die in einer Schließstellung einen Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung (7) des Düsenkörpers (4) unterbindet und ansonsten freigibt ;
- einen Steuerraum (8) , der hydraulisch mit dem Fluidzulauf (3) und der Düsennadel (6) gekoppelt ist;
- ein Steuerventil (9) mit einem Ventilkörper (10) und einem
Ventilraum (11), der hydraulisch mit dem Steuerraum (8) gekoppelt ist, wobei abhängig von einer Schließstellung des Ventilkörpers (10) der Ventilraum (11) mit dem Fluidablauf (13) hydraulisch koppelbar ist; und
- einen Aktor (12), der über zwei axial beweglich geführte
Kolben (24, 25) mit dem Ventilkörper (10) zum Betätigen des Steuerventils (9) gekoppelt ist; wobei
-- zwischen beiden Kolben (24, 25) ein Volumen (31) begrenzt ist, welches über einen Dichtspalt (30) hydraulisch mit dem Fluidablauf (13) derart gekoppelt ist, dass der Dichtspalt
(30) im dynamischen Betrieb des Einspritzventils (1) im Wesentlichen einen Fluidaustausch zwischen dem Volumen (31) und dem Fluidablauf (13) unterbindet; und
-- in dem Volumen (31) ein erstes Federelement (26) an- geordnet ist, welches auf beide Kolben (24, 25) jeweils eine
Kraft ausübt, so dass der erste Kolben (24) gegen den Aktor (12) und der zweite Kolben (25) in Richtung des Ventil¬ körpers (10) gedrückt werden. Einspritzventil (1) nach Anspruch 1,
wobei der erste Kolben (24) und der zweite Kolben (25) in eine Bohrung (29) eingepasst sind und sich zwischen der Bohrung (29) und den beiden Kolben (24, 25) der Dichtspalt (30) ausbildet.
Einspritzventil (1) nach Anspruch 2,
wobei die Bohrung (29) als Stufenbohrung ausgebildet ist und der erste Kolben (24) und der zweite Kolben (25) unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Einspritzventil (1) nach Anspruch 3,
wobei der erste Kolben (24) einen größeren Durchmesser als der zweite Kolben (25) aufweist.
Einspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Bohrung (29) in eine Ventilplatte (16) eingebracht ist.
Einspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dichtspalt (30) in etwa 1 ym beträgt.
Einspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ein zweites Federelement (27) vorgesehen ist, welches sich an dem Injektorkörper (2) abstützt und derart an einem Federteller (28) des ersten Kolbens (24) angreift, dass das zweite Federelement (27) eine Kraft auf den ersten Kolben (24) in Richtung des Aktors (12) ausübt.
Einspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Federelement (26) derart aus¬ gebildet ist, dass eine auf den zweiten Kolben (25) ausgeübte Kraft des ersten Federelements (26) nicht größer ist als eine Schließkraft einer Ventilfeder (32) , welche die Ventilfeder (32) in einer Schließrichtung des Steuerventils (9) ausübt.
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