DE19946869A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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 (30), der mit einer Ventilsitzfläche (18) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und einem Ventilgehäuse (10). Der Aktor (3) wird von einer Vorspannfeder (5) vorgespannt und ist mit dieser von einem Aktorgehäuse (2) umgeben, welches an seinen beiden Enden flüssigkeitsgelagert ist.

Description

Stand der Technik

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

Gewöhnlich werden Längenveränderungen eines piezoelektri­ schen Aktors eines Brennstoffeinspritzventils durch Tempera­ tureinflüsse mittels hydraulischer Einrichtungen oder durch Wahl geeigneter Werkstoffkombinationen ausgeglichen.

Aus der EP 0 869 278 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei welchem die Längenveränderung des Aktors durch eine entsprechende Werkstoffkombination kompensiert wird. Das aus dieser Druckschrift hervorgehende Brennstoffein­ spritzventil weist einen in einem Aktorraum angeordneten Ak­ tor auf, welcher formschlüssig mit einer Druckschulter ver­ bunden ist, über welche der Aktor entgegen der Kraft einer Druckfeder auf die Ventilnadel einwirkt. Der Aktor stützt sich einerseits an einer Druckplatte und andererseits an ei­ nem Stellglied ab. Bei einer Betätigung des Aktors wird die Ventilnadel in Abspritzrichtung betätigt.

Die Kompensation der temperaturbedingten Längenveränderung des Aktors wird in der genannten Druckschrift durch mehrere Ausgleichsscheiben erzielt, welche zwischen der Druckplatte und der Stirnseite des Aktors angeordnet sind. Diese weisen einen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, welcher dem der Aktorelemente mit umgekehrten Vorzeichen entspricht. Bei einer Verkürzung des Aktors durch ansteigende Temperaturen dehnen sich die Ausgleichsscheiben aus und kompensieren da­ durch die thermische Längenänderung des Aktors.

Nachteilig an dieser Anordnung sind vor allem der- Ferti­ gungsaufwand verbunden, mit relativ hohen Kosten, die insbe­ sondere durch die Wahl der Werkstoffe (z. B. INVAR) bedingt sind.

Die Kompensation der Längenveränderung durch hydraulische Einrichtungen ist z. B. aus EP 0 477 400 A1 bekannt. Der grundsätzliche Nachteil besteht bei Anordnungen dieser Art darin, daß große Flüssigkeitsvolumina verdrängt werden und dadurch eine erhöhte Kavitationsneigung besteht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer fertigungstechnisch einfachen Konstruktion der Bauteile. Dadurch wird eine sichere und präzise Arbeits­ weise des Brennstoffeinspritzventils gewährleistet. Insbe­ sondere sind die beidseitige Flüssigkeitslagerung und das geringe Dämpfungsvolumen zur Vermeidung von Kavitationsschä­ den von Vorteil.

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

Insbesondere sind die Kapselung und Vorspannung des Aktors von Vorteil, da die quasistatische thermische Längenänderung des Aktors nicht durch aufwendige Materialkombinationen kom­ pensiert werden muß, sondern durch eine Änderung der Vor­ spannung der Vorspannfeder kompensiert wird. Dadurch wird die Gesamtlänge des Aktorgehäuses nicht durch thermische Längenveränderungen beeinflußt. Daher muß nur noch eine La­ geveränderung des Aktorgehäuses relativ zum Ventilgehäuse ausgeglichen werden.

Die Abdichtung des Aktorgehäuses gegen das Ventilgehäuse hat den Vorteil, daß der Aktor nicht durch den chemisch aggres­ siven Brennstoff angegriffen werden kann.

Die Verwendung von Brennstoff als hydraulisches Medium ist von Vorteil, da Leckverluste permanent durch Brennstoffzu­ fuhr ausgeglichen werden können.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschrei­ bung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritz­ ventils.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt in einer axialen Schnittdarstellung ein Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzven­ tils 1. Es handelt sich hierbei um ein sogenanntes Top-Feed-Einspritzventil mit zentraler Brennstoffzufuhr über einen Brennstoffeinlaß 28, welches nach innen öffnet.

In einem Aktorgehäuse 2 sind ein ringförmig ausgebildeter Aktor 3 mit einer zentralen Ausnehmung 29, welcher aus scheibenförmigen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Elementen 4 besteht, und eine Vorspannfeder 5 angeordnet. Der Aktor 3 wird durch eine äußere Spannungsquelle über ei­ nen Steckkontakt 12 betätigt. Zur Vereinfachung ist in Fig. 1 lediglich ein einzelner Kontakt 13 dargestellt. Das Aktor­ gehäuse 2 ist endseitig durch einen ersten Außenflansch 6 und einen zweiten Außenflansch 7 abgeschlossen, welche durch ein erstes Dichtelement 8 und ein zweites Dichtelement 9 ge­ gen ein den Aktor 3 außen umgebendes Ventilgehäuse 10 abge­ dichtet sind.

Der erste Außenflansch 6 besteht aus einer ersten Scheibe 31 und einer ersten Hülse 32. Die erste Scheibe 31 liegt an ei­ ner ersten Stirnseite 24 des Aktors 3 an. Der zweite Außen­ flansch 7 besteht aus einer zweiten Scheibe 33 und einer zweiten Hülse 34. Die zweite Scheibe 33 liegt an einem er­ sten Ende 26 der Vorspannfeder 5 an. Eine zweite Stirnseite 25 des Aktors 3 und ein zweites Ende 27 der Vorspannfeder 5 stützen sich an einem Mittelflansch 11 ab. Der Aktor 3 wird über den Mittelflansch 11 durch die Vorspannfeder 5 auf Vor­ spannung gehalten.

Der Mittelflansch 11 ist vorzugsweise durch eine Schweißnaht 14 kraftschlüssig mit einem Betätigungskörper 15 verbunden. Der Betätigungskörper 15 ist in der zentralen Ausnehmung 29 des Aktors 3 angeordnet und steht über eine Verlängerung 35 mit einer Ventilnadel 17 in Verbindung, an welcher ein Ven­ tilschließkörper 30 ausgbildet ist. Bei Abheben des Ventil­ schließkörpers 30 von einer Ventilsitzfläche 18 eines Ven­ tilsitzkörpers wird Brennstoff durch eine Abspritzöffnung 19 abgespritzt. Der Betätigungskörper 15 stützt sich zulaufsei­ tig an einer Rückstellfeder 20 ab und hintergreift mit sei­ ner abspritzseitigen Verlängerung 35 einen Flansch 36 der Ventilnadel 17. Zwischen dem Flansch 36 der Ventilnadel 17 und dem Betätigungskörper 15 ist eine Feder 16 eingespannt. Der Betätigungskörper 15 kann bei der Schließbewegung gegen­ über der Ventilnadel 17 durchschwingen, so daß nur die träge Masse der Ventilnadel 17 an der Ventilsitzfläche 18 an­ schlägt. Dadurch werden Preller vermieden. Der Brennstoff strömt über eine Innenausnehmung 37 des Betätigungskörpers 15, Querbohrungen 38 Stromaufwärts des Flansches 36 und we­ nigstens einen Kanal 39 zum Dichtsitz.

Zwischen der ersten Hülse 32 des ersten Außenflanschs 6 und dem Ventilgehäuse 10 befindet sich eine erste ringförmige Dämpferkammer 21. Zwischen der zweiten Hülse 34 des zweiten Außenflanschs 7 und dem Ventilgehäuse 10 befindet sich eine zweite ringförmige Dämpferkammer 22. Die Dämpferkammern 21 und 22 stehen über Führungsspalte 23 gedrosselt mit dem Brennstoffeinlaß 28 in Verbindung und sind dadurch mit Brennstoff als Dämpfungsmedium gefüllt. Sie puffern das Ak­ torgehäuse 2 gegen das Ventilgehäuse 10 ab. Bei Bedarf wird Dämpfungsmedium über die Führungsspalte 23 zugeführt oder abgegeben. Das Aktorgehäuse 2 ist somit unter entgegenge­ setzter Veränderung des Volumens der ersten Dämpferkammer 21 und der zweiten Dämpferkammer 22 im Ventilgehäuse 10 axial frei verschiebbar.

Wird an den Aktor 3 des in Fig. 1 dargestellten erfindungs­ gemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 eine elektrische Betä­ tigungsspannung angeschlossen, dehnen sich die scheibenför­ migen Elemente 4 des Aktors 3 aus, wodurch der Mittelflansch 11 entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffes bewegt wird. Die Vorspannfeder 5 wird entgegen der bereits vorhan­ denen Vorspannung weiter zusammengedrückt. Der Ventil­ schließkörper 30 hebt von der Ventilsitzfläche 18 ab und Brennstoff wird durch die Abspritzöffnung 19 abgespritzt.

Durch die hohe. Betätigungsfrequenz des Aktors 3 beim Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 in einer Brennkraftmaschine verhält sich das zwischen den Außenflan­ schen 6 und 7 des Aktorgehäuses 2 und dem Ventilgehäuse 10 befindliche Dämpfungsmedium in den Dämpferkammern 21 und 22 wie eine inkompressible Flüssigkeit, da die Ausdehnung des Aktors 3 bei seiner Betätigung zu schnell erfolgt, als daß Dämpfungsmedium durch die Führungsspalte 23 entweichen könn­ te.

Ein Brennstoffeinspritzventil 1 erfährt beim Betrieb starke Temperaturschwankungen. Zum einen erwärmt sich das ganze Brennstoffeinspritzventil 1 durch den Kontakt zur Brennkam­ mer einer Brennkraftmaschine, zum anderen treten lokale Tem­ peratureffekte z. B. durch die Verlustleistung beim Verfor­ men des piezoelektrischen Aktors 3 oder durch elektrische Ladungsbewegung auf. Dies resultiert in einer thermischen Längenverkürzung der scheibenförmigen Elemente 4, da piezo­ elektrische Keramiken negative Temperaturausdehnungskoeffi­ zienten 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 vor­ gespannten Vorspannfeder 5 kompensiert. Die Verkürzung des Aktors 2 führt zu einer Verlängerung der Vorspannfeder 5. Da der Mittelflansch 11 über die Schweißnaht 14 an dem Betäti­ gungskörper 15 arretiert ist, resultiert aus der Längenver­ änderung des Aktors 3 eine Lageveränderung des Aktorgehäuses 2. Dieser Lageveränderung des Aktorgehäuses 2 wird durch die Flüssigkeitslagerung des Aktorgehäuses 2 innerhalb des Ven­ tilgehäuses 10 begegnet, da bei quasistatischen Lageänderun­ gen des Aktorgehäuses 2 relativ zum Ventilgehäuse 10 durch Temperatureinflüsse die Bewegung des Aktorgehäuses 2 so langsam erfolgt, daß Dämpfermedium durch die Führungsspalte 23 entweichen bzw. nachfließen kann.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbei­ spiel beschränkt, sondern auch bei einer Vielzahl anderer Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen 1 realisierbar.

Claims (10)

1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Einspritzven­ til für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (3) und einem von dem Aktor (3) mittels einer Ventilnadel (17) betätigbaren Ventilschließkörper (30), der mit einer Ventil­ sitzfläche (18) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (3) von einer Vorspannfeder (5) vorgespannt ist und der Aktor (3) und die Vorspannfeder (5) von einem Aktorgehäuse (2) umgeben sind, welches an seinen beiden En­ den flüssigkeitsgelagert ist.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster endseitiger Außenflansch (6) des Aktorgehäu­ ses (2) durch ein erstes Dichtelement (8) gegen ein Ventil­ gehäuse (10) abgedichtet ist und ein zweiter endseitiger Au­ ßenflansch (7) des Aktorgehäuses (2) durch ein zweites Dichtelement (9) gegen das Ventilgehäuse (10) abgedichtet ist.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Außenflansch (6) an einer ersten Stirnseite (24) des Aktors (3) anliegt, der zweite Außenflansch (7) an einem ersten Ende (26) der Vorspannfeder (5) anliegt und sich eine zweite Stirnseite (25) des Aktors (3) und ein zweites Ende (27). der Vorspannfeder (5) an einem Mittel­ flansch (11) abstützen.

4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Ventilnadel (17) in Verbindung stehender Be­ tätigungskörper (15) mit dem Mittelflansch (11) fest verbun­ den ist.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorgehäuse (2) mit dem ersten Außenflansch (6) an eine mit einem Dämpfungsmedium gefüllte, ringförmige erste Dämpferkammer (21) und mit dem zweiten Außenflansch (7) an eine mit einem Dämpfungsmedium gefüllte, ringförmige zweite Dämpferkammer (22) angrenzt.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dämpferkammer (21) und die zweite Dämpferkam­ mer (22) über Führungsspalte (23) gedrosselt mit einem Brennstoffeinlaß (28) in Verbindung stehen.

7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorgehäuse (2) unter entgegengesetzter Veränderung des Volumens der ersten Dämpferkammer (21) und der zweiten Dämpferkammer (22) axial frei verschiebbar ist.

8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine über den Mittelflansch (11) vermittelte quasistati­ sche Lageveränderung des Aktorgehäuses (2) verursacht durch eine thermische Längenänderung des Aktors (3) durch Volumen­ kompensation in der ersten Dämpferkammer (21) und der zwei­ ten Dämpferkammer (22) ausgeglichen wird, indem über die Führungsspalte (23) Dämpfungsmedium zufließt oder entweicht.

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungsmedium der das Brennstoffeinspritzventil(1) durchströmende Brennstoff verwendet wird.

10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (3) ringförmig mit einer zentralen Ausnehmung (29) ausgebildet ist, in welcher ein auf die Ventilnadel (17) einwirkender Betätigungskörper (15) geführt ist.