EP1092089B1 - Brennstoffeinspritzventil und verfahren zu dessen betätigung - Google Patents

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EP1092089B1
EP1092089B1 EP99964389A EP99964389A EP1092089B1 EP 1092089 B1 EP1092089 B1 EP 1092089B1 EP 99964389 A EP99964389 A EP 99964389A EP 99964389 A EP99964389 A EP 99964389A EP 1092089 B1 EP1092089 B1 EP 1092089B1
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EP
European Patent Office
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actuator
valve
housing
bearing element
fuel injection
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EP99964389A
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French (fr)
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EP1092089A1 (de
Inventor
Wolfgang Ruehle
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the invention is based on a fuel injector according to the preamble of claim 1 and by a method for Actuation of a fuel injection valve according to the genus of claim 10.
  • a fuel injector is known from DE-A-19 624 006.
  • DE 195 38 791 A1 describes a fuel injector for fuel injection systems of internal combustion engines known in which a valve closing body with a Valve seat surface cooperates to form a sealing seat, from one Actuator is actuated by means of a valve needle.
  • piezoelectric Actuators are basically their temperature expansion.
  • materials have such as steel or plastics, one negative coefficient of thermal expansion. This requires that the piezoelectric actuator increases with temperature contracts as the surrounding housing expands.
  • Temperature compensation is that to operate a Valve needle of the fuel injector the valve needle via a suitable connection device with the between the two actuators mounted cylinders is to be connected. This requires additional components, which embrace at least one of the actuators, whereby the Width of the fuel injector increased. Moreover if the actuators are far apart, so that in the event of an operational heating of the first piezo actuator the second actuator the thermal expansion of the first actuator is unable to compensate. Also in Long-term operation arises because of the then trained Temperature difference between the first piezo actuator and the second piezo actuator is inadequate Temperature compensation. In the embodiment of the Doctoral thesis is the temperature of the two actuators Cooling or heating elements actively adjusted. In summary this temperature compensation is expensive and for not suitable for practical use.
  • valve housing in two parts from two different ones To design materials.
  • one housing part made of steel and the other To manufacture housing part from Invar By suitable Length selection of the first housing part made of steel and the second Housing part from Invar should be achieved that the overall resulting thermal expansion of the housing to the Thermal expansion of the piezoelectric actuator is adjusted and thus the piezoelectric actuator and that housing surrounding the piezoelectric actuator in the same way expand depending on temperature.
  • the disadvantage of this solution is the complex production of the valve housing and the relatively high cost of the Material of the second housing part, which is preferably made of Invar exists. It should also be borne in mind that the valve housing and the actuator has a different temperature can. So the piezoelectric actuator can be due its heat loss, especially when used frequently of the fuel injector and heat it up Transfer the temperature to the valve body only slowly. On the other hand, the temperature of the valve body is determined by affects the waste heat of the internal combustion engine, on which the fuel injector is installed. That kind of Temperature compensation is therefore unsatisfactory.
  • DE 195 19 192 C1 describes a fuel injector known for fuel injection systems of internal combustion engines, in which an actuator has a hydraulic transmission system acts on a valve needle.
  • the translation facility has a primary piston, the one has inner recess in which a secondary piston is movable is led.
  • the secondary piston is with a valve needle connected, the sealing and movable in the valve housing is led.
  • There is a working space with fuel in the valve housing filled by primary pistons and secondary pistons is limited.
  • On the side of the The primary piston is in contact with the piezo actuator on the primary piston.
  • a disadvantage of this solution is that the hydraulic Temperature compensation damped the action of the actuator is transferred to the valve needle, whereby the Response time of the valve needle extended and that Fuel injector not as a fast switching Fuel injector is usable.
  • the fuel injector according to the invention can also also as a fast-switching fuel injector be used. Further advantages lie in a precise Formability of the injection process, which makes the Injection process the respective operating state and Operating requirements of the internal combustion engine are adjusted can, and in a small number of mechanically movable components, so that Fuel injector is designed to be low-wear and is easy to construct.
  • the bearing element is advantageously over a Screw element fastened in the valve housing, whereby by the tightening torque of the screw element at least set one of the actuators preload leaves. This allows the pressure of the valve needle in the sealing seat or the one acting on the valve needle Set opening force for unactuated actuators in a defined manner. This is particularly useful in connection with the elastically deformable support element. This can also do that Ratio of the preloads of the two actuators can be set.
  • the actuators are advantageous in an elongated Actuator housing arranged, the actuator housing at least one on the side of the actuator housing Longitudinal recess of the actuator housing through which the bearing element protrudes, wherein the bearing element in the recess in the longitudinal direction of the actuator housing is movable.
  • the two actuators can be preloaded act on what is beneficial to operational reliability of the fuel injector affects because unfavorable tensile loads on the actuators can be avoided.
  • the actuators in the housing can be cheaper Way to be pre-assembled.
  • the recess is also the actuator housing Bearing element guided in the valve housing.
  • the actuator housing is a inflow-side housing plate, a sealing seat side Housing plate and a tubular housing wall, which the has elongated recess, comprises, wherein at least one of the actuators via at least one of the Housing plates act on the valve needle. This leaves the actuator housing is compact in the Install the fuel injector, being a cheap one Power transmission to the valve needle is given.
  • the actuator arranged on one side of the bearing element advantageously experiences one when the temperature changes the bearing element directed extension, which one at the same temperature change generated on the bearing element directed extension of the on the other side of the Bearing element arranged actuator compensated. This will a particularly good temperature compensation.
  • the method according to the invention for actuating a fuel injector with the characteristic features of the Claim 10 has the advantage that the closing and opening the sealing seat can be actively controlled in both directions, without the need for additional components.
  • valve needle is advantageously closed when the second electrical actuation voltage is switched off of the second actuator. This allows the whole to operate energy used to close the first actuator Sealing seat can be used, which makes the closing process is simplified.
  • the sealing seat is opened in an advantageous manner up to a first opening cut by switching off the first actuation voltage of the first actuator switched off second actuation voltage of the second Actuator, and opening the sealing seat up to a second Opening cross-section is made by loading the second Actuator with an electrical actuation voltage switched off first actuation voltage of the first actuator.
  • Fuel injector 1 shows an axial sectional view Fuel injector according to the invention 1.
  • Das Fuel injection valve 1 is used in particular for direct Injecting fuel, especially gasoline, into a combustion chamber of a mixture-compressing, spark-ignited Internal combustion engine as a so-called direct fuel injection valve.
  • the fuel injector according to the invention is also suitable for other applications.
  • the fuel injection valve 1 has a valve housing 2 on, the inflow side connected to an end plate 3 is, in the end plate 3, a fuel inlet 4th is represented simply by a hole.
  • a valve seat body 5 On the spray side The end of the fuel injector 1 is located in the valve housing 2, a valve seat body 5, which has a valve seat surface 6 has.
  • a valve needle 7 actuates one Valve closing body 8, which in this embodiment is formed in one piece with the valve needle 7.
  • the valve closing body 8 is frustoconical and in the spray direction tapered and works with the valve seat surface 6 of the valve seat body 5 to form a sealing seat together.
  • valve housing 2 Inside the valve housing 2 is an internal thread 9, into which a screw element 10 is screwed to a bearing element 11 against one on a Projection 12 of the valve housing 2 rests elastically deformable support element 13 in the valve housing 2 Fasten.
  • a first actuator 14 on and on inflow-side end face of the bearing element 11 is located second actuator 15.
  • the two actuators 14 and 15 are there cylindrical and are tubular Enclosed housing wall 16.
  • the first actuator 14 is in contact its end facing away from the bearing element 11 on one sealing seat-side housing plate 17, which with the tubular Housing wall 16 is connected to.
  • the second also lies Actuator 15 on its opposite the bearing element 11 End face on an inflow-side housing plate 18, which with the tubular housing wall 16 is connected to.
  • the tubular housing wall 16 has cutouts 19, 20, through which the bearing element 11 projects.
  • the administration of the fuel takes place starting from the fuel inlet 4 through, for example, a bore 21 in the bearing element 11 towards the sealing seat.
  • the first actuator 14 is supported on its the end plate 3 facing end face on the bearing element 11, whereby the actuator housing 16 - 18 when the first actuator is acted upon 14 with an electrical actuation voltage in the direction the sealing seat is moved and the valve seat body 8 on the valve seat surface 6 of the valve seat body 5 is pressed, whereby the fuel injector 1 is closed.
  • the resetting of the valve needle 7 can also be done via a suitably attached inside the valve housing 2 Spring element, in particular a compression spring.
  • the resetting of the valve closing body 8 also by switching off the electrical actuation voltage of the actuator 15 possible. For faster resetting, a Electrical actuation voltage pulse at actuator 14 contribute.
  • the bearing element 11 has a circular region 22 and two end-side, elongated regions 23, 24, which extend opposite each other by 180 °.
  • Shape of the circular region 22 of the bearing element 11 the Cross section of the two actuators 14, 15 adapted so that the actuators 14, 15 are particularly favorable on the bearing element 11 can support. Since the actuators 14, 15 are shortened slightly in the axial direction in the radial direction spread, is between the actuators 14, 15 and the tubular housing wall 16, a space 25 is provided, which receives the radial expansion of the actuators 14, 15.
  • the Bearing element 11 is in the elongated area 23 of the Bearing element 11 movably guided in a recess 20, likewise, the elongated region 24 of the bearing element 11 in a recess 19 out.
  • the invention is not based on the exemplary embodiments described limited.
  • Another configuration is also the actuators 14, 1.5, the bearing element 1.1 and the Actuator housing 16 - 18 possible.
  • the at least two actuators 14, 15 of the bearing element be enclosed in sections.
  • FIG. 5 shows the stroke of the valve needle 7 as a function of the stroke of the second actuator 15, the stroke of the second actuator 15 being temperature-compensated by the first actuator 14.
  • the stroke ⁇ h of the two actuators 14, 15 and the valve needle 7 is plotted on the ordinate and the time t is plotted on the abscissa.
  • the first actuator 14 is used exclusively for temperature compensation when the actuation voltage is switched off.
  • the actuation voltage of second actuator 15 is switched on, whereby second actuator 15 expands and reaches a maximum extent at time t 2 . Since the second actuator 15 acts on the valve needle 7 without the interposition of damping elements, the valve needle 7 follows the stroke of the second actuator 15 without a time delay.
  • the actuation voltage of second actuator 15 is reduced until it is completely switched off at time t 4 .
  • the stroke of the valve needle 7 follows the stroke of the second actuator 15. If the temperature of the fuel injector 1 is now increased, the first actuator 14 counteracts the linear expansion of the second actuator 15, which results in a vanishing effective temperature stroke. In contrast to a non-temperature-compensated actuator 150, in which the actuator stroke is shifted by a proportion of the temperature expansion, the stroke characteristic of the temperature-stabilized actuator 15 is not shifted, so that the same valve needle stroke of the valve needle 7 results regardless of the temperature.
  • valve needle lift ⁇ h of the valve needle 7 as a function of an actuation voltage U2 of the first actuator 14 and an actuation voltage U1 of the second actuator 15.
  • the voltages U1, U2 and the valve needle lift ⁇ h are plotted on the ordinate and the time t on the abscissa.
  • the operating voltage U2 of the first actuator 14 and the operating voltage U1 of the second actuator 15 are switched off by the time t 1 , as a result of which the valve needle 7 is in a rest position and opens the sealing seat up to a first opening cross section.
  • an electrical actuation voltage U2 is applied to the first actuator 14 at time t 1 , the first actuator 14 reaching a maximum stroke at time t 2 and the sealing seat being closed.
  • the sealing seat is opened at the time t 3 by applying an electrical actuation voltage U1 to the second actuator 15 up to the first opening cross section which occurs at the time t 4 .
  • the actuating voltage U2 of the first actuator 14 is reduced, as a result of which the sealing seat opens further and at the point in time t 6 , at which the actuating voltage U2 of the first actuator 14 is switched off, a second opening cross section is reached.
  • the actuation voltage U1 of the second actuator 15 is reduced, as a result of which the opening cross section of the sealing seat is reduced and, at time t 8 , at which the two actuation voltages U1, U2 of the two actuators 14, 15 are switched off, the first opening cross section is reached again.
  • the two-stage design of the valve stroke permits a variation in the metered quantities.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Betätigung eines Brennstoffeinspritzventils nach der Gattung des Anspruchs 10. Ein solches Brennstoffeinspritzventil ist aus der DE-A-19 624 006 bekannt.
Aus der DE 195 38 791 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem ein Ventilschließkörper, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, von einem Aktor mittels einer Ventilnadel betätigt wird.
Problematisch bei der Verwendung von piezoelektrischen Aktoren ist grundsätzlich deren Temperaturausdehnung. Piezoelektrische Werkstoffe haben im Gegensatz zu üblichen Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl oder Kunststoffen, einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Dies bedingt, daß sich der piezoelektrische Aktor mit zunehmender Temperatur zusammenzieht, während sich das umgebende Gehäuse ausdehnt. Die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktors einerseits und des Gehäuses andererseits bewirken einen temperaturabhängigen Ventilhub, wenn dies nicht durch geeignete Maßnahmen kompensiert wird.
Aus der Dissertation von Niko Herakovic "Die Untersuchung der Nutzung des Piezoeffektes zur Ansteuerung fluidtechnischer Ventile", TH Aachen 1996, Seiten 75-77, Wissenschaftsverlag Aachen, ISBN 3-89653-041-0, ist eine Temperaturkompensierung eines ersten Piezoaktors durch einen zweiten Piezoaktor bekannt. Dabei sind die beiden Piezoaktoren in jeweils einem Gehäuse untergebracht. Zur Temperaturkompensation wirkt der zweite Piezoaktor entgegen dem ersten Piezoaktor auf einen zwischen den beiden Piezoaktoren angeordneten Zylinder ein. In Abhängigkeit von der Betätigungsspannung des ersten Aktors wird ein Hub des Zylinders erreicht. Wird die Temperatur der beiden Aktoren erhöht, so kompensieren sich die thermischen Ausdehnungen der beiden Aktoren.
Nachteilig bei der aus dieser Druckschrift bekannten Temperaturkompensation ist, daß zur Betätigung einer Ventilnadel des Brennstoffeinspritzventils die Ventilnadel über eine geeignete Verbindungseinrichtung mit dem zwischen den beiden Aktoren gelagerten Zylinder zu verbinden ist. Dafür sind zusätzliche Bauteile erforderlich, welche zumindest einen der Aktoren umgreifen, wodurch sich die Breite des Brennstoffeinspritzventils vergrößert. Außerdem weisen die Aktoren einen großen Abstand voneinander auf, so daß bei einer betriebsbedingten stärkeren Erwärmung des ersten Piezoaktors der zweite Aktor die thermische Dehnung des ersten Aktors nicht zu kompensieren vermag. Auch im Langzeitbetrieb ergibt sich wegen dem dann ausgebildeten Temperaturgefälle zwischen dem ersten Piezoaktor und dem zweiten Piezoaktor nur eine unzureichende Temperaturkompensation. In dem Ausführungsbeispiel der Dissertation wird die Temperatur der beiden Aktoren durch Kühl- bzw. Heizelemente aktiv eingeregelt. Zusammenfassend ist diese Temperaturkompensation aufwendig und für praktische Anwendung nicht geeignet.
In der DE 195 38 791 A1 wird zur Temperaturkompensation vorgeschlagen, das Ventilgehäuse zweiteilig aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen zu gestalten. Beispielsweise wird vorgeschlagen, das eine Gehäuseteil aus Stahl und das andere Gehäuseteil aus Invar zu fertigen. Durch geeignete Längenwahl des ersten Gehäuseteils aus Stahl und des zweiten Gehäuseteils aus Invar soll erreicht werden, daß die sich insgesamt ergebende Wärmeausdehnung des Gehäuses an die Wärmeausdehnung des piezoelektrischen Aktors angepaßt ist und sich somit der piezoelektrische Aktor und das den piezoelektrischen Aktor umgebende Gehäuse in gleicher Weise temperaturabhängig ausdehnen.
Nachteilig bei dieser Lösung sind die aufwendige Fertigung des Ventilgehäuses und die relativ hohen Kosten für den Werkstoff des zweiten Gehäuseteils, das vorzugsweise aus Invar besteht. Ferner ist zu bedenken, daß das Ventilgehäuse und der Aktor eine unterschiedliche Temperatur aufweisen können. So kann sich der piezoelektrische Aktor aufgrund seiner Verlustwärme insbesondere bei einer häufigen Betätigung des Brennstoffeinspritzventils aufheizen und seine Temperatur nur langsam an das Ventilgehäuse übertragen. Andererseits wird die Temperatur des Ventilgehäuses durch die Abwärme der Brennkraftmaschine beeinflußt, an welcher das Brennstoffeinspritzventil montiert ist. Diese Art der Temperaturkompensation ist daher nicht befriedigend.
Aus der DE 195 19 192 C1 ist ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchem ein Aktor über ein hydraulisches Übersetzungssystem auf eine Ventilnadel einwirkt. Die Übersetzungseinrichtung weist einen Primärkolben auf, der eine innere Aussparung aufweist, in der ein Sekundärkolben bewegbar geführt ist. Der Sekundärkolben ist mit einer Ventilnadel verbunden, die dichtend und bewegbar im Ventilgehäuse geführt ist. Im Ventilgehäuse ist ein Arbeitsraum mit Kraftstoff gefüllt, der durch Primärkolben und Sekundärkolben begrenzt wird. Auf der dem Arbeitsraum abgewandten Seite des Primärkolbens liegt der Piezoaktor an dem Primärkolben an. Da das mit Brennstoff gefüllte Volumen des Arbeitsraums erhalten bleiben muß, bewegt sich bei einer Verschiebung des Primärkolbens durch Einwirkung des Piezoaktors der Sekundärkolben im Primärkolben, wobei durch geeignete Dimensionierung der Flächen an Primärkolben und Sekundärkolben auf der Seite des Arbeitsraums ein geeignetes Hubübersetzungsverhältnis gegeben ist. Der Temperaturausgleich wird über definierte Spalte zwischen Primärkolben und Sekundärkolben erreicht. Bei einer temperaturbedingten quasistatischen Ausdehnung des Brennstoffs im Arbeitsraum kann dazu ein Teil des Brennstoffs aus dem Arbeitsraum verdrängt werden.
Ein Nachteil dieser Lösung ist, daß durch die hydraulische Temperaturkompensation die Einwirkung des Aktors gedämpft auf die Ventilnadel übertragen wird, wodurch sich die Ansprechzeit der Ventilnadel verlängert und das Brennstoffeinspritzventil nicht als schnell schaltendes Brennstoffeinspritzventil verwendbar ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das Brennstoffeinspritzventil eine wesentlich verbesserte Temperaturkompensation des Aktors aufweist. Des weiteren kann das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil auch als schnell schaltendes Brennstoffeinspritzventil verwendet werden. Weitere Vorteile liegen in einer präzisen Formbarkeit des Einspritzverlaufs, wodurch der Einspritzvorgang dem jeweiligen Betriebszustand und den Betriebsanforderungen der Brennkraftmaschine angepaßt werden kann, und in einer geringen Anzahl von mechanisch beweglichen Bauelementen, so daß das Brennstoffeinspritzventil verschleißarm ausgeführt und einfach zu konstruieren ist.
Durch die in den Ansprüchen 2 bis 9 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhaft ist es, wenn das Lagerelement an einem in dem Ventilgehäuse ausgebildeten Vorsprung anliegt. Dadurch lassen sich zusätzliche Bauteile einsparen. Dabei kann das Lagerelement an einem in dem Ventilgehäuse ausgebildeten Vorsprung über ein elastisch verformbares Auflageelement anliegen. Dadurch wird eine zentrierte Anlage der Ventilnadel im Dichtsitz begünstigt. Außerdem lassen sich kurze, auf die Ventilnadel einwirkende Druckimpulse absorbieren, wodurch die Belastung der Ventilnadel reduziert wird.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn zumindest einer der Aktoren durch das Lagerelement mit einer größeren Vorspannung beaufschlagt ist, wodurch bei unbetätigten Aktoren die Ventilnadel mit einer durch die Vorspannungsdifferenz gegebenen Kraft gegen den Dichtsitz in Schließstellung gehalten ist. Dadurch kann eine zusätzliche Druckfeder zum Anpressen der Ventilnadel in den Dichtsitz entfallen.
In vorteilhafter Weise ist das Lagerelement über ein Schraubenelement im Ventilgehäuse befestigt, wobei sich durch das Anzugsmoment des Schraubenelements die auf zumindest einen der Aktoren einwirkende Vorspannung einstellen läßt. Dadurch läßt sich die Anpreßkraft der Ventilnadel in dem Dichtsitz bzw. die auf die Ventilnadel einwirkende Öffnungskraft bei unbetätigten Aktoren definiert einstellen. Besonders zweckmäßig ist dies in Verbindung mit dem elastisch verformbaren Auflageelement. Dadurch kann auch das Verhältnis aus den Vorspannungen der beiden Aktoren eingestellt werden.
Vorteilhaft sind die Aktoren in einem länglichen Aktorgehäuse angeordnet, wobei das Aktorgehäuse zumindest eine an dem Aktorgehäuse seitlich angeordnete in Längsrichtung des Aktorgehäuses länglich ausgebildete Aussparung aufweist, durch welche das Lagerelement hindurchragt, wobei das Lagerelement in der Aussparung in Längsrichtung des Aktorgehäuses bewegbar ist. Durch das Aktorgehäuse lassen sich die beiden Aktoren mit einer Vorspannung beaufschlagen, was sich günstig auf die Betriebszuverlässigkeit des Brennstoffeinspritzventils auswirkt, da ungünstige Zugbelastungen der Aktoren vermieden werden. Außerdem können die Aktoren in dem Gehäuse in günstiger Weise vormontiert werden. Durch die länglich ausgebildete Aussparung ist außerdem das Aktorgehäuse durch das Lagerelement in dem Ventilgehäuse geführt.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn das Aktorgehäuse eine zuflußseitige Gehäuseplatte, eine dichtsitzseitige Gehäuseplatte und eine rohrförmige Gehäusewand, welche die länglich ausgebildete Aussparung aufweist, umfaßt, wobei zumindest einer der Aktoren über zumindest eine der Gehäuseplatten auf die Ventilnadel einwirkt. Dadurch läßt sich das Aktorgehäuse kompakt in das Brennstoffeinspritzventil einbauen, wobei eine günstige Kraftübertragung auf die Ventilnadel gegeben ist.
Der auf der einen Seite des Lagerelements angeordnete Aktor erfährt vorteilhaft bei einer Temperaturänderung eine auf das Lagerelement gerichtete Ausdehnung, welche eine bei der gleichen Temperaturänderung erzeugte, auf das Lagerelement gerichtete Ausdehnung des auf der anderen Seite des Lagerelements angeordneten Aktors kompensiert. Dadurch wird eine besonders gute Temperaturkompensation gegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Betätigung eines Brennstoffeinspritzventils mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 hat den Vorteil, daß das Schließen und Öffnen des Dichtsitzes in beide Richtungen aktiv steuerbar ist, ohne daß zusätzliche Bauteile benötigt werden.
Durch die in den Ansprüchen 11 und 12 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens gegeben.
In vorteilhafter Weise erfolgt das Schließen der Ventilnadel bei abgeschalteter zweiter elektrischer Betätigungsspannung des zweiten Aktors. Dadurch kann die gesamte zum Betätigen des ersten Aktors verwendete Energie zum Schließen des Dichtsitzes verwendet werden, wodurch der Schließvorgang vereinfacht wird.
In vorteilhafter Weise erfolgt das Öffnen des Dichtsitzes bis zu einem ersten Öffnungsauerschnitt durch Abschalten der ersten Betätigungsspannung des ersten Aktors bei abgeschalteter zweiter Betätigungsspannung des zweiten Aktors, und das Öffnen des Dichtsitzes bis zu einem zweiten Öffnungsquerschnitt erfolgt durch Beaufschlagen des zweiten Aktors mit einer elektrischen Betätigungsspannung bei abgeschalteter erster Betätigungsspannung des ersten Aktors. Dadurch kann ein größerer und zweistufiger Hub der Ventilnadel erreicht werden, ohne daß zusätzliche Bauteile erforderlich sind.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen axialen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
Fig. 2
in einer axialen Schnittdarstellung das in Fig. 1 dargestellte Aktorgehäuse mit zwei Aktoren und einem Lagerelement in der Seitenansicht;
Fig. 3
die Vorderansicht von Fig. 2 in einer Schnittdarstellung;
Fig. 4
einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2;
Fig. 5
ein Diagramm zur Erläuterung der Temperaturkompensation;
Fig. 6
ein Diagramm, in dem der Ventilnadelhub Δh der Ventilnadel in Abhängigkeit einer ersten Betätigungsspannung U1 des ersten Aktors und einer zweiten Betätigungsspannung U2 des zweiten Aktors dargestellt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt in einer axialen Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff, insbesondere von Benzin, in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine als sogenanntes Benzindirekteinspritzventil. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, das zuflußseitig mit einer Abschlußplatte 3 verbunden ist, wobei in der Abschlußplatte 3 ein Brennstoffeinlaß 4 vereinfacht durch eine Bohrung dargestellt ist. Am abspritzseitigen Ende des Brennstoffeinspritzventils 1 befindet sich im Ventilgehäuse 2 ein Ventilsitzkörper 5, der eine Ventilsitzfläche 6 aufweist. Eine Ventilnadel 7 betätigt einen Ventilschließkörper 8, der in diesem Ausführungsbeispiel einteilig mit der Ventilnadel 7 ausgebildet ist. Der Ventilschließkörper 8 ist kegelstumpfförmig und in Abspritzrichtung verjüngend ausgebildet und wirkt mit der Ventilsitzfläche 6 des Ventilsitzkörpers 5 zu einem Dichtsitz zusammen. Im Inneren des Ventilgehäuses 2 ist ein Innengewinde 9 ausgebildet, in das ein Schraubenelement 10 geschraubt ist, um ein Lagerelement 11 gegen ein auf einem Vorsprung 12 des Ventilgehäuses 2 anliegendes elastisch verformbares Auflageelement 13 im Ventilgehäuse 2 zu befestigen. An der dichtsitzseitigen Stirnfläche des Lagerelements 11 liegt ein erster Aktor 14 an und an der zuflußseitigen Stirnfläche des Lagerelements 11 liegt ein zweiter Aktor 15 an. Die beiden Aktoren 14 und 15 sind dabei zylinderförmig ausgebildet und werden von einer rohrförmigen Gehäusewand 16 umschlossen. Der erste Aktor 14 liegt an seiner dem Lagerelement 11 abgewandten Stirnseite an einer dichtsitzseitigen Gehäuseplatte 17, die mit der rohrförmigen Gehäusewand 16 verbunden ist, an. Ebenso liegt der zweite Aktor 15 an seiner dem Lagerelement 11 gegenüberliegenden Stirnseite an einer zuflußseitigen Gehäuseplatte 18, die mit der rohrförmigen Gehäusewand 16 verbunden ist, an. Die rohrförmige Gehäusewand 16 weist Aussparungen 19, 20 auf, durch welche das Lagerelement 11 hindurchragt. Die Leitung des Brennstoffs erfolgt ausgehend vom Brennstoffeinlaß 4 durch beispielsweise eine Bohrung 21 in dem Lagerelement 11 in Richtung des Dichtsitzes.
Zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventiles 1 wird der piezoelektrische oder magnetostriktive zweite Aktor 15 mit einer elektrischen Betätigungsspannung beaufschlagt, wodurch sich der zweite Aktor 15 ausdehnt. Da sich der zweite Aktor 15 an seiner dichtsitzseitigen Stirnfläche an dem Lagerelement 11 abstützt, wird das Aktorgehäuse 16, 17, 18 in Richtung der Abschlußplatte 3 bewegt, wodurch die Ventilnadel 7 den Ventilschließkörper 8 aus dem Ventilsitzkörper 5 hebt und der Dichtsitz freigegeben wird. Über den entstandenen Spalt zwischen der Ventilsitzfläche 6 des Ventilsitzkörpers 5 und dem Ventilschließkörper 8 kommt es zum Austritt von Brennstoff aus dem Brennstoffeinspritzventil 1 in die Brennkammer der Brennkraftmaschine. Die Rückstellung des an der Ventilnadel 7 befestigten Ventilschließkörpers 8 erfolgt über den ersten Aktor 14, wobei die Ventilnadel 7 fest mit der Gehäuseplatte 17 verbunden ist. Der erste Aktor 14 stützt sich an seiner der Abschlußplatte 3 zugewandten Stirnseite an dem Lagerelement 11 ab, wodurch das Aktorgehäuse 16 - 18 bei Beaufschlagen des ersten Aktors 14 mit einer elektrischen Betätigungsspannung in Richtung des Dichtsitzes bewegt wird und der Ventilsitzkörper 8 an die Ventilsitzfläche 6 des Ventilsitzkörpers 5 gepreßt wird, wodurch das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird. Die Rückstellung der Ventilnadel 7 kann auch über ein geeignet im Inneren des Ventilgehäuses 2 angebrachtes Federelement, insbesondere eine Druckfeder erfolgen. Außerdem ist die Rückstellung des Ventilschließkörpers 8 auch durch Abschalten der elektrischen Betätigungsspannung des Aktors 15 möglich. Zur schnelleren Rückstellung kann ein Impuls der elektrischen Betätigungsspannung am Aktor 14 beitragen.
Fig. 2, 3 und 4 zeigen das Aktorgehäuse 16, 17, 18, in dem sich die beiden Aktoren 14, 15 und das Lagerelement 11 befinden. Bereits beschriebene Elemente sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, wodurch sich eine wiederholende Beschreibung erübrigt.
Das Lagerelement 11 weist einen kreisförmigen Bereich 22 und zwei endseitige, länglich ausgebildete Bereiche 23, 24 auf, die sich um 180° gegenüberliegend erstrecken. Dabei ist die Form des kreisförmigen Bereichs 22 des Lagerelements 11 dem Querschnitt der beiden Aktoren 14, 15 angepaßt, so daß sich die Aktoren 14, 15 besonders günstig an dem Lagerelement 11 abstützen können. Da sich die Aktoren 14, 15 bei Verkürzung in axialer Richtung in radialer Richtung geringfügig verbreiten, ist zwischen den Aktoren 14, 15 und der rohrförmigen Gehäusewand 16 ein Zwischenraum 25 vorgesehen, der die radiale Erweiterung der Aktoren 14, 15 aufnimmt. Das Lagerelement 11 wird in dem länglichen Bereich 23 des Lagerelements 11 in einer Aussparung 20 bewegbar geführt, ebenso wird der längliche Bereich 24 des Lagerelements 11 in einer Aussparung 19 geführt.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Außerdem ist eine andere Ausgestaltung der Aktoren 14, 1,5, des Lagerelements 1.1 und des Aktorgehäuses 16 - 18 denkbar. Insbesondere können die beiden Aktoren 14, 15 von dem Lagerelement zumindest abschnittsweise umschlossen sein.
In Fig. 5 ist der Hub der Ventilnadel 7 in Abhängigkeit vom Hub des zweiten Aktors 15 dargestellt, wobei der Hub des zweiten Aktors 15 durch den ersten Aktor 14 temperaturkompensiert wird. In dem Diagramm ist an der Ordinate der Hub Δh der beiden Aktoren 14, 15 und der Ventilnadel 7 und an der Abszisse die Zeit t angetragen. In dem dargestellten Beispiel wird der erste Aktor 14 bei einer abgeschalteten Betätigungsspannung ausschließlich zur Temperaturkompensation verwendet. Zum Zeitpunkt t1 wird die Betätigungsspannung des zweiten Aktors 15 eingeschaltet, wodurch sich der zweite Aktor 15 ausdehnt und zum Zeitpunkt t2 eine maximale Ausdehnung erreicht. Da der zweite Aktor 15 ohne Zwischenschaltung von dämpfenden Elementen auf die Ventilnadel 7 einwirkt, folgt die Ventilnadel 7 dem Hub des zweiten Aktors 15 ohne Zeitverzögerung. Zum Zeitpunkt t3 wird die Betätigungsspannung des zweiten Aktors 15 reduziert, bis sie zum Zeitpunkt t4 ganz abgeschaltet wird. Der Hub der Ventilnadel 7 folgt dem Hub des zweiten Aktors 15. Wird nun die Temperatur des Brennstoffeinspritzventils 1 erhöht, so wirkt der erste Aktor 14 der Längenausdehnung des zweiten Aktors 15 entgegen, wodurch sich ein verschwindender effektiver Temperatur-Hub ergibt. Im Gegensatz zu einem nicht temperaturkompensierten Aktor 150, bei dem sich der Aktorhub um einen Temperaturausdehnungsanteil verschiebt, ist die Hubkennlinie des temperaturstabilisierten Aktors 15 unverschoben, so daß sich unabhängig von der Temperatur der gleiche Ventilnadelhub der Ventilnadel 7 ergibt.
In Fig. 6 ist der Ventilnadelhub Δh der Ventilnadel 7 in Abhängigkeit einer Betätigungsspannung U2 des ersten Aktors 14 und einer Betätigungsspannung U1 des zweiten Aktors 15 dargestellt. Dabei sind an der Ordinate die Spannungen U1, U2 und der Ventilnadelhub Δh und an der Abszisse die Zeit t angetragen. Bis zum Zeitpunkt t1 sind die Betätigungsspannung U2 des ersten Aktors 14 und die Betätigungsspannung U1 des zweiten Aktors 15 abgeschaltet, wodurch die Ventilnadel 7 sich in einer Ruhestellung befindet und den Dichtsitz bis zu einem ersten Öffnungsquerschnitt öffnet. Zum Schließen des Dichtsitzes wird der erste Aktor 14 zum Zeitpunkt t1 mit einer elektrischen Betätigungsspannung U2 beaufschlagt, wobei der erste Aktor 14 zum Zeitpunkt t2 einen maximalen Hub erreicht und der Dichtsitz geschlossen ist. Bei unveränderter Aktorspannung U2 des ersten Aktors 14 wird zum Zeitpunkt t3 durch Beaufschlagen des zweiten Aktors 15 mit einer elektrischen Betätigungspannung U1 der Dichtsitz bis zu dem ersten Öffnungsquerschnitt, der sich zum Zeitpunkt t4 einstellt, geöffnet. Ab dem Zeitpunkt t5 wird die Betätigungsspannung U2 des ersten Aktors 14 verringert, wodurch sich der Dichtsitz weiter öffnet und zum Zeitpunkt t6, bei dem die Betätigungsspannung U2 des ersten Aktors 14 abgeschaltet ist, einen zweiten Öffnungsquerschnitt erreicht. Zum Zeitpunkt t7 wird die Betätigungsspannung U1 des zweiten Aktors 15 verringert, wodurch sich der Öffnungsquerschnitt des Dichtsitzes verkleinert und zum Zeitpunkt t8, bei dem die beiden Betätigungsspannungen U1, U2 der beiden Aktoren 14, 15 abgeschaltet sind, erneut den ersten Öffnungsquerschnitt erreicht. Im Vergleich zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils mit nur einem der Aktoren 14, 15 ergibt sich ein größerer Ventilnadelhub 26. Die zweistufige Gestaltung des Ventilhubs gestattet eine Variation der Zumeßmengen.

Claims (12)

  1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem ersten piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (14), einem von dem ersten Aktor (14) mittels einer Ventilnadel (7) betätigbaren Ventilschließkörper (8), der mit einer Ventilsitzfläche (6) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und einem -zweiten piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (15), der entgegen dem ersten Aktor (14) auf die Ventilnadel (7) einwirkt,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (14, 15) durch ein Lagerelement (11) miteinander verbunden sind, das in dem Brennstoffeinspritzventil (1) ortsfest gelagert ist.
  2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (11) wenigstens eine Bohrung (21) für die Durchführung von Brennstoff aufweist.
  3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (11) an einem in einem Ventilgehäuse (2) ausgebildeten Vorsprung (12) anliegt.
  4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (11) an dem im Ventilgehäuse (2) ausgebildeten Vorsprung (12) über ein elastisch verformbares Auflageelement (13) anliegt.
  5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Aktoren (14, 15) durch das Lagerelement (11) mit einer Vorspannung beaufschlagt ist, wodurch bei unbetätigten Aktoren (14, 15) die Ventilnadel (7) mit einer durch die Vorspannung gegebenen Kraft gegen den Dichtsitz in Schließstellung gehalten ist.
  6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (11) über ein Schraubenelement (10) im Ventilgehäuse (2) befestigt ist, wobei sich durch das Anzugsmoment des Schraubenelementes (10) die auf zumindest einen der Aktoren (14, 15) einwirkende Vorspannung einstellen läßt.
  7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (14, 15) in einem länglichen Aktorgehäuse (16, 17, 18) angeordnet sind, wobei das Aktorgehäuse (16, 17, 18) zumindest eine an dem Aktorgehäuse (16, 17, 18) seitlich angeordnete, in Längsrichtung des Aktorgehäuses (16, 17, 18) länglich ausgebildete Aussparung (19, 20) aufweist, durch welche das Lagerelement (11) hindurchragt, wobei das Lagerelement (11) in der Aussparung (19, 20) in Längsrichtung des Aktorgehäuses (16, 17, 18) bewegbar ist.
  8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorgehäuse (16, 17, 18) eine zuflußseitige Gehäuseplatte (18), eine dichtsitzseitige Gehäuseplatte (17) und eine rohrförmige Gehäusewand (16), welche die länglich ausgebildete Aussparung (19, 20) aufweist, umfaßt, wobei zumindest einer der Aktoren (14) über zumindest eine der Gehäuseplatten (17) auf die Ventilnadel (7) einwirkt.
  9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine zweite auf der einen Seite des Lagerelements (11) angeordnete Aktor (15) bei einer Temperaturänderung eine auf das Lagerelement (11) gerichtete Ausdehnung erfährt, welche eine bei der gleichen Temperaturänderung erzeugte, auf das Lagerelement (11) gerichtete Ausdehnung des wenigstens einen ersten auf der anderen Seite des Lagerelements (11) angeordneten Aktors (14) kompensiert.
  10. Verfahren zur Betätigung eines Brennstoffeinspritzventils (1), insbesondere eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven ersten Aktor (14), einem von dem ersten Aktor (14) mittels einer Ventilnadel (7) betätigbaren Ventilschließkörper (8), der mit einer Ventilsitzfläche (6) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt und zumindest einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven zweiten Aktor (15), der entgegen dem ersten Aktor (14) auf die Ventilnadel (7) einwirkt, sowie mit einem in dem Brennstoffeirispritzventil (1) ortsfest gelagerten Lagerelement (11), durch das die Aktoren (14, 15) miteinander verbunden sind, mit folgenden Verfahrensschritten:
    Schließen des Dichtsitzes durch Beaufschlagen des ersten Aktors (14) mit einer ersten elektrischen Betätigungsspannung (U2), und
    Öffnen des Dichtsitzes durch Verringern der ersten Betätigungsspannung (U2) des ersten Aktors (14) und/oder durch Beaufschlagen des zweiten Aktors (15) mit einer zweiten elektrischen Betätigungsspannung (U1).
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    das das Schließen des Dichtsitzes bei abgeschalteter zweiter elektrischer Betätigungsspannnung (U1) des zweiten Aktors (15) erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnen des Dichtsitzes bis zu einem ersten Öffnungsquerschnitt durch Abschalten der ersten Betätigungsspannung (U2) des ersten Aktors (14) bei abgeschalteter zweiter Betätigungsspannung (U1) des zweiten Aktors (15) erfolgt, und
    daß das Öffnen des Dichtsitzes bis zu einem zweiten Öffnungsquerschnitt durch Beaufschlagen des zweiten Aktors (15) mit der zweiten elektrischen Betätigungsspannung (U1) bei abgeschalteter erster Betätigungsspannung (U2) des ersten Aktors (14) erfolgt, wobei der zweite Öffnungsquerschnitt größer als der erste Öffnungsquerschnitt, insbesondere doppelt so groß, ist.
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