WO2009098100A1 - Einspritzventil, verfahren und vorrichtung zur steuerung eines einspritzventils - Google Patents

Einspritzventil, verfahren und vorrichtung zur steuerung eines einspritzventils Download PDF

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Maximilian Kronberger
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    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
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    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention relates to an injection valve and a method and a device for controlling an injection valve.
  • Vehicles are arranged, make it necessary to take various measures by which the pollutant emissions are reduced.
  • One starting point here is to reduce the pollutant emissions generated by the internal combustion engine.
  • the formation of soot is highly dependent on the preparation of the air / fuel mixture in the respective cylinder of the internal combustion engine.
  • a correspondingly improved mixture preparation can be achieved if the fuel is metered under very high pressure.
  • the fuel pressures are up to over 2000 bar.
  • Such high pressures make high demands on the design of an injection valve.
  • high demands are placed on the actuator unit for the injection valve.
  • DE 196 53 555 A1 discloses a piezoelectric actuator with a housing, into which at least one piezoelectric element is introduced, which can be controlled by a control unit, wherein means are provided which laterally stabilize the piezoelectric element and means are arranged with spring action which bias the piezoelectric element against its extension direction.
  • DE 102 45 109 discloses an injector having a piezoelectric actuator body, the lateral surface of which is surrounded by an injector housing while maintaining an intermediate space and cooled by direct contact with an inert, electrically non-conductive fluid.
  • the object of the invention is to provide an injection valve and a method and a device for controlling an injection valve, by which or through which a reliable and precise operation of the injection valve is made possible.
  • the invention is characterized by an injection valve with a nozzle assembly and an actuator unit.
  • the nozzle assembly has a nozzle body with a nozzle body recess which can be hydraulically coupled to a high-pressure circuit of a fluid, and a nozzle needle arranged axially movably in the nozzle body recess, which is designed to prevent a fluid flow through at least one injection opening in a closed position and otherwise to release the fluid flow.
  • the actuator unit has a sleeve-shaped housing with a longitudinal axis, which has a housing recess, wherein the sleeve-shaped housing is mechanically fixedly coupled to the nozzle body and the housing recess is hydraulically coupled to the nozzle body recess, such that the housing recess is hydraulically connected to the high pressure circuit of the fluid can be coupled, a cover member which is fixedly coupled to an axial end facing away from the nozzle body of the sleeve-shaped housing, and a piezoelectric actuator, in the housing recess is arranged, is designed to act on the nozzle needle and has a head end portion at an axial end facing away from the nozzle needle.
  • the head end section of the piezoactuator is coupled directly to the cover element.
  • the housing is formed from one or more materials which are designed in such a way that the thermal expansion coefficient of a housing section which surrounds the piezoactuator and / or the piezoactuator and a compensation element arranged axially and fixedly coupled to the piezoactuator, essentially corresponding to that of the piezoactuator or that of the piezoactuator and the compensation element.
  • the advantage of this arrangement is that the construction of the injection valve with a small number of components is possible.
  • a hydraulic compensator for temperature compensation can be dispensed with.
  • a common recess of housing recess and nozzle body recess By a common recess of housing recess and nozzle body recess, a relatively large volume of fluid can be achieved in the injector. This achieves a high stability of the injection volumes, in particular in the case of multiple injections.
  • the housing is formed of an Invar alloy.
  • Invar alloys are a group of alloys and compounds that have the property of having very small positive or sometimes negative thermal expansion coefficients in certain temperature ranges. The name results from the invariance of the strain with respect to a temperature change. Invar alloys have high mechanical strength and can be welded. A commonly used Invar alloy is a FeNi alloy with one Nickel content of 36% nickel. By alloying with 5% cobalt, the thermal expansion coefficient can be further reduced. In addition, many other alloys are known in which an Invar effect occurs.
  • Housing made of an Invar alloy in particular housing for an actuator of an injection valve of an internal combustion engine, have the advantage that only a small change in length of the housing takes place when the temperature changes.
  • the coefficient of thermal expansion of the housing made of an Invar alloy can correspond to the thermal expansion coefficient of the piezoactuator, so that no or only slight mechanical stresses, forces or changes in position occur between the housing and the piezoactuator.
  • the nozzle needle is coupled directly to the piezoactuator, such that the nozzle needle and the piezoactuator are movable relative to each other in a same direction.
  • an actuator housing having an inner space is arranged in the housing recess, and the piezoactuator is arranged in the inner space, and the inner space is sealed fluid-tight with respect to the housing recess.
  • the actuator housing has a bellows, which is designed such that axial changes in length of the piezo actuator can be accommodated by the actuator housing. This has the advantage that in the case of a piezo actuator fixedly coupled to the actuator housing, axial length changes of the piezoactuator can be absorbed directly by the actuator housing by means of the bellows.
  • the bellows is arranged coaxially between the piezoactuator and the housing and is fixedly coupled to the cover element with an axial end facing away from the nozzle body.
  • the piezoactuator has a bottom element on an axial end facing the nozzle body, and the bellows is fixedly coupled to the bottom element with the axial end facing the nozzle body.
  • the bellows is arranged axially between the piezoactuator and the injection opening.
  • the actuator housing has a tubular element which is arranged coaxially between the piezoactuator and the housing. An axial end of the tubular element facing away from the nozzle body is fixedly coupled to the cover element and an axial end of the tubular element facing the nozzle body is fixedly coupled to an axial end of the bellows facing the nozzle body.
  • the actuator housing has a perforated disk, and the perforated disk is coupled directly to the axial end of the pipe element facing the nozzle body and directly to the axial end of the bellows facing the nozzle body.
  • the perforated disc has a recess and the bellows has an inner bellows chamber.
  • the bottom element has a pin extension which extends in the recess and in the bellows chamber.
  • Pen extension relative to the housing provides a particularly favorably arranged surface for measuring the idle stroke of the actuator unit.
  • Compensating element on the pin extension, and the pin extension has a material that has a higher thermal expansion coefficient than steel.
  • Such materials are preferably Mn-Cu-Ni alloys, the composition Mn72Cul8NilO being particularly preferred. This has the
  • the housing may preferably be formed of a steel and that the compensation of the thermal expansion of the housing and the piezoelectric actuator requires no additional length of the injector.
  • the interior of the actuator housing is at least partially filled with a fluid, and the fluid is made of a material which comprises a silicone.
  • Silicone enables a mechanical stabilization The quality of the bellows even at higher fluid pressures.
  • Another advantage is that silicone have a high thermal conductivity, and so a good heat dissipation is made possible by the piezoelectric actuator.
  • the nozzle body and the housing are releasably coupled together.
  • the nozzle body and the housing are releasably coupled to one another by means of a screw connection. This has the advantage that a simple assembly and disassembly of the nozzle body and the housing is possible.
  • a sealing element is arranged axially between the nozzle body and the housing. It can be achieved as a high fluid tightness between the contact surfaces of the nozzle body and the housing.
  • the axial arrangement of the sealing element between the nozzle body and the housing allows a high process reliability during assembly of the sealing element.
  • the nozzle needle has at least two guide sections, each with a flat recess, wherein the guide sections are designed such that the nozzle needle can be guided through the nozzle body in the axial direction.
  • the guide sections are designed such that the nozzle needle can be guided through the nozzle body in the axial direction.
  • the head end section of the piezoactuator has an electrical connection line, by means of which the piezoactuator can be electrically coupled to a voltage source, and the cover element has a glass feedthrough, and the electrical connection line is arranged in the glass feedthrough.
  • the glass feedthrough By means of the glass feedthrough, a fluid-tight passage of the electrical connection line of the piezo actuator through the cover element can be achieved.
  • the invention is characterized by an apparatus for controlling an injection valve according to the first aspect, comprising means for determining the reaching of the closing position of the nozzle needle.
  • the means for determining the reaching of the closed position of the nozzle needle are designed for determining the time profile of electrical variables on the piezoactuator.
  • the invention is characterized by a method for controlling an injection valve according to the first aspect, wherein the achievement of the closing position of the nozzle needle is determined by determining a time profile of electrical variables on the piezo actuator.
  • the closing position of the nozzle needle can be determined very precisely. Furthermore, an adaptive be used to compensate for changes over time in the elongation of the piezo actuator. This also achieves a high long-term stability of the operating behavior of the injection valve.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an injection valve in longitudinal section
  • Figure 2 shows another embodiment of the injection valve in longitudinal section
  • FIG. 3 shows a partial region of the injection valve in longitudinal section.
  • Figures 1 and 2 show an injection valve 10 with an actuator 14 and a nozzle assembly 60.
  • the injection valve 10 is preferably used for use as a fuel injection valve for an internal combustion engine of a vehicle.
  • the actuator unit 14 has a sleeve-shaped housing 12 with a housing recess 13, in which a piezoactuator 16 is arranged.
  • the housing 12 is preferably made of an Invar alloy.
  • the Invar alloy has a nickel content of about 36%.
  • the piezoactuator 16 has at least one piezoelectric element 17, which changes its length in the axial direction, depending on a control signal which is applied to the piezoactuator 16.
  • the nozzle assembly 60 comprises a nozzle body 30 having a longitudinal axis A and a nozzle body recess 32 extending in the axial direction in the nozzle body 30. At a free end of the nozzle body recess 32, a fluid outlet 28 is formed, which is in the open or closed position, depending on the axial position of a nozzle needle 33.
  • the injection valve 10 further has a high pressure port 20 in which a fluid inlet 26 is formed.
  • a connecting channel 27 is further formed by means of which the fluid inlet 26 is hydraulically coupled to the housing recess 13 of the housing 12 and to the nozzle body recess 32.
  • the high pressure port 20 is coupled to the fluid inlet 26 to a high pressure chamber of an internal combustion engine, in which the fuel is stored under a certain pressure, for example under a pressure of about 200 bar.
  • the nozzle body 30 has a shoulder 34 and the nozzle needle 33 has a shoulder 35, wherein both paragraphs 34, 35 serve as a support for a spring 24 which is disposed between the nozzle body 30 and the nozzle needle 33.
  • the nozzle needle 33 is coupled directly to the piezoelectric actuator 16 without the interposition of a deflection device.
  • the nozzle needle 33 and the piezoactuator 16 thus move relative to one another in a same direction.
  • the injection valve 10 is formed as an outwardly opening valve.
  • the piezoactuator 16 On its end facing away from the nozzle assembly 60, the piezoactuator 16 has a head end section 42 with a cover element 18 which adjoins the piezoelement 17.
  • the housing recess 13 has an inner wall 15.
  • the piezoactuator 16 has a bottom element 19 on an axial end facing the nozzle body 30. The bottom element 19 is fixedly coupled to the bellows 40 of the actuator housing 36.
  • the head end portion 42 of the piezoactuator 16 further comprises an electrical connection line 44 for the supply of electrical energy to the piezoactuator 16.
  • the piezoactuator 16 changes its length in the axial direction when an electrical voltage is applied to it. By changing the length of the piezo actuator 16, a force can be exerted on the nozzle needle 33. Via the force exerted by the piezoactuator 16, the nozzle needle 33 can move in the axial direction so as to enable or prevent fluid flow through an injection port 62.
  • the actuator unit 14 for the injection valve 10 further has a connection plug 56 with a plug body 57, in which a connection pin 58 is arranged. Via the connection plug 56, a voltage can be applied to the connection pin 58 of the connection plug 56.
  • the connection pin 58 of the connection plug 56 and the electrical connection line 44 of the piezoactuator 16 together form an electrical connection. End of the piezoelectric actuator 16. Since the connecting pin 58 of the connector plug 56 is electrically coupled to the connecting line 44 of the piezoelectric actuator 16, a supply of electrical energy from the outside to the piezoelectric actuator 16 is possible in a simple manner.
  • an actuator housing 36 is arranged with an inner space 38, in which the piezoelectric actuator 16 is arranged.
  • the piezoactuator 16 is thus accommodated in the actuator housing 36 in a mechanically stable manner.
  • the actuator housing 36 has a bellows 40, which in
  • Piezoaktuators 16 can be recorded directly from the fixedly coupled to the piezoelectric actuator 16 actuator housing 36.
  • the bellows 40 is arranged coaxially between the piezoactuator 16 and the housing 12.
  • the bellows 40 is fixedly coupled to the cover element 18 with an axial end facing away from the nozzle body 30.
  • the bellows 40 is fixedly coupled to the nozzle body 30 axial end facing the bottom member 19.
  • the piezoactuator 16 is fixedly coupled to a glass feedthrough 45.
  • the electrical connection line 44 is arranged in the glass feedthrough 45, as a result of which a fluid-tight passage of the electrical connection line 44 of the piezoactuator 16 through the cover element 18 can be achieved.
  • the bellows 40 is arranged axially between the piezoactuator 16 and the injection opening 62.
  • the actuator housing 36 has a tubular element 46, which is arranged coaxially between the piezoactuator 16 and the housing 12.
  • the tubular element 46 extends with its axial end facing away from the nozzle body 30 up to its axial end facing the nozzle body 30 from the cover element 18 to a perforated disc 64.
  • the perforated disc 64 extends with the axial end of the tubular element 46 facing the nozzle body 30 and fixedly coupled to the nozzle body facing the axial end of the bellows 40.
  • the end remote from the nozzle body 30 of the tubular element 46 is fixedly coupled to the lid member 18.
  • the bellows 40 is disposed within the tubular member 46.
  • the radial dimensions of the bellows 40 can be formed independently of the radial dimensions of the piezoactuator 16.
  • the radial extent of the bellows 40 may be smaller than the radial extent of the piezoelectric actuator 16.
  • the hydraulically effective surface in the direction of the longitudinal axis A is very small, whereby a short piezoelectric actuator 16 may be used in the injection valve 10. This has the advantage that a lower energy consumption and thus a lower thermal load of the piezoelectric actuator 16 can be achieved.
  • the perforated disc 64 has a recess 65 and the bellows 40 has an inner bellows chamber 66.
  • a pin extension 68 is arranged in the recess 65 of the perforated disc 64 and in the inner bellows 66 .
  • the pin extension 68 is fixed, preferably in one piece, coupled to the bottom element 19.
  • the bottom element 19 and the pin extension 68 together form a compensation element 70.
  • the compensation element 70 can compensate for changes in length of the tubular element 46 serve, in particular when the housing 12 is formed of a material having a higher coefficient of thermal expansion than the piezoelectric actuator 16.
  • the compensation element 70 is then preferably designed such that its thermal expansion coefficient is significantly greater than the thermal expansion coefficient of the housing 12th , and that its thermal expansion coefficient in conjunction with the thermal expansion coefficients of the piezoelectric actuator 16 is just as large as the coefficient of thermal expansion of the housing 12.
  • the thermal expansion of a housing section 12a, the piezoactuator 16 and the Compensating element 70 encloses is substantially the same size as the thermal expansion of the piezoelectric actuator 16 with the compensation element 70 together.
  • the interior 38 of the actuator housing 36 is preferably at least partially filled with a fluid.
  • the fluid in the interior 38 of the actuator housing 36 is preferably non-conductive and chemically innert. It is particularly preferred if the fluid in the interior 38 of the actuator housing is made of a material which comprises a silicone. This can be ensured on the one hand that the bellows 40 reaches a good mechanical stability even at higher fluid pressures.
  • the fluid in the interior space 38 of the actuator housing 36 can furthermore permit heat flow from the piezoactuator 16 in the direction of the housing 12 and thus heat removal in a lateral direction from the piezoactuator 16 to reach.
  • a screw 50 between the nozzle body 30 and the housing 12 can be made.
  • the threaded connection 50 allows for easy disassembly of the nozzle body 30 from the housing 12. This is particularly advantageous when either the nozzle assembly 60 or the actuator unit 14 has a defective or mismatched unit. It is then possible to replace the defective or mismatched nozzle assembly 60 or the defective or mismatched actuator unit 14 without having to replace the entire injection valve 10. This leads in particular to low costs in the production of the injection valve 10.
  • a sealing element 52 is preferably arranged, which allows an axial seal between the nozzle body 30 and the housing 12. It can be achieved as a good fluid tightness between the contact surfaces of the nozzle body 30 and the housing 12.
  • the axial arrangement of the sealing element 52 between the nozzle body 30 and the housing 12 in particular allows high process reliability during assembly of the sealing element 52.
  • the nozzle body 30 has a lower nozzle body part 30a and an upper nozzle body part 30b.
  • the lower nozzle body part 30a is preferably non-positively connected to the upper nozzle body part 30b, for example by a press fit.
  • a further sealing element 53 is provided, so that a seal in the radial direction is made possible.
  • the nozzle needle 33 preferably has two guide portions 54, each with a flat recess 55.
  • the guide portions 54 are formed so that the nozzle needle 33 can be guided through the nozzle body 30 in the axial direction. This is a very secure management of the nozzle needle 33 in the nozzle body 30th possible. At the same time, a high fluid flow in the direction of the fluid outlet 28 in the region of the injection opening 62 is possible due to the flat recesses 55.
  • the fuel is conducted from the fluid inlet 26 through the housing 12 to the nozzle body recess 32 and finally to the fluid outlet 28.
  • a fluid flow from the fluid inlet 26 into the interior 38 of the actuator housing 36 with the piezoactuator 16 is prevented by the bellows 40 or the tube element 46 and the perforated disc 64.
  • the piezoelectric elements 17 can change their length. Due to the change in length of the piezoelectric elements 17, a force can be exerted on the nozzle needle 33.
  • the nozzle needle 33 can thus be moved in the axial direction from its closed position. Outside the closed position of the nozzle needle 33 there is a gap between the nozzle body 30 and the nozzle needle 33 at the injection opening 62. Outside the closed position of the nozzle needle 33, the nozzle needle 33 allows a fluid flow through the fluid outlet 28 and thus through the injection opening 62.
  • nozzle needle 33 in the direction of the piezoelectric actuator 16 with force. If no voltage is applied to the piezoactuator 16, the length of the piezoactuator 16 is reduced.
  • the spring 24 forces the nozzle needle 33 to move in the axial direction Direction in its closed position. Depending on the balance of forces between the force exerted on the nozzle needle 33 by the spring 24 and the force exerted on the nozzle needle 33 by the piezoactuator 16, the nozzle needle 33 is in a closed position or in an open position.
  • the piezoactuator 16 If the nozzle needle 33 is brought from an open position to a closed position, the piezoactuator 16 is de-energized, a change in length of the Piezoaktua- gate 16 is triggered by the piezoelectric actuator 16 contracts. At the same time, by the force exerted by the spring 24 on the nozzle needle 33 force the nozzle needle 33 try to get into its closed position. Since the change in length of the piezoelectric actuator 16 phase first faster and then slower than the movement of the nozzle needle 33 in its closed position, a force change is exerted on the piezoelectric actuator 16, whereby an electrical signal can be applied to the piezoelectric actuator 16. From the time course of this electrical signal can be determined when the nozzle needle 33 actually reaches its closed position. The information thus obtained about the achievement of the closed position of the nozzle needle 33 can be utilized as information in a next opening operation of the nozzle needle 33, such that a corresponding signal is applied to the piezoactuator 16, and this one to the determined
  • Closed position of the nozzle needle 33 can perform adapted change in length.
  • Such an adaptive control is possible for the opening and closing operation of the nozzle needle 33 by means of the piezoactuator 16.
  • FIG. 3 The method for measuring the actuator idling stroke of the injection valve 10 in accordance with the embodiment shown in FIG. 2 is shown below (FIG. 3):
  • the axial position of a first planar surface 72 on the pin extension 68 and a second planar surface 74 on the housing 12 is determined.
  • the axial distance Sl between the first plane surface 72 and the second plane surface 74 is determined.
  • the axial position of a third plane surface 76 of the nozzle needle 33 and a fourth plane surface 78 of the nozzle body 30 are determined.
  • the axial distance S2 between the third planar surface 76 and the fourth planar surface 78 is determined.
  • the spacings Sl of the actuator unit 14 and S2 of the nozzle assembly 60 are compared with one another, and an actuator unit 14 and a nozzle assembly 60, which have values of the distances S1 and S2 that are as similar as possible, are paired with one another. Since the flat surfaces 72, 74, 76, 78 are very easily accessible for a measurement of the actuator idle stroke, the actuator idle stroke can be determined with a high accuracy, in the range of a few tenths of a micrometer.

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Abstract

Einspritzventil (10) mit einer Düsenbaugruppe (60) und einer Aktoreinheit (14). Die Düsenbaugruppe (60) hat einen Düsenkörper (30) mit einer Düsenkörperausnehmung (32), die mit einem Hochdruckkreis eines Fluids hydraulisch koppelbar ist, und eine in der Düsenkörperausnehmung (32) axial beweglich angeordnete Düsennadel (33), die in einer Schließposition einen Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzöffnung (62) verhindern und ansonsten den Fluidfluss freigeben kann. Die Aktoreinheit (14) hat ein Gehäuse (12) mit einer Längsachse (A) und einer Gehäuseausnehmung (13), wobei das Gehäuse (12) fest mit dem Düsenkörper (30) gekoppelt ist und die Gehäuseausnehmung (13) mit der Düsenkörperausnehmung (32) hydraulisch gekoppelt ist, derart, dass die Gehäuseausnehmung (13) mit dem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch koppelbar ist.

Description

Beschreibung
Einspritzventil, Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Einspritzventils
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Einspritzventils.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zuläs- sigen Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die in
Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen zu sen- ken. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine.
Eine entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung kann er- reicht werden, wenn der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu über 2000 Bar. Derart hohe Drücke stellen hohe Anforderungen an die Konstruktion eines Einspritzventils. Gleichzeitig werden hohe Anforderungen an die Aktoreinheit für das Einspritzventil gestellt.
Die DE 196 53 555 Al offenbart einen piezoelektrischen Aktor mit einem Gehäuse, in das mindestens ein piezoelektrisches Element eingebracht ist, das von einer Steuereinheit ansteu- erbar ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die das piezoelektrische Element seitlich stabilisieren, und Mittel mit Federwirkung angeordnet sind, die das piezoelektrische Element gegen seine Ausdehnungsrichtung vorspannen. Die DE 102 45 109 offenbart einen Injektor mit einem piezoelektrischen Aktorkörper, dessen Mantelfläche unter Einhaltung eines Zwischenraums von einem Injektorgehäuse umgeben und durch direkten Kontakt mit einem inerten, elektrisch nicht leitenden Fluid gekühlt ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Einspritzventils zu schaffen, durch das beziehungsweise durch die ein zuverlässiger und präziser Betrieb des Einspritzventils ermöglicht ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß eines ersten Aspektes zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe und einer Aktoreinheit. Die Düsenbaugruppe weist auf einen Düsenkörper mit einer Düsenkörperausnehmung, die mit einem Hochdruckkreis eines Fluids hydraulisch koppelbar ist, und eine in der Düsenkörperausnehmung axial beweglich angeordnete Düsennadel, die ausgebildet ist, um in einer Schließposition einen FIu- idfluss durch mindestens eine Einspritzöffnung zu verhindern und ansonsten den Fluidfluss freizugeben. Die Aktoreinheit weist auf ein hülsenförmiges Gehäuse mit einer Längsachse, das eine Gehäuseausnehmung aufweist, wobei das hülsenförmige Gehäuse mechanisch fest mit dem Düsenkörper gekoppelt ist und die Gehäuseausnehmung mit der Düsenkörperausnehmung hydrau- lisch gekoppelt ist, derart, dass die Gehäuseausnehmung mit dem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch koppelbar ist, ein Deckelelement, das fest mit einem von dem Düsenkörper abgewandten axialen Ende des hülsenförmigen Gehäuses gekoppelt ist, und einen Piezoaktuator, der in der Gehäuseausnehmung angeordnet ist, zum Einwirken auf die Düsennadel ausgebildet ist und an einem von der Düsennadel abgewandten axialen Ende einen Kopfendabschnitt hat. Der Kopfendabschnitt des Piezoak- tuators ist direkt mit dem Deckelelement gekoppelt. Das Ge- häuse ist aus einem oder mehreren Materialien gebildet, die derart ausgebildet sind, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Gehäuseabschnitts, der den Piezoaktuator und/oder den Piezoaktuator und ein zu dem Piezoaktuator axial angeordnetes und mit dem Piezoaktuator fest gekoppeltes Aus- gleichselement umgibt, im Wesentlichen dem des Piezoaktuators oder dem des Piezoaktuators und dem Ausgleichselement entspricht .
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Aufbau des Einspritzventils mit einer kleinen Anzahl von Bauteilen möglich ist. Damit ist ein einfacher Aufbau des Einspritzventils möglich. So kann insbesondere ein hydraulischer Kompen- sator zum Temperaturausgleich entfallen. Durch eine gemeinsame Ausnehmung aus Gehäuseausnehmung und Düsenkörperausnehmung kann ein relativ großes Fluidvolumen in dem Injektor erreicht werden. Damit ist eine große Stabilität der Einspritzvolumina insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen erreichbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse aus einer Invar-Legierung gebildet.
Unter Invar-Legierungen versteht man eine Gruppe von Legierungen und Verbindungen, die die Eigenschaft besitzen, in bestimmten Temperaturbereichen sehr kleine positive bzw. zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten zu haben. Der Name resultiert aus der Invarianz der Dehnung bezüglich einer Temperaturänderung. Invar-Legierungen haben eine hohe mechanische Festigkeit und können geschweißt werden. Eine häufig verwendete Invar-Legierung ist eine FeNi-Legierung mit einem Nickelgehalt von 36 % Nickel. Durch Legieren mit 5 % Kobalt kann der thermische Ausdehnungskoeffizient weiter reduziert werden. Darüber hinaus sind viele weitere Legierungen bekannt, bei denen ein Invar-Effekt auftritt.
Gehäuse aus einer Invar-Legierung, insbesondere Gehäuse für einen Stellantrieb eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine, haben den Vorteil, dass bei einer Änderung der Temperatur nur eine geringe Längenänderung des Gehäuses erfolgt. Bauteile, die sich im Inneren des Gehäuses befinden, und die selbst keiner oder nur einer geringfügigen Längenänderung unterliegen, haben damit üblicherweise keine oder nur geringe negative Auswirkungen, beispielsweise mechanische Spannungen, Kräfte oder Lägeänderungen gegenüber dem Gehäuse. Insbesonde- re kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses aus einer Invar-Legierung dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Piezoaktuators entsprechen, so dass keine oder nur geringe mechanische Spannungen, Kräfte oder Lägeänderungen zwischen dem Gehäuse und dem Piezoaktuator auftreten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Düsennadel direkt mit dem Piezoaktuator gekoppelt, derart, dass die Düsennadel und der Piezoaktuator relativ zueinander in einer gleichen Richtung bewegbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Düsennadel direkt mit dem Piezoaktuator ohne Zwischenschaltung einer Umlenkvorrichtung gekoppelt sein kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in der Gehäuseausnehmung ein Aktuatorgehäuse mit einem Innenraum an- geordnet, und der Piezoaktuator ist in dem Innenraum angeordnet, und der Innenraum ist fluiddicht gegenüber der Gehäuse- ausnehmung abgedichtet. Damit ist ein Schutz des Piezoaktuators gegenüber aggressiven Fluiden durch eine fluiddichte Unterbringung in dem Aktuatorgehäuse möglich. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Ak- tuatorgehäuse einen Faltenbalg auf, der derart ausgebildet ist, dass axiale Längenänderungen des Piezoaktuators durch das Aktuatorgehäuse aufnehmbar sind. Dies hat den Vorteil, dass bei einem fest mit dem Aktuatorgehäuse gekoppelten Pie- zoaktuator axiale Längenänderungen des Piezoaktuators mittels des Faltenbalgs unmittelbar von dem Aktuatorgehäuse aufgenommen werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Faltenbalg koaxial zwischen dem Piezoaktuator und dem Gehäuse angeordnet und mit einem von dem Düsenkörper abgewandten axialen Ende fest mit dem Deckelelement gekoppelt. Der Piezoak- tuator hat an einem dem Düsenkörper zugewandten axialen Ende ein Bodenelement und der Faltenbalg ist mit dem dem Düsenkörper zugewandten axialen Ende fest mit dem Bodenelement gekoppelt. Damit ist eine einfache und kompakte fluiddichte Ausführung des Aktuatorgehäuses mit Faltenbalg ohne zusätzliche Bauteile möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Faltenbalg axial zwischen dem Piezoaktuator und der Einspritzöffnung angeordnet. Das Aktuatorgehäuse weist ein Rohrelement auf, das koaxial zwischen dem Piezoaktuator und dem Gehäuse angeordnet ist. Ein von dem Düsenkörper abgewandtes axiales Ende des Rohrelements ist fest mit dem Deckelelement gekoppelt und ein dem Düsenkörper zugewandtes axiales Ende des Rohrelements ist fest mit einem dem Düsenkörper zugewandten axialen Ende des Faltenbalgs gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass die radialen Abmessungen des Faltenbalgs unabhängig von den radialen Abmessungen des Piezoaktuators sein können. Damit kann die radiale Erstreckung des Faltenbalgs kleiner als die radiale Erstreckung des Piezoaktuators sein, wodurch ein kurzer Piezoaktuator zum Einsatz kommen kann. Ein kurzer Pie- zoaktuator ermöglicht einen geringen Energieaufwand und geringe thermische Lasten des Piezoaktuators .
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Ak- tuatorgehäuse eine Lochscheibe auf, und die Lochscheibe ist direkt mit dem dem Düsenkörper zugewandten axialen Ende des Rohrelements und direkt mit dem dem Düsenkörper zugewandten axialen Ende des Faltenbalgs gekoppelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Lochscheibe eine Ausnehmung auf und der Faltenbalg weist eine innere Faltenbalgkammer auf. Das Bodenelement weist einen Stiftfortsatz auf, der sich in der Ausnehmung und in der FaI- tenbalgkammer erstreckt. Dies hat den Vorteil, dass der
Stiftfortsatz gegenüber dem Gehäuse eine besonders günsig angeordnete Fläche zur Einmessung des Leerhubs der Aktoreinheit bereitstellt .
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das
Ausgleichselement den Stiftfortsatz auf, und der Stiftfortsatz weist ein Material auf, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als Stahl. Derartige Materialien sind vorzugsweise Mn-Cu-Ni-legierungen, wobei die Zusammen- setzung Mn72Cul8NilO besonders bevorzugt ist. Dies hat den
Vorteil, dass das Gehäuse vorzugsweise aus einem Stahl ausgebildet sein kann und dass der Ausgleich der Wärmedehnungen des Gehäuses und des Piezoaktuators keine zusätzliche Baulänge des Einspritzventils erfordert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Innenraum des Aktuatorgehäuses wenigstens teilweise mit einem Fluid gefüllt, und das Fluid ist aus einem Material, das ein Silikon aufweist. Silikon ermöglicht eine mechanische Stabi- lität des Faltenbalgs auch bei höheren Fluiddrücken . Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Silikon eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und so eine gute Wärmeabfuhr von dem Piezoaktuator ermöglicht ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Düsenkörper und das Gehäuse lösbar miteinander gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass die Düsenbaugruppe und Aktoreinheit einfach miteinander montiert und wieder demontiert werden können. Bei einem Defekt von einer der beiden Komponenten kann die defekte Komponente einfach ausgetauscht werden. Es kann so erreicht werden, dass nur ein geringer Wertschöpfungsverlust entsteht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Düsenkörper und das Gehäuse mittels einer Schraubverbindung lösbar miteinander gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Montage und Demontage des Düsenkörpers und des Gehäuses möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist axial zwischen dem Düsenkörper und dem Gehäuse ein Dichtelement angeordnet. Es kann so eine hohe Fluiddichtheit zwischen den Kontaktflächen des Düsenkörpers und des Gehäuses erreicht werden. Die axiale Anordnung des Dichtelements zwischen dem Düsenkörper und dem Gehäuse ermöglicht eine hohe Prozesssicherheit bei der Montage des Dichtelements.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Dü- sennadel mindestens zwei Führungsabschnitte mit jeweils einer flachen Ausnehmung auf, wobei die Führungsabschnitte derart ausgebildet sind, dass die Düsennadel durch den Düsenkörper in axialer Richtung führbar ist. Damit ist eine sichere Führung der Düsennadel im Düsenkörper bei einem hohen Fluid- durchfluss durch die Düsenkörperausnehmung möglich. Des Weiteren ist eine gute Beweglichkeit der Düsennadel auch bei einer Verschmutzung des Fluids, beispielsweise durch Partikel, ermöglicht .
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Kopfendabschnitt des Piezoaktuators eine elektrische Anschlussleitung auf, mittels der der Piezoaktuator mit einer Spannungsquelle elektrisch koppelbar ist, und das Deckelele- ment weist eine Glasdurchführung auf, und die elektrische Anschlussleitung ist in der Glasdurchführung angeordnet. Mittels der Glasdurchführung kann eine fluiddichte Durchführung der elektrischen Anschlussleitung des Piezoaktuators durch das Deckelelement erreicht werden.
Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Vorrichtung zur Steuerung eines Einspritzventils gemäß des ersten Aspekts, das Mittel aufweist zum Ermitteln des Erreichens der Schließposition der Düsennadel. Die Mittel zum Ermitteln des Erreichens der Schließposition der Düsennadel sind ausgebildet zum Bestimmen des zeitlichen Verlaufs von elektrischen Größen an dem Piezoaktuator.
Gemäß eines dritten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zur Steuerung eines Einspritzventils gemäß des ersten Aspekts, wobei das Erreichen der Schließposition der Düsennadel ermittelt wird, indem ein zeitlicher Verlauf von elektrischen Größen an dem Piezoaktuator bestimmt wird.
Durch die Bestimmung des zeitlichen Verlaufs von elektrischen Größen an dem Piezoaktuator zum Erkennen der Schließposition der Düsennadel kann die Schließposition der Düsennadel sehr präzise bestimmt werden. Des Weiteren kann ein adaptiver Re- gelkreis zur Kompensation zeitlicher Veränderungen der Dehnung des Piezoaktuators eingesetzt werden. Damit ist auch eine hohe Langzeitstabilität des Betriebsverhaltens des Einspritzventils erreichbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Einspritzventil im Längsschnitt,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Einspritzventils im Längsschnitt, und
Figur 3 einen Teilbereich des Einspritzventils im Längsschnitt .
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Einspritzventil 10 mit einer Aktoreinheit 14 und einer Düsenbaugruppe 60. Das Einspritz- ventil 10 wird vorzugsweise genutzt zum Einsatz als Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Die Aktoreinheit 14 hat ein hülsenförmiges Gehäuse 12 mit einer Gehäuseausnehmung 13, in der ein Piezoaktuator 16 angeordnet ist.
Das Gehäuse 12 besteht bevorzugt aus einer Invar-Legierung. Besonders bevorzugt weist die Invar-Legierung einen Nickelanteil von ca. 36 % auf. Neben FeNi-Legierungen, die gegebenenfalls noch Legierungsanteile an Kobalt aufweisen, kommen noch folgende Legierungen für Invar in Betracht: FePt, FePd, FeMn, CoMn, FeNiPt, FeNiMn, CoMnFe, CrFe, CrMn, CoCr, FeB, FeP, Ti- Fe2, ZrFe2, RECo2 (RE=seltene Erden außer Eu), FeC, Dy2 (FeCo) 17.
Der Piezoaktuator 16 hat mindestens ein Piezoelement 17, das seine Länge in axialer Richtung ändert abhängig von einem Steuersignal, das an den Piezoaktuator 16 angelegt wird.
Die Düsenbaugruppe 60 umfasst einen Düsenkörper 30 mit einer Längsachse A und einer Düsenkörperausnehmung 32, die sich in axialer Richtung in dem Düsenkörper 30 erstreckt. An einem freien Ende der Düsenkörperausnehmung 32 ist ein Flui- daustritt 28 ausgebildet, der in geöffneter oder geschlosse- ner Position ist, abhängig von der axialen Position einer Düsennadel 33.
Das Einspritzventil 10 hat weiter einen Hochdruckanschluss 20, in dem ein Fluideintritt 26 ausgebildet ist. In dem Hoch- druckanschluss 20 ist weiter ein Verbindungskanal 27 ausgebildet, mittels dem der Fluideintritt 26 mit der Gehäuseaus- nehmung 13 des Gehäuses 12 und mit der Düsenkörperausnehmung 32 hydraulisch gekoppelt ist.
Über eine nicht dargestellte Fluidleitung ist der Hochdruckanschluss 20 mit dem Fluideintritt 26 mit einer Hochdruckkammer einer Brennkraftmaschine gekoppelt, in der der Kraftstoff unter einem bestimmten Druck, zum Beispiel unter einem Druck von ungefähr 200 bar gespeichert ist.
Der Düsenkörper 30 hat einen Absatz 34 und die Düsennadel 33 hat einen Absatz 35, wobei beide Absätze 34, 35 als Auflage für eine Feder 24 dienen, die zwischen dem Düsenkörper 30 und der Düsennadel 33 angeordnet ist. Die Düsennadel 33 ist direkt mit dem Piezoaktuator 16 ohne Zwischenschaltung einer Umlenkvorrichtung gekoppelt. Die Düsennadel 33 und der Piezoaktuator 16 bewegen sich damit rela- tiv zueinander in einer gleichen Richtung. Damit ist das Einspritzventil 10 als ein nach außen öffnendes Ventil ausgebildet.
Der Piezoaktuator 16 hat an seinem der Düsenbaugruppe 60 ab- gewandten Ende einen Kopfendabschnitt 42 mit einem Deckelelement 18, das an das Piezoelement 17 grenzt. Die Gehäuseaus- nehmung 13 hat eine innere Wand 15. An einem dem Düsenkörper 30 zugewandeten axialen Ende hat der Piezoaktuator 16 ein Bodenelement 19. Das Bodenelement 19 ist fest mit dem Falten- balg 40 des Aktuatorgehäuses 36 gekoppelt.
Der Kopfendabschnitt 42 des Piezoaktuators 16 umfasst weiter eine elektrische Anschlussleitung 44 für die Zufuhr von e- lektrischer Energie zu dem Piezoaktuator 16. Der Piezoaktua- tor 16 ändert seine Länge in axialer Richtung, wenn an ihn eine elektrische Spannung angelegt wird. Durch die Änderung der Länge des Piezoaktuators 16 kann eine Kraft auf die Düsennadel 33 ausgeübt werden. Über die von dem Piezoaktuator 16 ausgeübte Kraft kann sich die Düsennadel 33 in axialer Richtung bewegen, um so einen Fluidstrom durch eine Einspritzöffnung 62 zu ermöglichen oder zu verhindern.
Die Aktoreinheit 14 für das Einspritzventil 10 hat weiter einen Anschlussstecker 56 mit einem Steckerkörper 57, in dem ein Anschlussstift 58 angeordnet ist. Über den Anschlussstecker 56 kann eine Spannung an den Anschlussstift 58 des Anschlusssteckers 56 angelegt werden. Der Anschlussstift 58 des Anschlusssteckers 56 und die elektrische Anschlussleitung 44 des Piezoaktuators 16 bilden zusammen einen elektrischen An- Schluss des Piezoaktuators 16. Da der Anschlussstift 58 des Anschlusssteckers 56 mit der Anschlussleitung 44 des Piezoaktuators 16 elektrisch gekoppelt ist, ist auf einfache Weise eine Zufuhr von elektrischer Energie von außen an den Piezo- aktuator 16 möglich.
In der Gehäuseausnehmung 13 ist ein Aktuatorgehäuse 36 angeordnet mit einem Innenraum 38, in dem der Piezoaktuator 16 angeordnet ist. Damit ist der Piezoaktuator 16 auf eine me- chanisch stabile Weise in dem Aktuatorgehäuse 36 untergebracht .
Das Aktuatorgehäuse 36 hat einen Faltenbalg 40, der sich in
Richtung der Längsachse A erstreckt und so ausgebildet ist, dass mittels des Faltenbalgs 40 axiale Längenänderungen des
Piezoaktuators 16 unmittelbar von dem fest mit dem Piezoaktuator 16 gekoppelten Aktuatorgehäuse 36 aufgenommen werden können .
In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform des Einspritzventils 10 ist der Faltenbalg 40 koaxial zwischen dem Piezoaktuator 16 und dem Gehäuse 12 angeordnet. Der Faltenbalg 40 ist mit einem von dem Düsenkörper 30 abgewandeten axialen Ende fest mit dem Deckelelement 18 gekoppelt. Der Faltenbalg 40 ist mit dem dem Düsenkörper 30 zugewandeten axialen Ende fest mit dem Bodenelement 19 gekoppelt. An seinem dem Düsenkörper 30 abgewandten axialen Ende ist der Piezoaktuator 16 fest mit einer Glasdurchführung 45 gekoppelt. Die elektrische Anschlussleitung 44 ist in der Glasdurchführung 45 angeordnet, wodurch eine fluiddichte Durchführung der elektrischen Anschlussleitung 44 des Piezoaktuators 16 durch das Deckelelement 18 erreicht werden kann. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform des Einspritzventils 10 ist der Faltenbalg 40 axial zwischen dem Piezoaktua- tor 16 und der Einspritzöffnung 62 angeordnet. Das Aktuator- gehäuse 36 hat ein Rohrelement 46, das koaxial zwischen dem Piezoaktuator 16 und dem Gehäuse 12 angeordnet ist. Das Rohrelement 46 erstreckt sich mit seinem von dem Düsenkörper 30 abgewandeten axialen Ende bis zu seinem dem Düsenkörper 30 zugewandeten axialen Ende von dem Deckelelement 18 bis zu einer Lochscheibe 64. Die Lochscheibe 64 ist mit dem dem Düsen- körper 30 zugewandten axialen Ende des Rohrelements 46 und mit dem dem Düsenkörper zugewandten axialen Ende des Faltenbalgs 40 fest gekoppelt. Das von dem Düsenkörper 30 abgewandte Ende des Rohrelements 46 ist fest mit dem Deckelelement 18 gekoppelt. Der Faltenbalg 40 ist innerhalb des Rohrelements 46 angeordnet. Es ist so möglich, dass die radialen Abmessungen des Faltenbalgs 40 unabhängig von den radialen Abmessungen des Piezoaktuators 16 ausgebildet sein können. Damit kann die radiale Erstreckung des Faltenbalgs 40 kleiner sein als die radiale Erstreckung des Piezoaktuators 16. Somit ist die hydraulisch wirksame Fläche in Richtung der Längsachse A sehr klein, wodurch auch ein kurzer Piezoaktuator 16 in dem Einspritzventil 10 zum Einsatz kommen kann. Dies hat den Vorteil, dass ein geringerer Energieaufwand und damit eine geringere thermische Last des Piezoaktuators 16 erreicht werden kann.
Die Lochscheibe 64 hat eine Ausnehmung 65 und der Faltenbalg 40 hat eine innere Faltenbalgkammer 66. In der Ausnehmung 65 der Lochscheibe 64 und in der inneren Faltenbalgkammer 66 ist ein Stiftfortsatz 68 angeordnet. Der Stiftfortsatz 68 ist fest, vorzugsweise einstückig, mit dem Bodenelement 19 gekoppelt. Das Bodenelement 19 und der Stiftfortsatz 68 bilden zusammen ein Ausgleichselement 70. Das Ausgleichselement 70 kann der Kompensation von Längenänderungen des Rohrelements 46 dienen, insbesondere dann, wenn das Gehäuse 12 aus einem Material ausgebildet ist, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Piezoaktuator 16. Das Ausgleichselement 70 ist dann bevorzugt derart ausgebildet, dass sein thermischer Ausdehnungskoeffizient erheblich größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses 12, und dass sein thermischer Ausdehnungskoeffizient in Verbindung mit den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Pie- zoaktuators 16 gerade so groß ist wie der thermische Ausdeh- nungskoeffizient des Gehäuses 12. Damit kann erreicht werden, dass die thermische Ausdehnung eines Gehäuseabschnitts 12a, das den Piezoaktuator 16 und das Ausgleichselement 70 umschließt, im Wesentlichen genauso groß ist wie die thermische Ausdehnung des Piezoaktuators 16 mit dem Ausgleichselement 70 zusammen.
Der Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses 36 ist vorzugsweise wenigstens teilweise mit einem Fluid gefüllt. Das Fluid in den Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses 36 ist vorzugsweise nicht leitend und chemisch innert. Besonders bevorzugt ist, wenn das Fluid in den Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses aus einem Material ist, das ein Silikon aufweist. Damit kann zum einen sichergestellt werden, dass der Faltenbalg 40 auch bei höheren Fluiddrücken eine gute mechanische Stabilität erreicht.
In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform des Einspritzventils 10 kann das Fluid in dem Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses 36 des Weiteren einen Wärmefluss von dem Piezoaktuator 16 in Richtung zu dem Gehäuse 12 ermöglichen und so einen Wärme- abtransport in einer lateralen Richtung aus dem Piezoaktuator 16 heraus erreichen.
Zwischen dem Düsenkörper 30 und dem Gehäuse 12 sind Gewinde ausgebildet, mittels denen eine Schraubverbindung 50 zwischen dem Düsenkörper 30 und dem Gehäuse 12 hergestellt werden kann. Die Schraubverbindung 50 ermöglicht eine einfache Demontage des Düsenkörpers 30 von dem Gehäuse 12. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn entweder die Düsenbaugruppe 60 oder die Aktoreinheit 14 eine defekte oder nicht passende Einheit aufweisen. Es ist dann möglicht, die defekte oder nicht passende Düsenbaugruppe 60 oder die defekte oder nicht passende Aktoreinheit 14 auszutauschen, ohne das gesamte Einspritzventil 10 austauschen zu müssen. Dies führt insbesondere zu niedrigen Kosten bei der Herstellung des Einspritzventils 10.
Zwischen dem Düsenkörper 30 und dem Gehäuse 12 ist bevorzugt ein Dichtelement 52 angeordnet, das eine axiale Dichtung zwischen dem Düsenkörper 30 und dem Gehäuse 12 ermöglicht. Es kann so eine gute Fluiddichtheit zwischen den Kontaktflächen des Düsenkörpers 30 und dem Gehäuse 12 erreicht werden. Die axiale Anordnung des Dichtelements 52 zwischen dem Düsenkörper 30 und dem Gehäuse 12 erlaubt insbesondere eine hohe Prozesssicherheit bei der Montage des Dichtelements 52.
Der Düsenkörper 30 hat einen unteren Düsenkörperteil 30a und einen oberen Düsenkörperteil 30b. Der untere Düsenkörperteil 30a ist mit dem oberen Düsenkörperteil 30b bevorzugt kraftschlüssig verbunden, beispielsweise durch einen Presssitz. Für die Abdichtung zwischen dem unteren Düsenkörperteil 30a und dem oberen Düsenkörperteil 30b ist ein weiteres Dichtelement 53 vorgesehen, so dass eine Abdichtung in radialer Richtung ermöglicht ist.
Die Düsennadel 33 hat vorzugsweise zwei Führungsabschnitte 54 mit jeweils einer flachen Ausnehmung 55. Die Führungsabschnitte 54 sind so ausgebildet, dass die Düsennadel 33 durch den Düsenkörper 30 in axialer Richtung führbar ist. Damit ist eine sehr sichere Führung der Düsennadel 33 im Düsenkörper 30 möglich. Gleichzeitig ist durch die flachen Ausnehmungen 55 ein hoher Fluiddurchfluss in Richtung zu dem Fluidaustritt 28 im Bereich der Einspritzöffnung 62 möglich.
Im Folgenden soll die Funktion des Einspritzventils 10 kurz beschrieben werden:
Der Kraftstoff wird von dem Fluideintritt 26 durch das Gehäuse 12 zu der Düsenkörperausnehmung 32 und schließlich zu dem Fluidaustritt 28 geführt. Ein Fluidstrom vom Fluideintritt 26 in de Innenraum 38 des Aktuatorgehäuses 36 mit dem Piezoaktu- ator 16 wird durch den Faltenbalg 40 beziehungsweise das Rohrelement 46 und die Lochscheibe 64 verhindert.
In einer Schließposition der Düsennadel 33 verhindert diese einen Fluidstrom durch den Fluidaustritt 28 im Düsenkörper 30.
Durch Anlegen einer Spannung an den Piezoaktuator 16 können die Piezoelemente 17 ihre Länge ändern. Durch die Längenänderung der Piezoelemente 17 kann eine Kraft auf die Düsennadel 33 ausgeübt werden. Die Düsennadel 33 kann damit in axialer Richtung aus ihrer Schließposition bewegt werden. Außerhalb der Schließposition der Düsennadel 33 besteht eine Lücke zwi- sehen dem Düsenkörper 30 und der Düsennadel 33 an der Einspritzöffnung 62. Außerhalb der Schließposition der Düsennadel 33 ermöglicht die Düsennadel 33 einen Fluidstrom durch den Fluidaustritt 28 und damit durch die Einspritzöffnung 62.
Die Feder 24 kann die Düsennadel 33 über den Absatz 35 der
Düsennadel 33 in Richtung auf den Piezoaktuator 16 mit Kraft beaufschlagen. Liegt keine Spannung an dem Piezoaktuator 16 an, so ist die Länge des Piezoaktuators 16 reduziert. Die Feder 24 zwingt die Düsennadel 33 zu einer Bewegung in axialer Richtung in ihre Schließposition. Abhängig von dem Kräftegleichgewicht zwischen der durch die Feder 24 auf die Düsennadel 33 ausgeübte Kraft und der durch den Piezoaktuator 16 auf die Düsennadel 33 ausgeübte Kraft ist die Düsennadel 33 in einer Schließposition oder in einer Öffnungsposition.
Soll die Düsennadel 33 von einer Öffnungsposition in eine Schließposition gebracht werden, so wird der Piezoaktuator 16 stromlos gemacht, wobei eine Längenänderung des Piezoaktua- tors 16 ausgelöst wird, indem sich der Piezoaktuator 16 zusammenzieht. Gleichzeitig wird durch die von der Feder 24 auf die Düsennadel 33 ausgeübte Kraft die Düsennadel 33 versuchen, in ihre Schließposition zu gelangen. Da die Längenänderung des Piezoaktuators 16 phasenweise zuerst schneller und dann langsamer erfolgt als die Bewegung der Düsennadel 33 in ihre Schließposition, wird auf dem Piezoaktuator 16 eine Kraftänderung ausgeübt, wodurch ein elektrisches Signal an den Piezoaktuator 16 anliegen kann. Aus dem zeitlichen Verlauf dieses elektrischen Signals kann ermittelt werden, wann die Düsennadel 33 tatsächlich ihre Schließposition erreicht. Die so erhaltene Information über das Erreichen der Schließposition der Düsennadel 33 kann in einem nächsten Öffnungsvorgang der Düsennadel 33 als Information verwertet werden, derart, dass ein entsprechendes Signal an dem Piezoaktuator 16 angelegt wird, und dieser so eine an die ermittelte
Schließposition der Düsennadel 33 angepasste Längenänderung ausführen kann. Es ist so eine adaptive Regelung für den Öff- nungs- und Schließvorgang der Düsennadel 33 mittels des Piezoaktuators 16 möglich.
Insbesondere kann so ein adaptiver Regelkreis zur Kompensation zeitlicher Veränderungen der Dehnung des Piezoaktuators 16 bereitgestellt werden. Im Folgenden soll das Verfahren zur Messung des Aktuator- leerhubs des Einspritzventils 10 gemäß der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform dargestellt werden (Figur 3) :
Vor dem Zusammenbau der Aktoreinheit 14 und der Düsenbaugruppe 60 wird die axiale Position einer ersten Planfläche 72 an dem Stiftfortsatz 68 und einer zweiten Planfläche 74 an dem Gehäuse 12 ermittelt. Der axiale Abstand Sl zwischen der ersten Planfläche 72 und der zweiten Planfläche 74 wird be- stimmt. In einem weiteren Schritt wird die axiale Position einer dritten Planfläche 76 der Düsennadel 33 und eine vierte Planfläche 78 des Düsenkörpers 30 ermittelt. Der axiale Abstand S2 zwischen der dritten Planfläche 76 und der vierten Planfläche 78 wird bestimmt.
Die Abstände Sl der Aktoreinheit 14 und S2 der Düsenbaugruppe 60 werden miteinander verglichen und jeweils eine Aktoreinheit 14 und eine Düsenbaugruppe 60, die möglichst ähnliche Werte der Abstände Sl und S2 aufweisen, werden miteinander gepaart. Da die Planflächen 72, 74, 76, 78 für eine Messung des Aktuatorleerhubs sehr leicht zugänglich sind, kann der Aktuatorleerhub mit einer hohen Genauigkeit, im Bereich von einigen Zehntel Mikrometer, bestimmt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzventil (10) mit einer Düsenbaugruppe (60) und einer Aktoreinheit (14), wobei - die Düsenbaugruppe (60) aufweist einen Düsenkörper (30) mit einer Düsenkörperausnehmung (32), die mit einem Hochdruckkreis eines Fluids hydraulisch koppelbar ist, und eine in der Düsenkörperausnehmung (32) axial beweglich angeordnete Düsennadel (33) , die ausgebildet ist, um in einer Schließposition einen Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzöffnung (62) zu verhindern und ansonsten den Fluidfluss freizugeben, - und die Aktoreinheit (14) aufweist ein hülsenförmiges Gehäuse (12) mit einer Längsachse (A), das eine Gehäuseausneh- mung (13) aufweist, wobei das hülsenförmige Gehäuse (12) me- chanisch fest mit dem Düsenkörper (30) gekoppelt ist und die Gehäuseausnehmung (13) mit der Düsenkörperausnehmung (32) hydraulisch gekoppelt ist, derart, dass die Gehäuseausnehmung (13) mit dem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch koppelbar ist, ein Deckelelement (18), das fest mit einem von dem Dü- senkörper (30) abgewandten axialen Ende des hülsenförmigen Gehäuses (12) gekoppelt ist, und einen Piezoaktuator (16), der in der Gehäuseausnehmung (13) angeordnet ist, zum Einwirken auf die Düsennadel (33) ausgebildet ist und an einem von der Düsennadel (33) abgewandten axialen Ende einen Kopfendab- schnitt (42) hat, wobei der Kopfendabschnitt (42) des Piezoaktuators (16) direkt mit dem Deckelelement (18) gekoppelt ist, und das Gehäuse (12) aus einem oder mehreren Materialien gebildet ist, die derart ausgebildet sind, dass der thermische Ausdehnungskoef- fizient eines Gehäuseabschnitts (12a), der den Piezoaktuator (16) und/oder den Piezoaktuator (16) und ein zu dem Piezoaktuator (16) axial angeordnetes und mit dem Piezoaktuator fest gekoppeltes Ausgleichselement (70) umgibt, im Wesentlichen dem des Piezoaktuators (16) oder dem des Piezoaktuators (16) und dem Ausgleichselement (70) entspricht.
2. Einspritzventil (10) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (12) aus einer Invar-Legierung gebildet ist.
3. Einspritzventil (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Düsennadel (33) direkt mit dem Piezoaktuator (16) gekoppelt ist, derart, dass die Düsennadel (33) und der Piezoaktuator (16) relativ zueinander in einer gleichen Richtung bewegbar sind.
4. Einspritzventil (10) nach Anspruch 3, wobei in der Gehäu- seausnehmung (13) ein Aktuatorgehäuse (36) mit einem Innen- räum (38) angeordnet ist, und der Piezoaktuator (16) in dem Innenraum (38) angeordnet ist, und der Innenraum (38) fluid- dicht gegenüber der Gehäuseausnehmung (13) abgedichtet ist.
5. Einspritzventil (10) nach Anspruch 4, wobei das Aktuator- gehäuse (36) einen Faltenbalg (40) aufweist, der derart ausgebildet ist, dass axiale Längenänderungen des Piezoaktuators
(16) durch das Aktuatorgehäuse (36) aufnehmbar sind.
6. Einspritzventil (10) nach Anspruch 5, wobei der Faltenbalg (40) koaxial zwischen dem Piezoaktuator (16) und dem Gehäuse
(12) angeordnet ist, mit einem von dem Düsenkörper (30) abgewandten axialen Ende fest mit dem Deckelelement (18) gekoppelt ist, der Piezoaktuator (16) an einem dem Düsenkörper (30) zugewandten axialen Ende ein Bodenelement (19) hat und der Faltenbalg (40) mit dem dem Düsenkörper (30) zugewandten axialen Ende fest mit dem Bodenelement (19) gekoppelt ist.
7. Einspritzventil (10) nach Anspruch 5, wobei der Faltenbalg (40) axial zwischen dem Piezoaktuator (16) und der Einspritz- Öffnung (62) angeordnet ist, und das Aktuatorgehäuse (36) ein Rohrelement (46) aufweist, das koaxial zwischen dem Piezoak- tuator (16) und dem Gehäuse (12) angeordnet ist, ein von dem Düsenkörper (30) abgewandtes axiales Ende des Rohrelements (46) fest mit dem Deckelelement (18) gekoppelt ist und ein dem Düsenkörper (30) zugewandtes axiales Ende des Rohrelements (46) fest mit einem dem Düsenkörper (30) zugewandten axialen Ende des Faltenbalgs (40) gekoppelt ist.
8. Einspritzventil (10) nach Anspruch 7, wobei das Aktuatorgehäuse (36) eine Lochscheibe (64) aufweist, und die Lochscheibe (64) direkt mit dem dem Düsenkörper (30) zugewandten axialen Ende des Rohrelements (46) und direkt mit dem dem Düsenkörper (30) zugewandten axialen Ende des Faltenbalgs (40) gekoppelt ist.
9. Einspritzventil (10) nach Anspruch 8, wobei die Lochscheibe (64) eine Ausnehmung (65) und der Faltenbalg (40) eine innere Faltenbalgkammer (66) aufweist und das Bodenelement (19) einen Stiftfortsatz (68) aufweist, der sich in der Ausnehmung (65) und in der Faltenbalgkammer (66) erstreckt.
10. Einspritzventil (10) nach Ansprüche 9, wobei das Ausgleichselement (70) den Stiftfortsatz (68) aufweist, und der Stiftfortsatz (68) ein Material aufweist, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als Stahl.
11. Einspritzventil (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei der Innenraum (38) des Aktuatorgehäuses (36) wenigstens teilweise mit einem Fluid gefüllt ist, und das Fluid aus einem Material ist, das ein Silikon aufweist.
12. Einspritzventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Düsenkörper (30) und das Gehäuse (12) lösbar miteinander gekoppelt sind.
13. Einspritzventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Düsenkörper (30) und das Gehäuse (12) mittels einer Schraubverbindung (50) lösbar miteinander gekoppelt sind.
14. Einspritzventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei axial zwischen dem Düsenkörper (30) und dem Gehäuse (12) ein Dichtelement (52) angeordnet ist.
15. Einspritzventil (10) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, wobei die Düsennadel (33) mindestens zwei Führungsabschnitte (54) mit jeweils einer flachen Ausnehmung (55) aufweist, wobei die Führungsabschnitte (54) derart ausgebildet sind, dass die Düsennadel (33) durch den Düsenkörper (30) in axialer Richtung führbar ist.
16. Einspritzventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kopfendabschnitt (42) des Piezoaktuators (16) eine elektrische Anschlussleitung (44) aufweist, mittels der der Piezoaktuator (16) mit einer Spannungsquelle elekt- risch koppelbar ist, und das Deckelelement (18) eine Glasdurchführung (45) aufweist, und die elektrische Anschlussleitung (44) in der Glasdurchführung (45) angeordnet ist.
17. Vorrichtung zur Steuerung eines Einspritzventils (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Mittel aufweist zum Ermitteln des Erreichens der Schließposition der Düsennadel (33) , wobei die Mittel ausgebildet sind zum Bestimmen des zeitlichen Verlaufs von elektrischen Größen an dem Piezoaktuator (16) .
18. Verfahren zur Steuerung eines Einspritzventils (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erreichen der Schließposition der Düsennadel (33) ermittelt wird, indem ein zeitlicher Verlauf von elektrischen Größen an dem Piezo- aktuator (16) bestimmt wird.
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