DE10003863A1 - Einspritzdüse - Google Patents
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Abstract
Bei einer Einspritzdüse (10) für ein Kraftstoff-Einspritzsystem, mit einem Druckraum (26), der mit einem Fluideingang (24) und einem Fluidausgang (30) versehen ist, einem Ventilsitz (32) um den Fluidausgang herum, einem Ventilelement (34), das an dem Ventilsitz anliegen kann, so daß der Fluidausgang verschlossen ist, und einem Piezo-Aktor (40), der mit einem Betätigungsfortsatz (42) versehen ist, der an dem Ventilelement angreifen kann, soll eine Temperaturkompensation mit geringem Aufwand erzielt werden. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, daß ein verschiebbares Wandteil (28) vorgesehen ist, an dem der Ventilsitz ausgebildet ist und das den Druckraum auf der Seite des Ventilsitzes begrenzt, und daß ein Temperaturausgleichselement (44) vorgesehen ist, das mit dem verschiebbaren Wandteil zusammenwirkt und dieses entsprechend einer temperaturbedingten Längenänderung des Piezo-Aktors verschiebt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für ein Kraftstoff-Einspritzsystem, mit
einem Druckraum, der mit einem Fluideingang und einem Fluidausgang ver
sehen ist, einem Ventilsitz um den Fluidausgang herum, einem Ventilelement,
das an dem Ventilsitz anliegen kann, so daß der Fluidausgang verschlossen ist,
und einem Piezo-Aktor, der mit einem Betätigungsfortsatz versehen ist, der an
dem Ventilelement angreifen kann.
Das Ventilelement dient zur Steuerung des Öffnens und des Schließens einer
Düsennadel der Einspritzdüse. Die Düsennadel ragt in einen Steuerraum hin
ein, dem ein unter Druck stehendes Fluid, insbesondere Kraftstoff, zugeführt
wird. Aus dem Steuerraum kann das Fluid durch eine Ablaufdrossel hindurch in
den Druckraum fließen. Wenn der Fluidausgang aus dem Druckraum geschlos
sen ist, also wenn das Ventilelement an dem Ventilsitz anliegt, wird das Fluid in
dem Steuerraum aufgestaut, so daß sich dort ein hoher Druck aufbaut. Dieser
Druck hält die Düsennadel in ihrer geschlossenen Stellung. Wenn die Düsen
nadel geöffnet werden soll, wird das Ventilelement durch Betätigung des Piezo-
Aktors von dem Ventilsitz abgehoben. Dadurch kann das Fluid aus dem Druck
raum und dem Steuerraum abfließen, so daß der Druck im Steuerraum absinkt.
Dadurch ist eine auf die Düsennadel einwirkende Öffnungskraft, die von dem
am vorderen Ende der Düsennadel anstehenden Kraftstoffdruck erzeugt wird,
in der Lage, die Düsennadel zu öffnen. Nun kann Kraftstoff eingespritzt
werden.
Die Verwendung eines Piezo-Aktors bietet den Vorteil, daß mit vergleichsweise
geringen elektrischen Leistungen und kurzen Ansprechzeiten das
Ventilelement geschaltet werden kann. Der Nachteil eines Piezo-Aktors besteht
darin, daß der in ihm enthaltene Piezo-Stack, also der Stapel der einzelnen
Piezo-Elemente, bei Temperaturänderungen eine vergleichsweise große
Längenzunahme bzw. Längenabnahme erfährt.
Um zu verhindern, daß diese Längenänderung des Piezo-Aktors das Schalt
verhalten der Einspritzdüse beeinflußt, wurden im Stand der Technik verschie
dene Maßnahmen vorgeschlagen, die einer Temperaturkompensation dienen.
Aus der DE 35 33 085 A1 ist beispielsweise ein hydraulisches Ausgleichs
system bekannt, bei dem ein Hydraulikkolben als Widerlager für den Piezo-
Aktor dient. Der Hydraulikkolben ermöglicht eine langsame Längenänderung
des Piezo-Aktors, indem bei einer solchen Längenänderung Fluid vom Aus
gleichskolben durch einen engen Drosselspalt verdrängt wird. Wenn dagegen
eine schnelle Längenänderung auftritt, wie sie einer Betätigung des Piezo-
Aktors entspricht, kann der Ausgleichskolben als hinreichend starr angenom
men werden, da die Drosselstelle eine schnelle Verschiebung des Ausgleichs
kolbens nicht ermöglicht.
Aus der DE 195 31 652 A1 ist ein Ausgleichssystem bekannt, bei dem der
Piezo-Aktor grundsätzlich frei verschiebbar ist, so daß er temperaturbedingte
Längenänderungen erfahren kann. Um aber bei einer Aktivierung des Piezo-
Aktors über ein Widerlager zu verfügen, wird der Piezo-Aktor unmittelbar vor
einer Aktivierung von einer Klemmvorrichtung in seiner jeweiligen Position ein
gespannt. Diese Einspannung wird nach der Aktivierung wieder aufgehoben,
so daß in den Ruhephasen des Piezo-Aktors eine gegebenenfalls erforderliche
Längenänderung auftreten kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine von einem Piezo-Aktor betätigte,
temperaturkompensierte Einspritzdüse mit einfachem Aufbau zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 verwendet zur Temperaturkompensation ein rein mechanisches System, so
daß sich ein besonders einfacher Aufbau ergibt. Die Erfindung beruht im
Grundgedanken darauf, bei einer auftretenden Temperaturschwankung und
der damit verbundenen Längenänderung des Piezo-Aktors den Ventilsitz in
gleicher Weise zu verstellen wie den Betätigungsfortsatz. Auf diese Weise
kommt es zu keiner temperaturbedingten Relativverschiebung zwischen dem
Ventilsitz und dem Betätigungsfortsatz, so daß sich die Schaltcharakteristik
nicht ändert.
Als Temperaturausgleichselement kann beispielsweise eine Hülse verwendet
werden, die den Piezo-Aktor umgibt. Auf diese Weise ergibt sich eine beson
ders kompakte Gestaltung. Als Material für das Temperaturausgleichselement
kann ein beliebiges Material verwendet werden, dessen Temperaturausdeh
nungskoeffizient etwa gleich demjenigen der für den Piezo-Aktor verwendeten
Piezo-Keramik ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü
chen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte
Ausführungsform beschrieben, die in der beigefügten einzigen Zeichnung
dargestellt ist. In dieser ist in einem Querschnitt das mit dem Piezo-Aktor und
dem Druckraum versehene Ende einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse
gezeigt.
In der Figur ist ein Ausschnitt einer Einspritzdüse 10 gezeigt. Sie weist eine
Düsennadel 12 auf, die in dem Düsenkörper 14 verstellbar angebracht ist. Die
Düsennadel 12 ragt in einen Steuerraum 16 hinein, der mit einem Kraftstoff-
Zulauf 18 in Verbindung steht. Vom Steuerraum 16 geht ein Kraftstoff-Ablauf
20 ab, der über eine Ablaufdrossel 22 zu einem Fluideingang 24 führt, der in
einem Druckraum 26 mündet. Der Druckraum 26 wird auf seiner vom
Fluideingang 24 entgegengesetzten Seite von einem Wandteil 28 begrenzt,
das verschiebbar im Düsenkörper 14 angebracht ist. Das Wandteil 28 ist mit
einer Durchgangsbohrung versehen, so daß ein Fluidausgang 30 aus dem
Druckraum 26 gebildet ist. Dieser kann von einem Ventilelement 34
verschlossen werden, das an einem Ventilsitz 32 am Wandteil 28 anliegen
kann. Zur Beaufschlagung des Ventilelementes 34 ist im Druckraum 26 eine
Vorspannfeder 36 angeordnet. Schließlich ist im Druckraum 26 noch eine
Druckfeder 38 in der Form einer Tellerfeder angeordnet, die sich zwischen dem
Wandteil 28 und dem diesem gegenüberliegenden Boden der Druckkammer 26
abstützt.
Zur Betätigung des Ventilelementes 34 ist ein Piezo-Aktor 40 vorgesehen, der
auf der von der Düsennadel 12 abgewandten Seite des Druckraumes 26 ange
ordnet ist. Der Piezo-Aktor 40 ist mit einem Betätigungsfortsatz 42 versehen,
der sich durch den Fluidausgang 30 hindurch erstreckt und das Ventilelement
34 vom Ventilsitz 32 abheben kann.
Um den Piezo-Aktor 40 herum ist ein Temperaturausgleichselement 44 in der
Form einer Hülse angeordnet, das sich mit einem axialen Ende am Boden der
den Piezo-Aktor 40 aufnehmenden Bohrung und mit dem anderen axialen Ende
am verschiebbaren Wandteil 28 abstützt. Das Temperaturausgleichselement
44 hat einen Temperaturausdehnungskoeffizienten, der etwa gleich
demjenigen des Piezo-Aktors 40 ist.
Der Piezo-Aktor 40 dient in an sich bekannter Weise dazu, durch Betätigung
des Ventilelementes 34 selektiv den Fluidausgang 30 aus dem Druckraum 26
zu öffnen und dadurch ein Absinken des Fluiddrucks im Steuerraum 16 hervor
zurufen, damit die Düsennadel 12 geöffnet werden kann. Wenn es während
des Betriebs der Einspritzdüse zu einer Temperaturänderung und dadurch
bedingt zu einer Längenänderung des Piezo-Aktors kommt, erfährt das
Temperaturausgleichselement 44 dieselbe Längenänderung. Dadurch kommt
es zu einer Verschiebung des verschiebbaren Wandelementes 28 und damit
des Ventilsitzes 32, die der Verschiebung des an dem Ventilelement 34
angreifenden Endes des Betätigungsfortsatzes 42 entspricht. Auf diese Weise
ist eine Relativverschiebung zwischen dem Ventilsitz 32 und dem
Betätigungsfortsatz 42 bei einer Temperaturänderung verhindert, und die
Schaltcharakteristik der Einspritzdüse bleibt unbeeinflußt von
Temperaturänderungen. Die Druckfeder 38 dient bei einer Verstellung des
verschiebbaren Wandteils 28 dazu, dieses immer in Anlage am
Temperaturausgleichselement 44 zu halten, so daß das Wandteil 28 auch
einer Verkürzung des Temperaturausgleichselementes 44 folgt. Die
Verwendung einer Tellerfeder bietet den Vorteil, daß bei geeigneter Auslegung
immer dieselbe Federkraft unabhängig von einer Verschiebung des Wandteils
28 bereitgestellt wird.
10
Einspritzdüse
12
Düsennadel
14
Düsenkörper
16
Steuerraum
18
Kraftstoff-Zulauf
20
Kraftstoff-Ablauf
22
Ablaufdrossel
24
Fluideingang
26
Druckraum
28
Wandteil
30
Fluidausgang
32
Ventilsitz
34
Ventilelement
36
Vorspannfeder
38
Druckfeder
40
Piezo-Aktor
42
Betätigungsfortsatz
44
Temperaturausgleichselement
Claims (5)
1. Einspritzdüse (10) für ein Kraftstoff-Einspritzsystem, mit einem Druckraum
(26), der mit einem Fluideingang (24) und einem Fluidausgang (30) ver
sehen ist, einem Ventilsitz (32) um den Fluidausgang herum, einem Ventil
element (34), das an dem Ventilsitz anliegen kann, so daß der Fluidaus
gang verschlossen ist, und einem Piezo-Aktor (40), der mit einem Betäti
gungsfortsatz (42) versehen ist, der an dem Ventilelement angreifen kann,
dadurch gekennzeichnet, daß ein verschiebbares Wandteil (28)
vorgesehen ist, an dem der Ventilsitz ausgebildet ist und das den
Druckraum auf der Seite des Ventilsitzes begrenzt, und daß ein
Temperaturausgleichselement (44) vorgesehen ist, das mit dem
verschiebbaren Wandteil zusammenwirkt und dieses entsprechend einer
temperaturbedingten Längenänderung des Piezo-Aktors verschiebt.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betäti
gungsfortsatz (42) des Piezo-Aktors (40) durch das verschiebbare Wandteil
(28) hindurchragt.
3. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Temperaturausgleichselement (44) eine Hülse ist, die den Piezo-
Aktor umgibt.
4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem verschiebbaren Wandteil (28) und der gegenüberliegen
den Wand des Druckraumes (26) eine Druckfeder (38) angeordnet ist.
5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck
feder (38) eine Tellerfeder ist.
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