DE10113560A1

DE10113560A1 - Einspritzventil

Info

Publication number: DE10113560A1
Application number: DE10113560A
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger; Wolfgang Stoecklein; Dietmar Schmieder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-26
Also published as: JP4272887B2; HUP0302434A2; EP1373706B1; ATE331134T1; HUP0302434A3; HU229132B1; EP1373706A1; US20040050971A1; US7398933B2; WO2002077437A1; DE50207295D1; JP2004518885A

Abstract

Es wird ein Einspritzventil, insbesondere ein Einspritzventil für eine Verbrennungsmaschine, vorgeschlagen. Dieses umfaßt zumindest ein Düsenmodul (3), das eine Einspritzdüse und eine Zufuhrleitung für ein unter einem Zufuhrdruck (p_R) stehendes Fluid aufweist, sowie ein Ventilsteuermodul (2), das mit dem Düsenmodul (3) in Wirkverbindung steht und zumindest ein Ventilschließglied (16), auf das der Zufuhrdruck (p_R) wirkt, und einen piezoelektrischen Aktor (12) aufweist, welcher zur Betätigung des Ventilschließglieds (16) dient und der mittels einer Feder (21) in der dem Ventilschließglied (16) abgewandten Richtung vorgespannt ist, wobei die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors (12) mittels einer Ventilsteuereinheit (30) erfolgt und diese einen Ansteuergradienten (dU/dt) vorgibt. Der Ansteuergradient (dU/dt) ist eine von dem Zufuhrdruck (p_R) abhängige Größe (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Einspritzventil, insbesondere einem Einspritzventil für eine Verbrennungsmaschine, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.

Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt. Es wird insbesondere in Verbindung mit Common-Rail-Speicherein spritzsystemen für Dieselverbrennungsmaschinen eingesetzt. Das Einspritzventil ist hierbei derart aufgebaut, daß es aus einem sogenannten Düsenmodul besteht, das eine mittels einer Düsennadel gesteuerte Einspritzdüse umfaßt und mit tels eines sogenannten Ventilsteuermoduls betätigt wird, welches ventilartig ausgebildet ist. Die Steuerung des Dü senmoduls erfolgt derart, daß das Düsenmodul einen mit ei nem Ventilsteuerkolben in Wirkverbindung stehenden Ventil steuerraum umfaßt, in welchem ebenfalls das mittels des Einspritzventils in den Verbrennungsraum einzuspritzende Fluid enthalten ist. Über eine mittels des Ventilsteuermo duls bewirkte Druckänderung in dem Ventilsteuerraum verän dert sich die Lage des Ventilsteuerkolbens und damit auch die Lage der mit dem Ventilsteuerkolben eine Baueinheit bildenden Düsennadel.

Wie vorstehend ausgeführt, ist das Ventilsteuermodul ven tilartig ausgeführt. Es umfaßt daher ein Ventilschließ glied. Auf dieses Ventilschließglied wirkt über eine soge nannte Ablaufdrossel der in dem Ventilsteuerraum des Düsen moduls herrschende Fluiddruck. Die Betätigung des Ventil schließglieds erfolgt mittels eines piezoelektrischen Ak tors, der in der Regel über einen mit dem piezoelektrischen Aktor verbundenen sogenannten Stellkolben, einen hydrauli schen Koppler und einen mit dem Ventilschließglied verbun denen sogenannten Betätigungskolben auf das Ventilschließ glied wirkt.

Bei Betätigung des piezoelektrischen Aktors wird bei einem derartig aufgebauten Ventilsteuermodul das Ventilschließ glied von einem mit demselben zusammenwirkenden Ventilsitz abgehoben, so daß sich über die Ablaufdrossel der in dem Ventilsteuerraum des Düsenmoduls herrschende Druck verrin gert, wodurch sich die Einspritzdüse öffnet.

Die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors erfolgt übli cherweise mittels eines Mikroprozessors, welcher einen be stimmten Ansteuergradienten vorgibt. Der Ansteuergradient gibt vor, innerhalb welcher Zeit die zur Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors erforderliche Spannung an dem Aktor aufgebaut wird, d. h. innerhalb welcher Zeit dieser sei ne maximale Längung erfährt.

Der piezoelektrische Aktor ist in der Regel mittels einer mechanischen Feder, z. B. einer Spiralfeder, in der dem Ven tilschließglied abgewandten Richtung vorgespannt. Der Grund hierfür liegt darin, daß der piezoelektrische Aktor Zug kräften nicht standhält. Insbesondere würden bei solchen Zugkräften die einzelnen Schichten eines aus mehreren Schichten aufgebauten piezoelektrischen Aktors auseinander gerissen werden, so daß es zu Kurzschlüssen käme und das Einspritzventil nicht mehr verwendet werden könnte. Die Größe der Federvorspannung beeinflußt im wesentlichen nur den Betriebspunkt des piezoelektrischen Aktors, nicht aber dessen Hubvermögen.

Bei bekannten Einspritzventilen der einleitend genannten Art hat die Vorspannfeder eine relativ große Vorspannung. Dies erfordert jedoch nachteilhafterweise einen relativ großen Bauraum für die Vorspannfeder, was sich wiederum entsprechend negativ in den Kosten des Einspritzventils niederschlägt.

Vorteile der Erfindung

Das Einspritzventil nach der Erfindung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem der Ansteuergradient eine von dem Zufuhrdruck abhängige Größe ist, hat demgegenüber den Vorteil, daß aufgrund des variabel ausgestalteten Ansteuergradientens unabhängig von dem Zufuhrdruck - dies ist im Fall eines Common-Rail- Einspritzsystems der sogenannte Raildruck - die effektiv auf den piezoelektrischen Aktor wirkende Kraft konstant ge halten werden kann, und daß sich eine betriebspunktabhängi ge Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors erreichen läßt.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Einspritzven tiles nach der Erfindung wächst der Ansteuergradient mit dem Zufuhrdruck. Dies bedeutet, daß bei einem vergleichs weise niedrigen Zufuhrdruck die Anregung des Systems, d. h. des piezoelektrischen Aktors, langsamer erfolgt als bei ei nem vergleichsweise hohen Zufuhrdruck.

Diese Ausführungsform beruht auf der Tatsache, daß bei der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors das Ventilschließ glied zunächst gegen den Zufuhrdruck geöffnet werden muß. Sobald die zur Öffnung des Ventilschließglieds erforderli che Kraft auf das Ventilschließglied ausgeübt ist, d. h. wenn die sogenannte Öffnungskraft überwunden ist, "fliegt" das Ventilschließglied auf und der piezoelektrische Aktor dehnt sich sehr schnell aus. In dieser Phase wirken je nach Zufuhrdruck unterschiedliche Kräfte auf den piezoelektri schen Aktor. Diese Kräfte nehmen mit steigendem Zufuhrdruck zu.

Bei konstantem Ansteuergradienten, d. h. bei vom Zufuhrdruck unabhängiger Ansteuerung und Anregung des Systems, würde sich insbesondere der Fall eines niedrigen Zufuhrdrucks problematisch gestalten, denn den Kräften, die durch die Ansteuerung verursacht werden, wirken in diesem Fall nur vergleichsweise geringe Kräfte entgegen, die aus dem Zufuhrdruck herrühren. Nach der Erfindung erfolgt nun aber die Ansteuerung in Abhängigkeit von dem Zufuhrdruck, so daß die auf den Aktor wirkende Kraft, d. h. die Entlastung, kon stant gehalten werden kann.

Dies hat wiederum zur Folge, daß die an dem piezoelektri schen Aktor angreifende Vorspannfeder relativ klein und kompakt ausgelegt werden kann und mit einer vergleichsweise geringen Vorspannung versehen sein kann. Dadurch kann der für die Vorspannfeder erforderliche Bauraum vergleichsweise klein dimensioniert werden und eine deutliche Kostenredu zierung erzielt werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des Ge genstandes nach der Erfindung ergeben sich aus den Patent ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Einspritzventils nach der Er findung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht darge stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Es zeigen

Fig. 1 eine ausschnittsweise Darstellung eines Einspritz ventils nach der Erfindung im Längsschnitt, und

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Ansteuerung des Einspritzven tils nach Fig. 1, und

Fig. 3 den Verlauf eines Gradienten zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors in Abhängigkeit von einem Fluidzu fuhrdruck.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Einspritzventil 1, das insbesondere zur Kraftstoffeinsprit zung in eine Dieselverbrennungsmaschine bestimmt ist. Das Einspritzventil 1 umfaßt hierzu ein Ventilsteuermodul 2 so wie ein Düsenmodul 3 mit einem Düsenkörper 5, in dem ein Ventilsteuerkolben 4 angeordnet ist, der mit einer hier nicht dargestellten Düsennadel eine Baueinheit bildet und über diese eine Einspritzdüse steuert bzw. mit dieser iden tisch sein kann.

In dem Düsenkörper 5 des Düsenmoduls 3 ist zudem ein Kraft stoffzufuhrkanal 6 ausgebildet. Der Kraftstoffzufuhrkanal 6 ist mit einem hier nicht dargestellten, für mehrere Ein spritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicher, einem soge nannten Common-Rail üblicher Bauart verbunden. Der in der Hochdruckzufuhrleitung 6 geführte Kraftstoff kann somit un ter einem Druck bzw. Raildruck p_R von z. B. bis zu 1,6 kbar stehen.

An der in Fig. 1 dargestellten freien Stirnseite des Ven tilsteuerkolbens 4 grenzt an denselben ein Ventilsteuerraum 7, der über eine Zulaufdrossel 8 mit dem Kraftstoffzufuhr kanal 6 verbunden ist. Über das in dem Ventilsteuerraum 7 herrschende Druckniveau wird die Lage des Ventilsteuerkol bens 4 und damit diejenige der Düsennadel eingestellt. Der Ventilsteuerraum 7 steht hierzu über eine Ablaufdrossel 9 mit dem Ventilsteuermodul 2 in Verbindung.

Mittels des Ventilsteuermoduls 2 können der Beginn und die Dauer eines Einspritzvorgangs sowie die damit verbundene Einspritzmenge eingestellt werden. Hierzu ist in dem Ven tilsteuermodul 2 ein Ventilglied 10 angeordnet, das in ei nem Ventilkörper 11 geführt ist und das mittels eines pie zoelektrischen Aktors 12 betätigbar ist. Der piezoelektri sche Aktor 12 ist auf der dem Ventilsteuerkolben 4 und so mit dem Brennraum der Verbrennungsmaschine abgewandten Sei te des Ventilgliedes 10 angeordnet und wirkt auf einen dem Ventilglied 10 zugeordneten Kolben 14, der als Stellkolben bezeichnet wird. Des weiteren umfaßt das Ventilglied 10 ei nen zweiten Kolben 15, einen sogenannten Betätigungskolben, der zur Betätigung eines Ventilschließglieds 16 dient.

Die Betätigung des Betätigungskolbens 15 selbst erfolgt über einen hydraulischen Koppler 17, der als Hydraulikkam mer ausgebildet ist und die axiale Auslenkung des mittels des piezoelektrischen Aktors 12 verfahrenen Stellkolbens 14 auf den Betätigungskolben 15 überträgt. Die hydraulische Übersetzung bewirkt, daß der Betätigungskolben 15 einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser vergrößer ten Hub macht, wenn der Stellkolben 14, der hier einen grö ßeren Durchmesser als der Betätigungskolben 15 aufweist, mittels des piezoelektrischen Aktors 12 eine bestimmte Weg strecke verfahren wird.

Das Ventilschließglied 16 wirkt mit einem Ventilsitz 22 zu sammen, der hier als Kugelsitz ausgebildet ist. Es ist aber in einer anderen Ausführung des ventilartig aufgebauten Ventilsteuermoduls auch möglich, daß das Ventilschließglied mit zwei Ventilsitzen zusammenwirkt und somit ein Doppel sitzventil bildet.

Das Ventilschließglied 16 ist in einer Ventilkammer 18 an geordnet, welche bei unbetätigtem piezoelektrischen Aktor 12 mittels des mit dem Ventilsitz 22 zusammenwirkenden Ven tilschließglied 16 von einer sogenannten Ablaufkammer 19 getrennt ist, von welcher ein Ablaufkanal 20 abzweigt. Die ser Ablaufkanal 20 führt zu einem nicht näher dargestellten Leckageanschluß des Einspritzventils 1, welcher wiederum mit einem Kraftstoffvorratstank in Verbindung steht.

Der piezoelektrische Aktor 12 ist mittels einer Vorspannfe der 21 in der dem Ventilsteuerkolben 4 abgewandten Richtung vorgespannt. Des weiteren ist der piezoelektrische Aktor 12 in üblicher Weise aus mehreren Schichten aufgebaut und über Leitungen mit einer in Fig. 2 schematisch dargestellten Ventilsteuereinheit 30 verbunden.

Mittels der Ventilsteuereinheit 30 wird beim Betrieb des Einspritzventils 1 unter anderem ein Spannungsgradient dU/dt zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 vor gegeben. Dieser sogenannte Ansteuergradient dU/dt ist ab hängig von dem in der Kraftstoffzufuhrleitung 6 herrschen den Fluiddruck p_R und wird mittels der Steuereinheit 30 auf den entsprechenden Sollwert eingestellt. Dies ist in Fig. 2 anhand eines Strukturbildes dargestellt.

Der Fluiddruck bzw. Raildruck p_R wirkt über die Zulauf drossel 8, den Ventilsteuerraum 7 und die Ablaufdrossel 9 auf das Ventilschließglied 16. Bei einem hohen Raildruck p_R erfolgt die mittels der Ventilsteuereinheit 30 erfol gende Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 sehr schnell, d. h. die Ventilsteuereinheit 30 gibt einen ver gleichsweise großen Ansteuergradienten dU/dt vor. Hingegen gibt die Ventilsteuereinheit 30 bei einem niedrigen Raildruck p_R einen vergleichsweise niedrigen Ansteuergra dienten dU/dt vor. Der Verlauf des Ansteuergradientens dU/dt in Abhängigkeit von dem Raildruck p_R ist in Fig. 3 dargestellt. Wie darin zu erkennen ist, wächst der Ansteu ergradient dU/dt mit zunehmendem Raildruck p_R an.

Claims

1. Einspritzventil, insbesondere für eine Verbrennungsma schine, zumindest umfassend ein Düsenmodul (3), das eine Einspritzdüse und eine Zufuhrleitung für ein unter einem Zufuhrdruck (p_R) stehendes Fluid aufweist, sowie ein Ventilsteuermodul (2), das mit dem Düsenmodul (3) in Wirkverbindung steht und zumindest ein Ventilschließ glied (16), auf das der Zufuhrdruck (p_r) wirkt, und ei nen piezoelektrischen Aktor (12) aufweist, welcher zur Betätigung des Ventilschließglieds (16) dient und der mittels einer Feder (21) in der dem Ventilschließglied (16) abgewandten Richtung vorgespannt ist, wobei die An steuerung des piezoelektrischen Aktors (12) mittels ei ner Ventilsteuereinheit (30) erfolgt und diese einen An steuergradienten (dU/dt) vorgibt, dadurch gekennzeich net, daß der Ansteuergradient (dU/dt) eine von dem Zu fuhrdruck (p_R) abhängige Größe ist.

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuergradient (dU/dt) mit dem Zufuhrdruck (p_R) anwächst.