DE10310297A1

DE10310297A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE10310297A1
Application number: DE10310297A
Authority: DE
Inventors: Fevzi Yildirim; Rene Deponte
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-23
Also published as: ATE316205T1; DE502004000246D1; EP1457662B1; EP1457662A1

Abstract

Brennstoffeinspritzventil, mit einem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor (3), einer mit dem Aktor (3) in Wirkverbindung stehenden Ventilnadel (14) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (15) und einem hydraulischen Koppler (40), der einen Kolben (37) umfasst, der zumindest teilweise in eine Aufnahmeöffnung greift und mit dieser einen Kopplerspalt (50, 51) bildet, welcher mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist und von einem ersten Ausgleichsraum (52) umgeben ist, der von einer ersten Kopplermembran (41) begrenzt ist, wobei der hydraulische Koppler (40) einen zweiten Ausgleichsraum (45) hat, der von einer zweiten Kopplermembran (44) begrenzt ist und über wenigstens eine Durchgangsöffnung (46, 55) mit dem ersten Ausgleichsraum (45) verbunden ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1. Aus der DE 35 33 085 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das von einem Piezo-Aktor betätigt wird. Zur Kompensation von Temperatureinflüssen, Verschleiß und Fertigungstoleranzen ist ein hydraulischer Koppler vorgesehen, bei dem ein Hydraulikmedium aus einem Kopplerspalt über einen Leckspalt zu einem Ausgleichsraum abfließen kann. Der Ausgleichsraum wird dabei von einer als Wellrohr gebildeten Membran begrenzt.

Daneben sind auch Piezo-Hochdruckeinspritzventile bekannt, die als Koppelmedium Kraftstoff verwenden. Infolge der Wärmeabgabe des Aktors und des Unterdrucks im Koppler können sich dabei Dampfblasen im Koppelmedium bilden.

Grundsätzliche Probleme ergeben sich für Piezo-Hochdruckeinspritzventile mit hydraulischem Koppler in den Betriebszuständen Kaltstart, Heißstart, Notlauf und niedrigem Systemdruck. In Abhängigkeit des Betriebszustandes können sich lange Ansteuerzeiten ergeben, die einen erhöhten Leckageverlust am Koppler zur Folge haben und dadurch einen Hubverlust an der Ventilnadel bewirken.

Die für den Betrieb eines Brennstoffeinspritzventils erforderliche Energie zum Ansteuern des Piezo-Aktors wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärme kann unerwünschte Dehnungen im Brennstoffeinspitzventil zur Folge haben. Zudem können erhöhte Leckageverluste am hydraulischen Koppler auftreten, die zu einer Verringerung der maximalen Einspritzmenge führen. Es ist daher erforderlich, die Wärmeabfuhr noch weiter zu verbessern und dabei den Gesamtaufbau des Brennstoffeinspritzventils einfach zu halten und ein ausreichendes Abspritzverhalten möglichst in allen Betriebszuständen sicherzustellen.

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch eine Verbesserung des Temperaturausgleichs störende Längenänderungen vermieden werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Sofern im Ventilgehäuse eine Bodenplatte vorgesehen ist, lässt sich ein erster Ausgleichsraum des hydraulischen Kopplers von einem zweiten Ausgleichsraum trennen. Da der Aktor in einem Aktorgehäuse untergebracht ist, kann das Hydraulikmedium direkt von einem Kolben beaufschlagt werden, ohne dass es zu Dichtproblemen kommt. Dabei ist eine membranartige Begrenzung des Ausgleichsraums vorgesehen, die Volumenunterschied im Ausgleichsraum ausgleicht. Indem zwischen dem Aktorgehäuse und der Bodenplatte eine vorgespannte Druckfeder angeordnet ist, kann das Hydraulikmedium in der Ruhelage des Piezoaktors stets in die Kopplerspalte nachfließen. Auf Grund der Abdichtung der beiden Ausgleichsräume lässt sich eine einfache elektrische Zuleitung von außen zum Piezoaktor legen, die Dichtprobleme vermeidet und einen zuverlässigen Betrieb des Brennstoffeinspritzventils erlaubt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten, bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein in 1 im Längsschnitt dargestelltes Brennstoffeinspritzventil 1 hat ein Ventilgehäuse 2, das einen piezoelektrischen Aktor 3 umgibt. Der Aktor 3 ist seinerseits in einem Aktorgehäuse 4 untergebracht und stützt sich mit einer Stirnseite 6 an einer Dichtplatte 5 ab, die Teil des Aktorgehäuses 4 ist. Auf einer gegenüberliegenden Stirnseite 7 liegt der Aktor 3 an einem Übertragungsbolzen 8 an. Der Übertragungsbolzen 8 hat einen radial vorspringenden Bund 9, an dem sich eine unter Druck stehende Vorspannfeder 10 abstützt. Die Vorspannfeder 10 ist zwischen dem Bund 9 und einem nach innen vorspringenden Kragen 11 am Aktorgehäuse 4 eingespannt, wobei sie den Aktor 3 in Richtung zur Dichtplatte 5 mit einer Druckkraft beaufschlagt.
In axialer Verlängerung des Übertragungsbolzens 8 befindet sich eine Ventilnadel 14, die an ihrem dem Übertragungsbolzen 8 abgewandten Ende einen Ventilschließkörper 15 trägt. Der Ventilschließkörper 15 bildet zusammen mit einer am Ventilgehäuse 2 ausgebildeten Ventilsitzfläche 16 in bekannter Weise ein Abspritzventil 17. Das Abspritzventil 17 ist im Beispielsfall nach außen öffnend ausgebildet, kann jedoch auch nach innen öffnend ausgeführt sein. Eine Rückstellfeder 18 beaufschlagt die Ventilnadel 14 mit einer Rückstellkraft in Richtung auf eine Schließstellung des Abspritzventils 17.
Das Ventilgehäuse 2 ist hülsenförmig ausgebildet. Ventilseitig ist ein Boden 19 vorgesehen, der eine zentrale Aufnahmebohrung 21 aufweist. In die zentrale Aufnahmebohrung 21 ist ein ebenfalls hülsenförmiger Ansatz 20 eingesetzt. Der Ansatz 20 nimmt die Ventilnadel 14 auf.
Eine dem Boden 19 gegenüberliegende Stirnseite des Ventilgehäuses 2 ist mit einem Deckel 22 verschlossen. In dem Deckel 22 befindet sich eine Zuleitung 23 für den über das Abspritzventil 17 beigemessenen Kraftstoff, die zu einem hohlen Innenraum 24 des Brennstoffeinspritzventils 1 führt. Zwischen Deckel 22 und Innenraum 24 ist eine Bodenplatte 28 in das Ventilgehäuse 2 eingesetzt. Die Bodenplatte 28 ist dabei fest mit dem Ventilgehäuse 2 verbunden. Eine Längsnut 23a in der Bodenplatte 28 verbindet die Zuleitung 23 mit dem Innenraum 24, so daß der Innenraum 24 stets mit Kraftstoff gefüllt ist.
Das Aktorgehäuse 4 ist von einem hülsenförmigen Dichtgehäuse 29 umgeben, das eine Grundplatte 30 mit einer Durchgangsöffnung 31 zum axialen Durchgriff des Übertragungsbolzens 8 hat. Zwischen der Grundplatte 30 und einem Absatz 32 an der Ventilnadel 14 ist eine hülsenförmige Dichtmembran 33 vorgesehen, die den Übertragungsbolzen 8 teilweise umgibt und verhindert, dass Kraftstoff aus dem Innenraum 24 in einen innerhalb des Dichtgehäuses 29 befindlichen Dichtraum 34 eindringen kann. Ein der Grundplatte 30 gegenüberliegendes offenes Ende des Dichtgehäuses 29 ist durch die Bodenplatte 28 vollständig abgedeckt.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist in der Bodenplatte 28 eine zentrale Sackbohrung 36 vorgesehen. An der Dichtplatte 5 des Aktorgehäuses 4 springt eine zylindrische Nase 37 vor, die teilweise in die Sackbohrung 36 eingreift und dabei einen Kolben eines hydraulischen Kopplers 40 bildet. Zwischen Bodenplatte 28 und Aktorgehäuse 4 erstreckt sich parallel zur Nase 37 eine erste Kopplermembran 41, die hülsenförmig beispielsweise durch ein Wellrohr gebildet ist. Die erste Kopplermembran 41 ist einerseits mit dem Aktorgehäuse 4 andererseits mit der Bodenplatte 28 verschweißt, so dass innerhalb der ersten Kopplermembran 41 ein erster Ausgleichsraum 42 gebildet ist.
Auf einer dem Deckel 22 zugewandten Seite der Bodenplatte 28 ist eine Vertiefung 43 in die Bodenplatte 28 eingebracht, in der eine zweite Kopplermembran 44 angeordnet ist, die ventilseitig einen zweiten Ausgleichsraum 45 begrenzt. Die zweite Kopplermembran 44 ist napfförmig und mit einer geschlossenen Unterseite des Napfes zuerst in die Vertiefung 43 eingesetzt. Eine Seitenfläche 44a der zweiten Kopplermembran 44 ist endseitig an der Bodenplatte 28 dichtend befestigt. Der zweite Ausgleichsraum 45 ist mit dem ersten Ausgleichsraum 42 über eine in der Bodenplatte 28 eingebrachte Durchgangsöffnung 46 verbunden, die als Drosselöffnung dient.
Im ersten und zweiten Ausgleichsraum 42, 55 befindet sich ein Hydraulikmedium, das vorzugsweise eine hohe Viskosität und einen hohen Dampfdruck hat, um eine geringe Neigung zur Dampfblasenbildung bei Unterdruck zu gewährleisten.
Eine elektrische Anschlussleitung 48 ist axial durch den Deckel 22 und die Bodenplatte 28 in den Dichtraum 34 zwischen Aktorgehäuse 4 und Dichtgehäuse 29 geführt und von dort radial nach innen zum Aktor 3.
Das in der 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 unterscheidet sich demgegenüber nur geringfügig. Gleiche bzw. gleich wirkende Merkmale sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Ein Unterschied zur 1 besteht darin, dass ein von der Grundplatte 30 koaxial vorspringes Rohr 53 als Kolben 37 dient. Ein sich zwischen dem Rohr 53 und der Bodenplatte 28 gebildeter Abstand stellt den Kopplerspalt 50 dar. Eine Kopplerfeder 52 stellt sicher, dass sich in der Ruhestellung stets ein ausreichender Kopplerspalt 50 bildet. Das Rohr 53 erstreckt sich durch eine Bohrung 54 hindurch bis zur zweiten Kopplermembran 44 und begrenzt zusammen mit dieser und der Bodenplatte 28 den zweiten Ausgleichsraum 45. Ein sich zwischen Rohr 53 und Bohrung 54 ergebender Spalt 55 dient analog zur Durchgangsöffnung 46 als eine den ersten Ausgleichsraum 42 mit dem zweiten Ausgleichsraum 45 verbindende Drosselöffnung 46, 55. Die elektrische Zuleitung 48 wird hierbei über den Deckel 22 koaxial zum Inneren des Rohrs 53 und von dort durch das Aktorgehäuse 4 zum Aktor 3 geführt. Die zweite Kopplermembran 44 ist als Doppelhülse zwischen der Bodenplatte 28 und dem Rohr 53 angeordnet, wobei die Doppelhülse durch zwei parallel zueinander liegende axiale Wellrohre gebildet sind, die über eine Ringfläche 57 miteinander verbunden sind. Die Ringfläche 57 ist von einer Membranfeder 51 in Richtung auf die Bodenplatte 28 und das im zweiten Ausgleichsraum 45 befindliche Kopplermedium beaufschlagt ist.
Die Funktion des Brennstoffeinspritzventils 1 wie folgt:
Bei unbeaufschlagtem Aktor 3 nimmt das Abspritzventil 17 die in der 1 gezeigte Schließstellung ein, in der die Ventilnadel 14 durch die Rückstellfeder 18 gegen die Ventilsitzfläche 16 gedrängt wird. In der Aufnahmebohrung 36 ist zwischen dem Kolben 37 und der Bodenplatte 28 ein mit Kopplermedium angefüllter Kopplerspalt 50 gebildet, der über einen Ringspalt 56 an der radialen Außenseite des Kolbens 37 in den ersten Ausgleichsraum 42 mündet. Eine Membranfeder 51 beaufschlagt die zweite Kopplermembran 44 derart mit einer Druckkraft, dass innerhalb des Hydraulikmediums ein vorbestimmter Druck herrscht. Wird der Piezoaktor 3 mit Spannung beaufschlagt, dehnt er sich schlagartig aus und überträgt diese Längung auf den Übertragungsbolzen 8 und die Ventilnadel 14, so dass sich das Abspritzventil 17 öffnet. Dabei stützt sich der Aktor 3 über den Kolben 37 und das im Kopplerpalt 50 befindliche Hydraulikmedium an der Bodenplatte 28 ab. Infolge des hohen Drucks im Kopplerspalt 50 fließt Hydraulikmedium langsam über den Leckspalt 51 in den ersten Ausgleichsraum 42 ab. Über die Drosselöffnungen 46 beim Ausführungsbeispiel nach 1 bzw. 56 nach 2 findet ein Ausgleich von Hydraulikmedium statt.
Die hülsen- bzw. napfartige Ausbildung von Aktorgehäuse 4, Dichtgehäuse 29 und Ventilgehäuse 2 gestattet eine einfach Herstellung des Brennstoffeinspritzventils 1 beispielsweise durch Verwendung von Tiefziehhülsen.

Claims

Brennstoffeinspritzventil, mit einem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor (3), einer mit dem Aktor (3) in Wirkverbindung stehenden Ventilnadel (14) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (15), und einem hydraulischen Koppler (40), der einen Kolben (37) umfasst, der zumindest teilweise in eine Aufnahmeöffnung greift und mit dieser einen Kopplerspalt (50, 51) bildet, welcher mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist und von einem ersten Ausgleichsraum (52) umgeben ist, der von einer ersten Kopplermembran (41) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (40) einen zweiten Ausgleichsraum (45) hat, der von einer zweiten Kopplermembran (44) begrenzt ist und über wenigstens eine Duchgangsöffnung (46, 55) mit dem ersten Ausgleichsraum (45) verbunden ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausgleichsraum (52) zwischen einem Kopplergehäuse (5) und einer gehäusefesten Bodenplatte (28) gebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausgleichsraum (45) auf einer dem Aktor (3) abgewandten Seite der Bodenplatte (28) gebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplermembran (41) hülsenförmig zwischen dem Aktorgehäuse (4) und der Bodenplatte (28) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausgleichsraum (45) in einer Vertiefung (43) in der Bodenplatte (28) gebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kopplermembran (44) innerhalb der Vertiefung (43) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplermembran (41) und die zweite Kopplermembran (44) jeweils durch ein radiale Dehnfalten aufweisendes Wellrohr gebildet sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselöffnung (46) axial in der Bodenplatte (28) ausgebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Dichtplatte (5) ein axial in Richtung der Bodenplatte (28) vorstehender Kolben (37) angesetzt ist, der in eine Aufnahmebohrung (36) in der Bodenplatte (28) eingreift und mit der Aufnahmebohrung (36) einen Ringspalt (56) bildet.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselöffnung (46) als separate axiale Durchgangsbohrung ausgebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorgehäuse (4) radial von einem Dichtgehäuse (29) umgeben ist, das den Aktor (3) von einem Innenraum (24) des Brennstoffeinspritzventils (1) trennt und das zwischen dem Dichtgehäuse (29) und dem Aktorgehäuse (4) einen Dichtraum (34) bildet.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Zuleitung (48) zu dem Aktor (3) axial durch die Bodenplatte (28) in den Dichtraum (34) und von dort durch das Aktorgehäuse (4) weiter zum Aktor (3) führt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bodenplatte (28) eine axiale Bohrung (54) ausgebildet ist, in der ein an die Dichtplatte (5) angesetztes Rohr (53) geführt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kopplermembran (44) als Doppelhülse zwischen der Bodenplatte (28) und dem Rohr (53) angeordnet ist, wobei die Doppelhülse durch zwei parallel zueinander liegende axiale Wellrohre gebildet sind, die über eine Ringfläche (57) miteinander verbunden sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringfläche (57) von einer Membranfeder (51) in Richtung auf die Bodenplatte (28) und das im zweiten Ausgleichsraum (45) befindliche Kopplermedium beaufschlagt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Zuleitung (48) zu dem Aktor (3) durch das Rohr (51) zum Aktorgehäuse (4) und von dort zum Aktor (3) geführt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Aktorgehäuse (4) und Bodenplatte (28) eine Kopplerfeder (52) angeordnet ist.