DE1751543A1

DE1751543A1 - Elektrisch steuerbares Einspritzventil

Info

Publication number: DE1751543A1
Application number: DE19681751543
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Goertz; Dipl-Ing Manfred Kaerkes
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1968-06-15
Filing date: 1968-06-15
Publication date: 1970-08-27

Description

Elektrisch steuerbares Einspritzventil Die Erfindung betrifft ein elektrisch steuerbares Einspritzventil mit Düsennadel.
Es ist bekannt, ein Einspritzventil mit Düsennadel elektromagnetisch zu betätigen: Auf Grund ihrer Bauweise sind derartigen Ventilen hinsichtlich der Arbeitsfrequenz mit Rücksicht auf Resonanzerscheinungen enge Grenzen gesetzt. Außerdem war es bisher nicht möglich, elektro-magneti-sch betätigte Einspritzventile wegen der erforderlichen hohen Einspritzdrücke bei Dieselmotoren zu verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch steuerbares Einspritzventil für hohe Arbeitsfrequenzen und hohe Arbeitsdrücke zu schaffen. Es wird hierbei von der bekannten Eigenschaft sogenannter.piezo-elektrischer Körper ausgegangen, die sich. beim Anlegen einer elektrischen Spannung je nach Polarität der Spannung zusammenziehen oder ausdehnen. Bei dem piezo-elektrischen Effekt handelt es sich um einen elektrischen Polarisationsvorgang innerhalb des Kristallgitters der Körper, so daB die erreichbaren Eigenfrequenzen eines derartigen Körpers beim Anlegen einer pulsierenden Spannung im Bereich zwischen etwa 50 KHz und 5 MHz liegen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, i daß die Düsennadel mit mindestens einem piezaelektrischen Körper hydraulisch oder mechanisch verbunden ist, der über Kabel an einen Spannungsgeber angeschlossen ist. Der Vorteil des-mit der Erfindung vorgeschlagenen Einspritzventils liegt darin, daß es direkt elektrisch ansteuerbar ist und noch bei sehr hohen Einspritzfrequenzen unterhalb der Resonanzgrenze arbeitet, so daß störende Resonanzerscheinungen mit Sicherheit vermieden werden. In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen' daß mindestens ein mit der Düsennadel verbundener piezo-elektrischer Körper in einer über eine Flüssigkeitszuleitung mit einer kontinuierlich arbeitenden Förderpumpe verbundenen Ventilkammer angeordnet ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daB der für den Einspritzvorgang notwendige Druck., der beispielsweise bei Dieselmotoren etwa 500 atü beträgt* innerhalb der Ventilkammer durch die Förderpumpe ständig aufrechterhalten wird. Da bei entsprechender Ausbildung und Dimensionierung der Ventilkammer im wesentlichen nur die einzuspritzende Flüssigkeitsmenge hohe Geschwindigkeiten annimmt, während in der Ventilkammer und der Flüssigkeitszuleitung relativ geringe Geschwindigkeiten auftretenx werden auch nachteilige Kavstationserscheinungen in den Zuleitungen ete. mit Sicherheit vermieden. Auch bei Anwendungsfällen mit sehr kurzen Öffnungszeiten, wie beispielsweise ;bei -Dieselmotoren ist diese Ausbildung vorteilhaft, da immer nur geringe Flüssigkeitsmengen stark beschleunigt werden: Die Größe des Offnungshubee kann durch die Zahl der verwen-Beten piezo-elektrischen Körper vorgegeben werden, außerdem noch durch die $öhe des Spannungsimpulses beeinglußt Werden, Je- nach den Betriebsbedingungen und aufzubringenden Drücken ist es vortelhaft, die @Msennadel an einem Ende-mindestens eines piezo-elektrischen Körpers fest anzuordnen, dessen anderes finde einstellbar mit der Ventilkammerw.andung verbunden: ist: In Abwandlung dieser Anordnung kann es auch vorteilhaft sein, die Düsennadel über einen drehbar gelagerten Kipphebel mit dem oder den piezo-elektrischen Körpern zu verbinden und die Düsennadel in Achsrichtung einstellbar mit einer Feder zu belasten. Mit dieser Anordnung ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Schließdruck der Düsennadel auf die Be-

triebsbedingungen abzustimmen und/oder den Öffnungs-

Anordnung

hub über eine entsprechende/ des Drehpunktes des

Kipphebels einzustellen.
Für Einsatzzwecke, bei denen ein Einspritzventil wechselnden Temperaturen ausgesetzt ist, beispielsweise als Einspritzventil für eine Brennkraftmasehine, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Ventilkammer auf der der Düsenbohrung gegenüberliegenden Seite mit einer einstellbar federbelasteten Membran abgeschlossen ist, daß die Düsennadel an der Membran befestigt ist, daß innerhalb der Ventilkammer, mindestens ein piezo-elektrischer Körper mit Abstand von den Kammerwänden, jedoch gegenüber diesen fest abgestützt angeordnet ist und daß die Flüssigkeitszuleitung von der Förderpumpe mit einem gegen die Förderrichtung schließenden Rückschlagventil versehen ist. Diese Ausbildung hat den Vorteils daß der bei piszo-elektrischen Körpern nicht definierte Temperaturausdehnungekoeffizient auf die Funktion der Düsennadel keinen Einfluß hat, da die an der Meinbrav befestigte Düsennadel nur über die Flüssigkeitefüllung der Ventilkammer mit den piezo-elektrischen Körpern, also hydraulisch, gekoppelt ist. Dig relativ langsam ablaufenden Volumenänderungen der piezoelektrischen Körper unter den Einfluß von Temperaturschwankungen führen daher nicht zu einer Betätigung der Düsennadel: Dagegen sind die unter dem Einfluß einer Spannung wirksam werdenden Volumenvergrößerungen: der pigzo-elektrischen Körper wesentlich größer und im Verhältnis zum Körper= volumen bei jeder Temperatur in etwa konstant. Hierdurch wird erreicht, daß die Düsennadel nur bei einem, durQ.h einen Spannungsstoß über die hydraulischeKopplung bewirkten Druckstoß anspricht: Die Anordnung eines Rückschlagventils gewährleistet, daß der Druckstoß nur zur Anhebung der Düsennadel. und zum Austreiben der Flüssigkeit aus der Ventilkammer durch Düse wirksam wird. Man erhält so ein, Einspritzventil, das vom Temperaturverhalten des verwendeten pigzo-elektrischen Körpers unabhängig ist.

Anhand von Ausführungsbeispielen, denen weitere Merkmale der Erfindung zu entnehmen sind, wird der Gegenstand der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen: , Fig. 1 ein Einspritzventil mit einer aus pi:ezoelektrischen Körpern gebildeten Säule, an der die Düsennadel unmittelbar befestigt ist,

Fig. 2 ein Einspritzventil mit mechanischer

Ankoppelung der Düsennadel an die piezo-

elektrischen Körper mit Hilfe eines Kipp-

hebels und einstellbarer Schließkraft,

Fig. 3 ein Einspritzventil im Querschnitt gemäß

der Linie III - III in Fig. 4, bei dem

die Düsennadel mit den piezo-elektrischen

Körpern hydraulisch gekoppelt ist,

Fig. 4 eine Aufsicht auf das Einspritzventil ge-

mäß Flg. 3.

Das in 21g. 1 schematisch dargesUlte Einspritzventil

weist eine rotationssymmetrisch ausgebildete Ventil-

kammer 1 auf, die an ihrem unteren finde mit einem

Düsenzapfen 2 versehen ist, der in eine Öf'f'nung des

Reaktionsraumes eingeschraubt wird Die lüsenbohrung 3

wird in Richtung der Düsenachse von eben her durch

eine Düsennadel 4 verschlossen. I)le Düsennadel ist an

einem Erde einer aus mehreren scheibenförmigen, pigzo-

elektri,schen Körpern 5 gebildeten Säule befestigt:

Das andere Ende der Säule ist sui einem Schraubzapfen 6

mit Gegenmutter 7 befestigt, der in Achsrichtung der

Düsenöff ung 3 in die Ventilkammer 1 eingeschraubt

wird.-Mit Hilfe dieses Gchraubzapfens wird die Düsen-

nadel- enjuat.ert uud durch die Gegenmutter 7 arretiert.

Die Pole der einzelnen pigzo-elektrischen Körper sind durch metallische Kontaktplatten 8 miteinander verbunden, und zwar so, daß jeweils zwei gleichnamzge Pole einander zugekehrt sind. Mt Kontaktplatten sind abwechselnd mit dem Pluspol und dem Negativpol der elektrischen Zuleitung verbunden und somit parallel an die Spannungsquelle angeschlossen. Der positive Pol 9 der Zuleitung ist an einen nicht dargestellten Spannungsgeber angeschlossen, der in der gewünschten Arbeitsfrequenz Spannungsimpulse abgibt. Per negative Pol 9' ist je nach An-Wendungsfall an die Masse angeschlossen :oder ebenfalls zum Spannungsgeber zurückgeführt. Über die Zuführungsöffnung 1() wird von einer kontinuierlich arbeitenden Förderpumpe die nspritzflüsszgkeit in die Ventilkammer gefördert. Die Förderpumpe ist so bemessen, daß der erzeugte Druck dem erforderlichen Einspritzdruck entspricht. Die piezo-elektrischen Körper sind nun so an den Spannungsgeber.angesehlosseng daß sich bei einem Spannungsimpuls die Säule verkürzt und- sich die Düsennadel ton der Düsenbohrung für die Dauer der Spannungsimpuls abhebt. Die Größe des Öffnungshubes der Düsennadel.richtet sich nach der Anzahl der Körper und der Spannung.

Zur Vereinfachung der-Einstellung der Düsennadel ist es zweckmäßig, diese mit einem axial einstellbaren, elastischen Zwischenstück 11 zu versehen. Tvlit Hilfe dieses Zwischenstückes kann außerdem in vorteilhafter Weise ein definierter Schließdruck eingestellt werden. Mit Hilfe der luiutter 111, die gleichzeitig die axiale Führung der Düsennadel übernimmt, kann die Vorspannung beispielsweise einer kleinen Schraubenfeder eingestellt werden. Der Schraubzapfen 6 wird dann soweit in die Ventilkammer gedreht, bis der Kopf 4' der Düsennadel gerade von der Mutter 111 abhebt, so daß das Ventil ohne Zeitverzug öffnet.
Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Einspritzventils. Bei dieser Ausbildungsform ist die Düsennadel .4 über einen, am Ventilkammergehäuse drehbar gelagerten Kipphebel 12 mit mehreren piezo-elektrischen Körpern 5 verbunden. Zur Erzeugung einer ausreichenden Schließkraft ist die Düsennadel in axialer Richtung mit einer einstellbaren Feder 13 belastet. Zur Einjustierung sind die piezo-elektrischen Körper ebenfalls in axialer Richtung mit Hilfe eines Schraubzapfens einstellbar an der Ventilkammer befestigt. Die piezo-elektrischen Körper sind bei dieser Ausbildungsform so an den Spannungsgeber angeschlossen, daß ein Spannungsimpuls eine Verlängerung der Säule bewirkt. Durch eine entsprechende Abstimmung der beiden Arme des Kipphebels 12 kann der Öffnungshub der Düsennadel und/ oder das Kraftverhältnis zwischen der Feder 13 und den piezo-elektrischen Körpern in vorteilhafter Weise berücksichtigt werden.
Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausbildungsform-des erfindungsgemäßen Einspritzventils. Dieses Einspritzventil ist für Einsatzzwecke vorgesehen, bei denen eine nicht definierte Längen-,bzw. Volumenänderung von piezo-elektrischen Körpern infolge von Temperaturveränderungen ausgeschaltet werden muB. Die Zeichnungen zeigen ein vereinfachtes, rotatiorisymmetrisch ausgebildetes Ausführungsbeispiel.
Das Gehäuse der Ventilkammer wird bei diesem AusfUhrungsbeispiel aus drei mit Spannschrauben verbundenen Gehäuseteilen 14, 1¢# und 15 gebildet. Hierbei ist der Gehäuseteil 14 mit einem Düsenzapfen 2 versehen, in dem eine Düsenbohrung 3 angebracht ist. Der Düsenzapfen ist mit einem Gewinde versehen und kann so in eine entsprechende Öffnung des Reaktionsraumes, beispielsweise eines Zylinders eines Diesel-Motors eingeschraubt werden. Zwischen den Gehäuseteilen 14 und 14' ist ein Träger- und Kontaktblech 16 eingeklemmt, das mit einer Mittenbohrung versehen ist und an dem mutig zu beiden Seiten je ein kreisringförmig ausgebildeter pi6zo-elektrischer Körper 17 und 18 elektrisch leitend befestigt ist. Die Ventilkammer ist so bemessen, daß zwischen den piezo-elektrischen Körpern und der Ventilkammerinnenwandung ein geringer Abstand verbleibt, so daß sich bei einer Volumenvergrößerung infolge eines Spannungsimpulses eine starke Druckspitze ergibt. Das Trägerblech 16 ist außerdem im Bereich des äußeren Zylinderumfanges der piözo-elektrischen Körper mit Durchtrittsbohrungen 19, beispielsweise für Dieselkraftstoff, versehen. Außerdem ist das Trägerblech 16 mit dem positiven Pol 20 der Spannungszuführung verbunden. Der negative Pol ist über die Schraube 21 an den Ventilkörper angeschlossen und über die Gehäuseteile 14 und 142 mit den dem Trägerblech 16 abgekehrten Seiten der piezo-elektrischen Körper verbunden.
Bei geringen Abständen und/oder niedriger Dielektrizitätskonstante der einzuspritzenden Flüssigkeit ist es zur Vermeidung von elektrischen Überschlägen zweckmäßig, die Ventilkammer inwendig mit einer Spannungsisolierung 22 ganz oder teilweise auszukleiden. Ebenso ist zur Vermeidung von Überschlägen das Trägerblech 16 im Bereich der Einspannung zwischen den Gehäuseteilen 14 und 141 zwischen zwei Isolierplatten 23, 24 eingespannt, die gleichzeitig Dichtungseigenschaften haben müssen.
Auf der der Düsenöffnung abgewandten Seite ist die Ventilkammer durch eine Membrane 25, die zwischen zwei Dichtungsplatten 26, 27 zwischen den Gehäuseteilen 14' und 15 eingeklemmt ist, abgeschlossen. An der Membran ist die Düsennadel 4 befestigt,, Über eine Schraubenfeder 28, die mit Hilfe eines Gewindebolzens 29 vorgespannt werden kann, wird die Membran 25 soweit belastet, daß nur bei einer Druckbeaufschlagung mit einem Mindestdruck die Düsennadel die Düsenbohrung freigibt.
Anstelle eines einfachen Rückschlagventils ist das dargestellte Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß mit einer Vorkammer mit druckeinstellbarem, selbsttätigen Absperrventil -:ersehen. Hierbei ist die Ventilkammer über eine Verbindungsleitung 30, in der zweckmäßigerweise eine Drosseleinrichtung 31 eingebaut ist, mit einer Vorkammer 32 verbunden. Die Vorkammer ist ähnlich wie die Ventilkammer durch eine, mittels Gewindebolzen und einer Schraubenfeder 33 einstellbar belasteten Membran 34 abgeschlossen. An der Membran ist ein Stift 35 befestigt, der durch die Vorkammer hindurch bis in die Eintrittsöffnung 36 reicht und im drucklosen Zustand eine federbelastete Kugel 37, die als Absperrventil wirkt, von der Eintrittsöffnung 36 abdrückt. Über die Membran 34 und die Feder 33 ist dieses Absperrventil druckeinstellbar, so daß mit Vorteil, unabhängig von der Größe des Fumpendruckes,beliebig kleinere Einspritzdrücke eingestellt werden können. Über eine Zuleitung 38 steht die Vorkammer mit einer kontinuierlich fördernden Pumpe, beispielsweise für Dieselkraftstoff, in Verbindung.
Diese Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Einspritzventils arbeitet folgendermaßen: Der Stift 35 drückt infolge der Federbelastung der Membran 34 die Kugel 37 nach unten und gibt so die Eintrittsöffnung 36 zur Vorkammer frei. Durch die Förderpumpe wird die Einspritzflüssigkeit, beispielsweise Dieselkraftstoff, in die Vorkammer und über die Verbindungsleitung 30 in die Ventilkammer gedrückt, bis der durch die Feder-33 eingestellte Druck erreicht ist. Bei Überschreiten des eingestellten Druckes biegt sich die Membran 34 nach oben durch, so daß die Eintrittsöffnung 36 zur Vorkammer durch die Kugel 37 verschlossen wird. Die Feder 28 über der Membran 25 der Ventilkammer ist härter eingestellt, so daß durch den mit Hilfe der Förderpumpe aufgebrachten Druck in der Vorkammer und der Ventilkammer sich die Düsennadel 4 nicht öffnet: Bei einem Spannungsimpuls' dehnen sich die beiden piezo-elektrischen Körper 17-und 18 plötzlich aus. Hierbei entsteht in der Ventilkammer ein Druckstoß, der über die Membrane 25 die Düsennadel 4 anhebt. Gleichzeitig wird infolge des Druckes in der,Ventilkammer eine der Öffnungszeit@und dem Druckgefälle entsprechende Flüssigkeitsmenge durch die Düse 3 in den Reaktionsraum singespritzt. Die Drosseleinrichtung. 31 in der Verbindungsleitung 30 zwischen Ventilkammer und Torkammer verhindert, daß sich gleichzeitig mit der Öffnung der Düse 3 die Kugel 37 von der Eintrittsöffnung 36 zur Vorkammer 32 abhebt und Flüssigkeit in die Förderleitung zur Pumpe zurückgedrückt wird.
Bei sehr hohen-Förderdrücken , d. h. wenn die Feder 28 sehr hart@eingestellt-sein muß, die erforderliche Schließkraft für die Düsennadel jedoch geringer sein kann, ist es-vorteilhaft, auch bei dieser Ausbildungsform des Einspritzventils die Düsennadel mit einem axial einsteilbaren, elastischen Zwischenstück-11 entsprechend Fig. 1 zu versehen. Hierbei mufl die Membrane 25 bzw. - der mit der Membrane festverbundene Teil der Düsennadel im Ruhezustand über einen Anschlag abgestützt sein. Auf diese Weise werden unzulässige Pres-, sungen auf der Schließfläche der Düsennadelspitze vermieden, da diese nur durch die Federkraft des elastischen Zwischenstücks belastet wird. Gleichzeitig wird durch diese Maßnahme mit Vorteil ein Knieken der Düsennadel bei. großen, durch. die Vorspannung der Feder 28 verursachten Kräften vermieden.
Bei der Anordnung von mehreren Einspritzventilen, beispielsweise an einem llüehrzylinder-Dieselmotor ist es unter Umständen zweckmäßig, für alle oder Gruppen von Einspritzventilen eine gemeinsame Vorkammer vorzusehen.

Für die Steuerung des erfindungsgemäßen Einspritzventils wird als einfachste Ausführungsform-gemäß der Erfindung vorgeschlagen, zwischen der Spannungsquelle und den pigzo-elektrischen Körpern des Einspritzventils einen mechanischen oder elektrisch betätigten Kontaktgeber anzuordnen. Insbesondere für die Verwendung' an Dieselmotoren ist es jedoch vorteilhaft' an Stelle einer Spannungsquelle mit mechanischem Kontaktgeber einen elektronisch gesteuerten Spe.nnungsgeber vorzusehen, über dessen Steuerung sowohl der Beginn und die Dauer der Ventilöffnung als auch die Öffnungscharakteristik beeinflußt werden. Hierdurch lassen sich in vorteil-

häiter''--gelse besondere Anforderungen an den Ein-

spritzvorgang, beispielsweise eine vorgegebene

Verteilung 4:er 3nspritzmenge über die Enspritz-

zet" durch eine entsprechende Steuerung des

Spannungsimpulses erreichen.

Claims

:P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Elektrisch steuerbares Einspritzventil mit Düsennadel, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (4) mit mindestens einem piezo-elektrischen Körper (5, 17, 18) hydraulisch oder mechanisch verbunden ist, der über Kabel an einen Spannungsgeber angeschlossen ist.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein mit der Düsennadel (4) verbundener piezo-elektrischer Körper (5, 17, 18) in einer, über Flüssigkeitszuleitungen mit einer kontinuierlich arbeitenden Förderpumpe verbundenen Ventilkammer (1) angeordnet ist.
3. Einspritzventil nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens einen piezo-elektrischen Körper (5), an dem in Achsrichtung an einem Ende die Düsennadel (4) fest angeordnet ist und dessen anderes Ende einstellbar mit der Ventilkammer (1) verbunden ist.
4. Einspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (4) ein axial einstellbares elastisches Zwischenstück (11) aufweist.
5. Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (4) über einen ,Kipphebel (12) mit mindestens einem piezo-elektrischen Körper (5) verbunden ist, der an der Ventilkammerwandung befestigt ist, und daß die Düsennadel (4) in: Achsrichtung einstellbar Federbelastet ist: 6. Einspritzventil nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (1) auf der der ,Düsenbohrung gegenüberliegenden Seite mit einer einstellbar federbelasteten Membran (25) abgeschlossen ist, daß die Düsennadel (4) an der Membran befestigt ist, daß innerhalb der Ventilkammer mindestens ein piezo-elektrischer Körper (17, 18) mit Abstand von den Kammerwänden, jedoch gegenüber diesen fest abgestützt, angeordnet ist und daß die Flüssigkeitszuleitung von der Förderpumpe mit einem gegen die Förderrichtung schließenden Rückschlagventil versehen ist. 7. Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Rückschlagventils zwischen der Ventilkammer und der Förderpumpe: eine Vorkammer (32) angeordnet ist, die ein druckeinstellbares, selbsttätiges Absperrventil (32, 34, 35, 37) zur Förderpumpe hin aufweist. B. Einspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen Ventilkammer (1) und Vorkammer (32) eine Drosseleinrichtung (31) angeordnet ist. 9. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer inwendig mit einer Spannungsisolierung (22) versehen ist. 10. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einspritzventile mit einer gemeinsamen Vorkammer verbunden sind. 11. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektrischen Zuleitung zwischen den piezo-elektrischen Körpern und der Spannungsquelle ein mechanisch oder elektrisch gesteuerter Kontaktgeber angeordnet ist. 12. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die piezo- elektrschen Körper mit einem elektronisch ge- steuerten Spannungsgeber verbunden sind, dessen Steuerung sowohl Beginn und Dauer der Ventil- öffnung als auch die Öffnungscharakteristik des Einspritzventils beeinflußt.