DE19519191A1 - Einspritzventil - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil nach dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Einspritzventil ist beispielsweise durch die EP-A
0 531 533 bekannt. Diese Veröffentlichung behandelt eine
Dieseleinspritzeinrichtung mit einem Hochdrucksystem (Common-
Rail-System) bei dem der Kraftstoff einem Hochdruckspeicher
über eine Hochdruckpumpe zugeführt wird. Dieser unter hohem
Druck stehende Kraftstoff wird dann entsprechend einer Steue
rung den einzelnen Zylindern eines Dieselmotors über Ein
spritzventile zugeführt. Dabei werden die Einspritzventile
jeweils über ein Magnetventil angesteuert, um beispielsweise
auch individuelle Einspritzzeiten zu ermöglichen.
Um insbesondere Einspritzventile zu erhalten, mit denen auch
eine Voreinspritzung möglich ist, um damit Verbrauch, Abgas
werte, Geräusch usw. zu verbessern, sollen die Einspritzven
tile bei hohen Einspritzdrücken schnell schaltbar sein. Bei
hohen Speicherdrücken ist bei Verwendung eines Magnetventils
eine Voreinspritzung schwer möglich, da die Schaltzeiten des
Magnetventils zu lang sind und der volle Hub des Ventils
durchlaufen werden muß, damit reproduzierbare Bedingungen,
beispielsweise die Einspritzmenge, erreicht werden. Außerdem
ist die Formung der Einspritzrate, d. h. langsames Öffnen,
jedoch schnellstes Schließen der Düsennadel, wobei die For
mung der Einspritzrate gemäß einem Kennfeld vorgenommen
werden kann, kaum möglich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einspritzven
til bereitzustellen, das äußerst schnell schaltbar ist.
Diese Aufgabe wird durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vor
teilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekenn
zeichnet.
Da die Düsennadel durch den Piezoaktuator praktisch direkt
betätigt wird, wird eine schnellstmögliche Betätigung der
Düsennadel erzielt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Abbildung näher
erläutert.
Die Abbildung zeigt ein Einspritzventil im Schnitt.
Das in der Abbildung gezeigte Einspritzventil besteht aus
einem langgestreckten Gehäuse 5, auf dessen unteren Ende eine
Überwurfmutter 3 aufgeschraubt ist. Mit dieser Überwurfmutter
3 wird vom unteren Ende des Gehäuses 5 aus eine Zwischen
scheibe 4 und ein Düsenkörper 1, in welchem eine Düsennadel 2
geführt ist, gehalten. Die Zwischenscheibe 4 und der Düsen
körper 1 weisen eine Mittelbohrung auf, in der die Düsennadel
2 in axialer Richtung verschiebbar geführt ist. Im Gehäuse 5
ist in axialer Richtung ein abgestufter Stößel 7 geführt, der
an einem Ende an der Düsennadel 2 anliegt und am anderen Ende
mit einem Sekundärkolben 14 der piezoelektrischen Antriebs
einrichtung verbunden ist. Im Bereich der Abstufung des
Stößels 7 ist ein erster Druckraum 8 vorgesehen, der über
eine Zulaufbohrung 9 mit einem Kraftstoff-Zulaufanschluß 10
verbunden ist. Dieser Hochdruck-Zulaufanschluß 10 ist außer
dem über eine Zulaufbohrung 6 mit einem zweiten Druckraum 11
verbunden, in dessen Bereich die Düsennadel 2 abgestuft ist,
wodurch eine Steuerfläche zur Steuerung der Düsennadel 2
gebildet wird.
Wie oben beschrieben steht der Stößel 7 mit einem Sekundär
kolben 14 in Verbindung, der in einem Primärkolben geführt
ist. Auf den Primärkolben wirkt ein Piezoaktuator 20 ein, der
in einem Verschluß 21 gelagert ist und gegenüber dem Aktua
torgehäuse 12 mittels eines O-Ringes 22 abgedichtet ist. In
axialer Richtung ist der Verschluß 21 mittels eines Siche
rungsringes 24 gesichert. Elektrische Anschlüsse 23 sind zum
Aktuator 20 geführt.
Der Piezoaktuator 20 wirkt über den Primärkolben 19 auf eine
Tellerfeder 13. Weiter ist in der Ausnehmung des Sekundärkol
bens eine Feder 15 vorgesehen, die auf eine Innenfläche des
Primärkolbens 19 drückt.
Das Einspritzventil weist außerdem mehrere unter Niederdruck
stehende Bohrungen bzw. Räume auf. So befindet sich ein Raum
16 im Bereich zwischen dem Stößel 7 und einem Ende der Düsen
nadel 2. Dieser Raum 16 steht über eine Leckagebohrung 27 und
29 mit einem Rücklauf 25 in Verbindung. Der Piezoaktuator 20
ist in einem Leckageraum 26 angeordnet, der ebenfalls in den
Rücklauf mündet. Dieser Raum 26 steht weiter über eine Entla
stungsbohrung 18 mit einem Raum 17 in Verbindung, in welchem
die Feder 15 angeordnet ist. Der Arbeitsraum 28 im Bereich
der Tellerfeder 13 ist immer satt mit Kraftstoff gefüllt, der
aufgrund des Spiels zwischen dem oberen Bereich des Stößels 7
und dem Gehäuse 5 in diesen Raum eindringt.
Die wirksamen Flächen für den Druck sind bei geschlossener
Düse so ausgelegt, daß die Ringfläche am Stößel 7 etwas
kleiner ist als die Ringfläche an der Druckschulter der
Düsennadel 2. Es verbleibt daher auch bei geschlossener
Düsennadel 2 immer eine resultierende Druckkraft, die nach
oben wirkt, aber so ist, daß sie von der Federkraft der Feder
15 übertroffen wird, wodurch die Düsennadel 2 sicher auf
ihren Sitz gedrückt wird. In dieser Stellung erfolgt keine
Einspritzung. Die genannten wirksamen Durchmesser des Stößels
7 und der Düsennadel 2 werden jedoch so ausgelegt, daß die
Feder 15 auf vertretbare, möglichst kleine Kräfte ausgelegt
werden kann. Die Federkraft muß jedoch so groß sein, daß die
Düsennadel 2 bei Ende der Einspritzung schnell genug auf den
Sitz gedrückt werden kann. Dabei ist zu berücksichtigen, daß
sie während der Einspritzung der Düsensitzfläche nach oben
wirkt. Ein schneller Schließvorgang der Düsennadel wirkt sich
günstig auf die Abgaswerte der Brennkraftmaschine aus.
Ein Piezoaktuator bietet die Möglichkeit, schnellere Schalt
vorgänge als ein Elektromagnet zu realisieren. Problematisch
sind jedoch die kleinen Wege, die ein Piezoaktuator macht und
deshalb übersetzt werden müssen.
Die Funktionsweise des Piezoaktuators auf die Einspritzdüse
ist folgende:
Der Stößel 7 zum Gehäuse 5 und der Sekundärkolben 14 zum Primärkolben 19 sowie der Primärkolben 19 zum Aktuatorgehäuse 12 sind zueinander mit Passungen gepaart. Die Passungen stellen jedoch nur eine Spaltdichtung dar, so daß eine kleine Menge Kraftstoff ständig vom Zulauf 10 durch den Druckraum 8 am Stößel 7 entlang lecken kann. Der eine Leckageanteil geht in Richtung Düsennadel 2 und muß über die Leckagebohrungen 29 und 27 dem Rücklauf zugeführt werden. Der andere Leckagean teil gelangt in den Arbeitsraum 28 und hält diesen befüllt. Überschüssig durchströmter Leckagekraftstoff gelangt am Sekundärkolben 14 entlang über die Entlastungsbohrung 18 in den Leckageraum 26 und von dort zum Rücklauf 25. Der Arbeits raum 28 ist somit immer satt mit Kraftstoff gefüllt. Die Tellerfeder 13 drückt den Primärkolben 19 mit einer definier ten Vorspannkraft gegen den Piezoaktuator 20 spiel frei in die Ausgangsstellung. In der Ausgangsstellung (Ruhestellung) wird der Stößel 7 von der Feder 15 über den Sekundärkolben 14 nach unten gedrückt (keine Einspritzung in diesem Zustand). Bei Bestromen des Piezoaktuators 20 dehnt sich dieser nach unten aus und bewegt den Primärkolben 19 gegen die Kraft der Tel lerfeder 13 ebenfalls nach unten. Das Flüssigkeitsvolumen im Arbeitsraum 28 wird verdrängt und führt den Sekundärkolben 14 mit dem Stößel nach oben, wodurch die Düsennadel 2 aufgrund der resultierenden Druckkraft nach oben bewegt wird. Hier durch wird der Einspritzbeginn ausgelöst.
Der Stößel 7 zum Gehäuse 5 und der Sekundärkolben 14 zum Primärkolben 19 sowie der Primärkolben 19 zum Aktuatorgehäuse 12 sind zueinander mit Passungen gepaart. Die Passungen stellen jedoch nur eine Spaltdichtung dar, so daß eine kleine Menge Kraftstoff ständig vom Zulauf 10 durch den Druckraum 8 am Stößel 7 entlang lecken kann. Der eine Leckageanteil geht in Richtung Düsennadel 2 und muß über die Leckagebohrungen 29 und 27 dem Rücklauf zugeführt werden. Der andere Leckagean teil gelangt in den Arbeitsraum 28 und hält diesen befüllt. Überschüssig durchströmter Leckagekraftstoff gelangt am Sekundärkolben 14 entlang über die Entlastungsbohrung 18 in den Leckageraum 26 und von dort zum Rücklauf 25. Der Arbeits raum 28 ist somit immer satt mit Kraftstoff gefüllt. Die Tellerfeder 13 drückt den Primärkolben 19 mit einer definier ten Vorspannkraft gegen den Piezoaktuator 20 spiel frei in die Ausgangsstellung. In der Ausgangsstellung (Ruhestellung) wird der Stößel 7 von der Feder 15 über den Sekundärkolben 14 nach unten gedrückt (keine Einspritzung in diesem Zustand). Bei Bestromen des Piezoaktuators 20 dehnt sich dieser nach unten aus und bewegt den Primärkolben 19 gegen die Kraft der Tel lerfeder 13 ebenfalls nach unten. Das Flüssigkeitsvolumen im Arbeitsraum 28 wird verdrängt und führt den Sekundärkolben 14 mit dem Stößel nach oben, wodurch die Düsennadel 2 aufgrund der resultierenden Druckkraft nach oben bewegt wird. Hier durch wird der Einspritzbeginn ausgelöst.
Diese Konstruktion des Piezoaktuators mit den beiden Kolben
gewährleistet, daß der Stößel 7 und damit die Düsennadel 2
immer aus einer definierten Ausgangslage bewegt werden. Für
die Bewegung der Düsennadel 2 ist allein die Dynamik des
Sekundärkolbens 14 mit dem Stößel 7 maßgebend und nicht die
Dynamik einer Hydraulik wie bei bekannten Systemen mit Venti
len. Alle Wärmedehnungen sind kompensiert. Der Arbeitsraum
ist immer satt gefüllt. Der Piezoaktuator ist praktisch immer
auf die gleiche Vorspannkraft gespannt.
Der Rücklauf 25 ist auf Niederdruck entlastet. Als Piezoak
tuator werden Piezostacks favorisiert, die einen Betrieb mit
relativ kleinen Spannungen auch im Fahrzeug erleichtern.
Claims (8)
1. Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzsysteme, mit:
- - einer in einem Ventilgehäuse (1) angeordneten Düsennadel (2), die zumindest eine Einspritzöffnung des Einspritzventils öffnen und schließen kann,
- - einem Kraftstoffzulauf (10), der über jeweils einen Druck raum (8, 16) mit zwei unterschiedlich großen Steuerflächen der Düsennadel (2) und eines die Düsennadel (29) antreibenden Stößels (7) hydraulisch in Verbindung steht,
- - einer piezoelektrischen Ansteuereinrichtung, die über einen Primär- und Sekundärkolben (14, 19) hydraulisch über setzt ist und die die Düsennadel (2) steuert,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Düsennadel (2) über den Stößel (7) durch den Sekundär kolben (14) direkt steuerbar ist, der durch den Primärkolben (19) der Piezoansteuereinrichtung antreibbar ist.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sekundärkolben (14) fest mit dem Stößel
(7) verbunden ist und gegenüber dem Primärkolben (19) über
eine Feder (15) vorgespannt ist.
3. Einspritzventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Feder (15) den Sekundärkolben
(14) in Richtung auf die Düsennadel (2) vorspannt.
4. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuerflächen durch Ringflächen gebil
det sind und die eine Ringfläche des Stößels (7) etwas klei
ner als die andere Ringfläche an der Druckschulter der Düsen
nadel (2) ist, so daß immer eine resultierende Kraft in
Richtung auf die Antriebsvorrichtung verbleibt.
5. Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die resultierende Kraft kleiner ist als die
Kraft der Feder (15), so daß die Düsennadel (2) bei inaktiver
Ansteuereinrichtung auf ihren Sitz gedrückt wird.
6. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der zwischen Primärkolben (19) und Sekun
därkolben (14) gebildete Arbeitsraum (28) über einen Leckage
strom des Einspritzventils immer gefüllt ist.
7. Einspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen Stößel (7) und dem Gehäuse (5)
sowie zwischen Primärkolben (19) und Sekundärkolben (14)
sowie zwischen Primärkolben (19) und Gehäuse (12) Spalte
vorgesehen sind, die so ausgelegt sind, daß dazwischen je
weils eine geringe Leckage stattfindet, so daß der Arbeits
raum (28) immer mit Flüssigkeit gefüllt ist, und daß bei
Wärmedehnungen der Piezoaktuator eine spielausgeglichene, mit
Druckspannung vorgespannte und eindeutig definierte Ausgangs
lage vor dem Anschalten einer elektrischen Spannung hat.
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