DE19548526A1 - Einspritzventil - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere zur Verwendung für mit
Common-Rail-Systemen ausgerüstete Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs.
Die Anforderungen nach vermindertem Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig vermindertem
Schadstoffgehalt im Abgas, die in den letzten Jahren zunehmend strenger wurden, können
nur mit fortschrittlichen Einspritzsystemen erfüllt werden.
Herkömmliche Einspritzventile für Ottomotoren (Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 21.
Auflage, Düsseldorf, VDI-Verlag, S. 439) weisen eine in einer mit unter Druck stehen
dem, abzuspritzendem Kraftstoff beaufschlagte Arbeitskammer auf, die mit einem Ventil
sitz ausgebildet ist, der von einem nach außen öffnenden Ventilglied durchdrungen ist,
das federnd in Schließrichtung vorgespannt ist. Erreicht der Druck in der Arbeitskammer
einen vorbestimmten Wert, so öffnet das Ventilglied, gelangt in Schwingungen und
spritzt kontinuierlich Kraftstoff ab. Die Steuerbarkeit solcher Einspritzventile ist
verhältnismäßig träge, da die Abspritzmenge lediglich von in der Arbeitskammer
herrschendem Druck hängt.
Bei nicht kontinuierlich abspritzenden Einspritzventilen liegt ein nach innen öffnendes
Ventilglied an einem Ventilsitz an. Das Ventilglied ist mit einem Magnetanker
verbunden, der bei Erregung einer Magnetwicklung von dieser angezogen wird und das
Ventil öffnet. Das Druckniveau, bis zu dem solche nicht kontinuierlich arbeitende
Einspritzventile verwendbar sind, reicht bis zu einigen 10 bar. Die Steuerbarkeit ist
wegen der Einflüsse von Induktion und Wirbelströmen verhältnismäßig träge.
Für Dieselmotoren werden Einspritzdüsen mit nach innen öffnendem Ventilglied einge
setzt, das bei Überschreiten eines bestimmten Arbeitsdrucks gegen die Kraft einer
Schließfeder öffnet. Solche Einspritzdüsen erfordern aufwendige
Druckversorgungssysteme, da die Einspritzdüsen vom pulsierenden Druck geöffnet
werden.
In neuerer Zeit werden sogenannte Common-Rail-Einspritzsysteme diskutiert
(Fortschrittsberichte zum 15. Wiener Motorensymprosium des VDI-Verlags, Reihe
12/Nr. 205 (1994), S. 36 bis 53). Unter dem Begriff "Common-rail" werden Systeme
zusammengefaßt, bei denen der Einspritzdruck von der Motordrehzahl und der
Einspritzmenge weitgehend unabhängig sein kann und die mit einem höheren mittleren
Einspritzdruck arbeiten (einige hundert bis über tausend bar). Ein wesentliches Merkmal
der Common-Rail-Systeme liegt in der Kopplung von Druckerzeugung und Einspritzung
mittels eines unter hohem Druck stehendem Speichervolumens, das sich aus dem
Volumen einer mit der Einspritzdüse eines Mehrzylindermotors verbundenen
gemeinsamen Hochdruckleitung (Common-Rail) sowie den Zuleitungen und den in den
Einspritzventilen selbst zur Verfügung stehenden Volumina zusammensetzt. Der
Einspritzvorgang wird durch ein in das Einspritzventil integriertes Magnetventil gesteuert.
Dazu weist das Einspritzventil ein mit einem Aktuatorkolben versehenes, nach innen
öffnendes Ventilglied auf, das im geschlossenen Zustand des Einspritzventils an einem
Sitz anliegt und stromoberhalb seines Sitzes einen mit der Hochdruckleitung des
Common-Rail-Systems verbundenen Düsenraum begrenzt. Ein Arbeitsraum des
Aktuatorkolbens ist über eine Zulaufleitung mit der Hochdruckleitung verbunden, wobei
die wirksame Fläche des Aktuatorkolbens größer ist als die im Düsenraum wirksame
Fläche des Ventilglieds. Vom Arbeitsraum führt eine Rücklaufleitung durch eine
Rücklauföffnung des Magnetventils. Das Einspritzventil ist in seinem Gesamtaufbau
verhältnismäßig kompliziert und ist, bedingt durch das elektromagnetische Ventil, nur
verhältnismäßig träge und insbesondere im Hub nur ungenau steuerbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in seinem Aufbau einfaches, präzise zu
steuerndes und für hohe Drucke geeignetes Einspritzventil zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Die für das erfindungsgemäße Einspritzventil eingesetzte mechanische
Wandlervorrichtung ist beispielsweise eine magnetostrektive oder eine piezoelektrische
Vorrichtung. Mit einem solchen elektromechanischen Wandler läßt sich das den Wandler
beaufschlagende elektrische Signal praktisch trägheitslos in eine mechanische Bewegung
umwandeln, die hinsichtlich Amplitude und zeitlichem Ablauf präzise steuerbar ist.
Solche elektromechanische Wandler entfalten außerordentlich hohe Kräfte, so daß das
von dem in der Arbeitskammer herrschenden Druck normalerweise in Schließstellung
gedrängte Ventilglied bei Aktivierung des elektromechanischen Wandlers sicher geöffnet
wird.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ein
spritzventils gerichtet.
Das erfindungsgemäße Einspritzventil ist sowohl für Ottomotoren als auch für
Dieselmotoren geeignet. Die Abspritzmenge ist mit Hilfe der Ansteuerung des
elektromechanischen Wandlers annähernd proportional zum in der Arbeitskammer
herrschenden Druck einstellbar. Der Einspritzzeitpunkt ist, ebenfalls durch Ansteuerung
des elektromechanischen Wandlers präzise vorgebbar, wobei je Arbeitstakt eine oder
mehrere Einspritzungen möglich sind. Das Einspritzventil kann für Ottomotoren und für
Dieselmotoren verwendet werden und ist für Drucke von einigen bar bis über 1000 bar
geeignet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und
mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 ein Hydraulikschema des erfindungsgemäßen Einspritzventils,
Fig. 2 eine Gesamtschnittansicht des Einspritzventils und
Fig. 3 ein Ausschnitt des Einspritzventils gemäß Fig. 2.
Gemäß Fig. 1 weist ein Einspritzventil innerhalb eines Gehäuses 2 eine Arbeitskammer 4
auf, die über eine Zuleitung 6 mit unter Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt ist.
Durch die Arbeitskammer 4 hindurch ragt ein Ventilkörper 8, der in einem kegelig bzw.
konisch ausgebildeten Ventilglied 10 endet, das von außen an einem in einer Abspritzöff
nung der Arbeitskammer 4 ausgebildeten Ventilsitz 12 anliegt.
Zu seinem vom Ventilglied 10 abgewandten Ende hin ist der Ventilkörper 8 mit größer
werdendem Durchmesser ausgebildet und endet in einem Aktuatorkolben 14, der eine
Gehäuseöffnung unter Abdichtung durchdringt. Die von dem Kraftstoff in der Arbeits
kammer 4 beaufschlagte Fläche des Aktuatorkolbens 14 ist größer als die von dem Kraft
stoff beaufschlagte Fläche des Ventilgliedes 10 (Durchmesser D gemäß Fig. 1 größer als
Durchmesser d).
Der Ventilkörper 8 wird von einer Feder 16 in Schließstellung des durch das Ventilglied
10 und den Ventilsitz 12 gebildeten Ventils gedrängt. Zur Betätigung des Ventilkörpers 8
in Öffnungsrichtung (Doppelpfeil gemäß Fig. 1) ist ein Piezoaktuator 18 vorgesehen.
Da nicht unmittelbar zur Erfindung gehörig sind das Druckversorgungssystem, aus dem
der unter Druck stehende Kraftstoff der Arbeitskammer 4 zugeführt wird, sowie ein
elektronisches Steuergerät für den Piezoaktuator 16 nicht dargestellt.
Die Funktion der anhand der Fig. 1 beschriebenen Anordnung ist folgende:
Der in der Arbeitskammer 4 herrschende Kraftstoffdruck drängt den Ventilkörper 8 in Schließstellung. Bei Aktivierung des Piezoaktuators 18 durch Anlegen einer elektrischen Spannung drängt der Piezoaktuator 18 den Ventilkörper 8 gemäß Fig. 1 nach unten, wodurch sich unter zusätzlicher Überwindung der Kraft der Feder 16 das Ventil öffnet. Durch zweckentsprechende Ansteuerung des Piezoaktuators 18 können der Öffnungszeitpunkt, die Öffnungszeitdauer und der Öffnungshub weitgehend frei bestimmt werden. Bei Beendigung der Erregung des Piezoaktuators 18 drängt der weiterhin in der Arbeitskammer 4 herrschende Druck den Ventilkörper 8 zurück in Schließstellung, wobei diese Bewegung in Schließstellung durch die optional vorhandene Feder 16 zusätzlich unterstützt wird.
Der in der Arbeitskammer 4 herrschende Kraftstoffdruck drängt den Ventilkörper 8 in Schließstellung. Bei Aktivierung des Piezoaktuators 18 durch Anlegen einer elektrischen Spannung drängt der Piezoaktuator 18 den Ventilkörper 8 gemäß Fig. 1 nach unten, wodurch sich unter zusätzlicher Überwindung der Kraft der Feder 16 das Ventil öffnet. Durch zweckentsprechende Ansteuerung des Piezoaktuators 18 können der Öffnungszeitpunkt, die Öffnungszeitdauer und der Öffnungshub weitgehend frei bestimmt werden. Bei Beendigung der Erregung des Piezoaktuators 18 drängt der weiterhin in der Arbeitskammer 4 herrschende Druck den Ventilkörper 8 zurück in Schließstellung, wobei diese Bewegung in Schließstellung durch die optional vorhandene Feder 16 zusätzlich unterstützt wird.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das gesamte Einspritzventil.
Das Gehäuse 2 ist bei 20 mit einem weiteren Gehäuseteil 22 verschraubt, der den
Piezoaktuator 18 aufnimmt und eine in die Zuleitung 6 mündende Anschlußleitung 24
aufweist. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet einen Kabelkanal 26, dessen Funktion anhand
der Fig. 3 im folgenden erläutert wird.
In eine zentrale Durchgangsöffnung des Gehäuseteils 22 ist der Piezoaktuator 18
eingesetzt und mittels eines eingeschraubten Druckstössels 26 mechanisch vorgespannt.
Nicht dargestellt sind elektrische Anschlüsse für den Piezoaktuator 18.
Fig. 3 zeigt den in Fig. 2 strichpunktiert umrahmten Ausschnitt in vergrößertem
Maßstab.
Danach weist das Gehäuse 2 ein Gewinde 28 auf, mit dem das gesamte Einspritzventil in
den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine einschraubbar ist. Das Gehäuse 2 weist eine
abgestufte Durchgangsbohrung auf, in die ein Rohrbauteil 30 unter Passung eingesetzt ist,
an dessen unterem Ende der Ventilsitz 12 (Fig. 1) ausgebildet ist. In das Rohrbauteil 30
wird von unten ein mit dem Ventilglied 10 (Fig. 1) ausgebildeter Ventilschaft 32 einge
schoben, der an seinem oberen Ende mit einem Aktuatorkolben 34 verschraubt ist. Zur
Sicherung des Aktuatorkolbens 34 am Ventilschaft 32 dienen seitliche Gewindelöcher 36,
in die Stiftschrauben einschraubbar sind.
Vor dem Verschrauben des Aktuatorkolbens 34 mit dem Ventilschaft 32, die beide den
Ventilkörper 8 (Fig. 1) bilden, werden in das Gehäuse ein Dichtring 38, die Schraubenfe
der 16 und ein Anschlagring 40 eingebracht. Auf den Aktuatorkolben 34 wird dann ein
unter Passung im Gehäuse 2 aufgenommenes Führungsteil 42 aufgeschoben, in welchem
der Aktuatorkolben 34 geführt ist.
Die Arbeitskammer gemäß Fig. 4 ist innerhalb des Führungsteils 42 unterhalb des
Aktuatorkolbens 34 und in dem Zwischenraum zwischen dem Ventilschaft 32 und in dem
Zwischenraum zwischen dem Ventilschaft 32 und dem Rohrbauteil 30 ausgebildet. Zum
Anschluß der Arbeitskammer 4 an unter Druck stehendem Kraftstoff dient die Zuleitung
6, die in die Anschlußleitung 24 übergeht.
Der Aktuatorkolben 34 ist mittels eines Dichtrings 44 gegen das Führungsteil 42
abgedichtet. Zur Betätigung des Aktuatorkolbens 44 ist im Gehäuseteil 22 ein Stössel 46
mit insgesamt T-förmigem Querschnitt vorgesehen, der sich über eine Feder 48 an dem
Führungsteil 42 abstützt. Die Feder 48 dient zur Vorspannung des in dem Gehäuseteil 22
aufgenommenen Piezoaktuators 18. Solche Piezoaktuatoren sind an sich bekannt und sind
aufgebaut wie Kondensatoren, deren Dielektrikum aus piezoelektrischem Material, bei
spielsweise Blei-zirkonat-titanat-keramik besteht. Moderne Aktuatoren arbeiten mit
Feldstärken bis zu 2000 V/mm und erreichen relative Längenänderungen von bis zu 1,5
Promille. Im dargestellten Beispiel läßt sich mit einer Länge des Piezoaktuators 18 von
etwa 100 mm somit ein definierter Hub von über 0,1 mm erzielen, was für eine analoge
Veränderung des Öffnungsquerschnitts des Ventils in Abhängigkeit von der an dem
Piezoaktuator liegenden Spannung vollständig ausreicht.
Durch den Kabelkanal 25 ist eine elektrische Leitung 50 geführt, mittels der ein in dem
Führungsteil 42 dem Aktuatorkolben 34 benachbarter Sensor 52 elektrisch angeschlossen
ist, der den Hub des Aktuatorkolbens 34 und damit die Öffnung des durch die Bauteile 10
und 12 gebildeten Ventils erfaßt. Ein solcher Sensor, der kapazitiv, induktiv, rein mecha
nisch oder optisch arbeiten kann, ist in seinem Aufbau insgesamt bekannt und wird daher
nicht im einzelnen beschrieben.
Bei Anlegen einer Spannung an den Piezoaktuator 18 dehnt sich dieser aus, daß der
Stössel 46 unter Überwindung der Kraft der Feder 48 in Anlage an den Aktuatorkolben
34 kommt und das Ventil öffnet. Bei Beendigung der Spannungsbeaufschlagung des
Piezoaktuators schließt das Ventil. Es versteht sich, daß die Bewegung des Ventils nur
begrenzt erfolgen kann, indem beispielsweise der Dichtungsring 38 und/oder ein anderes
Anschlagteil geeignet ausgebildet werden.
Claims (7)
1. Einspritzventil, insbesondere zur Verwendung für mit Common-Rail-Systemen
ausgerüsteten Brennkraftmaschinen, mit
einem hin und her beweglichen Ventilkörper (8), der eine mit unter Druck stehendem, abzuspritzendem Kraftstoff beaufschlagten Arbeitskammer (4) durchdringt, an einem Ende mit einem Ventilglied (10) zur dichtenden Anlage an einem Ventilsitz (12) ausgebildet ist und am anderen Ende einen die Wand der Arbeitskammer durchdringenden Aktuatorkolben (14) aufweist,
wobei die wirksame, dem Druck in der Arbeitskammer ausgesetzte Fläche des Aktuatorkolbens größer ist als die wirksame Fläche des Ventilgliedes, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventilglied (10) den Ventilsitz (12) durchdringt und von außen her an diesem anliegt, so daß das Ventilglied durch den Druck in der Arbeitskammer in Anlage an den Ventilsitz gedrängt wird, und
daß zum Öffnen des Ventils (10, 12) eine elektromechanische Wandlervorrichtung (18) vorgesehen ist, die im aktivierten Zustand den Ventilkörper (8) in eine Richtung bewegt, in der sich das Ventilglied vom Ventilsitz abhebt.
einem hin und her beweglichen Ventilkörper (8), der eine mit unter Druck stehendem, abzuspritzendem Kraftstoff beaufschlagten Arbeitskammer (4) durchdringt, an einem Ende mit einem Ventilglied (10) zur dichtenden Anlage an einem Ventilsitz (12) ausgebildet ist und am anderen Ende einen die Wand der Arbeitskammer durchdringenden Aktuatorkolben (14) aufweist,
wobei die wirksame, dem Druck in der Arbeitskammer ausgesetzte Fläche des Aktuatorkolbens größer ist als die wirksame Fläche des Ventilgliedes, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventilglied (10) den Ventilsitz (12) durchdringt und von außen her an diesem anliegt, so daß das Ventilglied durch den Druck in der Arbeitskammer in Anlage an den Ventilsitz gedrängt wird, und
daß zum Öffnen des Ventils (10, 12) eine elektromechanische Wandlervorrichtung (18) vorgesehen ist, die im aktivierten Zustand den Ventilkörper (8) in eine Richtung bewegt, in der sich das Ventilglied vom Ventilsitz abhebt.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektromechanische Wandlervorrichtung ein Piezoaktuator (18) ist.
3. Einspritzventil nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Piezoaktuator stabförmig ist, mit mechanischer Vorspannung in das Gehäuse
(2, 22) des Einspritzventils eingebaut ist und den Ventilkörper (8) über einen Stössel (46)
unter Zwischenanordnung einer Dichtung (44) betätigt.
4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Feder (16) vorgesehen ist, die den Ventilkörper (8) in Schließrichtung des
Ventils (10, 12) drängt.
5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventilglied (10) in Form eines Kegels mit kreisförmigen Querschnitt
ausgebildet ist.
6. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Aktuatorkolben (14) mit einem Schaft (32) des Ventilkörpers (8) verschraubt
ist.
7. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Sensor (52) vorgesehen ist, der die Stellung des Ventilkörpers (8) erfaßt.
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Country | Link |
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DE (1) | DE19548526A1 (de) |
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