DE19844837A1

DE19844837A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19844837A1
Application number: DE1998144837
Authority: DE
Inventors: Katsuoki Itoh
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: DE19844837B4

Abstract

Ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Ventilkörper axial verschiebbar geführten Ventilglied, das mit einer an seinem brennraumseitigen Ende vorgesehenen Dichtfläche eine Einspritzöffnung am Ventilkörper auf- und zusteuert und mit einem piezoelektrischen Stellglied, dessen unter der Wirkung einer Steuerspannung längenveränderlicher Piezostack zur Betätigung des Ventilgliedes an dessen Brennraum abgewandten Ende angekoppelt ist, sowie mit einer das Ventilglied in Schließrichtung beaufschlagenden Ventilfeder, wobei eine Klemmvorrichtung am piezoelektrischen Stellglied vorgesehen ist, die das dem Ventilglied abgewandte Ende des Piezostacks während der Einspritzphase des Kraftstoffeinspritzventils in seiner axialen Lage fixiert und einen axialen Spielausgleich am Piezostack während einer Einspritzpause ermöglicht, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung ein das piezoelektrische Stellglied umschließender, ansteuerbar betätigbarer Hebel ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung der Patentansprüche 1 und 4.

Derartige Kraftstoffeinspritzventile gehen beispielsweise aus der DE 195 31 652 A1 hervor. Die Klemmvorrichtung ist hierbei ein den Schaft des Piezostacks umgebender Klemmring aus piezoelektrischem Material, dessen Innendurchmesser sich bei dem Beaufschlagen mit einer Betriebsspannung verringert, wodurch der Schaft des Piezostacks festgeklemmt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß neben derartigen Piezostellringen auch andere ansteuerbare Klemmvorrichtungen einsetzbar sind.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Ausbildung der Klemmvorrichtung als ein das piezoelektrische Stellglied umschließendes, ansteuerbar betätigbarer Hebel ist auf technisch besonders einfach zu realisierende Weise eine verschleißfeste und temperaturbeständige Klemmvorrichtung möglich, die auch sehr schnell betätigbar ist.

Der Hebel kann auf die unterschiedlichste Weise betätigt werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Hebel durch ein elektrisch ansteuerbares Piezo- Stellelement betätigbar ist.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Hebel durch einen elektrisch ansteuerbaren Magneten betätigbar ist.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Durch die im Winkel zur Ventilgliedachse stehenden Klemmelemente mit in Schließrichtung des Ventils degressivem und in Öffnungsrichtung des Ventils progressivem Kraftverlauf wird ebenfalls auf einfache Weise ein axialer Spielausgleich am Piezostack während der Einspritzpause und eine Lagefixierung während der Einspritzphase des Kraftstoffeinspritzventils auf einfach zu realisierende Weise ermöglicht.

Vorzugsweise sind die Reiboberflächen des Hebels und der Klemmelemente und/oder des Piezostacks im Bereich des Hebels oder der Klemmelemente mit einer verschleißfesten, temperaturbeständigen und nichtfressenden Reiboberfläche versehen.

Die Reiboberflächen können PVD(physical vapor deposi tion)- und/oder CVD(chemical vapor deposition)-Schichten umfassen.

Sie können ferner mit Festschmierstoffen vorzugsweise Graphit oder Molybdänsulfid versehen sein.

Zeichnung

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der folgenden Beschrei bung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch geschnitten eine als Hebel ausge bildete Klemmvorrichtung eines von der Erfin dung Gebrauch machenden Kraftstoffeinspritz ventils;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines weiteren Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, nach innen öffnenden Einspritzventils;

Fig. 3 ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel eines von der Erfindung Gebrauch machenden, nach außen öffnenden Einspritzventils und

Fig. 4 schematisch den Verlauf der Reibkraft über dem Reibwert der Klemmelemente, die bei den in Fig. 2 und 3 dargestellten Einspritzventilen vorgesehen sind;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzventils.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein aus dem Stand der Technik bekanntes und in der DE 195 31 652 A1 , auf die vorliegend Bezug genommen wird, beschriebenes Kraftstoffeinspritzventil, dargestellt in einem Längsschnitt in Fig. 5, weist einen Ventilkörper 1 auf, der mittels einer Spannmutter 3 axial gegen einen Ventilhaltekörper 5 verspannt ist und der mit seinem freien, im Querschnitt verringerten Ende in den Brenn raum der mit Kraftstoff zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. In einer Bohrung 7 des Ventilkörpers 1 ist in bekannter Weise ein kolbenförmiges Ventilglied 9 axial verschieblich geführt, das mit seiner brennraumseitigen kegelförmigen Stirnfläche eine Ventildichtfläche 11 bildet, die mit einer entsprechenden hohlkegelförmig ausgebildeten Ventilsitzfläche 13 am brennraumseitigen geschlossenen Ende der Bohrung 7 zusammenwirkt. An die Ventilsitzfläche 13 schließt sich stromabwärts des einzuspritzenden Kraftstoffes eine von der Bohrung 7 abführende Eintrittsöffnung 15 in der Wand des Ventilkörpers 1 an.

Der Ventilkörper 1 weist ferner eine durch eine Quer schnittserweiterung der Bohrung 7 gebildete Ring- oder Druckkammer 17 auf, in der ein den Ventilkörper 1 und den Ventilhaltekörper 5 durchlaufender Zulaufkanal 19 mündet, der über einen Hochdruckanschluß 21 in nicht näher dargestellter Weise mit einer, von einer Kraftstoffhochdruckpumpe abführenden Einspritzleitung verbunden ist.

Zur Betätigung des durch seine Querschnittsgeometrie druckausgeglichenen Ventilgliedes 9 ist ein piezoelek trisches Stellglied im Ventilhaltekörper 5 vorgesehen, das als kolbenförmiger Piezostack 23 ausgeführt ist, der z. B. aus einer Vielzahl von axial aneinandergereihten Scheiben gebildet sein kann und dessen axiale Länge sich beim Anlegen einer Betriebsspannung vergrößert.

An seinem dem Ventilkörper 1 zugewandten Ende ist der Piezostack 23 fest mit dem Ventilglied 9 verbunden. An seinem anderen Ende ist ein Ausgleichskolben 29 vor gesehen, der im Durchschnitt gegenüber dem Piezostack 23 verringert ist, wobei das eine Ende in axialer Ver längerung an der Stirnfläche 33 des Piezostacks 23 anliegt und das freie Ende in einen Ausgleichsraum 31 hineinragt. Das ventilgliedabgewandte Ende des Pie zostacks 23 begrenzt einen, vom Ausgleichkolben 23 durchragten Federraum 25, in dem eine als Druckfeder wirkende Ventilfeder 27 vorgesehen ist, die zwischen der Stirnfläche 33 des Piezostacks 23 und einer Wand der Federkammer eingespannt ist und die das Ventilglied 9 über den Piezostack 23 in Schließrichtung beaufschlagt.

Die Betätigung des Piezostacks 23 erfolgt über elek trische Zuführungsleitungen 35, über die der Piezostack 23 mit einer Betriebsspannung beaufschlagt ist, wobei die Steuerung der Stromzufuhr über ein nicht dargestelltes elektronisches Steuergerät erfolgen kann.

Für eine genau definierte axiale Verstellbewegung des Piezostacks 23 und somit eine präzise Öffnungshubbewegung des Ventilsglieds 9 ist am oberen, dem Ventilglied 9 abgewandten Ende des Piezostacks 23 eine Klemmvorrichtung 37 angeordnet, durch die der Piezostack 23 während der Einspritzphase an seinem oberen Ende gegenüber dem Ventilhaltekörper 5 in seiner Lage fixierbar ist. Dabei wird die Klemmvorrichtung 37 durch einen koaxial zum Piezostack 23 angeordneten Ring 39 (vgl. Fig. 1a) oder alternativ aus mehreren ringförmigen, um den Piezostack 23 angeordneten einzelnen Elementen aus piezokeramischem Material gebildet, dessen Innendurchmesser sich beim Anlegen einer Betriebsspannung derart verringert, daß er reibfest an der Umfangsfläche des Piezostacks 23 anliegt. Die Stromzufuhr erfolgt über elektrische Zuführungsleitungen 41 und ist über ein elektronisches Steuergerät steuerbar.

Statt des in Fig. 5 und Fig. 1a dargestellten Rings 39 kann als Klemmvorrichtung auch ein das piezoelektrische Stellglied 23 umschließender Hebel 60 vorgesehen sein, wie es in Fig. 1b schematisch anhand einer Schnittdar stellung senkrecht zur Ventilachse dargestellt ist.

Der Hebel ist elektrisch durch ein ansteuerbares Piezo- Stellelement 61 oder durch einen elektrisch ansteuerbaren Magneten betätigbar. Wie aus Fig. 1b hervorgeht, weist dabei der Piezostack an seinem oberen Ende zwei ebene Angriffsflächen 23a auf, denen gegenüber mit einem Abstand S ebene Flächen der Hebelarme des Hebels 60 gegenüberliegen. Auf diese Weise wird auch eine Verdrehsicherung des Piezostacks 23 realisiert. Bei einer Betätigung des Hebels 60 kommen die ebenen Flächen der beiden Hebelarme an den Flächen 23a des Piezostacks 23 reibschlüssig zur Anlage, so daß der Piezostack 23 im Bereich des Hebels festgespannt ist.

Eine andere Ausführungsform einer Klemmvorrichtung ist schematisch in Fig. 2 und 3 dargestellt. Diese Klemmvor richtung umfaßt zwei seitlich in einem Winkel α zur Ventilgliedachse am piezoelektrischen Stellglied 23 angreifende Klemmelemente 71, 72, die in Schließrichtung des Ventils einen degressiven und in Öffnungsrichtung des Ventils einen progressiven Kraftverlauf aufweisen, wie es in Fig. 4 in der die Reibkraft über dem Reibwert µ aufgetragen ist, schematisch dargestellt ist. Das in Fig. 3 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dabei nur dadurch, daß es ein nach außen öffnendes Ventilglied 9 aufweist, wohingegen das in Fig. 2 dargestellte Ventil ein nach innen öffnendes Ventilglied aufweist.

Der Piezostack 23 weist im Bereich des an ihm angreifen den Hebels 60 und im Bereich der Klemmelemente 71, 72 eine verschleißfeste, temperaturbeständige und nicht fressende Reiboberfläche auf, die durch Oberflächentech nik erzeugt wird. So können beispielsweise PVD(physical vapor deposition)- und/oder CVD(chemical vapor deposi tion)-Schichten oder Festschmierstoffe wie z. B. Graphit- oder Molybdänsulfit-Schichten aufgebracht werden. Derartige Reiboberflächen sind verschleißfest und "fressen" sich auch über längere Zeit nicht fest.

Die Funktion eines derartigen Kraftstoffeinspritzventils ist nun folgende. Beim Einschalten der Stromversorgung der Brennkraftmaschine wird der als Aktor des Ventil glieds 9 wirkende Piezostack 23 mit einer maximalen Betriebsspannung beaufschlagt und dehnt sich infolge davon auf einen maximalen Wert in Richtung Federraum 25 axial aus. Die Ventilfeder 27 gewährleistet dabei eine dichtende Anlage des Ventilglieds 9 am Ventilsitz 13. Die Klemmvorrichtung 37 ist zu diesem Zeitpunkt so geschaltet, daß keine Klemmung des Piezostacks 23 auftritt, daß also beispielsweise der Hebel 60 nicht an den Flächen 23a des Piezostacks anliegt und daß die Klemmelemente 71, 72 den Piezostack 23 nicht klemmen.

Wird die Brennkraftmaschine gestartet und soll eine Einspritzung am betreffenden Einspritzventil erfolgen, wird die Klemmvorrichtung betätigt, d. h. es wird der Hebel 60 oder die Klemmelemente 71, 72 betätigt. Durch diese Betätigung wird das ventilgliedabgewandte Ende des Piezostacks 23 in seiner Lage fixiert, wodurch die Ventilfeder 27 ebenfalls wirkungslos wird.

Zur Einleitung der Öffnungshubbewegung des Ventilglieds 9 wird nun die Betriebsspannung am Piezostack 23 redu ziert, so daß sich der Piezostack 23 axial zusammenzieht und so das Ventilglied 9 in Öffnungsrichtung verschiebt, wobei in bekannter Weise der Kraftstoffdurchtritt zur Einspritzöffnung 15 aufgesteuert wird und der Kraftstoff zur Einspritzung in den Brennraum gelangt. Beim voll ständigen Abschalten der Betriebsspannung am Piezostack 23 wird der maximale Öffnungshub des Ventilglieds 9 erreicht. Über die Regelung der Betriebsspannung am Piezostack 23 läßt sich dabei die Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes 9 und somit der Einspritzverlauf frei steuern.

Zur Beendigung der Einspritzung wird der Piezostack 23 erneut mit der maximalen Betriebsspannung beaufschlagt und verschiebt während seiner sehr raschen axialen Ausdehnung des Ventilglieds 9 wieder bis zur Anlage an den Ventilsitz 13.

Die Klemmvorrichtung 37 wird während Einspritzpausen gelöst, um temperatur- und druckbedingte Längenänderungen am Piezostack 23 auszugleichen und eine dadurch verursachte Beeinträchtigung einer präzisen Öffnungshubbewegung zu vermeiden. In diesem Falle wird der Hebel 60 oder die Klemmelemente 71, 72 in Öffnungsstellung gebracht.

Beim Lösen der Klemmvorrichtung 37 wird das Ventilglied 9 mit einer definierten Kraft auf den Ventilsitz 13 gedrückt, so daß ein dichtes Verschließen des Einspritz ventils gewährleistet ist.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unter scheidet sich von dem obenbeschriebenen lediglich in der Art des Aufsteuerns des Einspritzquerschnitts am Ein spritzventil. Diejenigen Elemente, die mit denen des ersten identisch sind, sind mit denselben Bezugszeichen wie beim obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel versehen, so daß bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Im Gegensatz zu dem obenbeschriebenen Ausführungsbei spiel weist das Ventilglied 9 beim in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel an seinem brennraumseitigen Ende ein aus der Bohrung 7 des Ventil körpers 1 axial herausragendes Kopfstück 21 auf, dessen in Richtung Ventilkörper 1 weisende Ringstirnfläche 45 die Ventildichtfläche am Ventilglied 9 bildet. Die Ringstirnfläche 45 ist dabei konisch ausgebildet und wirkt mit der an der brennraumseitigen Stirnfläche des Ventilkörpers 1 angeordneten Ventilsitzfläche 13 zu sammen, die von der Bohrung 1 ausgehend entsprechend hohlkegelförmig ausgebildet ist. Der Einspritzquerschnitt des Einspritzventils wird dabei in bekannter Weise durch den zwischen Ringstirnfläche 45 und Ventilsitz 13 auf steuerbaren Ringspalt gebildet.

Der Piezostack 23 ist in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Gehäusesteg 47 vom Federraum 25 getrennt und weist an seiner dem Federraum 25 zugewandten Stirnfläche 33 einen im Querschnitt verringerten Kolbenfortsatz 49 auf, der den Federraum 25 durchragt und an dessen aus dem Federraum 25 ragenden Ende ein Federteller 51 befestigt ist. Die Ventilfeder 27 ist dabei zwischen dem Gehäusesteg 47 und dem Federteller 51 eingespannt und drückt so das Ventilglied 9 über den Piezostack 23 mit der Ringstirnfläche 45 am Kopfstück 43 in Anlage an den Ventilsitz 13.

Durch Ausdehnen des Piezostacks 23 wird eine Öffnung des Ventils hervorgerufen. Durch Zusammenziehen des Pie zostacks 23 wird ein Schließen des Ventils hervorgerufen, wobei in Einspritzpausen durch Öffnen der Klemmvorrichtung 37, d. h. der Klemmelemente 71, 72 oder eines dem obenbeschriebenen Hebel 60 analogen Hebels ein Lösen der Klemmvorrichtung 37 möglich ist, wobei die dann wirksame Ventilfeder 27 eine dichte Anlage des Ventilsglieds 9 am Ventilsitz 13 gewährleistet.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Ventilkörper (1) axial verschiebbar geführten Ventilglied (9), das mit einer an seinem brennraumseitigen Ende vorgesehenen Dichtfläche (11) eine Einspritzöffnung (15) am Ventilkörper (1) auf- und zusteuert und mit einem piezoelektrischen Stellglied, dessen unter der Wirkung einer Steuerspannung längenveränderlicher Piezostack (23) zur Betätigung des Ventilgliedes (9) an dessen Brennraum abgewandten Ende angekoppelt ist, Sowie mit einer das Ventilglied (9) in Schließrichtung beaufschlagenden Ventilfeder (27), wobei eine Klemmvorrichtung (37) am Piezoelektrischen Stellglied vorgesehen ist, die das dem Ventilglied (9) abgewandte Endes des Piezostacks (23) während der Einspritzphase des Kraftstoffeinspritzventils in seiner axialen Lage fixiert und einen axialen Spielausgleich am Piezostack (23) während einer Einspritzpause ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (37) ein das piezoelektrische Stellglied umschließender, ansteuerbar betätigbarer Hebel (60) ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (60) durch ein elek trisch ansteuerbares Piezo-Stellelement (61) betä tigbar ist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (60) durch einen elektrisch ansteuerbaren Magneten betätigbar ist.

4. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Ventilkörper (1) axial verschiebbar geführten Ventilglied (9), das mit einer an seinem brennraumseitigen Ende vorgesehenen Dichtfläche (11) eine Einspritzöffnung (15) am Ventilkörper (1) auf- und zusteuert und mit einem piezoelektrischen Stellglied, dessen unter der Wirkung einer Steuerspannung längenveränderlicher Piezostack (23) zur Betätigung des Ventilgliedes (9) an dessen Brennraum abgewandten Ende angekoppelt ist, sowie mit einer das Ventilglied (9) in Schließrichtung beaufschlagenden Ventilfeder (27), wobei eine Klemmvorrichtung (37) am piezoelektrischen Stellglied vorgesehen ist, die das dem Ventilglied (9) abgewandte Ende des Piezostacks (23) während der Einspritzphase des Kraftstoffeinspritzventils in seiner axialen Lage fixiert und einen axialen Spielausgleich am Piezostack (23) während einer Einspritzpause ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (37) seitlich in einem Winkel (α) zur Ventilgliedachse am piezoelektrischen Stellglied angreifende Klemmelemente (71, 72) umfaßt, die in Schließrichtung des Ventils einen degressiven und in Öffnungsrichtung des Ventils einen progressiven Kraftverlauf aufweisen.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der voranste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reiboberflächen des Hebels, der Klemmelemente (71, 72) und/oder des Piezostacks (23) im Bereich des Hebels (60) bzw. der Klemmelemente (71, 72) mit einer verschleißfesten, temperaturbeständigen und nicht fressenden Reiboberfläche versehen sind.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reiboberflächen PVD(physical vapor deposition)- und/oder CVD(chemical vapor deposition)-Schichten umfassen.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reiboberflächen mit Fest schmierstoffen, vorzugsweise Graphit oder Molybdänsulfit versehen sind.