DE3517258A1 - Elektrisch betaetigbares kraftstoffeinspritzventil fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigbares Kraft­ stoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gegenstand des Hauptpatents (Patentanmeldung ...) ist ein elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, das sich dadurch auszeichnet, daß es einen mit Elektroden versehenen piezoelektrischen Schwinger mit mindestens einer Kraftstoff aufnehmenden Kammer auf­ weist, daß mit der Kammer ein Kraftstoffzuleitungsweg und eine Ausspritzöffnung (= Austrittsöffnung) in Kraftstoff leitender Verbindung stehen, die derart gestaltet sind, daß beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden dem Kraft­ stoff eine Vorzugsbewegung durch die Kammer zu der Aus­ spritzöffnung erteilt wird. Insbesondere ist der piezo­ elektrische Schwinger in einem Block montiert, aus dem der Kraftstoffzuleitungsweg ausgeformt ist. Der piezoelek­ trische Schwinger ist bevorzugt als hohlzylindrischer Radialschwinger ausgebildet, in dessen Wand eine Reihe von Kraftstoff aufnehmenden Kammern parallel und konzentrisch zu dessen Längsachse untergebracht sind. Ein Ende des Radialschwingers mit den durchgehenden Kammern ragt bevor­ zugt in eine ringförmige Konstantvolumen-Kammer herein, die aus dem Block konzentrisch zu der Längsachse ausgeformt ist.

Das Kraftstoffeinspritzventil arbeitet nach dem Prinzip, daß der piezoelektrische Schwinger nach Anlegen einer elektrischen Spannung an seine Elektroden und dementsprechender Bildung eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden des Schwingers und dementsprechender Dickenänderung ohne ein in seiner Gesamtheit bewegliches Element, insbesondere ohne verschiebbare Ventilnadel, die Vorzugsbewegungsrichtung bestimmt, in der der Brennkraftstoff in die Umgebung des Kraftstoffeinspritzventils eingespritzt wird. In diesem Zusammenhang mißt das Kraftstoffeinspritzventil die benötigte Einspritzmenge zu und schafft eine Vor­ aussetzung für die Zerstäubung des Brennkraftstoffs. Dies wird dadurch erreicht, daß durch das elektrische Feld beim Anlegen der Hochspannung an die Elektroden des piezoelektri­ schen Schwingers sich dieser zusammenzieht oder ausdehnt, damit das Volumen der Kraftstoff aufnehmenden Kammer ver­ ändert, und daß bei einer Volumenverringerung der Kammer der Brennkraftstoff im wesentlichen aus der Ausspritzöffnung austritt, während der Kraftstoffrückfluß durch den Kraft­ stoffzuleitungsweg wesentlich gedrosselt ist.

Zu dem Betrieb des piezoeelektrischen Schwingers ist eine hohe Spannung erforderlich, die den Elektroden des Schwingers zuzuführen ist. Diese gesteuerte hohe Spannung kann Störungen in anderen elektrischen Anlagen, insbesondere auch Funk­ anlagen, verursachen, die sich in der Nähe des Hochspannungs­ erzeugers und der Hochspannungszuleitungen zu dem Kraftstoff­ einspritzventil mit dem Schwinger befinden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Kraftstoffeinspritzventil der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß durch hohe Betriebsspannungen des Schwingers verursachte Störungen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung des Blocks, in dem der Schwinger angeordnet ist, gelöst. Der aus Metall be­ stehende und somit elektrische Felder gut abschirmende Block wird hier gleichzeitig zur Unterbringung einer Hoch­ spannungserzeuger-Schaltungsanordnung verwendet. Dem Block mit dieser Hochspannungserzeuger-Schaltungsanordnung ist daher nur eine niedrige Versorgungsspannung zuzuführen, die keine Störungen hervorruft. Außerdem wird durch die Unter­ bringung der Hochspannungserzeuger-Schaltungsanordnung in dem Block, zu dem leicht eine Masseverbindung mit den um­ gebenden Metallteilen hergestellt werden kann, die Gefahr einer Berührung von Personen mit Hochspannung führenden Teilen vermieden.

Bevorzugt ist das Kraftstoffeinspritzventil mit dem Block so gestaltet, daß die Hochspannungserzeuger-Schaltungs­ anordnung in einem Hohlraum angeordnet ist, der von den Kraftstoff führenden Teilen getrennt ist. Dieser Hohlraum wird im folgenden auch als Abschirmkammer bezeichnet.

Weiterhin ist zweckmäßig an dem Block ein Niederspannungs- Steckverbinder angebracht, der in dem Block mit der Hoch­ spannungserzeuger-Schaltungsanordnung verbunden ist. Dadurch kann der Block mit dem piezoelektrischen Schwinger leicht montiert und an die Versorgungsspannungsquelle angeschlossen werden. Ebenso werden Prüfung und gegebenenfalls Austausch des Blocks mit der Hochspannungserzeuger-Schaltungsanordnung erleichtert.

Als Hochspannungserzeuger-Schaltungsanordnung dient bevor­ zugt eine Dioden-Kondensator Kaskadenschaltung, die kompakt ausgeführt und deswegen unproblematisch in dem Block untergebracht werden kann.

Eine besonders kompakte Ausbildung des Blocks mit dem Hohlraum, der die Hochspannungserzeuger-Schaltungsanordnung aufnimmt, ist in Anspruch 5 angegeben. Bei dieser Anord­ nung kann der Hohlraum außerdem durch eine zentrale Durch­ gangsbohrung gekühlt werden, durch die die innere Zuluft hindurchströmt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit zwei Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Kraftstoffeinspritz­ ventil mit integriertem Hochspannungserzeuger und

Fig. 2 eine schematisierte Hochspannungserzeuger-Schaltungs­ anordnung.

Das Kraftstoffeinspritzventil in Fig. 1 ist vergrößert dargestellt.

Wesentlicher Teil des Kraftstoffeinspritzventils nach Fig. 1 ist ein hohlzylindrischer Radialschwinger 11 aus piezoelek­ trischem Material. In dem hohlzylindrischen Radialschwinger ist zwischen dessen Innenwand und der Außenwand eine Reihe von Kraftstoff aufnehmenden Kammern 12, 12′ angeordnet. Die Kraftstoff aufnehmenden Kammern liegen in einer neutralen Faser des Radialschwingers und sind als durchgehende, also oben und unten offene Bohrungen mit konstantem Durchmesser ausgebildet. Sie verlaufen parallel und konzentrisch zur Längsachse 19.

Die Innenwand und die Außenwand des Radialschwingers ist jeweils mit einer Elektrode belegt, die lediglich durch die Zuleitung 14 bzw. 15 angedeutet ist.

Der unteren Seite der Kraftstoff aufnehmenden Kammern 12, 12′ steht eine Ringblende 16 gegenüber, welche mit den Kammern fluchtende, die Tröpfchengröße bestimmende Bohrungen 17, 17′ aufweist.

Der Radialschwinger und die Ringblende sind in einem Block 18 montiert, so daß die Ringblende 16 mit den Bohrungen 17, 17′ bzw. die Kammern des Radialschwingers 11 nach unten Kraftstoff einspritzen können.

In dem oberen Teil des um die Längsachse 19 weitgehend ro­ tationssymmetrischen, steifen Blocks, der ebenso wie ein Deckel 28 aus elektrisch abschirmenden Metall besteht, ist der Kraftstoffzuleitungsweg zu dem Ringschwinger angeordnet. Der Kraftstoffzuleitungsweg besteht im wesentlichen aus einer ringförmigen Konstantvolumen-Kammer 20, in die ein Kraftstoffzuflußstutzen 21 und ein Kraftstoffabflußstutzen 22 münden. Die freien Querschnitte der Stutzen 21 und 22 sind klein gegenüber der Fläche der Innenwand der Konstant­ volumen-Kammer.

Der Radialschwinger 11 ist in einer ringförmigen Ausnehmung 23 des Blocks 18 mit Dichtungen 24-26 abgedichtet einge­ setzt.

Der Block 18 und der Deckel 28 sind durch eine zentrale Durchgangsbohrung 29 durchsetzt, die zur Führung von Zuluft in der Hauptströmungsrichtung gemäß Pfeil 34 vorgesehen ist. Die zum Betrieb des piezoelektrischen Radialschwingers er­ forderliche hohe Spannung wird in einem Hochspannungserzeuger 35 erzeugt, der in einer Abschirmkammer 36 an dem oberen Ende des Blocks 18 untergebracht ist. Die Abschirmkammer ist zu der Durchgangsbohrung 29 hin durch die Wand 30 ge­ schlossen, nach außen im wesentlichen durch eine Wand 37. Nach oben hin ist die Abschirmkammer durch den Deckel 28 geschlossen. Zur Zuführung einer Versorgungsspannung, die eine Wechselspannung verhältnismäßig niedriger Amplitude ist, dient ein Steckverbinder 38, der in der Zeichnung nur stark vereinfacht angedeutet ist. Die in dem Hochspannungs­ erzeuger 35 aus der niedrigen Wechselspannung erzeugte Hochspannung wird über die Leitungen 14, 15, die vorteil­ haft abgeschirmt in Bohrungen 39, 40 in der Wand des Blocks geführt sind, an die Elektroden des Radialschwingers gelei­ tet.

Der Hochspannungserzeuger und die hohe Spannung führenden Zuleitungen 14, 15 sind damit so in dem Block angeordnet, daß praktisch keine störenden Felder aus dem Block nach außen dringen können.

Bei Anlegen von Hochspannung an die Zuleitungen 14, 15 und das dementsprechend zwischen der Innenwand und der Außen­ wand des Radialschwingers gebildete elektrische Feld erfolgt eine Volumenänderung der Kammern 12, 12′ in dem Ring­ schwinger. Der in diese Kraftstoff aufnehmende Kammern von der Konstantvolumen-Kammer 20 einströmende Kraftstoff wird im wesentlichen nach unten durch die Bohrungen 17, 17′ der Ringblende 16 in das das Kraftstoffeinspritzventil um­ gebende Volumen eingespritzt. Die Vorzugsbewegungsrichtung 27 des Kraftstoffs verläuft somit wie mit dem entsprechend gekennzeichneten Pfeil angedeutet. Nach oben kann hingegen der Kraftstoff aus den Kammern 12, 12′ nicht nennenswert in die Konstantvolumen-Kammer 20 zurückströmen, da diese mit einem großen Volumen im wesentlichen nicht kompressiblen Kraftstoffs gefüllt ist. Die den Kraftstoff aufnehmenden Kammern 12, 12′ können daher fertigungsgünstig als durch­ gehende Bohrung ausgebildet sein.

Durch die innere Zuluft, die durch die Durchgangsbohrung 29 geleitet wird, erfolgt eine Aufweitung des zerstäubten Kraftstoffes, der in der Vorzugsbewegungsrichtung 27 aus den Bohrungen 17, 17′ in das Volumen, z.B. einer Zentral­ einspritzanlage eingespritzt wird. Durch die Zuluft wird gleichzeitig der Hochspannungserzeuger 35 gekühlt.

Eine Hochspannungserzeuger-Schaltungsanordnung ist ver­ einfacht in Fig. 2 dargestellt. Sie umfaßt in wenig auf­ wendiger Weise eine Kaskadenschaltung, bestehend aus Kondensatoren 41, 42, 43, 44 und Dioden 45, 46, 47, 48. Zum Anschluß der Versorgungswechselspannung mit relativ niedriger Amplitude dienen Anschlüsse 49, 50, die dem Steckerverbinder 38 entsprechen. Eine durch die Kaskade gebildete z.B. vervierfachte, gleichgerichtete Spannung wird über die Zuleitungen 14, 15 dem piezoelektrischen Radial­ schwinger 11 zugeführt. Die Kaskade kann praktisch beliebig erweitert werden, um eine noch höhere Spannungsvervielfachung zu erzielen.

Claims (5)

1. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem mit Elektroden versehenen piezoelektrischen Schwinger, der wenigstens eine Kraft­ stoff aufnehmende Kammer aufweist, die mit einem Kraft­ stoffzuleitungsweg und mit einer Ausspritzöffnung (= Aus­ trittsöffnung) in Verbindung steht, und mit einem Block, in dem der Schwinger montiert ist und aus dem insbesondere der Kraftstoffzuleitungsweg ausgeformt ist, nach Patent (Patentanmeldung), dadurch gekennzeichnet, daß in dem aus Metall bestehenden Block (18) ein Hoch­ spannungserzeuger (35) nach außen elektrisch abgeschirmt untergebracht ist und über innerhalb des Blocks geführte Zuleitungen (14, 15) mit den Elektroden des piezo­ elektrischen Schwingers (Ringschwingers 11) verbunden ist.

2. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungserzeuger (35) in einer Abschirm­ kammer (36) innerhalb des Blocks (18) angeordnet ist, die gegenüber Kraftstoff führenden Teilen (insbesondere Konstantvolumen-Kammer 20) des Blocks dicht ist.

3. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Block (18) ein Niederspannungs-Steckverbinder (38) angebracht ist, der in dem Block mit dem Hoch­ spannungserzeuger (35) verbunden ist.

4. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil, in dessen Block als piezoelektrischer Schwinger ein hohl­ zylindrischer Radialschwinger montiert ist, in dessen Wand eine Reihe von parallel zu dessen Längsachse durch­ gehenden, Kraftstoff aufnehmenden Kammern konzentrisch zur Längsachse angeordnet sind, wobei ein Ende des Radial­ schwingers mit den Kammern in eine ringförmige Konstant­ volumen-Kammer hereinragt, die aus dem Block konzentrisch zu der Längsachse ausgeformt ist, nach einem der An­ sprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmkammer (36), die den Hochspannungser­ zeuger (35) aufnimmt, ebenfalls ringförmig und konzen­ trisch zur Längsachse (19) des Blocks (18) von der Konstantvolumen-Kammer (20) getrennt ausgeformt ist und daß die ringförmige Abschirmkammer (36) an eine zentrale Durchgangsbohrung (29), die Zuluft führt, an­ grenzt.

5. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dioden-Kondensatorkaskadenschaltungsanordnung als Hochspannungserzeuger (Fig. 2).