DE3533085A1 - Zumessventil zur dosierung von fluessigkeiten oder gasen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Zumeßventil zur Dosie­ rung von Flüssigkeiten oder Gasen, insbesondere Einspritz­ ventil für Kraftstoff-Einspritzsysteme in Brennkraftma­ schinen, wie direkt einspritzende Dieselmotoren u.dgl., nach der Gattung des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Zumeßventil dieser Art (GB-OS 20 56 559) ist das piezoelektrische Stellglied so aufgebaut, daß die Ventilnadel zur Freigabe der Zumeßöffnung durch eine Kon­ traktion des Piezostacks von dem Ventilsitz abgehoben wird. Die gehäuseseitig sich abstützende Ventilschließ­ feder zur Rückführung der Ventilnadel in die Ventilschließ­ stellung greift an der vom Piezostack abgekehrten Rück­ seite des Dämpfungskolbens an und liegt in dem mit dem Kraftstoffzulauf verbundenen Dämpfungsraum ein. Die Mas­ se des Dämpfungskolbens und die Dämpfungswirkung des Kraft­ stoffes in dem Dämpfungsraum ist so groß bemessen, daß während der kurzen Kontraktionsphase des Piezostacks der Dämpfungskolben stationär festliegt und sich nicht unter dem Einfluß der Ventilschließfeder in Ventil­ schließrichtung bewegt. In jeder Zumeßphase führt damit die Ventilnadel den gleichen Öffnungshub aus. Ist das Ventil geschlossen, so bewirken Längenänderungen ins­ besondere im Piezostack infolge von Temperaturschwan­ kungen eine Verschiebung des Dämpfungskolbens. In glei­ cher Weise werden auch Verschleiß und Fertigungstole­ ranzen in dem von Ventilnadel, Piezostack und Dämpfungs­ kolben gebildeten Betätigungssystem ausgeglichen. Die­ se Erscheinungen können damit nicht den Stellweg der Ventilnadel relativ zu der Zumeßöffnung beeinflussen.

Es hat sich gezeigt, daß dieses Konstruktionsprinzip der momentanen gehäuseseitigen Festlegung des Piezo­ stacks während der Zumeßphase sich nicht auf solche piezoelektrische Stellglieder übertragen läßt, bei welchen eine Längenausdehnung des Piezostacks zur Ven­ tilnadelbetätigung ausgenutzt wird. In solchen Fällen bewirkt die bei der Expansion des Piezostacks auf den Dämpfungskolben wirkende Druckkraft eine - im Ver­ gleich zu dem relativ kleinen Gesamtstellweg des Piezostacks von typischerweise 30 µm - merkliche Ver­ schiebung des Dämpfungskolbens, zumal eine Teilmenge des in dem Dämpfungsraum befindlichen Kraftstoffes nahezu ungedrosselt und damit sehr schnell über die Ver­ bindungsleitung zum Kraftstoffzulauf ausgeschoben werden kann. Selbst bei starker Drosselung des Kraftstoffab­ flusses läßt sich eine momentane Verschiebung des Dämp­ fungskolbens durch den expandierenden Piezostack nur bei sehr großer Masse des Dämpfungskolbens einigermaßen ver­ hindern. Diese große Masse bedingt jedoch einen relativ großen Bauraum, was wiederum der angestrebten Klein­ volumigkeit des Zumeßventils im Wege steht. Eine, wenn auch nur äußerst geringe Verschiebung der gehäusesei­ tigen Festlegung des Piezostacks während der Zumeßphase läßt bei den kleinen Stellwegen des Piezostacks keine hochgenaue und verlässig reproduzierbare Zumeßdosierung zu.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Zumeßventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß auch bei Verwendung eines piezoelektrischen Stell­ gliedes, das den Stellweg durch Expansion des Piezo­ stacks generiert, unter Beibehaltung des Vorteils der Kompensation von Temperatureinflüssen, Verschleiß und Fertigungstoleranzen eine sehr hohe Genauigkeit und vor allem zuverlässige Reproduzierbarkeit von exakt gleichen Ventilnadelhüben erreicht wird. Damit kann eine sehr ge­ naue Zumeßdosierung auch von kleinen Zumeßmengen vorge­ nommen werden, wie sie bei Kraftstoff-Einspritzsystemen in Brennkraftmaschinen gefordert wird. Durch das gekap­ selte Flüssigkeitsdämpfungssystem mit dem Flüssigkeits­ polster und der damit über sehr kleine Drosselspalte ver­ bundenen Ausgleichskammer läßt sich ein völlig gasfreies Flüssigkeitspolster sicherstellen, das gegenüber kurzzei­ tigen dynamischen Druckeinflüssen, wie sie durch die Ex­ pansion des Piezostacks bei Anlegen einer Erregerspannung erzeugt werden, völlig inkompressibel und volumenkonstant ist. Damit liegt der Dämpfungskolben und dadurch der Pie­ zostack bei Ventilbetätigung stationär fest. Die Masse­ trägheit des Dämpfungskolbens spielt dabei keine nennens­ werte Rolle, so daß dieser relativ klein bemessen und da­ mit das Bauvolumen des Zumeßventils gering gehalten werden kann. Quasistatische Vorgänge, wie Längenänderungen des Piezostacks, der Ventilnadel oder des Dämpfungs­ kolbens durch Temperatureinflüsse, Verschleiß und Fer­ tigungstoleranzen bewirken hingegen durch Flüssigkeits­ verdrängung über die Drosselspalte eine Verschiebung des Dämpfungskolbens und damit deren Kompensation, so daß dadurch der konstante Stellweg des Piezostacks nicht beeinflußt werden kann.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maß­ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen des im Anspruch 1 angegebenen Zumeßventils mög­ lich.

Die in Anspruch 2 angegebene Ausführungsform der Erfin­ dung stellt in Verbindung mit den Ausführungsformen ge­ mäß den weiteren Ansprüchen eine zweckmäßige Realisie­ rung des Dämpfungssystems für den Piezostack dar, die ein kleines Bauvolumen des Zumeßventils ermöglicht.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeich­ nung einen Längsschnitt eines Einspritzventils für einen direkt einspritzenden Dieselmotor.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in der Zeichnung im Längsschnitt zu sehende Ein­ spritzventil für einen direkt einspritzenden Diesel­ motor als Beispiel für ein Zumeßventil zur Dosierung von Flüssigkeiten oder Gasen weist ein zweiteiliges Ventilgehäuse 10 auf, dessen Oberteil 101 in das Unter­ teil 102 hineingesteckt ist. Zwischen Oberteil 101 und Unterteil 102 ist ein Ventilkörper 11 gehalten. Der Ventilkörper 11 weist eine axiale Durchgangsbohrung 12 auf, die an dem aus dem Unterteil 102 herausragenden Ende des Ventilkörpers 11 mit einer Zumeß- oder Ventil­ öffnung 13 mündet. Die Ventilöffnung 13 ist von einem Ventilsitz 14 umgeben, der zur Freigabe bzw. zum Ver­ schließen der Ventilöffnung 13 mit einem pilzartig aus­ geformten Kopf 151 einer in der Durchgangsbohrung 12 geführten Ventilnadel 15 zusammenwirkt. Kopf 151 und Ventilöffnung 13 geben einen Spritzwinkel von ungefähr 150° frei, über welchen Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Das aus dem Ventilkörper 11 weit herausragende, vom Ventil­ sitz 14 abgekehrte Ende der Ventilnadel 15 ist in einer auf der Ventilnadel 15 axial verschieblichen Hülse 16 geführt, die einen einstückigen Ringflansch 161 trägt. Zwischen dem Ringflansch 161 der Hülse 16 und dem Ventil­ körper 11 stützt sich eine als Druckfeder ausgebildete Ventilschließfeder 17 ab, wodurch die Hülse 16 über eine Stützscheibe 18 an einem verdickten Ende 152 der Ventilnadel 15 anliegt. Durch den von der Ventilschließ­ feder 17 über die Hülse 16 und die Stützscheibe 18 auf die Ventilnadel 15 aufgebrachte Druck wird letztere mit ihrem Kopf 151 auf den Ventilsitz 14 aufgepreßt und ver­ schließt die Ventilöffnung 13.

Das Oberteil 101 des Ventilgehäuses 10 weist eine im Durch­ messer gestufte axiale Sackbohrung 19 mit einem Bohrungs­ abschnitt 191 und einem im Durchmesser reduzierten Boh­ rungsabschnitt 192 auf, der mit dem Bohrungsgrund 193 abgeschlossen ist. In dem Bohrungsabschnitt 191 liegt ein Piezostack 20 eines piezoelektrischen Stellgliedes 21 ein, der üblicherweise aus einer Vielzahl von Schei­ ben besteht. In dem Bohrungsabschnitt 192 mit reduziertem Durchmesser taucht ein Dämpfungskolben 22 ein, dessen Durchmesser derart bemessen ist, daß zwischen der Zylin­ derwand des Dämpfungskolbens 22 und der Bohrungswand des Bohrungsabschnittes 192 ein nur sehr kleiner Ringspalt 23 verbleibt. Der Dämpfungskolben 22 liegt über zwei trep­ penartig angeordnete Ringflansche 24, 25 an dem einen Ende des Piezostacks 20 an.Zwischen der Ringschulter 26 des Ring­ flansches 24 mit dem größeren Durchmesser und der am Über­ gang der Bohrungsabschnitte 191, 192 vorhandenen ringför­ migen Gehäuseschulter 27 stützt sich eine Druckfeder 28 ab, die den Piezostack 20 in Richtung zur Ventilnadel 15 hin belastet. Das gegenüberliegende Ende des Piezostacks 20 trägt eine Kappe 29 mit einer zentralen Ausnehmung 30. Zwischen der Ausnehmung 30 und dem verdickten Ende 152 der Ventilnadel 15 stützt sich ein Übertragungsbolzen 31 ab, so daß der Piezostack immer in Eingriff mit der Ven­ tilnadel 15 ist. Die Federkraft der Druckfeder 28 ist we­ sentlich kleiner als die der Ventilschließfeder 17, so daß letztere die Ventilöffnung 13 zuverlässig ge­ schlossen hält.

An der Ringschulter 32 des im Durchmesser kleineren Ringflansches 25 des Dämpfungskolbens 22 liegt das eine Ende und an der Gehäuseschulter 27 liegt das andere Ende einer ringförmigen Membran 33 jeweils flüssigkeitsdicht an. Die Abstützung der Druckfeder 28 auf der Gehäuseschulter 27 erfolgt dabei über den dort liegenden Rand der Membran 33. Der von der Mem­ bran 33 zum Dämpfungskolben 22 hin umschlossene Raum bildet einen Ausgleichsraum 34, während zwischen der Stirn­ seite 221 des Dämpfungskolbens 22 und dem Bohrungsgrund 193 ein Dämpfungsraum 35 vorgesehen ist. Dämpfungsraum 35 und Ausgleichsraum 34 stehen über den Ringspalt 23 miteinander in Verbindung, der die Wirkung einer Dros­ selstelle hat. Dämpfungsraum 35, Ringspalt 23 und Aus­ gleichsraum 34 sind flüssigkeitsgefüllt und hermetisch abgeschlossen.

Der Bohrungsabschnitt 191 mit dem größeren Durchmesser bildet einen Speicher für den Kraftstoff und ist über eine Zulaufbohrung 36 im Oberteil 101 des Ventilge­ häuses 10 mit einem Zulaufanschluß 37 verbunden. Des wei­ teren steht der Bohrungsabschnitt 191 über eine nicht zu sehende Verbindungsbohrung im Unterteil 102 des Ventil­ gehäuses 10 mit einem Ringraum 38 im Ventilkörper 11 in Verbindung. Der Ringraum 38 wird unmittelbar von der Ven­ tilöffnung 13 begrenzt.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Einspritzventils ist wie folgt:

Bei geschlossenem Ventil steht der Kraftstoff mit einem gesteuerten Druck an der von der Ventilnadel 15 ge­ schlossenen Ventilöffnung 13 an. Wird eine Steuerspan­ nung an den Piezostack 20 gelegt, so vergrößert dieser seine axiale Länge um einen vorbestimmten Betrag, der typischerweise 20 µm beträgt. Diese Längenänderung, die sehr schnell erfolgt, führt über Kappe 29 und Übertra­ gungsbolzen 31 zu einer entsprechenden Verschiebung der Ventilnadel 15, wodurch ihr Kopf 151 von dem Ventil­ sitz 14 abhebt. Die Verschiebung der Ventilnadel 15 entspricht exakt der Längung des Piezostacks 20, da dieser sich über den Dämpfungskolben 22 auf dem Flüssig­ keitspolster im Dämpfungsraum 35 abstütz. Bei den kur­ zen Schaltzeiten des Piezostacks 20 wird über den dros­ selnden Ringspalt 23 keine Flüssigkeit aus dem Dämpfungs­ raum 35 ausgeschoben.

Auftretende Längenänderung im Piezostack 20 infolge von zunehmender Temperatur im Motor werden hingegen durch den Dämpfungskolben 22 ausgeglichen. Längenänderungen des Piezostacks 20 infolge von Temperaturschwankungen sind langsam ablaufende quasistatische Vorgänge. Dabei hat bei Druck auf dem Dämpfungskolben 22 das Flüssig­ keitspolster im Dämpfungsraum 35 die Möglichkeit, lang­ fristig über den stark drosselnden Ringspalt 23 in den Ausgleichsraum 34 abzufließen. Nach Beendigung des Aus­ gleichsvorgangs ist der Druck im Ausgleichsraum 34 und im Dämpfungsraum 35 gleich groß und der Piezostack 20 ist wiederum unter Kompensation seiner Längenänderung gehäu­ seseitig festgelegt. Wird nunmehr der Piezostack 20 wie­ derum erregt, so wird sein vorgegebener konstanter Stell­ weg von 20 µm wieder vollständig auf die Ventilnadel 15 übertragen. Ein Auswirkung der Längenänderung des Piezo­ stacks 20 infolge Temperaturschwankungen auf den Stell­ weg ist damit sicher ausgeschlossen. In der gleichen Weise werden auch Verschleiß oder Fertigungstoleran­ zen, die zu einer Veränderung der axialen Länge von Dämpfungskolben 22, Piezostack 20, Kappe 29 und Über­ tragungsbolzen 31 führen ausgeglichen.

Der als Speicherraum dienende Bohrungsabschnitt 191 verhindert beim Einspritzvorgang einen zu starken Druckabfall. Die Schließung des Einspritzventils er­ folgt gegen den Kraftstoffdruck, so daß keine Absteuer­ volumina oder Leckmengen anfallen. Durch das unmittel­ bare Einspritzen des Kraftstoffes nach Zumessung durch die Ventilöffnung 13 ist eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes gewährleistet.

Claims (6)

1. Zumeßventil zur Dosierung von Flüssigkeiten oder Gasen, insbesondere Einspritzventil für Kraftstoff­ einspritzsysteme in Brennkraftmaschinen, wie direkt einspritzende Dieselmotoren u. dgl., mit einem Ven­ tilgehäuse mit Zumeßöffnung, mit einer die Zumeßöff­ nung steuernden Ventilnadel, mit einer die Ventil­ nadel in ihre die Zumeßöffnung sperrende Schließ­ stellung rückführenden Ventilschließfeder, mit einem piezoelektrischen Stellglied, dessen unter der Wir­ kung einer Steuerspannung längenveränderlicher Piezo­ stack an seinem einen Ende mit der Ventilnadel und an seinem anderen Ende mit einem einen flüssigkeitsge­ füllten Dämpfungsraum begrenzenden Dämpfungskolben verbunden ist, der in Achsrichtung des Piezostacks axial verschieblich geführt und so ausgelegt ist, daß er bei durch die Steuerspannung bewirkter Längenände­ rung des Piezostacks relativ zum Gehäuse feststeht, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Stirnseite (221) des Dämpfungskolbens (22) be­ grenzte Dämpfungsraum (35) über mindestens einen Drosselspalt (23) mit einem Ausgleichsraum (34) in Verbindung steht und daß das vom Dämpfungsraum (35), Drosselspalt (24) und Ausgleichsraum (34) zur Verfügung gestellte Volumen flüssigkeitsgefüllt und hermetisch abgeschlossen ist.

2. Zumeßventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (10) eine im Durchmesser gestufte axiale Sackbohrung (19) aufweist, daß in dem im Durchmesser reduzierten Boh­ rungsabschnitt (192) mit Bohrungsgrund (193) der Dämpfungskolben (22) verschieblich geführt ist, wo­ bei der Dämpfungsraum (35) von dem Bohrungsgrund (193) und der diesem zugekehrten Stirnseite (221) des Dämp­ fungskolbens (22) begrenzt und der Drosselspalt (24) von dem axialen Ringspalt (23) zwischen Dämpfungs­ zylinder (22) und Bohrungswand gebildet ist, daß der Dämpfungskolben (22) in den Bohrungsabschnitt (191) mit dem größeren Durchmesser hineinragt und daß eine Membran (33) einerseits an einer am Über­ gang der Bohrungsabschnitte (191, 192) vorhandenen ringförmigen Gehäuseschulter (27) und andererseits an dem Dämpfungskolben (22) jeweils flüssigkeitsdicht anliegt.

3. Zumeßventil nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Dämpfungskolben (22) auf seinem dem Piezostack (20) zugekehrten Ende zwei treppenartig angeordnete Ringschultern (26, 32) aufweist, daß zwischen der äußeren Ring­ schulter (26) und der Gehäuseschulter (27) sich eine den Piezostack (20) an die Ventilnadel (15) andrückende Druckfeder (28) abstützt und daß an der inneren Ringschulter (32) der eine Membranrand be­ festigt ist.

4. Zumeßventil nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abstützung der Druckfeder (28) an der Gehäuseschulter (27) unter Zwischenlage des anderen Membranrandes erfolgt.

5. Zumeßventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gehäusesei­ tig sich abstützende Ventilschließfeder (17) an einer an dem von der Zumeßöffnung (13) abgekehrten Ende der Ventilnadel (15) mit dieser in Eingriff stehenden Stützscheibe (18) mit einer zum Piezo­ stack (20) hin gerichteten Anpreßkraft anliegt.

6. Zumeßventil nach einem der Ansprüche 2-5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bohrungsabschnitt (191) mit dem größeren Druchmes­ ser den Piezostack (20) unter Bildung eines Flüssig­ keitsspeicherraumes aufnimmt, der einerseits mit einer Zuleitung (36) und andererseits mit einem der Zumeß­ öffnung (13) in Fließrichtung der Flüssigkeit vor­ gelagerten Ringraum (38) verbunden ist.