DE4005455A1 - Zumessventil, insbesondere kraftstoff-einspritzventil fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents
Zumessventil, insbesondere kraftstoff-einspritzventil fuer eine brennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Zumeßventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1,
das aber außer zur impulsweisen Zuführung von Kraftstoff auch zur entsprechenden Ab
gabe anderer Flüssigkeiten oder auch Gase bzw. Dämpfe Einsatz finden kann.
Betrachtet man den bevorzugten Einsatzfall der Erfindung, nämlich für die Direktein
spritzung von Kraftstoff (Diesel oder Benzin) in die Arbeitsräume von Brennkraftma
schinen, insbesondere solchen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, so bietet die Hoch
druckeinspritzung gegenüber der sonst bei der Saugrohreinspritzung üblichen Nieder
druckeinspritzung Vorteile insbesondere hinsichtlich der Vermeidung von Heißstartpro
blemen. Bei der Hochdruckeinspritzung steht dauernd Kraftstoff unter entsprechend
hohem Druck zur Verfügung, und die Betätigung der Ventilnadel zur Freigabe der Zu
meßöffnung (Einspritzdüse) erfolgt durch Zufuhr von Fremdenergie, wobei zwecks Er
zielung scharfer, in ihrer Länge genau definierter Betätigungsimpulse piezoelektrische
oder nach dem Prinzip der Magnetostriktion arbeitende Betätigungsglieder Anwen
dung finden bzw. vorgeschlagen werden. Es handelt sich dabei also um Betätigungsglie
der, die ihre Abmessung unter der Einwirkung eines elektrischen bzw. eines magneti
schen Feldes ändern. So beschreibt die EP 02 18 895 A1, F 02 M 51/06, ein gattungs
gemäßes Zumeßventil in Gestalt eines Kraftstoff-Einspritzventils, das axial aufeinan
derfolgend einen piezoelektrischen Stapelaktuator, einen geführten Übertragungsbolzen
und die Ventilnadel aufweist, die mit einem die Zumeßöffnung zwecks Verschließens
derselben von außen übergreifenden Kopf versehen ist. Der piezoelektrische Stapelak
tuator ist in einer Gehäusekammer untergebracht, die in Verbindung mit einem Kraft
stoff-Zufluß steht und eine Speicherkammer für Kraftstoff bildet. Zur Zurückbewegung
der Ventilnadel aus ihrer die Düsenöffnung freigebenden Stellung in ihre diese ver
schließende Stellung dient eine wendelförmige Schließfeder, die die Düsennadel um
schlingt und zwischen Schultern an dieser und am Gehäuse eingespannt ist.
Die Unterbringung des Betätigungsglieds in einer kraftstofferfüllten Kammer ist jedoch
nicht unproblematisch, und zwar insbesondere dann nicht, wenn der Kraftstoff Wasser
enthält, da beispielsweise an einem piezoelektrischen Betätigungsglied Spannungen in
der Größenordnung von 150 V und höher liegen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Zumeßventil zu schaf
fen, das praktisch ohne Vergrößerung des Bauaufwands Probleme vermeidet, die sich
durch Anordnung des Betätigungsglieds im Zuge des zuzumessenden Mediums ergeben
können.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkma
len des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unter
ansprüche.
Die Erfindung beschränkt sich also nicht in der Lehre, das Betätigungsglied in einem ge
gen das zuzumessende Medium, beispielsweise Kraftstoff, abgedichteten Raum unterzu
bringen, sondern bildet die zu dieser Abdichtung erforderliche Wand zugleich so, nämlich
als Federmembran aus, daß dieses Bauteil als weitere Aufgabe die der sonst zusätzlich
vorhandenen Rückstellfeder für die Düsennadel übernimmt. In vorteilhafter Weise ermög
licht die Erfindung also den Verzicht auf eine zusätzliche Rückstellfeder.
Im Hinblick auf diese Bewegungsaufgabe muß die Federmembran relativ kräftig ausgebil
det sein, wobei zu beachten ist, daß die Bewegung der Düsennadel in ihre die Zumeßöff
nung verschließende Stellung sehr schnell erfolgen muß. Eine derartige starke Auslegung
der Federmembran ist aber beispielsweise bei Verwendung eines piezoelektrischen Betä
tigungsglieds möglich, da dieses leicht so ausgelegt werden kann, daß es relativ große
Kräfte zur die Zumeßöffnung freigebenden Freigabebewegung der Düsennadel hervorruft.
Legt man die Konstruktion gemäß Patentanspruch 5 so aus, daß die dem zweiten Raum
zugekehrte Oberfläche der Federmembran vom Druck des zuzumessenden Mediums beauf
schlagt ist, so wird durch diesen Druck die Rückstellkraft der Federmembran gleichsam
erhöht, so daß diese in sich relativ schwach ausgelegt sein kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Fall eines Kraftstoff-Einspritzventils ei
ner Brennkraftmaschine wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren
Fig. 1 einen Axialschnitt durch das gesamte Ventil und deren
Fig. 2 vergrößert die in Fig. 1 bei A angedeutete Einzelheit wiedergibt.
Betrachtet man zunächst Fig. 1, so erkennt man zwischen den beiden Gehäuseteilen 1
und 2 eingespannt die mit umlaufenden Wellen versehene Federmembran 3, die einen in
der Figur oberhalb der Membran befindlichen ersten Raum 4 gegen den kraftstofferfüll
ten zweiten Raum 5 abdichtet. Gemäß Fig. 2 erfolgt die Einspannung des äußeren Ran
des der Membran 3 in der Weise, daß eine äußere umlaufende Stoßfuge 5 durch Schwei
ßung 6 geschlossen ist, und daß ein stegförmiger Bereich 7 in diesem Ausführungsbeispiel
am unteren Gehäuseteil 2 den Rand der Federmembran 3 dabei gegen einen zugekehrten
Stirnbereich des oberen Gehäuseteils 1 drückt.
In dem demgemäß von Kraftstoff freien oberen Raum 4 erkennt man als wesentliche
Bauteile den piezoelektrischen Stapelaktuator 8 an sich bekannten und daher nicht zu
beschreibenden Aufbaus, dem elektrische Anschlüsse 9 zugeordnet sind, und das Zwi
schenstück 10, das aus einem die Kompensation thermischer Längenänderungen des Ak
tuators 8 sicherstellenden Material besteht. Während sich das obere Ende des Aktuators
8 auf der zu Justagezwecken vorgesehenen Madenschraube 11 abstützt, sind sowohl der
Aktuator 8 als auch das Zwischenstück 10 von dem oberen Gehäuseteil 1 in Richtung
der Achse 12 verschiebbar aufgenommen. Schließlich enthält der erste Raum 4 zwischen
der nach unten weisenden Stirnseite des Zwischenstücks 10 einerseits und der Feder
membran 3 andererseits den Druckstift 3.
Der mittlere Bereich der Federmembran 3 ist mit der Ventilnadel 14 verbunden, die an
ihrem in der Figur unteren Ende den Kopf 15 zum dichten Abschluß bzw. zur Freigabe
der Zumeßöffnung 16 trägt.
Der untere Gehäuseteil 2, der mittels des Gewindes 17 und des Dichtrings 18 dicht in
eine Brennraumwand einschraubbar ist, besitzt in Höhe des zweiten Raums 5 die durch
die Ringnut 19 gebildete Kraftstoffzufuhr.
In dem zweiten Raum 5 erkennt man ferner die gehäusefeste Führung 20 für das verstärk
te obere Ende der Düsennadel 14. Die Führung 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit
zumindest einem in den Abstand zwischen Membran 3 und Führung 20 auslaufenden Kanal
21 für Kraftstoff versehen, so daß auf der unteren Fläche der Federmembran 3 der Kraft
stoffdruck lastet.
Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den piezoelektrischen Stapelaktuator 8 dehnt
dieser sich in Richtung der Achse 12 unter Abstützung auf der Madenschraube 11 aus, so
daß er unter Durchbiegung der Federmembran 3 in Richtung nach unten die Ventilnadel
14 mit dem Kopf 15 in Richtung Freigabestellung für die Zumeßöffnung 16 bewegt. Sobald
die Spannung wieder abgeschaltet (oder die Polarität geändert) wird, nimmt der Stapel
aktuator 8 wieder seine ursprüngliche Dimension ein, und die Federkraft der Federmem
bran 3 in Verbindung mit dem auf ihr lastenden Kraftstoffdruck bewirkt eine entspre
chende nach oben gerichtete Bewegung sowohl des Zwischenstücks 10 (falls dieses nicht
mit dem Stapelaktuator verbunden ist) und des Druckstifts 13 als auch der Ventilnadel
14, so daß diese wieder in ihre den Verschluß der Zumeßöffnung 16 sichernde Stellung
gelangt.
Mit der Erfindung ist demgemäß ein gattungsgemäßes Zumeßventil geschaffen, das prak
tisch ohne zusätzlichen Aufwand eine Abdichtung des Betätigungsglieds gegen das zuzu
messende Medium schafft. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß
sie keine die Auslegung und die Wirkungsweise des Ventils im übrigen beeinträchtigen
den Kompromisse erfordert. So ist es beispielsweise, wie in der Zeichnung dargestellt,
möglich, die elektrischen Anschlüsse 9 in einem im Betrieb relativ kühlen Bereich des
Zumeßventils vorzusehen, so daß an die Hitzebeständigkeit der elektrischen Isolation
relativ geringe Ansprüche gestellt werden.
Claims (7)
1. Zumeßventil, insbesondere Kraftstoff-Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine, mit
einer zumindest eine Zumeßöffnung, die mit einer Zuführleitung für unter Druck ste
hendes zuzumessendes Medium verbunden ist, verschließenden bzw. freigebenden, in
einem Ventilgehäuse verschiebbar gelagerten Ventilnadel, an der als ihre Freigabebe
wegung hervorrufendes Betätigungsglied ein unter dem Einfluß eines Feldes zumindest
in einer Richtung seine Abmessung änderndes Bauteil angreift, während die Verschließ
bewegung der Ventilnadel durch Federkraft erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Federkraft durch eine im Ventilgehäuse (1, 2) einen von dem Medium freien, das Betä
tigungsglied (8) enthaltenden ersten Raum (4) gegen einen das Medium enthaltenden
zweiten Raum (5) abdichtende Federmembran (3) erzeugt ist.
2. Zumeßventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmembran (3) zwi
schen zwei axial aufeinanderfolgenden Gehäuseteilen (1, 2) eingespannt ist.
3. Zumeßventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Be
reich der Federmembran (3) zwischen einander in Achsrichtung zugekehrten Enden
von Betätigungsglied (8) und Ventilnadel (14) liegt und mit letzterer verbunden ist.
4. Zumeßventil nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleit
führung (20) für die Ventilnadel (14) in dem zweiten Raum (5) in axialem Abstand von
der Federmembran (3) angeordnet ist.
5. Zumeßventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitführung (20) zu
mindest einen in den Abstand mündenden Kanal (21) für das Medium aufweist.
6. Zumeßventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Ventilgehäuse (1, 2) mit zumindest einem seitlich etwa in Höhe des zweiten Raums
(5) angeordneten Anschluß (19) für die Zufuhr des Mediums versehen ist.
7. Zumeßventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
Betätigungsglied ein piezoelektrischer Stapelaktuator (8) ist.
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